机车车辆－轨道耦合动力学理论体系及关键技术

代表性研究成果名称

基础类或

应用基础类或基础性类

完成单位

署名排序

本室固定

人员参加数

是否

保密

机车车辆－轨道耦合动力学理论体系及关键技术

应用基础类

1

6

否

中国铁路长期处于超负荷运输状态，其基本特征是，大运量，高密度，客货共线，客运提速，货运重载。这种超负荷运输方式在提高运能的同时严重加剧了机车车辆与线路的动态相互作用，带来了较常规铁路更为突出的轮轨动态安全问题。翟婉明教授研究组在其前期研究基础上，对这一工程科学问题进行了深入研究，取得了系统性研究进展。

（1）完善了机车车辆－轨道耦合动力学理论体系

在前期提出车辆－轨道耦合动力学新理论的基础上，建立并完善了机车车辆－轨道耦合动力学理论体系，包括学术思想、理论模型、求解方法、仿真方法、试验方法及动力性能评价方法等，实现了从动力学模型到数值求解、到动态仿真设计、再到现场试验验证的全过程。系统建立了详细的机车车辆－轨道耦合模型，包括各种典型机车、客车、货车、轨道模型及轮轨动态耦合模型。与国际原有工作相比，主要进展有：①综合考虑了机车车辆和轨道系统动力特性及其相互耦合作用特征；②在轮轨作用模型中摒弃了“钢轨静止不动”、“轮轨均为刚性体”和“轮轨始终保持接触”等3种不合理假设，建立了新型轮轨动态耦合模型，从而更加符合超负荷铁路轮轨动态相互作用的客观实际；③进一步完善了铁路道床参振模型，建立了道床修正模型，解决了散粒体道床振动模拟的国际性难题。

（2）提出了机车车辆与线路最佳匹配设计原理及配套技术

为了解决现代铁路行车速度不断提高、运载重量不断增大所导致的日益加剧的轮轨动态作用安全问题，提出采用系统设计思想实现机车车辆与线路动力性能匹配设计的理念，即在设计过程中不仅仅考虑机车车辆或线路自身系统的动力性能，还必须考察二者之间的动态相互作用影响，如机车车辆对线路的动力作用影响，以及线路设计参数对机车车辆走行性能的影响等。基于机车车辆－轨道耦合动力学理论，以机车车辆和线路整体系统动力性能最优为目标，借助计算机动态仿真技术，进行机车车辆和线路系统结构参数匹配设计，最后进行现场试验评估。其效果是，在满足机车车辆安全性与舒适性前提下，使列车对线路的动力破坏作用最小；在获得轨道结构良好动力性能的同时，提高了列车在线路上的运行品质。

课题组开发研制了与之配套的具有自主知识产权的仿真设计平台—列车与线路系统动态仿真及安全评估装置TTIS-1，开发了列车对轨道结构动力作用仿真系统VICT和列车在线路上运行动态性能仿真系统TTISIM。与此同时，建立了轮轨动态作用安全评估现场测试系统，确保了设计的安全可靠性。

（3）研究解决了铁路实际工程中的一系列关键技术难题

近5年来，该理论及技术被广泛应用于我国铁路机车车辆开发设计、既有铁路提速改造、山区铁路扩能改造、重载运输、客运专线建设等多个重点工程（产品）之中，攻克了一系列工程技术难题，取得了显著的经济社会效益。例如：

① 针对提速机车韶山7E在提速区段内横向振动性能恶化难题，通过悬挂系统关键参数的匹配设计，提出了不改变走行部结构的解决方案，使其提前投入批量生产，成为我国铁路第五次大提速的主型机车之一，满足了陇海铁路、京广铁路提速运用需求。

② 针对提速线路结构薄弱部位的安全隐患，研究揭示了提速列车与道岔、接头、桥头、以及小半径曲线等处动态作用规律和线路变形恶化机理，提出了一系列配套改造技术，成功应用于多种类型铁路安全改造工程，特别是使西南山区铁路小半径曲线路段车速提高30％左右。

③ 在我国第一条无碴轨道试验段（遂渝铁路）工程中，完成了板式、枕式、双块式等新型无碴轨道关键动力参数优化设计及动态安全评估，运营实践证明效果良好。

④ 在广深港高速客运专线重点工程中，首次完成了30‰以上坡度纵断面（跨越珠江段）高速线路设计安全评估；在时速200km福厦铁路重点工程中，与中铁二院共同研究确定了客货混运铁路速度匹配方案及相关设计标准，完成了复杂地形平面与纵断面最佳匹配设计。

以上研究成果及技术方案均被实际工程设计采纳。

本项成果自2003年以来共发表学术论文20余篇，申请国家发明专利2项（已公开），获得软件著作权2项，入选2005年度中国高校十大科技进展，获得2005年国家科技进步一等奖，2006年获长江学者成就奖一等奖（工程科学首次）。