机车车辆动力学理论与应用研究

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

机车车辆动力学理论与应用研究

应用基础类

1

26

否

我国铁路客运和货运能力的不足已严重制约着国民经济和社会的发展，因此铁路提速和发展高速重载运输是铁路实现跨越式发展的迫切需要，而提高机车车辆的技术水平，特别是改进其走行部即转向架的性能，是首当其冲的核心问题。走行部结构设计、性能设计和性能试验研究是核心技术，都以系统动力学理论为基础。围绕铁路提速和高速重载列车的研究，试验室先后承担了国家攻关项目、国家自然科学基金项目和铁道部科技发展计划项目10多项，系统开展了机车车辆系统动力学理论和应用研究，构建起设计－分析－试验闭环关系的机车车辆动力学性能研究体系。进行新型机车车辆的创新研究，从结构上有效提高机车车辆动力学性能。在提出机车车辆动力学参数测定和性能测定的试验方法和试验标准的基础上，建立相应的机车车辆整车试验装备，实现机车车辆动力学参数测定、性能测定和系统优化。为我国铁路提速和高速重载及机车车辆自主创新做出了重要贡献。

（1）提出机车车辆设计－分析－试验闭环研究体系

新型机车车辆的研发过程必须经过方案设计、动力学分析、参数设计、结构设计、制造和试验等过程。在以往的研究中，设计、动力学研究、生产和试验过程相对独立，产品的性能特别是动力学性能难以保证，性能无法得到优化。本研究根据机车车辆研制过程的特点和牵引动力国家重点实验室在设计、分析和试验方面的优势，围绕机车车辆动力学性能，提出了设计－分析－试验的闭环研究体系，把动力学研究融合到方案和结构设计中，使结构和动力学参数设计实现统一；在试验上，把动力学参数的测定和动力学性能测定相结合，使分析参数与性能的关系成为可能；最后根据测定的动力学参数和性能，回到结构设计和动力学模型之中，通过修改结构和参数，实现产品结构和参数的优化，提高机车车辆的动力学性能。

（2）机车车辆系统动力学研究取得重要进展

1）列车系统动力学仿真新方法

对高速列车，特别是万吨级重载列车，由于列车编组长，车间耦合复杂，进行列车系统的建模十分烦琐，而且计算耗时，计算容量也会受到限制。本成果提出了基于循环变量的列车动力学仿真计算新方法，新的积分方法不仅大大简化了列车系统建模，同时也在计算上突破了对计算容量的制约，实现重载长大列车和高速列车系统的动态模拟。并研制出具有达到商业化程度的列车系统动力学仿真软件TPLTrain，可进行任意车辆数和动拖车编组的动力学计算，包括稳定性、平稳性和曲线通过性能。

2）机车车辆系统非线性稳定性研究

提出了机车车辆线性、非线性和实际临界速度的概念及其计算方法和在滚动振动试验台上的试验测试方法，来进行机车车辆系统蛇行运动稳定性的判定。系统地研究了机车车辆系统和列车系统在直线和大半径曲线轨道上的平衡位置稳定性、Hopf分叉及其极限环，详细分析了单节车辆和列车系统运动稳定性能的差异和规律，深入研究了曲线半径和外轨超高以及列车编组对临界速度的影响。

3）摆式列车机电耦合系统动力学研究

建立了由多节动车和拖车组成的摆式列车机电耦合系统非线性数学模型，该模型包括车辆子系统、车间连接子系统、弓网子系统、倾摆控制和机电作动器子系统以及制动防滑控制子系统。研究了摆式列车曲线信号的检测方法、倾摆控制指令生成方法和倾摆控制规律以及头车倾摆控制信号延时的补偿问题。对摆式列车径向转向架、曲线通过动力学、车体扭转振动对倾摆控制性能的影响、道岔通过性能、弓网耦合振动、受电弓横向（倾摆）被动和主动控制等进行了深入分析，为我国摆式列车的研制打下了理论基础。

4）机车车辆刚柔耦合振动研究

为了实现机车车辆运行过程的精确模拟，采用动力学软件和有限元软件耦合计算的方法，实现了计及车体和转向架构架弹性的机车车辆运行仿真，使模拟仿真结果更加精确。通过研究，给出了车体弹性振动各模态共振速度的定义和计算公式。分析了由于车体弹性振动影响导致的车体中部和端部振动响应的差别，提出了可采用半主动悬挂来减小车体弹性振动的措施。

5）转向架驱动制动系统动力学研究

建立了转向架驱动系统动力学模型，对牵引电机轴恳、架悬、全体悬和半体悬等方式以及驱动装置悬挂参数对机车或动车系统动力学性能的影响进行了深入分析，提出了驱动装置等效刚度的概念。通过建立制动防滑控制模型，深入研究了列车制动过程中轮对的抱死过程和防滑控制以及粘滑颤振，分析了颤振对制动防滑控制以及车辆系统振动的影响。

