國際鐵道車輛系統(tǒng)動力研究新進展

瑞士Bombar山er公司，研究了采用耦合輪對機車轉(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)計中，曲線通過和穩(wěn)定性是一對矛盾。研究人員曾采用多種方法試圖同時提高這2種基本性能，該文針對機車輪對要傳遞牽引力的情形，開發(fā)了一種輪對交叉耦合機構(gòu)，可以分離輪對導(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。
美國運輸技術(shù)中心(TTCl)H．Wu研究了貨車轉(zhuǎn)向架心盤摩擦對曲線通過和橫向穩(wěn)定性的影響，并對目前采用的心盤潤滑材料進行了評價。主要結(jié)果如下：(1)在正常的車輛和軌道狀態(tài)下，心盤潤滑條件對輪軌橫向力影響很小；
(2)對于采用滾動接觸旁承(RSB)的貨車而言，心盤摩擦因數(shù)對車輛橫向穩(wěn)定性有重要影響，為了降低貨車蛇行危險，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的Y．Handoko等利用VAMPIRE軟件首次研究了非對稱制動力對貨車曲線通過性能的影響。他們簡單地采用正負搖頭力鐵道車輛 第42卷第1期2004年1月矩來模擬非對稱制動力的作用。結(jié)果表明，貨車通過曲線時若施加負的搖頭力矩將增大沖角和輪軌橫向力，不利于曲線通過。
2車輛運動穩(wěn)定性研究進展
車輛非線性運動穩(wěn)定性屬于理論性很強的研究領(lǐng)域，甚至涉及渾沌、分叉等深層次概念。近2年國際上對此專題的研究仍以理論研究為主，但出現(xiàn)了一些新觀點，如曲線上的運動穩(wěn)定性、軌道體系對車輛運動穩(wěn)定性的影響等。
丹麥工業(yè)大學H．True等在轉(zhuǎn)向架非線性運動穩(wěn)定性及分叉研究的基礎(chǔ)上進一步分析了具有干摩擦懸掛阻尼貨車輪對的動力學穩(wěn)定性問題。
澳大利亞F．Xia和丹麥工業(yè)大學H．Tme研究了三大件式貨車轉(zhuǎn)向架的動力學問題，其主要特點是考慮了楔塊二維干摩擦特性(以前均簡化為一維問題)，計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。計算結(jié)果說明三大件式貨車轉(zhuǎn)向架呈現(xiàn)渾沌運動。
澳大利亞Y．Q．Sun等強調(diào)在貨車蛇行運動穩(wěn)定性計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完成[：，引。他們采用車輛—軌道耦合動力學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(考慮實際軌道彈性結(jié)構(gòu)時臨界速度更低)，結(jié)果是類似的。該項研究結(jié)果對經(jīng)典的車輛動力學計算方法(不考慮軌道結(jié)構(gòu)彈性)中車輛臨界速度的計算提出了質(zhì)疑。因為經(jīng)典方法會過高地估計車輛運行穩(wěn)定性，因而是偏于危險的。
德國DLR的J．Arn01d等探討了考慮車輪彈性對鐵道車輛運行性能的影響，認為輪對結(jié)構(gòu)彈性會導(dǎo)致較剛性輪對更大的橫向振幅，因而也會影響到整車的運行性能。
波蘭華沙技術(shù)大學K．noinski等認為，考慮鐵道車輛在曲線軌道上的運動穩(wěn)定性是必要的。而在此之前人們研究車輛運動穩(wěn)定性問題一般是針對直線軌道上車輛自激振動橫向穩(wěn)定性，曲線軌道(半徑及超高等)被認為是一種外界激擾源而抑制了自激振動，因此該文必將引起一定爭論。
德國G．Schupp從理論上討論了機械系統(tǒng)數(shù)值分叉分析方法在鐵道車輛運動穩(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等針對近年來英國鐵路愈來愈嚴重的輪軌滾動接觸疲勞(RCF)問題，從車輛動力學角度分析RCF產(chǎn)生的原因及防止途徑。首先開展了準靜態(tài)曲線通過仿真分析，給出了車輛懸掛設(shè)計、輪軌踏面、潤滑及車速等因素對輪軌滾動接觸疲勞的影響關(guān)系；其次，進行了動力學仿真分析，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RCF的影響。
南非SPOORNET的R．Frohling等從理論分析和運用經(jīng)驗方面介紹了大軸重(30t)條件下車輪踏面磨耗及滾動接觸疲勞問題。該項研究主要是結(jié)合在瑞典運營的新型貨車UNO所出現(xiàn)的車輪磨耗嚴重及踏面剝離損傷問題而開展的理論分析工作，最后提出了對車輪型面重新設(shè)計的方案。
此外，法國J．B．Ayabse和H．C1＼011et對半赫茲條件下輪軌接觸斑的求解方法進行了研究。英國I．Persson等采用遺傳算法對鐵路車輪型面進行了優(yōu)化，并認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)動力學其他領(lǐng)域研究進展
