西南交通大学教授/牵引动力国家重点实验室主任  张卫华

 

　　各位专家、各位领导：

 

　　下午好。

 

　　这个题目的出发点，无论高铁还是一般的铁路都应该考虑系统动力学的问题，特别是耦合大系统。时间很短，我只能做一些简要的介绍。

 

　　一个就是研究背景，说起来我们作为高速列车来讲，稳定，要平稳，要舒适，要可靠，要安全。这些要求都是跟我们动力学相关的，如果不稳定，你坐着就不舒服。动力学的保证来自转向架，转向架是一个车的核心部件，也是我们实现良好动力学的基本装备。对铁路来讲确实有很大的复杂性，比如说尺度效应，时间效应和空间效应。作为车辆系统来讲，里面有很多非线性因素，无论是轮轨包括悬挂等等，另外还有很多随机的因素，比如说线图不平顺，以及地震预警系统的问题。

 

　　建模，实际上全动的车辆动力学就考虑车，但是后来发展又考虑列车，另外一个，全动车辆的线路模型很简单，另外实际上对高铁来讲，线路的每一部分都会参与，系统振动会影响到车，所以要考虑到车与线路的耦合。另外速度高了，受流是个很大的问题，弓网的振动就直接影响到我们列车的速度提高。还有气流的作用，不仅是对我们运行的姿态，动力性，还有安全性。你的供电系统和你的列车也有耦合关系，比如说重载线路，长大下坡，我们高铁也出现过类似的情况，要不是欠压，要不是过压。这个车是一个核心，周围都相当于是他运营的环境，通过这些关系，比如说轮轨关系、弓网关系、流固关系和机电耦合关系，把它变成一个完整的大系统来开展研究，这个是我们的一个出发点。我们所做的工作是把这个模型建立起来，有了这个模型就可以搭建仿真平台，来研究列车行为、耦合作用和服役过程。这种服役过程的研究实际上这是首次我们提出来，我们也在尝试做。具体模型的简单框图，就是考虑这几个方法分别对车辆受电弓、接触网，包括钢轨、轨道等等来进行动力建模，然后通过这些耦合关系把它耦合起来。

 

　　从牵引供电的模型，就是发电厂开始，一直到接触网，到受电弓，到牵引电机，一直到轮轨，这里是车辆模型，一直到钢轨，整个系统全都用数学方程表达出来，这样才能进行系统的仿真。当然有了这个仿真模型是不是就能仿真，构建一个仿真平台来讲还远远不够。实际上我们在考虑长大列车的建模计算，以前仿真计算，传统的做的模型，他们都是考虑车在钢轨上，钢轨的不平顺，往后推着走。这种做法当然也可以来解决，现在我们做的是采取滑动窗口，随便多少公里，我们都可以走，因为每次计算相关的一些部分，剩下的全部是放在模型里去算。这里讲的是服役模拟，这个是我们整个列车的模型，这个是计算的过程，我们通过仿真计算，可以得到整个车辆的响应，这些响应反过来可能得到结构失效、材料失效，最后影响到我们的参数，这个影响之后模型参数就会改变，得出来的结果是不一样的，这样的过程形成了一个服役的模拟的闭环。

 

　　利用这么一个方法模型，我们可以来做很多工程的一些分析，上次在南京做过一次报告，就是这个主题，我介绍了三方面的工作，前面两方面工作我就不介绍了，我介绍一下跟外部接口的关系。由于我们的模型考虑和跟其他系统耦合，所以你才有条件有能力去考虑外部接口跟车的耦合作用。比如说线路或者是轮轨方面谈到的适应性的技术条件，包括平纵断面，包括前面讲的沉降，包括刚度匹配，弓网系统动力学的耦合，电方面的耦合，以及环境的技术条件，通过这样的模型或者计算，都可以来进行仿真模拟。举个例子，平常遇到的平纵断面的选择，通过这个程序，我们可以进行曲线的、竖曲线、平面曲线的确定，包括缓和曲线的形状、长度等等，都可以来进行分析。另外平纵断面里头所谓的缓和曲线的变坡点，当时做试验的时候，比较失望的是变坡点的振动特别大，当时轨道设计压根就没好好考虑车的响应，这就是以前车械分开研究的结果。后来京津高铁的时候有了很大的改变，但是你可以看到，这两辆车，三个Ⅲ型车，一个Ⅱ型车，在边坡的地方，其中有一个车的振动也是蛮大的，而且它会持续很长时间，这个对旅客的舒适度是有影响的，所以说通过这个我们就可以来改善它。线路不平顺实际上最终会影响到我们的舒适性，特别会影响到安全性，这个体现在轮轨减载，轮轨减载是中国标准跟欧洲标准在动力学里面最不同的一点，欧洲是不讲究减载的，而中国是讲究减载的，在这个约束条件下，要严格控制不平顺，以及像三角坑，包括高低不平顺等等，你的线路要符合我们的一些需求。像无砟轨道的刚度，通过我们分析提出一个合理的范围。这个是一个过渡段的刚度变成，希望有一个很平缓的刚度变化。包括沉降，通过我们的分析，希望沉降不要超过1‰，如果超过1‰，对于我们来讲，这个车的性能会有一个比较大的影响。

