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高速车辆脱轨非线性动力学及其动态仿真

王伟  
【摘要】: 我国内陆深广、人口众多,高速铁路高效、快捷运输方式最有利于解决大规模人口流动。高速铁路的发展促进了国民经济,带动了沿线城市间的经贸交流,标志着一个国家科技发展水平和自主创新能力。 高速铁路是对常规铁路的突破和挑战,由于车辆速度的提高,轮轨间动力学问题愈显突出,不仅影响乘客乘车舒适度,也会引发车辆脱轨的安全事故。高速车辆脱轨会造成更大的人员伤亡和财产损失,由于高速轮轨强烈的动态及耦合作用,高速条件下脱轨与低速条件下有很大的不同,目前高速动态脱轨研究还处在起步阶段,研究高速车辆脱轨动力学问题迫在眉睫。本文针对高速车辆脱轨行为开展了研究,建立了适合脱轨分析的高速车辆轨道耦合动力学模型,研制了高速车辆动态脱轨仿真系统,研究高速车辆动态脱轨行为及其非线性动力学行为等问题。 脱轨是车辆极端动力学行为,在脱轨过程中轮对运动状态十分丰富,轮轨间存在着复杂接触状态,需要建立适合脱轨分析的轮轨耦合精确动力学模型。在轮轨接触几何模型中,改进三维轮轨迹线算法求解不同线路、不同接触状态下轮轨接触几何参数;在建立轮轨蠕滑力模型中,通过分析常见蠕滑力模型不适合脱轨蠕滑力计算,基于O.Polach改进后新模型进行了脱轨蠕滑力分析;在轮轨法向力模型中,根据轮轨接触区的划分,在轮缘接触区使用有限元软件LS-DYNA精确计算轮轨接触法向力,通过与Hertz理论结果对比提出法向力修正系数,修正Hertz理论在轮缘接触区的法向力误差。高速车辆的动力学模型增加了车辆悬挂系统的非线性因素以及由于速度和蠕滑状态引起的摩擦系数变化,在此基础建立了31个自由度的车辆轨道耦合动力学脱轨模型。 仿真是进行脱轨研究的重要手段,基于高速车辆轨道耦合动力学模型,研制出高速车辆动态脱轨仿真系统,给出了仿真系统总体结构划分和关键轮轨接触子系统的计算流程。通过分析爬轨阶段的特征量和轮轨碰撞跳轨的临界速度,提出了预判脱轨发生的两个临界条件和脱轨判断子系统的实现算法。在对各个仿真子系统研制基础上,设计了高速车辆动态脱轨仿真系统的计算流程和功能实现。基于高速车辆动态脱轨仿真系统,得出了动态爬轨、跳轨的发生过程,影响脱轨的关键因素,提出不同参数下脱轨发生的边界条件和车辆安全行驶条件,将脱轨事故按原因归纳为三类,给出相应的预防措施。 高速车辆非线性因素在动力学中作用更加明显,需要完善车辆系统的非线性动力学分析。轮对是车辆走行的关键部件,针对高速轮对建立了动力学方程,计算分析了轮对运动稳定性和失稳临界速度,研究辨识车辆系统不同Hopf分岔类型的算法,分析了脱轨过程中轮轨碰撞和轨面不平顺激励对车辆非线性动力学行为的影响,绘制了车辆系统分岔全图。轮对在非线性失稳后可能导致跳轨脱轨,研究了非线性跳轨的特性及预测评判方法。 高速车辆动态脱轨仿真系统需要进行验证才能确保仿真结果的可靠性,通过测试车辆动力学仿真的曼彻斯特考题和通用车辆动力学软件Adams/rail,验证了仿真系统对车辆一般动力学行为的计算,根据秦沈线路试验报告,进一步验证仿真系统在直线段和曲线段模拟的车辆动力学行为。由于车辆非线性动力学试验和脱轨试验实施困难,通过对比现有车辆滚振试验台报告,验证了仿真系统对车辆非线性动力学和脱轨的模拟。本文最后对高速车辆动态脱轨仿真系统进行了应用扩展,结合国外脱轨事故报告,辨识了动力型脱轨事故的主要原因,分析了双车辆连接的动力学模型计算。


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