高速铁路动车组运行动力学分析研究
高速铁路动车组横风空气动力学分析
特别策划高速铁路动车组横风空气动力学分析吴敬朴1，龚增进2，李红梅1，宣言1，许聪2（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司科技和信息化部，北京100081）摘要：横风对动车组行驶安全危害极大，通过建立8辆车编组的CRH2C型动车组、高架桥梁、高路堤空气动力学模型，根据《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》大风限速规定，对20、25m/s风速下高架桥梁和高路堤区段的动车组空气动力学进行仿真计算，分析不同风向角对动车组空气动力学的影响。
结果表明：风向对动车组空气动力学响应的影响大于风速对动车组空气动力学响应的影响；随着风速增大，动车组受到的横向力、升力、点头力矩和摇头力矩呈现增大的趋势，25m/s风速动车组200km/h运行时比20m/s风速动车组300km/h运行时，在高架桥梁区段分别增大约1%、25%、28%、2%；在高路堤区段分别增大约16%、34%、35%、17%。
关键词：高速铁路；CRH2C；动车组；横风；空气动力学；高架桥梁；高路堤中图分类号：U270.11文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）10-0015-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.10.0150引言高速运行的列车在遇到强横风时，空气动力学性能会发生恶化，列车受到的空气阻力、升力和横向力迅速增加，列车的横向稳定性受到显著影响，严重时甚至可能导致列车脱轨、倾覆及人员伤亡。
根据研究，在特大桥梁、高架桥梁、高路堤等运行路段，环境风的作用更突出和复杂，列车脱轨、翻车的可能性大大增加。
为使列车安全地通过风区，避免发生列车脱轨、倾覆事故，国内外都开展了横风空气动力学响应以及相应的行车安全保障体系等研究。
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（P2019T001）；中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划项目（2020YJ200）第一作者：吴敬朴（1976—），男，副研究员。
高铁动车组列车运行稳定性研究
高铁动车组列车运行稳定性研究随着科技的不断发展，高铁动车组列车已成为现代交通运输的重要组成部分。
高铁动车组列车的运行稳定性是保障列车安全和乘客舒适的关键因素。
因此，对于高铁动车组列车运行稳定性的研究具有重要的意义。
一、高铁动车组列车运行稳定性的定义与标准高铁动车组列车的运行稳定性是指在各种运行工况下，列车保持平稳、稳定的运行状态的能力。
这包括列车的集中度、牵引力、减速度、制动力、稳定性等因素的综合表现。
衡量高铁动车组列车运行稳定性的标准主要包括列车的横向加速度、垂直加速度、滚动倾斜度、侧倾率等指标。
这些指标的合理范围是确保列车运行平稳、乘客舒适、减少撞击风险的重要依据。
二、高铁动车组列车运行稳定性的影响因素高铁动车组列车运行稳定性受到多种因素的影响，主要包括轨道、车辆、道岔、线路环境等。
首先是轨道的影响。
因为动车组列车以高速行驶，轨道的质量和平整度对列车的运行稳定性有着重要影响。
其次是车辆的因素，包括列车的轮对布置、车体刚度、悬挂系统等。
这些因素会直接影响列车的动力学特性和稳定性。
另外，道岔的状态和线路环境的状况也会对列车的运行稳定性产生重要影响。
因此，确保高铁动车组列车运行稳定性的关键是对轨道、车辆、道岔和线路环境进行有效监测与维护。
三、高铁动车组列车运行稳定性的研究方法研究高铁动车组列车运行稳定性的方法主要包括理论分析、仿真模拟、试验研究等。
