國際鐵道車輛系統(tǒng)動(dòng)力研究新進(jìn)展

瑞士Bombar山er公司，研究了采用耦合輪對(duì)機(jī)車轉(zhuǎn)向架的曲線通過和穩(wěn)定性優(yōu)化問題。眾所周知，在傳統(tǒng)的車輛設(shè)計(jì)中，曲線通過和穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾。研究人員曾采用多種方法試圖同時(shí)提高這2種基本性能，該文針對(duì)機(jī)車輪對(duì)要傳遞牽引力的情形，開發(fā)了一種輪對(duì)交叉耦合機(jī)構(gòu)，可以分離輪對(duì)導(dǎo)向和牽引力傳遞功能，并在瑞士聯(lián)邦鐵路公司460系列機(jī)車上成功應(yīng)用，其車輪旋削周期較以前延長3倍一4倍。
美國運(yùn)輸技術(shù)中心(TTCl)H．Wu研究了貨車轉(zhuǎn)向架心盤摩擦對(duì)曲線通過和橫向穩(wěn)定性的影響，并對(duì)目前采用的心盤潤滑材料進(jìn)行了評(píng)價(jià)。主要結(jié)果如下：(1)在正常的車輛和軌道狀態(tài)下，心盤潤滑條件對(duì)輪軌橫向力影響很小；
(2)對(duì)于采用滾動(dòng)接觸旁承(RSB)的貨車而言，心盤摩擦因數(shù)對(duì)車輛橫向穩(wěn)定性有重要影響，為了降低貨車蛇行危險(xiǎn)，心盤摩擦因數(shù)最小不能低于0．3；
(3)常接觸旁承(CCSB)可以有效地改善貨車橫向穩(wěn)定性，于采用常接觸旁承的貨車來說，心盤摩擦對(duì)車輛失穩(wěn)速度影響很小；
(4)仿真結(jié)果顯示，常接觸旁承較滾動(dòng)接觸旁承平均提高蛇行失穩(wěn)速度約16km凡；(5)聚酯作為心盤摩擦材料具有良好的應(yīng)用前景。
此外，澳大利亞昆士蘭中央大學(xué)的Y．Handoko等利用VAMPIRE軟件首次研究了非對(duì)稱制動(dòng)力對(duì)貨車曲線通過性能的影響。他們簡單地采用正負(fù)搖頭力鐵道車輛 第42卷第1期2004年1月矩來模擬非對(duì)稱制動(dòng)力的作用。結(jié)果表明，貨車通過曲線時(shí)若施加負(fù)的搖頭力矩將增大沖角和輪軌橫向力，不利于曲線通過。
2車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究進(jìn)展
車輛非線性運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性屬于理論性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域，甚至涉及渾沌、分叉等深層次概念。近2年國際上對(duì)此專題的研究仍以理論研究為主，但出現(xiàn)了一些新觀點(diǎn)，如曲線上的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、軌道體系對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響等。
丹麥工業(yè)大學(xué)H．True等在轉(zhuǎn)向架非線性運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及分叉研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了具有干摩擦懸掛阻尼貨車輪對(duì)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性問題。
澳大利亞F．Xia和丹麥工業(yè)大學(xué)H．Tme研究了三大件式貨車轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)問題，其主要特點(diǎn)是考慮了楔塊二維干摩擦特性(以前均簡化為一維問題)，計(jì)算出了三大件式貨車轉(zhuǎn)向架的線性和非線性臨界速度分別為102．6km凡和73．8km凡。計(jì)算結(jié)果說明三大件式貨車轉(zhuǎn)向架呈現(xiàn)渾沌運(yùn)動(dòng)。
澳大利亞Y．Q．Sun等強(qiáng)調(diào)在貨車蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算中考慮軌道離散支承模型的重要性。結(jié)果表明，考慮粘彈性軌道模型計(jì)算得出的蛇行失穩(wěn)臨界速度要低于不考慮軌道模型(即“剛性”軌道)之值，一般低10％以下。值得指出的是，這一工作早在2年前已由中國西南交通大學(xué)完成[：，引。他們采用車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)方法求解車輛臨界速度，其結(jié)果是，采用中國的鐵路參數(shù)，車輛臨界速度差異在8％以下(考慮實(shí)際軌道彈性結(jié)構(gòu)時(shí)臨界速度更低)，結(jié)果是類似的。該項(xiàng)研究結(jié)果對(duì)經(jīng)典的車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法(不考慮軌道結(jié)構(gòu)彈性)中車輛臨界速度的計(jì)算提出了質(zhì)疑。因?yàn)榻?jīng)典方法會(huì)過高地估計(jì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性，因而是偏于危險(xiǎn)的。
