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高铁名片 张卫华: 高速列车耦合大系统动力学

发布时间: 2022-08-20 10:04:02 来源:天天游戏平台 作者:天天游戏体育

  中国高速列车取得成功,不仅要攻克高速转向架技术、轻量化车体技术、牵引传动技术、制动技术等关键技术,更要从创新的源头——基础研究开始。这些关键技术的基础理论核心是系统动力学。

  转向架技术实际上就是直接反映动力学性能的技术,无论是运动稳定性、运行平稳性还是安全性。车体技术,除了车体结构成形技术,其他在车体设计中相关的刚度、模态设计技术也是在动力学研究基础上形成的,而车体的外形设计技术更是建立在空气动力学的基础上;列车的牵引制动计算是建立在列车纵向动力学基础上的,而牵引和制动过程中的纵向冲动和纵向加速度限制也是动力学性能所要求的;列车的运行控制也应该以基于车辆特征、线路特征和供电系统特征的系统动力学理论为基础。为此,在中国发展高速铁路过程中,把系统动力学问题的研究列为共性基础研究,以挑战动力学问题带来的制约。

  就动力学研究而言,高速列车是一个确定的机械系统,由轮对、转向架构架和车体这三个基本质量单元及一系和二系悬挂组成。对于铁路车辆,其有别于一般的机械系统是因为它存在特殊的轮轨接触关系。尽管轮轨关系在理论上是确定约束关系,但轮轨接触的几何关系和力学关系均具有强非线性特征,而轮轨蠕滑力所扮演的角色是对轮对运动进行导向,实现轮轨的对中。然而,蠕滑力在铁路车辆的运行过程中也同时起着系统阻尼的作用,而这一阻尼参数会随着车辆运行速度的提高而降低,从而就有可能导致系统阻尼无法遏止车辆的系统振动,使车辆系统从稳定系统变成不稳定系统。一旦车辆出现系统失稳,轮对就将出现蛇行运动,这不仅使得车辆系统的振动加剧,更可怕的是极容易导致脱轨事故。高速列车的临界失稳速度就是高速列车运行的极限速度。在高速稳定性和良好的曲线通过共同要求下,如何实现高速列车高稳定性,是高速列车动力学研究和创新设计的一个挑战。

  车辆沿轨道运行时,由于线路等扰动,车辆系统各部件会产生振动。车体的振动影响乘坐舒适性,振动的加剧势必产生更大的载荷,对各部件产生疲劳破坏,结构可靠性降低。

  轨道-路基系统是一个连续的振动体,以体波(压缩波、剪切波)和表面波(瑞利波)的形式传播,这些波的波动速度就是线路的临界速度。当列车运行速度接近或大于轨道临界速度时,轨道-路基变形传播将趋向或处于失稳状态。试验结果表明,运行速度超过轨道临界速度后,高速列车诱发轨道结构强烈振动的动力系数可高达正常情况下的10倍,这将导致轨道几何状态的恶化,引发行车安全问题,增加轨道维修工作量和费用。因此,轨道临界速度必须达到1.5~2倍的列车运营速度,轨道临界速度也就是列车运行的极限速度。在高速铁路设计中,采用无砟轨道可提高轨道临界速度。对特别松软的地基,应采取“以桥代路”的办法,增大基础刚度,提高轨道临界速度。以桥代路成为京沪高速铁路的最大特点,桥梁占到全线%。

  另外,在车辆条件确定的情况下,线路几何不平顺以及线路刚度不一致所激发的车辆振动,会随着列车运行速度的提高而加剧。因此,列车振动烈度的限值,也就相当于限制了列车的运行速度。与此同时,如何针对线路不平顺谱特性,有效隔离激扰,实现高速列车运行的高平稳性是高速列车动力学研究的挑战。