首先，通过理论分析可以深入剖析列车的运行特性和稳定性问题，并提出相应的改进方案。
其次，通过仿真模拟可以对列车的运行稳定性进行全面、精确的评估。
仿真模拟可以运用计算机技术和数值模型来模拟列车在不同工况下的运行状态，以验证和改进设计方案。
最后，试验研究是验证理论分析和仿真模拟结果的重要手段。
通过实际试验，可以获得实际列车在不同工况下的运行数据，从而进一步改进列车设计和运行参数。
四、高铁动车组列车运行稳定性的优化方法为了保证高铁动车组列车的运行稳定性，可以采取一系列优化方法。
高速列车空气动力学研究
高速列车空气动力学研究一、引言高速列车的空气动力学研究是基础工程学科领域中一个非常重要的研究方向。
目前，随着我国高速铁路的全面发展，高速列车的空气动力学问题也逐渐成为了学术界关注的热门话题。
本文将从基本概念、研究方法、实验结果等多个方面，对高速列车空气动力学研究进行深入探讨。
二、高速列车空气动力学基本概念高速列车空气动力学研究，是通过对高速列车在移动过程中，空气流动规律和各种影响因素进行计算机模拟和实验测试，来探究高速列车在空气环境中的行驶特性及其相关问题的学科。
在完成空气动力学研究之前，必须了解以下几个基本概念:1. 高速列车：指可以在600-800km/h的时速范围内运行的列车类型，如CRH时速——高速动车组等。
2. 空气动力学：是研究流体(如空气)在物体表面产生的压力、力和运动状态等方面的学科领域，属于流体力学的范畴。
3. 空气动力学力：是指空气在物体表面产生的静压力、动压力及粘性力对物体的作用力。
三、高速列车空气动力学研究方法高速列车空气动力学研究方法可分为两类：数值模拟和实验测试。
1. 数值模拟：数值模拟通常采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法，通过计算机模拟高速列车在空气中行驶时的流场分布和流动状态等参数，从而得出高速列车的空气动力学特性。
数值模拟方法相比实验测试来说，有明显的优势，如操作简单、费用较低、数据分析方便、仿真效果可视化等。
但也有一些缺陷，如假设过于理想与简单，无法考虑到复杂的小尺度压力和紊流效应等。
2. 实验测试：实验测试主要分为两种方式：静态试验和动态试验。
静态试验是通过研究高速列车在静止状态下受到的空气阻力等参数，来推算高速列车在高速行驶状态下的空气动力学情况。
动态试验通常采用风洞实验或者实际铁路线实验，通过数据采集和测量的手段，获得高速列车在不同速度下的气动力特性数据。
四、高速列车空气动力学实验结果高速列车的空气动力学实验结果，主要体现在下列几个方面：1. 高速列车的阻力特性：高速列车在高速行驶过程中，其阻力大小和分布规律将直接影响到列车的牵引功率和能耗。
高速铁路概论第三章 高速列车牵引动力
3、牵引动力集中配置与分散配置的比较
为了对不同机车车辆簧下质量的影响进行比较，通常采用 等效簧下质量的概念。牵引动力集中配置的高速列车动力车 的每轮等效簧下质量略低于动力分散配置的数值。
3、牵引动力集中配置与分散配置的比较
（3）粘着利用和加速性能
充分利用粘着是高速列车牵引动力设计时的一个重要的指 导思想。日本在研制牵引动力装置时，认为粘着系数将随速 度的提高而下降，担心单轴的粘着力过小，只好增加动轴的 数量，以保证足够的牵引力，这就是日本的高速列车的牵引 动力采用分散配置形式的原因之一。
空气阻力的计算公式为：
方空 成气 正阻
D 空1 2气C 密dV 度2A(Cdd L)
比力 与
C d 空气阻力系数
列 车 速
V 列车速度
A 列车断面积
度 的 平
C d
列车压力阻力系数 列车侧面气动摩擦系数
L 列车长度
d 列车气动直径
三、牵引动力及其配置
1、牵引动力的形式
电力牵引 内燃电传动牵引
电力牵引的优点：功率大、轴重小、经济性能好、环境污染小 电力牵引的缺点：初期投资大 内燃电传动牵引的优点：投资少、见效快、经济性能好
