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高速列車耦合大系統動力學理論與實踐(第二版) 版權信息
- ISBN：9787030672957
- 條形碼：9787030672957 ; 978-7-03-067295-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
高速列車耦合大系統動力學理論與實踐(第二版) 內容簡介
本書系統闡述了高速列車耦合大系統動力學的理論基礎及應用實踐。全書共8章，第1章描述了高速列車耦合大系統動力學的內涵；第2～4章描述了高速列車耦合大系統動力學的建模方法、仿真平臺以及性能的基本特征與評價。后4章主要介紹高速列車耦合大系統動力學理論的工程應用實踐，基于耦合大系統動力學的性能要求，開展了第5章的動力學性能優化設計、第6章的耦合大系統參數優化設計以及第7章的耦合大系統動力學性能試驗設計，并在第8章中探討了高速列車服役周期內的性能變化，提出了一系列的安全控制策略和措施。
高速列車耦合大系統動力學理論與實踐(第二版) 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 中國高速鐵路的發展和技術特點 2
1.1.1 中國高速鐵路的發展 2
1.1.2 中國高速鐵路的技術特點 3
1.1.3 中國高速列車的發展 5
1.2 鐵路領域動力學研究現狀 9
1.2.1 車輛系統動力學 9
1.2.2 列車系統動力學 13
1.2.3 軌道系統動力學 18
1.2.4 列車空氣動力學 20
1.2.5 弓網系統動力學 23
1.3 高速列車耦合大系統動力學研究的必要性 26
1.3.1 鐵路系統的特殊性 26
1.3.2 高速鐵路面臨的動力學問題 26
1.4 高速列車耦合大系統動力學研究內容 29
1.4.1 動力學的基本研究內容 29
1.4.2 耦合關系的基本研究內容 30
參考文獻 31
第2章 高速列車耦合大系統動力學建模 42
2.1 高速列車耦合大系統動力學的基本定義 42
2.2 子系統動力學建模 43
2.2.1 車輛系統建模 43
2.2.2 線路系統建模 63
2.2.3 受電弓建模 75
2.2.4 接觸網建模 81
2.2.5 氣流建模 87
2.2.6 供電系統建模 90
2.2.7 傳動系統建模 93
2.3 耦合模型及耦合計算方法 97
2.3.1 耦合模型 97
2.3.2 高速列車耦合大系統動力學 126
參考文獻 132
第3章 高速列車耦合大系統動力學仿真平臺 134
3.1 高速列車耦合大系統動力學仿真平臺框架 134
3.1.1 高速列車耦合大系統動力學仿真平臺功能 134
3.1.2 高速列車耦合大系統動力學仿真平臺軟件架構 135
3.1.3 高速列車耦合大系統動力學仿真平臺硬件架構 139
3.2 基于參數化和圖形化的高速列車建模方法 141
3.2.1 面向CAD模型的動力學屬性提取技術 141
3.2.2 高速列車參數化動力學建模 146
3.2.3 高速列車圖形化動力學建模 147
3.3 高速列車耦合大系統動力學仿真計算方法 148
3.3.1 耦合大系統動力學集成建模技術 149
3.3.2 耦合計算方法 151
3.3.3 耦合計算實施 154
3.4 高速列車耦合大系統動力學仿真后處理展示技術 155
3.4.1 不同粒度的高速列車運行模擬展示技術 156
3.4.2 不同域的動態狀態展示技術 157
3.4.3 多樣化的動態數據展示技術 158
3.5 高速列車耦合大系統動力學仿真平臺及驗證 160
3.5.1 高速列車耦合大系統動力學仿真平臺介紹 160
3.5.2 仿真計算及驗證 165
參考文獻 175
第4章 高速列車耦合大系統動力學性能基本特征與評價 176
4.1 高速列車耦合大系統動力學參數 176
4.1.1 高速列車參數 176
4.1.2 輪軌耦合參數 179
4.1.3 弓網耦合參數 186
4.1.4 流固耦合參數 194
4.1.5 機電耦合參數 196