  接触网为高速铁路提供能源,同时又参与高速列车系统的振动。接触网的振动会影响受流质量,从而影响列车的正常运行,同时会造成接触网和受电弓弓头的磨损,并引起噪声问题。

  在动力学研究中,往往认为接触网的垂向刚度不一致性和接触线不平顺是影响弓网受流的重要因素,但这些因素可以通过结构和参数的优化来减小对弓网受流的影响,而真正制约列车运行速度提高的因素是接触网的波动速度。当车速接近波动速度时,弓网间会产生很大的接触力,这不仅增加接触线的疲劳破坏和摩擦磨损的进程,而且弓网振动导致离线而无法正常受流。因此,接触网的波动速度是制约高速列车最高运行速度的重要条件之一。对于高速铁路的接触网系统,需在保证导电质量的前提下,研制轻型和具有高抗拉强度的线材,以提高接触网的波动速度。

  高速列车空气动力学研究是一项基本的研究内容,首先是高速列车的流线型外形设计,以降低列车运行的空气阻力。但列车运行速度的提高总会带来空气阻力剧增,在列车牵引功率确定的条件下,空气阻力就成为列车运行速度提升的限制因素。牵引力和阻力的平衡点就是列车运行速度的极值。

  高速气流带来的不仅是阻力,还有对列车运动姿态的影响。尤其在横风作用下,高速列车倾覆安全性降低,事实上大风吹翻列车时有发生。对于高速列车,列车倾覆危险性不仅和横风风速有关,而且随着列车运行速度的提高,倾覆危险性也会增加。不同横风风速下,列车运行速度受到限制,一般而言,风速越高,列车运行速度限值越低。如何提高限值,确保其列车运行安全性,是高速列车设计的挑战。

  从前面与动力学性能相关的高速列车限制和挑战分析可以看到,高速列车动力学研究,不仅是要提高高速列车自身的动力学性能,更加要考虑好与运行系统的耦合关系,实现系统的最优。

  在试图通过提高高速列车的动力学性能,以保证其运行品质时,还应该清楚地看到,高速列车的运行受到线路和接触网等固定设施条件的影响,同时受牵引供电和列车运行控制系统的控制,最终还将受到空气扰动、阻力及噪声的制约。因此,高速动车组与高速铁路各子系统之间构成相互联系、相互依存、相互制约的关系,如与线路之间的轮轨关系、与接触网之间的弓网关系、与空气之间的流固耦合关系、与牵引供电系统之间的机电耦合关系、对环境作用的环境耦合关系等,如图1所示。

  在高速运行条件下,列车和线路轨道、接触网、空气等流固耦合系统之间的相互作用加剧,形成了复杂的耦合动力学关系。列车运行速度的提高不仅对车辆动力学性能设计提出了更新、更高的要求,还加剧了轮轨和弓网的磨耗、磨损,甚至导致失效,严重影响运行;高速气流也不再仅仅是运行阻力,同时影响动车组的运行性能,甚至导致列车运行安全性问题;高速所需的大功率和高密度行车,对供电系统的电力释放和吸收提出更高的要求,一旦车与供电系统的关系没有匹配好,就可能导致电压的波动,甚至供电系统因超压、欠压或振荡冲击而崩溃。因此,高速动车组的技术创新不仅需要研究和解决列车本身动态行为问题,更需要研究和解决列车与其他各系统的耦合作用,实现高速列车及其耦合系统的系统优化和匹配。为了实现这一目标,必须把高速列车以及与列车运行品质和安全性相关联的系统耦合起来进行整体研究,发展考虑线路、接触网、气流等耦合作用的高速列车耦合大系统动力学理论。

  高速列车耦合大系统动力学是以高速列车为核心,把高速列车以及与之相关并影响其动力学性能的线路、气流、供电和接触网等耦合系统作为一个统一的大系统,研究高速列车动力学行为,以实现全局仿真、优化和控制的科学(图2)。高速列车耦合大系统动力学是构建高速列车设计—制造—运用—维护全寿命周期的动力学性能研究与试验体系的重要理论支撑。

  《高速列车耦合大系统动力学理论与实践(第二版)》提出了高速列车耦合大系统动力学理论框架及模型,针对大系统与耦合,创建了循环变量递推积分的列车动力学建模与仿真计算方法,实现长大列车的快速建模与仿真计算;提出了滑移窗口的车线耦合建模与仿真技术方法,实现了列车在任意长线路的运行模拟仿真;给出了受电弓-接触网受流时在机械振动条件下的离线电弧表达式与电弧力计算方法,实现了弓网接触的多力学场耦合;发展了基于松弛因子和状态平衡的高速列车流固耦合计算方法,有效提高了流固耦合计算稳定性与计算效率。