在本屆國際會議上尚有其他一些與車輛系統(tǒng)動力學相關(guān)的論文進行了宣讀、交流，主要包括車輛懸掛(主動)、弓網(wǎng)動力學及車輛空氣動力學等幾個方面。相對而言，這些方面的論文數(shù)量較少，但也展示了鐵路車輛系統(tǒng)動力學研究中的一些新問題。
4．1 車輛懸掛
日本M．Adac山為了同時提高車輛曲線通過性能和運動穩(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軟件進行了動態(tài)仿真，結(jié)果顯示，該措施可以減小高速曲線通過時車體穩(wěn)態(tài)橫向加速度。
中國西南交通大學鄔平波等采用柔性車體模型并
考慮半主動懸掛研究了客車的動力學響應(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，并利用滾動振動試驗臺進行了半主動懸掛試驗。
日本H．nunashima等試圖采用二系主動懸掛來改善A(>T(自動軌道運輸)車輛的乘坐舒適性。采用Ho控制理論實現(xiàn)橫向力的主動控制，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)動力學
瑞典P．Harell等針對多受電弓受流情形，研究了接觸網(wǎng)區(qū)段疊合(圖8)對弓網(wǎng)動力學的影響，此項研究此前未見報道。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 空氣動力學
意大利F．Cheli等采用數(shù)值仿真和風洞試驗的方法研究了給定風場下作用于鐵道車輛車體上的空氣動載荷及其相應(yīng)的車輛響應(yīng)。
日本鐵道綜合技術(shù)研究所M．Suzuh等采用運行試驗和數(shù)值分析方法研究了列車在隧道中運行時車輛振動與空氣動作用力的相互作用，以及減輕空氣動力所導(dǎo)致的附加振動的對策。
5 車輛系統(tǒng)動力學研究展望
綜上所述，近2年來國際上鐵道車輛系統(tǒng)動力學研究進展顯著，特別是在提高車輛曲線通過性能、提高車輛運行穩(wěn)定性和解決車輛微道相互作用實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)合這些研究進展，筆者認為今后在以下方面將會引國際鐵道車輛系統(tǒng)動力學研究新進展 翟婉明起普遍關(guān)注并得到進一步發(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動穩(wěn)定性和曲線通過性能的方法、途徑和技術(shù)措施將會繼續(xù)成為廣大鐵路研究人員研究的熱點之一。
(2)主動控制技術(shù)是改進鐵路機車車輛運行品質(zhì)的有效方法，在鐵路發(fā)達國家已得到廣泛應(yīng)用。然而，隨著鐵路運輸與航空、公路運輸競爭的進一步激化，不斷提高列車運營速度并同時提高乘坐舒適性已成為現(xiàn)代鐵路追求的目標。而實現(xiàn)這一目標的手段在很大程度上便是采用先進的主動控制技術(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，而輪軌運輸系統(tǒng)中由于輪軌滾動接觸而產(chǎn)生的問題越來越多。因此，如何合理運用輪軌系統(tǒng)動力學(車輛做道系統(tǒng)動力學)理論研究解決這些實際問題(如輪軌不規(guī)則磨耗、滾動接觸疲勞問題)，必將成為本領(lǐng)域研究的一個重要方面，而要解決不規(guī)則的輪軌磨耗難題，需要發(fā)展同時考慮車輛俄道高頻相互作用和損傷機制的綜合模型。
(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際因素，今后將進一步走向?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、大軸重貨車對線路的動力作用研究、輪軌磨損及軌道沉陷預(yù)測、車輛櫬道動態(tài)相互作用脫軌研究及安全評判標準確定等。
(5)高速列車運行過程中(特別是通過隧道時)空氣動力效應(yīng)對車輛振動性能的影響問題已日益受到人們的關(guān)注，是進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)動力學仿真技術(shù)已在國際車輛系統(tǒng)動力學研究與應(yīng)用領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了極大效用。各種車輛動力學仿真軟件日益成熟。我國應(yīng)注意這一趨勢，組織開發(fā)各種大型通用動力學軟件，為機車車輛動力學性能優(yōu)化提供科學工具。與此同時，必須重視仿真軟件的試驗驗證，只有經(jīng)過廣泛驗證的軟件才能用于指導(dǎo)生產(chǎn)實際。