4.2 動力學性能評價指標 200
4.2.1 列車振動評價指標 200
4.2.2 弓網關系評價指標 209
4.2.3 流固關系評價指標 212
4.2.4 機電耦合關系評價指標 212
4.3 高速列車耦合大系統動力學性能 213
4.3.1 車間耦合動力學特性 213
4.3.2 輪軌耦合動力學特性 215
4.3.3 弓網耦合動力學特性 216
4.3.4 流固耦合動力學特性 221
4.3.5 機電耦合動力學特性 231
參考文獻 236
第5章 高速列車動力學性能優化設計方法 237
5.1 高速列車優化目標和頂層指標設計 237
5.1.1 高速列車動力學性能優化目標 237
5.1.2 高速列車頂層設計指標 238
5.2 高速列車運動穩定性設計方法 245
5.2.1 運動穩定性控制策略 245
5.2.2 參數優化設計方法 249
5.3 高速列車運行平穩性性能優化設計方法 256
5.3.1 振動平穩性控制策略 257
5.3.2 參數優化設計方法 258
5.4 高速列車運行安全設計方法 261
5.5 高速列車參數的綜合設計 263
5.5.1 高速列車參數對動力學性能的影響 264
5.5.2 高速列車參數優化設計 265
參考文獻 276
第6章 高速列車耦合大系統參數優化設計方法 278
6.1 高速鐵路線路參數優化設計 278
6.1.1 線路平縱斷面設計 278
6.1.2 線路剛度優化設計 280
6.1.3 軌道不平順控制 282
6.2 高速受電弓和接觸網參數優化設計 293
6.2.1 受電弓參數優化設計 293
6.2.2 接觸網參數優化設計 297
6.2.3 受電弓弓間距優化設計 303
6.3 高速列車氣動特性優化設計 305
6.3.1 高速列車外形優化設計 305
6.3.2 線間距優化設計 311
6.3.3 擋風墻優化設計 316
參考文獻 322
第7章 高速列車耦合大系統動力學性能試驗技術 323
7.1 軌道交通國家實驗室的高速列車研究平臺建設 323
7.2 高速列車基礎研究臺架試驗技術 326
7.2.1 高速動車組動力學性能試驗技術 326
7.2.2 輪軌關系試驗技術 333
7.2.3 流固關系試驗技術 341
7.2.4 弓網關系試驗技術 344
7.3 高速列車動力學服役性能線路試驗技術 347
7.3.1 高速列車服役研究平臺 347
7.3.2 運營列車跟蹤試驗 350
7.4 高速列車科學研究性試驗及重要結論 353
7.4.1 京津城際高速列車科學研究性試驗技術 353
7.4.2 頭車到尾車的振動行為 355
7.4.3 接觸網到大地的振動傳遞 357
7.4.4 列車交會的振動行為 359
7.4.5 內外噪聲 363
參考文獻 369
第8章 高速列車服役性能及其安全控制 371
8.1 高速列車服役性能的演變規律 371
8.1.1 等速狀態下基本規律 371
8.1.2 不同速度狀態下變化規律 375
8.1.3 不同里程狀態下演變規律 377
8.2 高速列車走行部安全監控技術 381
8.2.1 安全監控平臺框架 381
8.2.2 車載安全監控檢測技術 383
8.2.3 地面安全監控檢測技術 387
8.3 高速列車服役性能預測與閾值 391
8.3.1 車輪踏面磨耗對動力學性能影響及閾值 391
8.3.2 尺寸誤差對動力學性能影響及閾值 396
8.3.3 懸掛參數對動力學性能影響及閾值 399
8.4 高速列車服役性能控制 400
8.4.1 參數設計公差和偏差控制策略 400
8.4.2 高速列車服役可靠性退化規律 408
8.4.3 高速列車服役可靠度控制策略 411
8.4.4 高速列車服役安全度評估 419
參考文獻 424
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高速列車耦合大系統動力學理論與實踐(第二版) 節選