  作者张卫华教授还主持构建了高速列车数字化仿真平台、高速列车基础研究试验平台和高速列车服役性能研究试验平台(图3)。这些分析、试验和检测平台的建立,已成为高速列车全寿命周期动力学研究与试验体系的重要组成部分,为高速列车耦合大系统动力学理论的建立、验证和完善提供了有力支撑。

  高速列车耦合大系统动力学理论广泛应用于中国高速铁路,特别是高速列车的创新研究中,成为国家科技进步特等奖“京沪高速铁路工程”的重要创新点。

  2005年正值我国高速铁路建设初期,作者思考了高速列车中的基础理论问题以及拟开展的相关课题。从2006年至2012年,经过7年的快速发展,中国一跃成为世界上高速铁路里程最长的国家。伴随中国高速铁路的发展和高速列车的自主创新,作者在理论和实践上对高速列车有了新的认识,提升了高速列车理论系统研究的高度,并由此累积了大量的实践经验。

  作者不断思考和研究了高速列车耦合大系统动力学理论框架,构建了仿真平台,并尝试将其应用于高速列车动力学及其轮轨、弓网、流固和机电耦合关系研究之中。由此,2013年《高速列车耦合大系统动力学理论与实践》由科学出版社出版。

  中文版一经出版后,英文版版权被爱思唯尔购买。作为中国高铁名片,英文版荣获2016年“中国图书对外推广计划( CBI )”资助。

  中文第二版是作者在第一版的基础上,结合后来近9年的工作成果,进行完善而形成的。第二版秉持“延续经典、去粗取精、与时俱进”的理念,进行了删减与整理,以飨读者。中文第二版获“2020年度国家科学技术学术著作出版基金”资助。

  张卫华,1961年4月生于江苏省宜兴市。西南交通大学首席教授,超高速真空管道磁浮交通研究中心首席科学家。教育部长江学者特聘教授,国家973计划项目首席科学家,国家杰出青年基金、中国工程院光华奖、全国优秀百篇博士论文、英国机械工程学会最佳原创论文Thomas Hawksley金奖、全国创新争先奖状和全国创新争先奖牌(复兴号动车组研发创新团队)获得者。中国铁道学会高速、重载、车辆和装备委员会委员。

  张卫华教授长期从事轨道交通新技术和系统动力学的教学与科学研究工作,在我国铁路机车车辆大提速和发展高速列车技术方面取得显著成绩。主持研制高速列车基础研究实验平台、高速列车数字化仿真平台和高速列车服役性能研究实验平台,提出高速列车耦合大系统动力学理论和服役模拟计算方法,在我国高速列车的创新发展中发挥重要作用。近几年开展高速磁浮列车技术和超高速低真空轨道交通技术的研究,主持研制从低速、高速到超高速的基础研究实验平台,探索工程化应用技术。曾先后获得国家科技进步特等奖1项、一等奖2项和二等奖2项,省部级科技进步特等奖5项和一等奖6项,国家级教学成果奖二等奖1项。发表SCI/EI收录论文160/450余篇,撰写中/英文专著3/1部,授权发明/实用新型专利60/80余项,主持起草标准4部。

  张卫华:“感谢我的导师,中国科学院和中国工程院院士沈志云教授,正是他的引导和鼓励,我才有勇气探索高速列车耦合大系统动力学。”

  《高速列车耦合大系统动力学理论与实践》系统阐述了高速列车耦合大系统动力学的理论基础及应用实践。全书共8章,前4章描述了高速列车耦合大系统动力学的内涵、建模方法、实现平台以及耦合大系统动力学性能的基本特征。后4章主要介绍该理论的工程应用实践,基于耦合大系统动力学的性能要求,开展了第5章的动力学性能优化设计、第6章的耦合大系统参数优化设计以及第7章的耦合大系统动力学性能试验设计,并在第8章中探讨了高速列车服役周期内的性能变化,提出了一系列的安全控制策略和措施。

  本书可供从事高速列车设计的相关专业院校与科研机构的研究生和研究人员查阅、参考。

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