NX70型平車在最不利裝載工況下軌道復(fù)合不平順安全限值的深度仿真探究一、引言1.1研究背景在現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸體系中，NX70型平車憑借其70t的較大載重、120km/h的較高速度以及16366mm的車身長(zhǎng)度，成為了鐵路貨運(yùn)的重要裝備之一。它被廣泛應(yīng)用于鋼材、汽車、拖拉機(jī)、成箱貨物、大型混凝土橋梁及軍用裝備等貨物的運(yùn)輸，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著關(guān)鍵角色，對(duì)保障物資流通、促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。軌道作為鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)結(jié)構(gòu)，其平順性對(duì)列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性有著至關(guān)重要的影響。軌道不平順是指軌道幾何形狀、尺寸和空間位置的偏差，按激擾方向可劃分為垂向軌道不平順（如高低不平順、水平不平順）、橫向軌道不平順（如軌向不平順、軌距偏差）以及復(fù)合軌道不平順（如方向水平逆相復(fù)合不平順）。其中，復(fù)合不平順是指在軌道同一位置上，垂向和橫向不平順共存的情況，這種不平順對(duì)列車運(yùn)行的影響更為復(fù)雜和嚴(yán)重。當(dāng)NX70型平車在存在復(fù)合不平順的軌道上運(yùn)行時(shí)，車輛與軌道之間的相互作用會(huì)發(fā)生顯著變化。不平順會(huì)導(dǎo)致輪軌間產(chǎn)生額外的作用力，如垂向力、橫向力和縱向力等。這些力的變化會(huì)影響車輛的動(dòng)力學(xué)性能，使車輛產(chǎn)生振動(dòng)、搖晃和偏移等現(xiàn)象。在最不利裝載工況下，車輛的重心分布和慣性特性會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)一步加劇了車輛與軌道之間的相互作用，增加了脫軌、傾覆等安全事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究表明，軌道不平順是引起列車振動(dòng)、輪軌作用力增大的主要根源，嚴(yán)重的軌道不平順可能導(dǎo)致車輪爬軌脫軌、鋼軌和輪軸斷裂等惡性事故，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全構(gòu)成巨大威脅。隨著鐵路運(yùn)輸向高速、重載方向的發(fā)展，NX70型平車的運(yùn)行速度和載重不斷增加，對(duì)軌道平順性的要求也越來(lái)越高。然而，目前我國(guó)鐵路軌道在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于受到列車荷載、自然環(huán)境、養(yǎng)護(hù)維修等多種因素的影響，軌道不平順問(wèn)題普遍存在，且在某些地段較為嚴(yán)重。在一些繁忙干線上，軌道的高低不平順、軌向不平順等指標(biāo)超出允許范圍的情況時(shí)有發(fā)生，這給NX70型平車的安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，開展基于NX70型平車最不利裝載工況的軌道復(fù)合不平順安全限值研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性，通過(guò)明確安全限值，為軌道的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)維修以及車輛的安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，從而有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)，保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩c暢通。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀軌道不平順一直是鐵路工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在軌道不平順?lè)倒芾順?biāo)準(zhǔn)、安全限值、對(duì)車輛運(yùn)行安全影響以及車輛動(dòng)力學(xué)仿真等方面開展了大量研究，取得了一系列有價(jià)值的成果。在軌道不平順?lè)倒芾順?biāo)準(zhǔn)方面，各國(guó)都制定了相應(yīng)的規(guī)范。中國(guó)鐵路針對(duì)不同線路類型和運(yùn)行速度，制定了詳細(xì)的軌道不平順管理值，如《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》和《普速鐵路線路修理規(guī)則》，對(duì)高低、軌向、水平、軌距等不平順參數(shù)的作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和臨時(shí)補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)都作出了明確規(guī)定。