第1章 緒論 世界高速鐵路發展至今半個多世紀，全世界已建成高速鐵路超過3.7萬km，高速鐵路將歐洲、亞洲和世界許多地區都連接了起來，歐洲和亞洲逐步成為高速鐵路的發展中心，形成了以德國、法國、日本和中國高速鐵路技術為代表的高速鐵路技術體系[1-27]。基于不同設計理念的技術體系，各具獨特優勢，都在不斷探尋著更高速、更安全、更舒適的高速鐵路設計技術，不斷發展著更先進、更高效、更優良的高速鐵路裝備制造技術，也不斷累積著更豐富、更深刻的高速鐵路系統運營經驗。 高速鐵路是一個龐大的系統工程，其核心是高速列車系統。高速列車系統不僅包括高速列車自身，還涵蓋著高速軌道線路、高速接觸網(供電系統)、通信信號等子系統，如圖1.1所示。目前，德國城際特快列車(ICE)、法國高速鐵路系統(TGV)、日本新干線(JR)以及中國高速鐵路(CRH)，已成為高速鐵路和高速列車技術發展的代名詞。四國的高速鐵路系統各具鮮明特點，涵蓋了典型的高速列車技術。以高速列車的牽引方式為例，高速列車主要采用了兩種牽引方式——動力集中和動力分散，各自以獨特的優勢被廣泛應用于全世界的高速列車中；以高速軌道線路技術為例，目前鋪設的線路主要包括有砟軌道和無砟軌道兩種形式，有砟軌道的低噪聲特性和無砟軌道的高平順性都深受設計者的喜愛，設計者在盡情發揮優勢的同時不斷進行技術升級，規避這兩種形式鐵路各自的弊端；以高速接觸網技術為例，因其懸掛方式的不同，形成了簡單鏈型懸掛、彈性鏈型懸掛和復鏈型懸掛三種結構，它們都在為提高受流質量而不斷優化發展。 圖1.1 高速列車系統 1.1 中國高速鐵路的發展和技術特點 1.1.1 中國高速鐵路的發展 中國的高速鐵路建設始于20世紀，秦沈客運專線是中國**條鐵路客運專線，全長404km。秦沈客運專線是中國鐵路里程碑式的建筑，它是中國自己研究、設計、施工的時速200km的**條快速鐵路客運專線，并預留250km/h的提速條件。秦沈客運專線于1999年8月16日全面開工建設，2003年10月12日正式開通運營。 鐵路作為中國國民經濟的大動脈，長期以來，其運營速度的低下和路網規模的稀少都影響著中國的發展和百姓的出行。進入21世紀，發展高速鐵路逐漸成為共識，2004年1月國務院發布了《中長期鐵路網規劃》，明確了中國鐵路網中長期建設目標，計劃到2020年，時速200km及以上的高速客運專線1.2萬km以上[28]。2008年經國務院批準調整到1.8萬km，包括“四縱四橫”客運專線以及長三角、珠三角和環渤海三個城際客運系統[29]，構建了龐大的高速鐵路發展計劃。其中“四縱四橫”客運專線具體如下。 四縱：北京—上海高速鐵路(京滬高速鐵路)、北京—武漢—廣州—深圳(香港)高速鐵路(京港客運專線)、北京—沈陽—哈爾濱(大連)高速鐵路(京哈客運專線)、上海—杭州—寧波—福州—深圳高速鐵路(杭福深客運專線)。 四橫：青島—石家莊—太原高速鐵路(青太客運專線)、徐州—鄭州—蘭州高速鐵路(徐蘭客運專線)、上海—南京—武漢—重慶—成都高速鐵路(滬漢蓉快速客運通道)、上海—杭州—南昌—長沙—昆明高速鐵路(滬昆高速鐵路)。 2016年6月29日，國務院原則批準了“八縱八橫”《中長期鐵路網規劃》(圖1.2)。在原規劃“四縱四橫”主骨架的基礎上，增加客流支撐、標準適宜、發展需要的高速鐵路，同時充分利用既有鐵路，到2030年形成以“八縱八橫”主通道為骨架、區域連接線銜接、城際鐵路補充的高速鐵路網。這次規劃還明確劃分了高速鐵路網建設標準，高速鐵路主通道規劃新增項目原則采用時速250km及以上標準(地形地質及氣候條件復雜困難地區可以適當降低)，其中沿線人口城鎮稠密、經濟比較發達、貫通特大城市的鐵路可采用時速350km標準。區域鐵路連接線原則采用時速250km及以下標準，城際鐵路原則采用時速200km及以下標準。 “八縱”通道包括沿海通道、京滬通道、京港(臺)通道、京哈—京港澳通道、呼南通道、京昆通道、包(銀)海通道、蘭(西)廣通道，“八橫”通道包括綏滿通道、京蘭通道、青銀通道、陸橋通道、沿江通道、滬昆通道、廈渝通道、廣昆通道。在“八縱八橫”主通道的基礎上，規劃布局高速鐵路區域連接線，目的是進一步完善路網，擴大高速鐵路覆蓋。在優先利用高速鐵路、普速鐵路開行城際列車服務城際功能的同時，規劃建設支撐和引領新型城鎮化發展、有效連接大中城市與中心城鎮、服務通勤功能的城市群城際客運鐵路。 