概 第
一
节 述
从速度上看，目前已开行的高速列车的最高速度可以划分为 三个等级。
第一速度级： 最高运行速度200～250Km/h 第二速度级： 最高运行速度250～300Km/h 第三速度级： 最高运行速度300Km/h以上
高速铁路动车组车体抖动问题分析与整治
高速铁路动车组车体抖动问题分析与整治刘永乾（中铁物总运维科技有限公司，北京100036）摘要：针对某高速铁路动车组车体抖动问题，采集不同线路工况下车体振动加速度及平稳性数据、不同磨耗车轮踏面及打磨前后钢轨廓形，研究不同线路工况、车轮踏面和钢轨廓形对动车组车体振动特征影响，研究镟轮后不同时期车轮踏面和打磨前后钢轨廓形匹配下轮轨几何接触关系。
同时，采用实际线路及动车组车辆参数，基于多体动力学软件Simpack建立包含实测车轮踏面和钢轨廓形的车辆-轨道耦合系统动力学模型，计算车轮镟修和钢轨打磨对车辆关键动力学指标的影响。
研究结果表明：该高速铁路动车组车体抖动主要发生在隧道工况内，体现为垂向和横向的综合异常振动；随车轮踏面磨耗增加，实测车体振动加速度逐渐增大，轮轨接触关系逐渐恶化，与未廓形打磨钢轨匹配时尤为明显；钢轨打磨可以有效抑制等效锥度随车轮踏面磨耗增加的不断增大，有效改善轮轨接触关系。
车轮镟修和钢轨廓形打磨均可降低等效锥度，有效整治高速铁路动车组车体抖动。
关键词：高速铁路；车体抖动；车轮磨耗；钢轨廓形打磨；车体振动加速度；等效锥度中图分类号：U211.5文献标识码：A文章编号：1001-683X（2020）03-0088-09 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.03.0880引言随着我国高速铁路的快速发展、动车组列车运营速度的不断提高，轮轨间作用力随之增大，车体振动也随之加剧，严重者表现为动车组失稳（车体抖动、横向晃车、构架横加报警等）、扣件弹条大面积折断等现象，严重影响了乘坐舒适度、增加线路养护成本，甚至危及行车安全。
针对此问题，Orlova等［1］就严重车轮轮缘磨耗及车辆装载工况下出现的振动加速度偏大等现象，通过优化车辆计算模型提出较优的车辆悬挂参数。
乔红刚等［2］通过抗蛇行减振器台架性能测试及动力学仿真分析，对动车组车辆异常抖动原因进行研究。
许自强［3］、基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017G003-A）作者简介：刘永乾（1990—），男，工程师。
高速列车的动力学模型研究
高速列车的动力学模型研究一、引言高速列车是当今现代化的交通工具之一，它的出现缩短了人们的时间，方便人们出行。
高速列车的运行与设计离不开动力学模型的研究。
动力学模型对高速列车的运行控制、维护和保障至关重要。
本文就高速列车的动力学模型进行探讨。
二、高速列车的动力学模型高速列车的动力学模型是指以物理学为依据，以列车的动力学模型为核心，涉及到列车运行时运动状态、机车性能及动力传动等要素的计算模型。
在对高速列车进行运行监视与分析时，高速列车的动力学模型起着至关重要的作用。
1.高速列车的运动方程高速列车的运动方程是以牛顿力学为基础的。
牛顿定律表明：M=ma，即物体的力等于其质量与加速度的积。
因此，高速列车的运动方程中，强调对列车作用力的分析。
列车的行驶速度、加速度、制动力、滑行距离都受到各种因素的影响，如道路状况、机车的额定功率、牵引力、制动力等。
高速列车的运动方程需解决这些问题，并且需要考虑预测列车在各种情况下不同速度下的运行动力学，并及时调整牵引力和制动力。
2.高速列车的能量方程列车的能量方程包括动能和势能两个部分。
列车的动能与其速度平方成正比。
列车加速时，动能增加。
列车减速或刹车时，动能减少，反之亦然。
列车的势能与列车高度成正比，因此，在列车上行时，势能增加，在下行时，势能减少。
