城市轨道交通作为城市的一个重要支柱,在经济发展中起着很重要的作用。扮演着现代交通工具的角色,即要承担着繁重的客运责任。
1、自20世纪六十年代日本第一次成功拥有高速动车组到现在,世界各国争相规划和建设高速铁路,目前在国内外机械动力学系统的发展中,车辆动力学分析已经和有限元分析、控制系统等多热并行工程相互结合补充和优化,克服在结构动态设计中很多机械系统纯力学机制存在的缺陷问题。这里主要介绍车辆系统垂向动力学的发展状况和水平。
对于高速车辆垂向动力学的研究,过去的研究主要集中在用单一参数变化来进行车辆系统的动态特征分析,实际上,车辆系统各参数是相互影响,共同对车辆的动态性能起作用的[1]。早期,建立了铁道客车垂向悬挂系统广义鲁茨卡(Ruzicka)隔振模型,并比较分析了该模型与传统隔振模型之间的差别。应用随机隔振理论研究了系统随机隔振特性[2]。应用评价函数法,对铁道客车垂向悬挂系统进行了多目标、多参数的优化,以使车体的垂向振动位移方差和加速度方差最小。分析比较优化后的结果,总结出随机隔振于简谐隔振之间的区别。
从二十世纪九十年代起,陆陆续续有学者对车辆系统的横向模型参数进行优化,通过设计方案,编制遗传算法程序,建立机车横向动力学模型并进行6个参数的优化分析。在解决多参数及全局优化的问题上有很大进展[3]。
有学者觉得明显干涉轨道车辆垂向振动特征的制定参数的有,一、二系悬挂的阻尼变化、定距大小、以及结构设计参数互相存在的很小的干涉、交叉作用等。通过采用傅里叶幅值灵敏度检验扩展法对典型轨道车辆垂向模型进行参数灵敏度分析[4]。只阐述了车辆定距对二系悬挂以上部分点头运动的影响,无考虑悬挂刚度的干涉。
也有学者认为车辆的振动与偏载有一定的联系,其中餐车和行李车被归纳为偏载车型。于是开始探索,分析、计算了偏载对随机振动车辆垂向特性的关系,并以非线性优化设计原理为基础对偏载车辆不是一系的另一系悬挂进行了优化。得出车辆的振动是跟着偏载量和行驶速度的增加而增加的结论[5]。
而其它国家有较综合的开展了垂向模型悬挂参数优化的探索,诸如铁路车辆隔振、减振、仿真及垂向参数优化[1,2,4,5],整备车辆悬挂系统垂向衰减特性分析[1],基于惯容器的铁道车辆悬挂性能提升研究[2],高速铁路车辆端部悬挂系统优化及仿真等等。把进化算法作为被动悬架新的设计的基础,使得在没有规则的梯度轨道的条件下,完成平顺性和悬置挠度中间的最好折衷。论证当光轨道车行驶到最坏的轨道条件,强迫悬架根据之前给出的方法进行优化时,在维持在条件允许的间隙的悬挂的挠度时, 能很大程度的提高垂直平顺性[6]。
为了增进车的减振和隔振能力,也有学者通过优化悬挂系统的K值和C值参数来达到固定的系统的振动特性。运用的是一种合理程度相对较高,效果好的方法是:采取主动和半主动悬挂。由于它能够以线路状况为基础,即根据运行状况任何时间任何地点地调整悬挂系数。主动和半主动悬挂已经在新干线的500系、700系等高速列车得到了很有效的施行。另一种方法就是,通过采用动力吸振器来达到我们要的效果,由于它结构比较简单,所以只需要参数选择合理,能够有效控制机械系统的振动就可以了,因此在工程实践中得到广泛应用[7]。但在铁道车辆系统中的应用还很少见。
高速列车为什么会与普通列车不同是因为它特殊的动态环境。随着列车行驶的速度的上升,和它的动态环境很快速的下降,车轮和轨道之间的动力影响快速上升、空气动力作用很快增强等。所以说,高速车的急剧前进,于是给高速车动力学的研究呈现了很多新的挖掘方向。而动力学的主要问题有以下这些,例如:轮轨接触、弓网接触动力学、车辆轨道耦合动力学、车桥耦合动力学等内容[8]。