（3）机车车辆设计理论和关键部件创新设计

1）机车车辆转向架先进设计理念

应用矛盾论和相对论的哲学思想，有效解决了机车车辆在稳定性与曲线通过能力、车轮导向与磨耗、舒适度和轮重减载等矛盾；同时利用对立和统一关系，通过特殊的结构实现矛盾的统一。在分析结构、参数和工艺对机车车辆动力学性能和可靠性性能的影响因素的基础上，采用优先原则，实现了结构、参数和工艺的和谐统一关系。

2）新型转向架技术创新

应用机车车辆动力学研究理论和转向架设计理念，进行转向架结构的创新设计，主要创新成果有：

l  径向转向架技术——为了改善车辆的曲线通过性能，同时保证良好的蛇行稳定性，根据不同的运用条件，进行了自导向径向转向架和迫导向径向转向架的创新设计，并在我国内燃机车和韩国摆式列车中得到成功应用。

l  摆式列车倾摆技术——为了实现既有线路列车提速，对摆式列车倾摆转向架、倾摆装置和受电弓倾摆机构进行了创新研究和设计，成果也应用到韩国电动摆式列车中。

l  耦合轮对和独立轮对转向架技术——为了实现小半径曲线的无磨耗通过，在理论上探讨了耦合轮对转向架技术，提出了不同运行曲线半径的前后轮对最佳耦合度，并把独立轮对技术应用到大连低地板轻轨列车上。

l  高速动车和拖车转向架技术——应用先进的双空心轴传动和电机弹性悬挂技术，解决了高速和强振动情况下牵引电机和轮对的振动传递等问题。

l  快速货车转向架技术——为了实现货车的高速运行和获得良好的运行品质，同时顾及货车转向架结构简单和成本低廉的要求，通过一系和二系悬挂刚度合理分配，实现了转向架良好的动力学性能，同时大大简化转向架结构。本成果形成的快速货车转向架试验运行速度达到180km/h。

（4）高速动车组转向架技术引进消化吸收再创新研究

围绕我国200km/h及以上等级动车组的引进，进行转向架技术的消化吸收再创新研究，为我国铁路第6次大提速提供了技术保障，提高了我国转向架技术的研发能力和自主创新能力。

1）悬挂系统技术分析

对车辆两系悬挂静挠度的分配问题及对车辆系统振动性能的影响进行了深入分析，研究了二系悬挂空簧的二点、三点和四点支撑技术和有无抗侧滚扭杆对车辆动力学性能的影响。

2）动力学性能技术分析

进行了高速动车组动力学性能研究和参数优化，开展了特殊的车间耦合减振技术的研究。完成了200km/h动车组转向架的滚动振动试验台动力学性能试验研究，以及车体刚体模态（悬挂模态）和转向架构架结构模态的测定。

3）运行适应性及安全性分析

针对我国不同线路结构和不同线路谱激扰，进行了动车组的运行安全性分析，主要包括蛇行运动稳定性和脱轨安全性。并着重分析了轨道不平顺对轮重减载率的影响，提出了对轨道不平顺的限值要求。研究了车轮踏面形状和轮背内侧距对我国线路条件的动态适应性。进行了动车组线路运行轮轨磨耗的跟踪测试。

（5）机车车辆试验方法和试验装备的创新研究

围绕机车车辆整车动力学性能试验，不仅研制了目前世界上惟一的通过左右轮差速实现曲线通过模拟的机车车辆六轴滚动振动试验台，与此配套，还研制了我国第一个集轮重、车体重心和转动惯量测定以及装备条件下转向架悬挂参数测定为一体的机车车辆整车综合参数测定试验台。与此同时，围绕机车车辆参数测定和动力学性能台架试验，提出了相应的试验方法和试验标准。

1）机车车辆整车六轴运行模拟试验台

通过不断进行试验技术的创新，完成对原四轴滚动振动试验台的改造和扩建，使试验台满足六轴机车车辆的模拟试验，试验台的功能和试验能力得到大幅提高。

2）机车车辆动力学性能台架试验方法

提出了世界上第一部机车车辆动力学性能台架试验方法的标准。除了对机车车辆动力学性能三要素——运动稳定性、运行平稳性和曲线通过试验提出了具体试验方法以外，同时第一次在我国对机车车辆悬挂自振特性和车体的振动模态试验提出了具体的试验方法和评判要求。

3）试验用轨道谱的确定

针对机车车辆整车滚动振动试验台的激振能力和特点，根据我国轨道状态并利用铁道科学研究院的线路试验数据，整理出的试验台用轨道谱分为普通线路谱和干线谱，并进行了试验台试验和线路运行试验的对比验证。

4）机车车辆动力学试验研究

自2003年以来，利用机车车辆运行模拟试验台，完成了21个机车车辆动力学性能试验（见附件12），包括蛇行稳定性和运行平稳性的测定、不同参数的优化试验以及故障模拟试验，提出了有价值的建议和改进措施。

在机车车辆动力学理论与应用研究方面，独立完成的研究成果“铁道机车车辆动力学研究应用体系”2005年获四川省科技进步一等奖，“铁道机车车辆走行部理论研究与应用”2006年获国家科技进步二等奖，参加的研究成果“东风4D系列内燃机车” 2003年获国家科学技术进步二等奖。本成果形成标准一部，获得发明专利授权2项，软件登记2项。