高速列车耦合大系统动力学理论及其实践

3.高速列车外部接口技术
弓网适应性技术条件
弓网耦合关系
27
接触网波动
Cp
Tc
lc

c vc
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3. 高速列车外部接口技术
弓网适应性技术条件
弓网耦合关系
理论建模
高速列车系统动力学模型框架
9
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理论建模
仿真平台结构
——子结构方法
气流 供电站 接触网 受电弓 车辆 牵引传动 钢轨 轨道板
3. 高速列车外部接口技术
轮轨及线路适应性技术条件
（3）无砟轨道的合理刚度
1.1
21
各项动力学指标的比例系数
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
轮轨磨耗指数 轮轨垂向力 钢轨垂向位移 钢轨支点压力 轮重减载率 钢轨动弯应力
SELF-ASSESSMENT REPORT FOR THE ASSESSMENTΒιβλιοθήκη BaiduOF UNDERGRADUATE TEACHING
报告内容
研究背景
6
理论建模
工程实践
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无砟轨道轨下基础刚度（kN/mm）
高速客运专线无砟轨道结构轨下基础的合理刚 度范围应该在20~30kN/mm
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3. 高速列车外部接口技术
轮轨及线路适应性技术条件
（4）轨道过渡段合理刚度
不均匀沉降幅值（mm）
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路基的不均匀沉降幅值限制L/1000在以下
3. 高速列车外部接口技术
弓网适应性技术条件
弓网耦合关系
车电耦合关系
弓网动力 学性能
弓网系统动力 学性能模拟试 验台
24
弓网电气 性能
弓网材料 匹配
弓网电接触 特性试验台
弓网载流摩擦 磨损机理 试验台
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3. 高速列车外部接口技术
弓网适应性技术条件
弓网耦合关系
25
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理论建模 系统性
接触网
7
流固耦合关系 机电耦合关系
弓网关系
受电弓
高速列车 牵引供电所 线路 轮轨关系
车间耦合关系 流固耦合关系
轮轨耦合关系 机电耦合关系
弓网耦合关系 环境耦合关系
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1.0
1.0 0.8
20
0.8
减载率
0.6 0.4 0.2 0.0
减载率
0.6 0.4 0.2 0.0 10
5
10
15
20
12
14
16
18
20
三角坑波长L /mm
三角坑幅值A /mm
单一的高低谐波不平顺（波长 10m ）半峰值 <12.2mm 三角坑的幅值（波长 12.5m ） <15.7mm 单一的水平谐波不平顺（波长 12.5m ）半峰值<11.7mm SELF-ASSESSMENT REPORT FOR THE ASSESSMENT OF UNDERGRADUATE TEACHING
0× 速 450 1. 线波 触 接 速 9× 400 0. 接触线波 线 接触 波速
波速利用率
0.6~0.75
350 300 250 200
速 0.8× 线波 触 接 0.7×
30kN，>0.7
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
接触线张力（kN）
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3. 高速列车外部接口技术
弓网适应性技术条件
弓网耦合关系
弓网优化
京津城际接触网
29
弓网基本参数
接触网系统改造 张力；吊弦布置； 受电弓参数改造
TSG19受电弓
双弓间距、弓头悬挂 刚度、质量、阻尼； 静态抬升力等
跨距；悬挂形式；
材质及截面形式等
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电磁环境
噪声
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3. 高速列车外部接口技术
轮轨及线路适应性技术条件
（1）线路平纵断面适应性分析
轮轨横向力 /kN
18 16 14 12 10 4000
17
曲线半径大小 缓和曲线长度
理论建模
服役模拟
弓网系统 不平顺 结构失 效模型 稳定性 服 役 动 态 响 应 平稳性
12
供电系统
气流 机车车辆
环境
轨道谱 传动系统
时变 参数 计算 模型
仿真计算
材料失 效模型
安全性
可靠性
轨道系统
系统输入
系统建模
服役仿真计算
服役响应
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19
速度：300km/h
——应严格控制1～3m波长范围的线路不平顺幅值
1.0 0.5
1.0 0.5
1.0 0.5
减载率
减载率
减载率
0 2 4 6 8 10
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 0 2 4 6 8 10
0.0 -0.5 -1.0 -1.5
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 0 2 4 6 8 10
3. 高速列车外部接口技术
高速列车耦合大系统
接触网
15