3.高速列车内部机动力学模型高速动车组由牵引车、动力车、中间车和拖车组成。
这种车型的机动力学模型可以分为三个部分：动力传输、惯性质量及轨道摩擦力。
动力传输表示了机车牵引力在列车中的传递过程。
惯性质量是指高速列车的攀爬运动。
径向快速车轮曲率位置上的轨道摩擦力发挥着抵消列车运动（如弯曲半径）的作用。
三、高速列车动力学模型的应用高速列车的动力学模型将列车运行时的各种因素综合在一起，得出列车在不同情况下的运动特性。
这种动力学模型可以应用于高速列车的设计、运行控制及状态监测、系统大修、维护与保障等各方面：1.高速列车的设计高速列车的设计需要选择合适的功率、速度及牵引力，以确保列车在运行过程中的安全性和运行效率。
高速动车组运行性能与乘坐舒适度的关系研究
高速动车组运行性能与乘坐舒适度的关系研究引言动车组的运行性能和乘坐舒适度主要按运行稳定性、运行安全性、轮轴横向力和运行平稳性来评定。
运行稳定性包括线性稳定性和非线性稳定性（又称为横向运动稳定性或蛇行运动稳定性）。
运行安全性分别按脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、轮轴（横向）力来评定。
本文以引进西门子的CRH3动车组动为例，进行力学仿真计算分析和说明。
所计算分析内容涵盖了CRH3动车组的运行稳定性、安全性、平稳性、轮轴横向力和轮轨关系等方面的内容。
1、运行安全性1.1、脱轨系数在《铁道车辆动力性能评定和试验鉴定规范》（以下简写为GB5599-85）中定义为：爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力Q与其作用与钢轨上的垂向力P的比值。
即：脱轨系数=Q/P≤0.8由于在西门子的UIC518标准中采用Y表示横向力，Q表示垂向力，因而西门子公司在概念中采用了欧洲习惯的表达方式，即用Y/Q代替Q/P表示脱轨系数。
1.2、减载率GB5599-85中定义为：轮重减载量Δp与该轴平均静轮重p的比值；即：轮重减载率=Δp/p，其中：Δp=pd-p，pd是动态下的实测轴重。
按规定：当速度≤160km/h时，轮重减载率≤0.65；当速度≥160km/h时，轮重减载率按准静态和动态两种工况考察。
其中，准静态轮重减载率是只考察准静力作用下的减载率，其限值：=0.65（准静态）。
西门子概念中采用了欧洲习惯的表示方法:△Q/Q0=0.65。
动态轮重减载率是同时考察动态作用下的减载率，其限值：=0.80（动态）。
西门子概念中的表达方式为：△Q/Q0 =0.80。
1.3、倾覆系数按GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定：倾覆系数D=Pd/Pet<0.8。
2、运行稳定性运行稳定性主要考察非线性稳定性，即横向运动稳定性（或者说蛇行运动稳定性），考核对象为构架的横向加速度，其限值为连续6个周期8～10m/s2(0.5～10Hz，见图1)。
CRH2动车组动力学性能分析
表 ３ 抗蛇行减振器阻尼系数值对临界速度的影响
阻尼系数值 / kN·s·m－1
550 600 650 700 750 800 850 900 950
2. 株洲时代新材料科技股份有限公司 弹性元件事业部，湖南 株洲 412007）
作者简介：程 迪（1963-）， 摘 要 ：以 CRH2 动车组车辆为分析对象，利用 NUCARS 软件对动车组车辆的临界速度、各主 男，硕士，教授，现从事机 要悬挂参数对临界速度的影响趋势、车辆的直线运行响应以及车辆的曲线通过响应进行了分析。结果 车 车 辆 教 学 和 科 研 工 作 。
动车组车辆具有两系悬挂，单车模型中共有 7 个刚 体，即1 个车体、2 个构架、4 个轮对，车体与转向架之间
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机 车 电 传 动