歐洲鐵路聯(lián)盟（ERA）也發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)軌道幾何狀態(tài)的允許偏差進(jìn)行了界定，以確保列車在不同速度下的安全運(yùn)行。這些標(biāo)準(zhǔn)為軌道的日常維護(hù)和修理提供了重要依據(jù)，但在不同標(biāo)準(zhǔn)之間，對(duì)于復(fù)合不平順的管理規(guī)定存在一定差異，缺乏統(tǒng)一的、被廣泛認(rèn)可的復(fù)合不平順管理體系。安全限值的研究是保障鐵路運(yùn)輸安全的關(guān)鍵。部分學(xué)者通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，建立了軌道不平順安全限值的計(jì)算模型。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，考慮了車輛的動(dòng)力學(xué)性能和軌道結(jié)構(gòu)的受力特性，推導(dǎo)了軌道高低不平順和軌向不平順的安全限值計(jì)算公式。在實(shí)際應(yīng)用中，這些安全限值受到多種因素的影響，如車輛類型、運(yùn)行速度、軌道結(jié)構(gòu)形式等，使得安全限值的確定變得復(fù)雜，目前對(duì)于復(fù)雜工況下的安全限值研究還不夠深入，難以滿足鐵路運(yùn)輸多樣化發(fā)展的需求。軌道不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響研究成果豐富。研究表明，軌道不平順會(huì)導(dǎo)致車輛振動(dòng)加劇，輪軌作用力增大，從而影響車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)軌道存在高低不平順時(shí)，車輛會(huì)產(chǎn)生垂向振動(dòng)，過(guò)大的垂向振動(dòng)可能導(dǎo)致車輪與鋼軌的瞬間脫離，增加脫軌風(fēng)險(xiǎn)；軌向不平順則會(huì)引起車輛的橫向振動(dòng)，使車輛偏離正常運(yùn)行軌跡，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)車輛傾覆事故。在復(fù)合不平順的情況下，車輛的振動(dòng)響應(yīng)更加復(fù)雜，垂向和橫向振動(dòng)相互耦合，對(duì)車輛運(yùn)行安全的威脅更大，但目前對(duì)于復(fù)合不平順下車輛振動(dòng)響應(yīng)的耦合機(jī)理研究還不夠透徹。車輛動(dòng)力學(xué)仿真作為研究軌道不平順對(duì)車輛影響的重要手段，被廣泛應(yīng)用。通過(guò)建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件如SIMPACK、ADAMS等，可以模擬車輛在不同軌道不平順條件下的運(yùn)行狀態(tài)，分析車輛的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，如脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向力等。學(xué)者[具體學(xué)者]利用SIMPACK軟件建立了NX70型平車的動(dòng)力學(xué)模型，研究了不同裝載工況下車輛在軌道不平順激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，為車輛的安全運(yùn)行提供了理論支持。然而，在模型建立過(guò)程中，對(duì)于一些復(fù)雜因素的考慮還不夠全面，如軌道的彈性特性、車輛懸掛系統(tǒng)的非線性特性等，可能會(huì)影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜上所述，當(dāng)前對(duì)于軌道不平順的研究已取得了顯著進(jìn)展，但在基于NX70型平車最不利裝載工況的軌道復(fù)合不平順安全限值研究方面仍存在不足。一方面，現(xiàn)有的安全限值研究多針對(duì)單一不平順或簡(jiǎn)單工況，對(duì)于復(fù)合不平順在最不利裝載工況下的安全限值研究較少；另一方面，車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型的完善程度有待提高，需要更加全面地考慮各種影響因素，以準(zhǔn)確評(píng)估軌道復(fù)合不平順對(duì)NX70型平車運(yùn)行安全的影響，從而為制定科學(xué)合理的安全限值提供更可靠的依據(jù)。1.3研究目的與意義本研究聚焦于NX70型平車在鐵路運(yùn)輸中的關(guān)鍵安全問(wèn)題，旨在通過(guò)深入分析和仿真研究，精準(zhǔn)確定基于其最不利裝載工況下的軌道復(fù)合不平順安全限值。在鐵路貨運(yùn)體系中，NX70型平車承擔(dān)著多種重要物資的運(yùn)輸任務(wù)，其運(yùn)行安全直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)目煽啃院托?。最不利裝載工況下，車輛的重心分布、慣性等因素會(huì)發(fā)生顯著變化，使得車輛與軌道之間的相互作用更為復(fù)雜，而軌道復(fù)合不平順會(huì)進(jìn)一步加劇這種作用，增加安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，明確安全限值是保障NX70型平車安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)確定安全限值，能夠?yàn)殍F路軌道的維護(hù)提供精確的量化指標(biāo)。