流固耦合关系 机电耦合关系
弓网关系
受电弓
高速列车 牵引供电所 线路 轮轨关系
轮轨耦合关系
流固耦合关系
弓网耦合关系
机电耦合关系
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3. 高速列车外部接口技术
弓网适应性技术条件
弓网耦合关系 高速化350380km/h
长大编组提高运能 双弓受流保证电力
26
双弓受流问题
Catenary
Rear pantograph
Front pantograph Space
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10
桥梁
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理论建模
高速列车耦合大系统动力学仿真平台
11
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牵引动力国家重点实验室
高速列车耦合大系统动力学 理论及其实践 张卫华
西南交通大学
报告内容
研究背景
2
理论建模
工程实践
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研究背景
3
稳定性 动力学 可靠性
舒适性
轮轨及线路适应性技术条件
（1）线路平纵断面适应性分析
纵断面变坡点设计
18
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3. 高速列车外部接口技术
轮轨及线路适应性技术条件
（2）线路不平顺适应性分析
速度：250km/h ——应严格控制1～2.5m波长范围的线路不平顺幅值
理论建模
高速列车耦合大系统服役仿真
列车行为 耦合作用 服役过程
8
首次
接触网动态响应
弓网耦 合关系
空 气 流 场 动 态 响 应
流固耦合 关系
高速动车组动态响应
轮轨耦 合关系
机电耦合 关系
牵 引 供 电 系 统 响 应
线桥隧动态响应 SELF-ASSESSMENT REPORT FOR THE ASSESSMENT OF UNDERGRADUATE TEACHING
3. 高速列车外部接口技术
轮轨及线路适应性技术条件
线路平纵断面适应性分析 线路不平顺适应性分析 车轮和钢轨及线路缺陷（沉降）适应性分析 线路刚度匹配和适应性分析
16
弓网适应性技术条件
弓网耦合关系 车电耦合关系
环境适应性技术条件
横风安全性 温度环境 雨雪环境
安全性
高速列车的核心是转向架，转向架核心是动力学
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研究背景
复杂性
——尺度效应：几十毫米几百上千米
4
——时间效应：25～30年的服役周期
——空间效应 ：穿行几千公里
5000
6000
7000
8000
曲线半径 /m
3.0
横向平稳性指标
2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 100 200 300 400 500
缓和曲线长度 /m SELF-ASSESSMENT REPORT FOR THE ASSESSMENT OF UNDERGRADUATE TEACHING
3. 高速列车外部接口技术
22
区间无碴轨道
轨道刚度过渡段
道岔区无碴轨道
Kp =40 MN/m
Kp =55 MN/m 20个钢轨支点
Kp =70 MN/m 20个钢轨支点
Kp =90 MN/m 20个钢轨支点
Kp=110 MN/m 20个钢轨支点
Kp =130 MN/m
轨道刚度过渡段动力学评价指标：轨下基础刚度差引起的钢轨挠度 变化率应控制在 0.3mm/m 以下 SELF-ASSESSMENT REPORT FOR THE ASSESSMENT OF UNDERGRADUATE TEACHING
报告内容
研究背景
13
理论建模
工程实践
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报告内容
高速列车顶层技术参数
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高速列车内部接口技术
高速列车外部接口技术
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700 650 600
最大运行速度（km/h）
Fc0=70N Fc0=80N Fc0=90N Fc0=100N Fc0=110N Fc0=120N Fc0=130N Fc0=140N Fc0=150N Fc0=160N Fc0=170N Fc0=180N Fc0=190N Fc0=200N
28
550 500
3. 高速列车外部接口技术
轮轨及线路适应性技术条件
（5）路基的不均匀沉降
0.30 0.25
23
不均匀沉降波长20m 不均匀沉降波长30m 不均匀沉降波长40m
L /1000
车体垂向加速度（g）
0.20
以下
0.15
加速度限值0.13g
0.10
0.05
0.00 5 10 15 20 25 30 35 40 45
时间 /s
时间 /s
时间 /s
2.5～45m 1～SELF-ASSESSMENT 45m 1～2.5m REPORT FOR THE ASSESSMENT OF UNDERGRADUATE TEACHING
3. 高速列车外部接口技术
轮轨及线路适应性技术条件
（2）线路不平顺适应性分析（250km/h)
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研究背景
车辆系统的非线性因素
轮轨非线性几何关系 轮轨接触非线性蠕滑力
5
悬挂系统的非线性特性
外部激扰的随机性因素
线路不平顺的随机激扰 地震、风载等外部扰动