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论文第52卷第7期2007年4月

高速轮轨系统动力学研究体系及其系统建模
张曙光①*金学松②*
(①铁道部运输局,北京100844;②西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031.
*联系人,E-mail:[e-mail],[e-mail])

摘要随着列车运行速度的提高,列车与线路、接触网等固定设备的相互作用加剧,而且受到气流的强
烈作用,传统的车辆系统动力学研究方法已经无法精确描述高速列车的运动特征.提出开展高速轮轨
系统动力学研究,总结分析了高速轮轨系统动力学的研究体系,建立了考虑线路、列车、弓网和气流耦
合的高速轮轨系统动力学模型,并具体给出了各子系统的运动方程和各子系统之间的耦合关系式.在
此基础上,建立考虑广义失效模型的高速轮轨系统动力学模型和服役仿真体系,从而拓展了现有车辆
系统动力学研究的范围和作用.

关键词列车线路接触网系统动力学服役模拟

铁路系统作为目前轨道交通的主体有其运行的传统的车辆系统动力学没有考虑参数的时变特
特殊性,即移动设备(列车)在固定设备(线路、接触网)性和结构失效对轮轨系统响应的影响.因此,本文提
上作可控运行,而移动设备又要受到固定设备状态出基于轮轨系统动力学仿真的服役模拟理念,把广

和空间介质的影响与制约(见图1).随着列车运行速义失效模型(含材料失效、结构损伤和参数蜕化模型)
度的提高,车辆、弓网、轮轨以及和空气的动力作用建立于轮轨系统动力学仿真模型中,形成高速轮轨系
加剧,不仅对动车组和线桥隧的设计、制造(建设)和统的广义动力学模型,实现高速轮轨系统的服役仿真.
运行管理提出了更高要求,同时需要有与高速列车本文首先提出高速轮轨系统动力学的概念和研
运行相适应的车辆系统、轮轨关系、弓网关系和列车究体系,重点建立考虑线路、动车组、弓网和气流耦
气动特性.然而,这一切始于高速和结构振动,动力合的高速轮轨系统动力学模型.在此基础上,建立囊
学问题是根本.铁路以轮轨支撑和滚动接触为特点,括广义失效模型的高速轮轨系统广义动力学模型和
机车车辆上的所有振动几乎都来自线路的扰动和轮服役仿真体系.
轨相互作用以及气流的作用.因此,对高速铁路而言,
1
将传统的车辆系统动力学(vehiclesystemdynamics)高速轮轨系统动力学研究体系
研究拓展到与列车运行相关的因素和领域,全面深高速轮轨系统动力学,其研究特点是要充分考
入地开展高速轮轨系统动力学研究,已势在必行.虑高速列车与线路、接触网和气流的相互作用.因

图1高速轮轨系统

2007-03-01收稿,2007-03-15接受
国家自然科学基金(批准号:50375127,50521503)、国家杰出青年科学基金(批准号:50525518)和教育部博士点基金(批准号:20040613006)
资助项目

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第52卷第7期2007年4月论文

此,这个大系统动力学的研究以轮轨相互作用模型行为,包括基于轮轨黏着的列车运行控制和轮轨黏
为基础,以传统的车辆系统动力学为核心,向上考虑滑振动.只有实现基于轮轨系统动力学的列车牵引/
牵引供电的接触网系统,以及与机车上受电弓的匹制动控制过程,最终才能实现列车运行的自动化控
配关系;向下研究线路,研究车-线的耦合振动问题.制.另外,由于高速列车的气动作用强烈,在列车系
轮轨相互作用研究的理论基础是轮轨接触力学和轮统动力学和弓网系统动力学的研究中,应考虑空气
轨蠕滑理论,而且要考虑车-线耦合状态下的轮轨动动力学的作用,也就是要研究以高速列车和空气气
态相互作用.轮轨相互作用的研究应涉及与轮轨服流为对象的流固耦合动力学问题.
役行为相关的脱轨、黏着、滚动接触疲劳和摩擦磨损因此,高速轮轨系统动力学不仅要研究移动设
的机理研究.由于路基线路与桥上线路的结构不同,备的运动,还要考虑与固定设备和空气介质的相互
则模型、研究方法和研究内容不同,因此,车-线耦合作用,形成具有高速特征的线路-车辆-受电弓-接触
动力学就分别形成为列车-线路耦合动力学和车-桥网-气流耦合系统动力学.具体的高速轮轨系统动力
耦合动力学,研究列车-线-桥的耦合振动,特别是耦学体系结构和相互关系如图2所示.
合效应和高速运行条件下的高频动态行为.2高速轮轨系统动力学模型
对于高速轮轨系统动力学的核心内容——车辆对于高速轮轨铁路大系统来说,它是由柔性体
系统动力学,它主要考虑的三要素为运动稳定性、运(接触网)、多刚体(主要指机车车辆结构)、连续弹性
行平稳性和安全性.为了提高车辆的动力学性能,要体(钢轨)、离散体(枕木)、非规则碎散堆积体(石碴道
考虑车辆性能的主动控制,主动控制的过程模拟和床)和土结构(路基)组成的