到2018年底，中國共生產高速動車組3313列(8輛編組的標準列)，每天投入運行的高速動車組5400余列，高速列車的生產和運營數量世界之*；中國投入運營的高速鐵路超過2.9萬km，到2020年超過3.0萬km，高速鐵路里程為世界之*。其中舉世矚目的京滬高速鐵路全長1318km，其中橋梁長度約1140km，占正線長度的86.5%，采用整體道床的無砟軌道結構，設計時速350km，是世界上建設標準*高的高速鐵路。 圖1.2 “八縱八橫”的國家高鐵網格示意圖 1.1.2 中國高速鐵路的技術特點 1. 線路 中國高速鐵路線路一般為復線(圖1.3)，時速300km及以上的高速鐵路線間距為5m，線路坡度小于2%，*小曲線半徑為7000m。為了提高線路的平順性，避免沉降，一般采用高架橋結構，通過高架形式，實現跨江河、躍溝壑，提高線路的平順性。因此，在選線和線路平縱斷面設計時，可以充分考慮列車高速通過時的動力學性能，避免初期建設的高速鐵路高速列車行駛時出現“過山車”式顛簸感。 圖1.3 中國高速鐵路的高架線路 2. 軌道 中國的高速鐵路軌道大多采用具有高平順性和穩定性的無砟軌道，中國之前缺乏軌道板制造技術，因此選擇引進外國技術及自主研發來發展無砟軌道技術。2004年9月，中國先于遂渝線使用自主無砟軌道技術，興建全長13.16km的無砟軌道試驗段，至2007年建造完成并通過動車組時速232km的線路試驗，測試的各項數據都在設計和安全標準之內。 為了發展350km/h高速列車，中國從德國引進無砟軌道技術，選擇與博格(Max B?gl)、睿鐵(Rail ONE)及旭普林(Züblin)等公司合作，其中京津城際鐵路和京滬高速鐵路使用了博格式軌道板，武廣客運專線則使用睿鐵的Rheda 2000無砟軌道技術，鄭西客運專線使用旭普林技術。另外還引進了日本新干線的無砟軌道技術，應用在哈大線。中國把不同款式的高速軌道板以型號分類，例如，將基于日本新干線的軌道板稱為CRTSⅠ型板式無砟軌道；將基于德國博格的軌道板稱為CRTSⅡ型板式無砟軌道；將基于旭普林的軌道板稱為CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道；將中國自主研制的新型軌道板稱為CRTS Ⅲ型板式無砟軌道，其于2009年11月首次亮相，成功應用于成灌快速鐵路。 通過超過2.5萬km的不同結構類型高速鐵路運營和試驗，中國不僅掌握了不同類型軌道的設計、制造、施工和維護技術，更重要的是掌握了不同類型無砟軌道特性，形成了系列化的中國高速鐵路軌道標準體系。 為了減少線路不平順對高速運行列車的擾動，中國高速鐵路建設對線路平順性提出更高的要求，不僅全線采用無縫鋼軌，在鋼軌不平順方面，安裝鋼軌的軌道板制造精度是0.1mm，安裝的軌距允許誤差為±1mm，高度誤差小于2mm，沿軌向的誤差小于2mm，扭曲誤差小于2mm，水平向誤差小于1mm。鋼軌采用材料為U71MnK、單位長度密度為60kg/m的長鋼軌，鋼軌的軋制長度為100m。為了實現高速通過，應用了高速道岔，確保高速列車可以正線350km/h和側線120～250km/h的速度通過。 3. 隧道 中國既有線路的隧道面積一般在64m2左右，由于隧道面積直接影響列車通過隧道時的空氣阻力和氣密性要求，因此中國高速鐵路的隧道截面面積為100m2，具有緩沖結構的入口，甚至設置了輔助隧道井，以改善列車通過隧道時的空氣動力學性能。 4. 列車控制系統 中國高速鐵路的先進性不僅是高速度，還有高密度，列車運行實現了高速化和公交化。中國根據鐵路發展需要，發展CTCS系列列車控制系統，其中CTCS-2基于應答器和軌道電路信息傳輸，列車駕駛員憑車載信號行車，已應用于200～250km/h線路。CTCS-3基于無線信息傳輸，列車駕駛員憑車載信號行車，用于300～350km/h線路。 從兼容性考慮，CTCS-3級列控系統可以疊加在CTCS-2級列控系統上，反之CTCS-2可作為CTCS-3的后備系統。無線閉塞中心或無線通信故障時，CTCS-2級列控系統控制列車運行。由于采用了先進的列車控制系統，目前中國高速鐵路的列車運行*小間隔設計為3min，實際應用一般在5min左右。 