 

　　这个是弓网的分析，弓网除了我们的动力学，实际上动力学最重要的是电的性能，会不会拉弧，主要是动力学造成的。这个里面我们做了很多研究，建了很多实验台来研究这些，这里我主要讲弓网耦合里动力学的问题，当时测武广的时候，电火花是相当厉害的。这里讲了一个很具体的问题，当时武广要跑高速，速度要跑350，后来跑380，当时在京津做试验，怎么做试验只能做到300公里以内，跑快了，后弓根本受不了。当时的张曙光把我找去了，说你不是搞弓网的吗，研究一下，到底怎么做。通过研究发现一个问题，接触网的波动，它有一个波动速度，这个波动速度是跟它的张力和密度相关。我们现在这个波动速度和运行速度之比称之为波速利用率，现在一般高铁大概是0。6到0。75，当然我们也研究怎么来提高波速利用率，比如说通过张力的改变，实际上后来京沪做试验，就是把张力大幅提高，来实现大的波速的一个利用。双弓受流，一方面是受电弓参数可能会有影响，接触网的参数会有影响，我们做了大量的改进。其中有一个就是两个弓之间的距离，后来发现它对双弓影响很大。我们以往的研究都认为弓间距越大越好，但是我们后来发现，通过计算，300米弓间距振动远远大过250米的，那说明我们原来的判断根本就不成立，后来我们后来发现，弓间距的长短，整个性能是有一个周期性的影响，利用这样一个周期，选择一个好的周期，像这个我们选择203米的弓间距，刚好是一个比较好的状态，这个是武广线当时设计的一个弓间距。实际上这里主要是跟前后弓波动的铁甲问题，如果你能两个波峰波谷叠加的话，如果两个波峰叠加一起振动就会大。根据波动特性，推导这么一个公式，接触网不是一根线，是一个网状结构，所以公式不是那么简单，这里会有一个系数，而且这个系数不同受电弓是不一样的，不同接触网是不一样的，当时选的0。8是弹性的，有很好的抑制性，说明我们这个公式是正确的。

 

　　另外是环境适应性。我们在京津做试验，两个车在会车的时候，它在横向包括垂向都产生了很大的相互扰动，当然这种扰动在此前没人知道，我们通过科学研究监测发现了这些问题。另外横风还可能把车吹翻，这是很重要的问题。我们在分析的时候，因为我们考虑整列车的效果，而且我们的仿真采用的是一个耦合的计算方法，它可以考虑列车的一个姿态的变化，这个姿态的变化对我们系统特性是有影响的，之前都是不考虑这种变化的，这就是一个变化的影响，大家可以看出来不同位置是有影响的。这是我们一个仿真接口，风的方向是往这边吹，这是头车，头一个轮对，可以看出来，它在逆着风的方向，轮对往外走，这个跟想象的完全不一样。通常的研究横风安全性都是采取所谓的倾覆系数，就是风不能把车吹翻，但是实际上在风吹翻之前，可能会先脱轨，那么就必须考虑弓网流固方法，来整个研究安全性的指标，包括减载脱轨系数等等，做一个联合的评价，可以看出来，对倾覆系数，它是偏不安全的一种评价指标。通过这样一个分析我们就可以得到横风作用下，不同速度下，列车安全的速度，现在高铁实际上也是根据这么一个曲线来进行运行。实际不同的车这条曲线是不一样的，设计好的话，它的性能是可以提高的。这个是一个会车的时候，刚才显示的结果，在会车的时候，除了声音的变化，也可以感觉到车的振动，这个是仿真结果，可以看出来这个是有影响的。这种影响，如果考虑气流作用的话，可以增加2到5倍的振动，甚至5到10倍。另外对脱轨安全性同样影响，这个影响最大的是接近50%，这个50%可以讲，因为它基数很小，咱们中国的高铁安全性指标很高，它的轮轨接触力、偏载、减载都是比较小的，这个你可以看出来，数字本身很小，感觉变化很大。站台的情况，实际上从一个横风安全研究，包括阻力研究，关键是一个头型和转向架设计。这个是我们最近提出的考虑气动性能的流线型的转向架，最近准备跟北车集团做一个研究。

 

　　最后是噪声，这个是大家很关注的问题，我们也有一套很好的设备，我们可以对车的噪声拍照，这个噪声的行为可以都知道。刚才进出隧道可以看出来进出隧道的噪声很大。车辆的噪声可以看到每个噪声点，也可以找出为什么噪声大。比如这个地方按照到站显示器，因为他抠了一块，所以噪声很大。车的噪声我们同样有一套很先进的设备，把噪声每个部分，包括接缝处，噪声可以全部照出来，这个技术现在在国内也是领先的，我们也为高铁解决了大量的噪声的问题。另外根据当时铁道部张曙光的要求，做噪声的一个谱的分析，这个谱实际上对我们噪声设计包括车的减震设计是一个很或的依据。

 

　　所有的这一切，我讲的以车为核心，考虑各种耦合关系，我们都可以通过关键的一些性能提出它的评价指标，提出优化的措施，并且定出他的优化措施优先级和系统级的优先级，实现整个系统的优化。

 

　　谢谢大家。