在軌道日常養(yǎng)護(hù)維修工作中，工作人員可以依據(jù)該安全限值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理超出限值的軌道復(fù)合不平順問(wèn)題，采取有效的整治措施，如調(diào)整軌道幾何尺寸、修復(fù)軌道部件等，從而確保軌道始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)，延長(zhǎng)軌道的使用壽命，降低維護(hù)成本。對(duì)于鐵路運(yùn)輸管理而言，安全限值為運(yùn)輸調(diào)度和管理決策提供了科學(xué)依據(jù)。在安排NX70型平車運(yùn)輸任務(wù)時(shí)，管理人員可以根據(jù)軌道的實(shí)際平順狀況和安全限值，合理規(guī)劃列車的運(yùn)行路線、速度等參數(shù)，避免列車在存在嚴(yán)重復(fù)合不平順的軌道段運(yùn)行，降低安全事故的發(fā)生概率，提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院凸芾硭健Ｍ瑫r(shí)，安全限值的確定也有助于完善鐵路運(yùn)輸安全標(biāo)準(zhǔn)體系，為制定相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和管理規(guī)定提供有力支撐，促進(jìn)鐵路運(yùn)輸行業(yè)的規(guī)范化和科學(xué)化發(fā)展，推動(dòng)整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。1.4研究?jī)?nèi)容與方法1.4.1研究?jī)?nèi)容NX70型平車最不利裝載工況分析：全面考慮NX70型平車在運(yùn)輸不同貨物時(shí)的各種裝載情況，包括貨物的重量分布、重心位置、外形尺寸等因素。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際調(diào)研，確定對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響最為顯著的最不利裝載工況，為后續(xù)研究提供準(zhǔn)確的工況條件。針對(duì)運(yùn)輸大型機(jī)械設(shè)備時(shí)，設(shè)備的重心偏離車輛中心位置且重量集中在一端的情況，分析其對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的影響；研究裝載超長(zhǎng)貨物時(shí)，貨物的懸伸長(zhǎng)度和重量分布如何改變車輛的動(dòng)力學(xué)特性。建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型：運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)理論，利用專業(yè)仿真軟件（如SIMPACK、ADAMS等），建立精確的NX70型平車與軌道耦合的動(dòng)力學(xué)模型。模型中充分考慮車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如車體、轉(zhuǎn)向架、懸掛系統(tǒng)等部件的力學(xué)特性；詳細(xì)描述軌道的幾何形狀、物理參數(shù)以及軌道不平順的模擬方法；合理設(shè)置輪軌接觸關(guān)系，包括接觸力的計(jì)算模型、接觸剛度和阻尼等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬車輛在軌道上的運(yùn)行狀態(tài)。分析軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響：在建立的仿真模型基礎(chǔ)上，輸入不同類型、幅值和波長(zhǎng)的軌道復(fù)合不平順激勵(lì)，模擬NX70型平車在各種復(fù)合不平順條件下的運(yùn)行過(guò)程。深入分析車輛的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，如脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向力、垂向力等隨軌道復(fù)合不平順變化的規(guī)律。研究方向水平逆相復(fù)合不平順?lè)翟龃髸r(shí)，車輛脫軌系數(shù)和橫向力的增長(zhǎng)趨勢(shì)；分析不同波長(zhǎng)的復(fù)合不平順對(duì)車輛輪重減載率的影響，明確軌道復(fù)合不平順的關(guān)鍵影響因素。確定基于最不利裝載工況的軌道復(fù)合不平順安全限值：依據(jù)車輛運(yùn)行安全性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，結(jié)合仿真分析得到的車輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)與軌道復(fù)合不平順之間的關(guān)系，采用概率統(tǒng)計(jì)方法、極限狀態(tài)法等，確定在NX70型平車最不利裝載工況下，能夠保證車輛安全運(yùn)行的軌道復(fù)合不平順安全限值。