德國DLR的J．Arn01d等探討了考慮車輪彈性對(duì)鐵道車輛運(yùn)行性能的影響，認(rèn)為輪對(duì)結(jié)構(gòu)彈性會(huì)導(dǎo)致較剛性輪對(duì)更大的橫向振幅，因而也會(huì)影響到整車的運(yùn)行性能。
波蘭華沙技術(shù)大學(xué)K．noinski等認(rèn)為，考慮鐵道車輛在曲線軌道上的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性是必要的。而在此之前人們研究車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題一般是針對(duì)直線軌道上車輛自激振動(dòng)橫向穩(wěn)定性，曲線軌道(半徑及超高等)被認(rèn)為是一種外界激擾源而抑制了自激振動(dòng)，因此該文必將引起一定爭論。
德國G．Schupp從理論上討論了機(jī)械系統(tǒng)數(shù)值分叉分析方法在鐵道車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性中的應(yīng)用可能性。

3．2國外應(yīng)用情況
紐約地鐵l 080節(jié)新車廂，每年補(bǔ)充200節(jié)新車廂；美國、加拿大、南非等國重載貨物列車數(shù)千輛；美英國道比AEA鐵路技術(shù)公司J．R．Evans等針對(duì)近年來英國鐵路愈來愈嚴(yán)重的輪軌滾動(dòng)接觸疲勞(RCF)問題，從車輛動(dòng)力學(xué)角度分析RCF產(chǎn)生的原因及防止途徑。首先開展了準(zhǔn)靜態(tài)曲線通過仿真分析，給出了車輛懸掛設(shè)計(jì)、輪軌踏面、潤滑及車速等因素對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響關(guān)系；其次，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，這更有助于確定引起RCF的接觸條件，并可分析軌道幾何不平順對(duì)RCF的影響。
南非SPOORNET的R．Frohling等從理論分析和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)方面介紹了大軸重(30t)條件下車輪踏面磨耗及滾動(dòng)接觸疲勞問題。該項(xiàng)研究主要是結(jié)合在瑞典運(yùn)營的新型貨車UNO所出現(xiàn)的車輪磨耗嚴(yán)重及踏面剝離損傷問題而開展的理論分析工作，最后提出了對(duì)車輪型面重新設(shè)計(jì)的方案。
此外，法國J．B．Ayabse和H．C1＼011et對(duì)半赫茲條件下輪軌接觸斑的求解方法進(jìn)行了研究。英國I．Persson等采用遺傳算法對(duì)鐵路車輪型面進(jìn)行了優(yōu)化，并認(rèn)為該方法可以用于鋼軌斷面優(yōu)化及輪軌型面匹配研究。
4 車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)其他領(lǐng)域研究進(jìn)展
在本屆國際會(huì)議上尚有其他一些與車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)的論文進(jìn)行了宣讀、交流，主要包括車輛懸掛(主動(dòng))、弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)及車輛空氣動(dòng)力學(xué)等幾個(gè)方面。相對(duì)而言，這些方面的論文數(shù)量較少，但也展示了鐵路車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究中的一些新問題。
4．1 車輛懸掛
日本M．Adac山為了同時(shí)提高車輛曲線通過性能和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，在車輛二系懸掛中增加了輔助彈簧(橫向彈簧)，采用VA朋PIRE軟件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，結(jié)果顯示，該措施可以減小高速曲線通過時(shí)車體穩(wěn)態(tài)橫向加速度。
中國西南交通大學(xué)鄔平波等采用柔性車體模型并
考慮半主動(dòng)懸掛研究了客車的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。車體模型考慮了一階垂彎、一階橫彎和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，車輛其他部件仍視為剛體。計(jì)算比較了剛體和柔性車體模型下車體的垂向、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，并利用滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了半主動(dòng)懸掛試驗(yàn)。
日本H．nunashima等試圖采用二系主動(dòng)懸掛來改善A(>T(自動(dòng)軌道運(yùn)輸)車輛的乘坐舒適性。采用Ho控制理論實(shí)現(xiàn)橫向力的主動(dòng)控制，仿真結(jié)果顯示A(訂車輛乘坐舒適性可以得到明顯提高。
4．2 弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)
瑞典P．Harell等針對(duì)多受電弓受流情形，研究了接觸網(wǎng)區(qū)段疊合(圖8)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)的影響，此項(xiàng)研究此前未見報(bào)道。接觸網(wǎng)疊合區(qū)
