高速列车耦合大系统动力学理论及其实践

大家好
1
报告内容
2
▪ 研究背景 ▪ 理论建模 ▪ 工程实践
研究背景
3
稳定性
舒适性
动力学
可靠性
安全性
高速列车的核心是转向架，转向架核心是动力学
研究背景
4
❖复杂性
——尺度效应：几十毫米几百上千米 ——时间效应：25～30年的服役周期 ——空间效应 ：穿行几千公里
研究背景
5
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 ❖ 悬挂系统的非线性特性
减载率 减载率 减载率
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
0
2
4
6
8
10
时间 /s
1～45m
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
0
2
4
6
8
10
时间 /s
2.5～45m
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
0
2
4
6
8
10
时间 /s
1～2.5m
3. 高速列车外部接口技术
20
❖ 轮轨及线路适应性技术条件
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
3. 高速列车外部接口技术
22
❖ 轮轨及线路适应性技术条件
（4）轨道过渡段合理刚度
区间无碴轨道 K p = 4 0 M N /m
K p = 5 5 M N /m 20个 钢 轨 支 点
轨道刚度过渡段
0.10
0.05
0.00 5
10 15 20 25 30 35 40 45 不 均 匀 沉 降 幅 值 （ mm）
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
24
❖ 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
弓网电气 性能
理论建模
11
❖ 高速列车耦合大系统动力学仿真平台
理论建模
❖ 服役模拟
不平顺 气流 环境
轨道谱
弓网系统 供电系统 机车车辆
传动系统 轨道系统
系统输入 系统建模
12
时变 参数 计算 模型
结构失 效模型
仿真计算
材料失 效模型
稳定性
服
役
平稳性
动
态
安全性
响
应
可靠性
服役仿真计算
服役响应
报告内容
13
▪ 研究背景 ▪ 理论建模 ▪ 工程实践
（2）线路不平顺适应性分析（250km/h)
减载率 减载率
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
5
10
15
20
三角坑波长L /mm
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 10 12 14 16 18 20
三角坑幅值A /mm
单一的高三低角谐坑波的不幅平顺值（（波波长长101m2）.5半m峰）值<1<51.27.m2mmm
理论建模
8
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
首次
空
气
流
场
流固耦合
动
关系
态
响
应
轮轨耦 合关系
弓网耦 合关系
接触网动态响应
高速动车组动态响应
线桥隧动态响应
牵
引
供
机电耦合 电
关系
系
统
响
应
理论建模
9
❖ 高速列车系统动力学模型框架
理论建模
10
❖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 ✓ 桥梁
弓网电接触 特性试验台
弓网材料 匹配
弓网载流摩擦磨 损机理 试验台
3. 高速列车外部接口技术
25
❖ 弓网适应性技术条件
弓网耦合关系
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
❖ 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 电磁环境 噪声
3. 高速列车外部接口技术
单一的水平谐波不平顺（波长12.5m）半峰值<11.7mm
3. 高速列车外部接口技术
21
Байду номын сангаас
❖ 轮轨及线路适应性技术条件
（3）无砟轨道的合理刚度
各项动力学指标的比例系数
1.1
1.0
0.9
0.8
轮轨磨耗指数
0.7
轮轨垂向力
钢轨垂向位移
0.6
钢轨支点压力
0.5
轮重减载率 钢轨动弯应力
0.4
0.3
0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
K p = 7 0 M N /m 20个 钢 轨 支 点
K p = 9 0 M N /m 20个 钢 轨 支 点
K p= 1 1 0 M N /m 20个 钢 轨 支 点
道岔区无碴轨道 K p = 1 3 0 M N /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
报告内容
14
❖高速列车顶层技术参数 ❖高速列车内部接口技术 ❖高速列车外部接口技术
3. 高速列车外部接口技术
15
❖ 高速列车耦合大系统
接触网
流固耦合关系 机电耦合关系
牵引供电所
弓网关系 线路
受电弓 高速列车
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
3. 高速列车外部接口技术
16
3. 高速列车外部接口技术
23
❖ 轮轨及线路适应性技术条件
（5）路基的不均匀沉降
0.30
不 均 匀 沉 降 波 长 20m
0.25
不 均 匀 沉 降 波 长 30m
不 均 匀 沉 降 波 长 40m
L /1000 0.20
以下
0.15
加 速 度 限 值 0.13g
车 体 垂 向 加 速 度 （ g）
18
❖ 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
3. 高速列车外部接口技术
19
❖ 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 ❖ 速度：300km/h ——应严格控制1～3m波长范围的线路不平顺幅值
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
报告内容
6
▪ 研究背景 ▪ 理论建模 ▪ 工程实践
理论建模 系统性
7
接触网
流固耦合关系 机电耦合关系
牵引供电所
弓网关系 线路
受电弓 高速列车
轮轨关系
车间耦合关系 轮轨耦合关系 弓网耦合关系 流固耦合关系 机电耦合关系 环境耦合关系
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❖ 轮轨及线路适应性技术条件
（1）线路平纵断面适应性分析 曲线半径大小 缓和曲线长度
横向平稳性指标
轮轨横向力 /kN
18
16
14
12
10 4000 5000 6000 7000 8000
曲线半径 /m
3.0
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
100
200
300
400
500
缓和曲线长度 /m
3. 高速列车外部接口技术