通過(guò)對(duì)大量仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)超過(guò)安全閾值時(shí)對(duì)應(yīng)的軌道復(fù)合不平順?lè)岛筒ㄩL(zhǎng)范圍，從而給出合理的安全限值建議，并對(duì)安全限值的可靠性和適用性進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。1.4.2研究方法理論分析方法：運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)、軌道動(dòng)力學(xué)、輪軌接觸理論等相關(guān)學(xué)科的基本原理，對(duì)NX70型平車在軌道上的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析。建立車輛動(dòng)力學(xué)方程，求解車輛在各種外力作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；運(yùn)用輪軌接觸理論，分析輪軌之間的作用力和接觸狀態(tài)；依據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)理論，研究軌道不平順對(duì)車輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響機(jī)制，為仿真建模和結(jié)果分析提供理論基礎(chǔ)。仿真建模方法：借助多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立NX70型平車與軌道耦合的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)設(shè)置合理的模型參數(shù)和邊界條件，模擬車輛在不同軌道不平順條件下的運(yùn)行情況。利用仿真軟件的強(qiáng)大計(jì)算功能，快速、準(zhǔn)確地獲取車輛的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，為研究軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛的影響提供數(shù)據(jù)支持。在SIMPACK軟件中，建立包含車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、懸掛系統(tǒng)等部件的NX70型平車模型，并導(dǎo)入實(shí)際測(cè)量的軌道不平順數(shù)據(jù)，進(jìn)行車輛運(yùn)行仿真分析。對(duì)比分析方法：將仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)、已有研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)對(duì)比不同工況下的仿真結(jié)果，深入探討軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，以及最不利裝載工況的特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)不同方法確定的軌道復(fù)合不平順安全限值進(jìn)行比較，綜合評(píng)估各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為最終確定安全限值提供參考依據(jù)。將仿真得到的車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)與實(shí)際線路試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，分析兩者之間的差異，對(duì)仿真模型進(jìn)行修正和優(yōu)化。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1NX70型平車概述NX70型平車由二七車輛有限公司于2003年研制生產(chǎn)，作為鐵路貨運(yùn)的關(guān)鍵裝備，在各類物資運(yùn)輸中發(fā)揮著核心作用。其設(shè)計(jì)載重達(dá)70t，自重不超過(guò)23.8t，車輛長(zhǎng)度為16366mm，最大寬度為3157mm，底架長(zhǎng)度15400mm，底架寬度2960mm，車輛定距10920mm，這些參數(shù)使其具備了較大的載貨能力和良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)多種貨物的運(yùn)輸需求。該車在結(jié)構(gòu)上主要由底架、地板、集裝箱鎖閉裝置、端門、車鉤緩沖裝置、制動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)向架等部分組成。底架作為車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度鋼材制造，具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受貨物的重量和運(yùn)輸過(guò)程中的各種作用力。地板采用優(yōu)質(zhì)材料，具有良好的耐磨性和防滑性能，確保貨物在運(yùn)輸過(guò)程中的穩(wěn)固放置。集裝箱鎖閉裝置設(shè)計(jì)精巧，能夠可靠地固定集裝箱，防止其在運(yùn)輸中發(fā)生位移。端門為活動(dòng)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，在整列車裝運(yùn)車輛及軍事裝備時(shí)，放倒可作為渡板使用，方便貨物的裝卸和車輛的上下；在車輛運(yùn)行時(shí)，端門必須處于立起關(guān)閉位，以保障運(yùn)輸安全。