意大利S．Bru山等討論了受電弓—接觸網(wǎng)系統(tǒng)的中頻、高頻動(dòng)態(tài)相互作用，主要分析了弓網(wǎng)接觸力與離線之間的關(guān)系、吊桿對(duì)接觸力的影響以及接觸導(dǎo)線不規(guī)則磨耗的成因等問題。
4．3 空氣動(dòng)力學(xué)
意大利F．Cheli等采用數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了給定風(fēng)場下作用于鐵道車輛車體上的空氣動(dòng)載荷及其相應(yīng)的車輛響應(yīng)。
日本鐵道綜合技術(shù)研究所M．Suzuh等采用運(yùn)行試驗(yàn)和數(shù)值分析方法研究了列車在隧道中運(yùn)行時(shí)車輛振動(dòng)與空氣動(dòng)作用力的相互作用，以及減輕空氣動(dòng)力所導(dǎo)致的附加振動(dòng)的對(duì)策。
5 車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究展望
綜上所述，近2年來國際上鐵道車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展顯著，特別是在提高車輛曲線通過性能、提高車輛運(yùn)行穩(wěn)定性和解決車輛微道相互作用實(shí)際問題等方面研究十分活躍，研究出許多新方法和新技術(shù)。結(jié)合這些研究進(jìn)展，筆者認(rèn)為今后在以下方面將會(huì)引國際鐵道車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究新進(jìn)展 翟婉明起普遍關(guān)注并得到進(jìn)一步發(fā)展：
(1)隨著列車向快速化及高速化方向發(fā)展，綜合解決車輛直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和曲線通過性能的方法、途徑和技術(shù)措施將會(huì)繼續(xù)成為廣大鐵路研究人員研究的熱點(diǎn)之一。
(2)主動(dòng)控制技術(shù)是改進(jìn)鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行品質(zhì)的有效方法，在鐵路發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用。然而，隨著鐵路運(yùn)輸與航空、公路運(yùn)輸競爭的進(jìn)一步激化，不斷提高列車運(yùn)營速度并同時(shí)提高乘坐舒適性已成為現(xiàn)代鐵路追求的目標(biāo)。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的手段在很大程度上便是采用先進(jìn)的主動(dòng)控制技術(shù)。因此，這一領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。
(3)輪軌接觸理論研究已日臻完善，而輪軌運(yùn)輸系統(tǒng)中由于輪軌滾動(dòng)接觸而產(chǎn)生的問題越來越多。因此，如何合理運(yùn)用輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(車輛做道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué))理論研究解決這些實(shí)際問題(如輪軌不規(guī)則磨耗、滾動(dòng)接觸疲勞問題)，必將成為本領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方面，而要解決不規(guī)則的輪軌磨耗難題，需要發(fā)展同時(shí)考慮車輛俄道高頻相互作用和損傷機(jī)制的綜合模型。
(4)車輛微道相互作用研究已越來越能反映鐵路中的各種實(shí)際因素，今后將進(jìn)一步走向?qū)嶋H工程應(yīng)用，如高速(快速)鐵路橋頭過渡段軌道設(shè)計(jì)、大軸重貨車對(duì)線路的動(dòng)力作用研究、輪軌磨損及軌道沉陷預(yù)測、車輛櫬道動(dòng)態(tài)相互作用脫軌研究及安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)確定等。
(5)高速列車運(yùn)行過程中(特別是通過隧道時(shí))空氣動(dòng)力效應(yīng)對(duì)車輛振動(dòng)性能的影響問題已日益受到人們的關(guān)注，是進(jìn)一步改善乘坐舒適性(包括降低噪聲)不可回避的研究課題。
(6)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)已在國際車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了極大效用。各種車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件日益成熟。我國應(yīng)注意這一趨勢，組織開發(fā)各種大型通用動(dòng)力學(xué)軟件，為機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化提供科學(xué)工具。與此同時(shí)，必須重視仿真軟件的試驗(yàn)驗(yàn)證，只有經(jīng)過廣泛驗(yàn)證的軟件才能用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。