2010 年
的连接弹簧和阻尼器等看作是无质量的连接单元，单 元的刚度和阻尼值与实际参数相同。为精确模拟系统 的动力特性，计算中考虑横向和垂向运动相耦合的力 学模型[2]。转向架上的悬挂部件重量转化到构架上。车 体和转向架构架均为 6 个自由度，轮对具有 4 个自由度， 故单车系统共有34 个自由度。 2.1.2 系统中的非线性环节
系统运动微分方程的求解由车辆动力学分析软件 NUCARS2.3 完成，在时域内求解临界速度、动力学响 应和曲线通过性能。 2.1.4 线路条件
表1 为200 km/h速度级线路区段轨道不平顺动态管 理标准（半峰值），响应分析时，以此为依据，设计 2 级 线路不平顺。
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高速铁路动车组运行动力学分析研究
随着近年来我国高速铁路建设的快速发展，高速铁路动车组已经成为人们日常
出行的首选交通工具之一。
作为目前最先进的轨道交通工具之一，高速铁路动车组在运行中不仅需要具备较高的速度和可靠性，更需要运用现代运行动力学进行精细控制。
因此，对高速铁路动车组运行动力学分析的研究已成为当前的一个重要热点。
一、高速铁路动车组的构成和运行原理
高速铁路动车组通常由牵引/制动系统、转向架、车体、电力系统、通信信号
系统等多个部分组成。
其中，牵引/制动系统是保证车辆运行的重要组成部分。
动
车组可以通过控制电机的功率来实现牵引和制动，使列车增加或减少速度。
转向架主要负责支撑车体并将转向力和侧向力传递到轨道上，是保证车辆稳定行驶的重要组成部分。
车体由车框和车体外壳组成，是动车组内部组件的承载结构。
高速铁路动车组的运行原理主要依靠电力系统。
电力系统包括牵引变压器、逆
变器和电动机等。
在高速铁路动车组的运行过程中，复杂的物理量和实时控制策略需要高级数学模型和大规模计算机模拟。
因此，高速铁路动车组的运行动力学分析在交通领域具有重要的理论和应用价值。
二、高速铁路动车组的运行动力学分析方法
高速铁路动车组的运行动力学分析主要包括列车稳定性研究、车辆运行特性分
析和优化设计立场等方面。
其中，列车稳定性研究是基础和关键，需要研究车辆的加速度、速度、侧向力、纵向力和转向力等多种动力学特性。
运用数学模型和计算机仿真技术可以对列车稳定性进行准确的分析和预测。
除了列车稳定性研究，高速铁路动车组的其他运行动力学特性也是研究的重点。
例如，车辆的制动性能、抗风能力和能耗等问题。
通常，运用实验测试数据和数学计算模型结合的方法可以对这些问题进行准确的分析和解决。
三、高速铁路动车组的典型运行动力学分析案例
中国的高速铁路发展速度非常快，目前已建成的高铁运营线路达到了3.8万公里以上。
在高铁复杂的线路条件下，高速铁路动车组的运行动力学研究面临着较大挑战。
因此，高速铁路动车组的运行动力学分析也需要不断地完善和优化。
为了探究动车组的运行性能，我们可以通过一些典型的运行动力学分析案例进行学习和研究。
例如，通过分析中国高速铁路上的动车组行驶时所受到的侧风力，可以评估列车的稳定性和减少事故的概率；通过优化动车组制动系统的控制算法和配合制动器的设计，可以提高车速安全和减少能耗等问题。
这些案例为近年来高速铁路动车组运行动力学研究做出了重要贡献。
四、高速铁路动车组的未来发展方向
随着高速铁路的发展，高速铁路动车组的运行动力学分析研究也正在发展和完善。
未来，高速铁路动车组的研究还需要关注动车组的电力系统、制动系统、通信系统和车辆的更好的运行特性分析。
这种分析将涉及多种学科，例如信号处理、噪音处理、力学和控制等。
因此，人工智能和深度学习等技术的运用将成为未来高速铁路动车组研究的新趋势。
总之，高速铁路动车组的运行动力学分析研究是发展交通运输现代化的重要任务。
未来，随着科学技术的不断发展和进步，高速铁路动车组运行动力学分析研究将会迎来更加广阔的前景。