5. 牽引供電系統 中國鐵路的供電制式是單相交流27.5kV/50Hz，高速鐵路普遍采用自耦變壓器(auto transformer，AT)供電模式，供電臂長50km左右。中國鐵路傳統的接觸網系統是簡單懸掛方式，中國**條設計時速350km的京津城際客運專線也是采用簡單懸掛。為了進一步提高弓網受流性能，特別是滿足時速350km下的雙弓受流，逐步采用了接觸網剛度一致性更高的彈性鏈型懸掛方式，而且接觸線張力提高到30kN左右。 1.1.3 中國高速列車的發展 中國的高速列車研究始于20世紀末，*終在21世紀初研制出中國**列高速列車“中華之星”(圖1.4)。“中華之星”高速動車組是擁有自主知識產權的高速電力動車組，設計時速為270km，是采用交流傳動系統、動力集中型的動車組，采用2動9拖的列車編組方式，滿座載726名旅客。2002年11月27日，“中華之星”高速動車組沖刺試驗創造了*高速度321.5km/h，為當時“中國鐵路**速”。 圖1.4 “中華之星”高速動車組 為了發展更高速度和更加先進的高速列車技術，國務院提出發展高速列車的“引進先進技術，聯合設計生產，打造中國品牌”的指導方針。據此，鐵道部拉開了高速動車組“引進消化吸收再創新”工程，分別在2004年從阿爾斯通(Alstom)、龐巴迪(Bombardier)和川崎重工(TYO)引進了時速200km等級的動車組，在2006年從西門子(Siemens)引進了時速300km等級的動車組。 高速動車組需滿足長距離、大運量、高密度、旅行時間短等運輸需求，對設計、制造、運營和維修都提出很高的要求。為了實現高速動車組的國產化及自主創新，鐵道部組織全國的優勢力量進行關鍵技術攻關。高速列車的關鍵技術主要包括如下九個方面：動車組總成(即系統集成)、車體、轉向架、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機、牽引控制、列車控制網絡系統、制動系統。另外，還確定了十項配套技術，包括空調系統、集便裝置、車門、車窗、風擋、鉤緩裝置、受電弓、輔助供電系統、車內裝飾和座椅。 通過引進技術的消化吸收和適應性創新研究，不僅實現了高速動車組的國產化，而且實現了高速列車的自主創新。從目前來看，動車組已形成兩大速度系列、兩大品牌、十個品種的基本格局。兩大速度系列為時速300～350km系列和時速200～250km系列，十個品種目前為“和諧號”品牌的CRH1(與龐巴迪合作，在中國生產)、CRH2(引進川崎重工技術)、CHR3(引進西門子技術)、CRH5(引進阿爾斯通技術)、CRH6(自主創新)以及再創新的新一代高速列車CRH380A、CRH380B、CRH380D(與龐巴迪合作，在中國生產)八個品種，“復興號”品牌的中國標準動車組CR400AF和CR400BF兩個品種(圖1.5)。 圖1.5 “復興號”中國標準動車組 下面以自主研發的更高速度試驗列車為例，介紹其技術特征和技術參數。該動車組是由中國中車青島四方機車車輛股份有限公司自主研發的高速試驗列車，其目的是在更快的速度范圍內，針對高速列車的安全性、可靠性等方面開展前瞻性、基礎性、理論性研究。主要圍繞以下三個科學目標： (1)提供高速列車安全性研究技術平臺。安全性是高速列車技術發展的決定性指標。希望通過探索更高速度條件下高速列車的運行穩定性、結構強度、車-線-網匹配關系等安全保障系統，進一步提高安全冗余，以更好地指導商業運營列車的工程實踐和工程運用。 (2)提供基礎性科學問題研究試驗平臺。以更高速度試驗列車為基礎，在更寬、更高的速度范圍內進行高速列車前瞻性基礎理論的研究，揭示高速列車動力學行為、特征和規律，對進一步強化產學研用的研究體系、建立可持續發展的創新環境提供有力保障。 (3)提供新材料、新技術的應用驗證平臺。通過各種新材料、新技術的應用研究和測試，進一步豐富和完善高速列車技術體系，以保持我國高速列車技術可持續發展，加快人才隊伍培養，完善標準體系。
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