NX70型平車的轉(zhuǎn)向架分為轉(zhuǎn)K6型和轉(zhuǎn)K5型兩種，裝用轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架為NX70型，裝用轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架為NX70H型。這兩種轉(zhuǎn)向架都具有優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能，能夠有效降低車輛在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲，提高車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性。轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架采用了一系列先進(jìn)技術(shù)，如優(yōu)化的懸掛系統(tǒng)、高強(qiáng)度的輪對(duì)和耐磨的軸承等，使其能夠適應(yīng)高速、重載的運(yùn)輸要求。轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件選型上進(jìn)行了獨(dú)特的優(yōu)化，進(jìn)一步提升了車輛的曲線通過(guò)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性。制動(dòng)裝置是保障車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，NX70型平車采用120型空氣控制閥、305×254mm旋壓密封式制動(dòng)缸、ST2-250型雙向閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器、KZW-A型空重車自動(dòng)調(diào)整裝置以及NSW型手制動(dòng)機(jī)。120型空氣控制閥具有響應(yīng)速度快、制動(dòng)靈敏度高的特點(diǎn)，能夠根據(jù)車輛的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)準(zhǔn)確地控制制動(dòng)壓力。305×254mm旋壓密封式制動(dòng)缸提供了強(qiáng)大的制動(dòng)力，確保車輛在緊急情況下能夠迅速停車。ST2-250型雙向閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器能夠自動(dòng)調(diào)整閘瓦與車輪之間的間隙，保證制動(dòng)效果的穩(wěn)定性。KZW-A型空重車自動(dòng)調(diào)整裝置則根據(jù)車輛的載重情況自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)缸的壓力，使車輛在不同載重下都能獲得合適的制動(dòng)力。NSW型手制動(dòng)機(jī)作為一種手動(dòng)制動(dòng)裝置，在車輛停放或緊急情況下提供額外的制動(dòng)保障。鉤緩裝置使用E級(jí)鋼17型聯(lián)鎖式車鉤和MT-2型緩沖器。E級(jí)鋼17型聯(lián)鎖式車鉤具有強(qiáng)度高、連接可靠、摘掛方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠在車輛之間傳遞牽引力和制動(dòng)力，確保列車的正常運(yùn)行。MT-2型緩沖器則能夠有效地吸收和緩沖車輛在啟動(dòng)、制動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力，減少車輛部件的磨損和損壞，提高車輛的運(yùn)行安全性和舒適性。在應(yīng)用場(chǎng)景方面，NX70型平車展現(xiàn)出了強(qiáng)大的通用性和適應(yīng)性。它可用于運(yùn)輸鋼材、汽車、拖拉機(jī)、成箱貨物、大型混凝土橋梁及軍用裝備等多種類型的貨物。在運(yùn)輸鋼材時(shí)，其寬大的底架和高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)能夠承載沉重的鋼材，確保運(yùn)輸過(guò)程中的安全；運(yùn)輸汽車和拖拉機(jī)時(shí)，車輛的尺寸和承載能力能夠滿足不同車型的裝載需求；對(duì)于成箱貨物，NX70型平車能夠通過(guò)合理的裝載布局，提高貨物的運(yùn)輸效率。同時(shí)，該車還可用于20ft、40ft國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱及45ft、48ft、50ft集裝箱的運(yùn)輸，通過(guò)集裝箱鎖閉裝置與集裝箱的緊密配合，實(shí)現(xiàn)了集裝箱的高效、安全運(yùn)輸，為現(xiàn)代物流行業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。2.2軌道不平順基礎(chǔ)理論2.2.1軌道不平順類型軌道不平順作為鐵路軌道系統(tǒng)中的關(guān)鍵影響因素，指的是兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差，對(duì)機(jī)車車輛系統(tǒng)而言是一種外部激擾，也是產(chǎn)生機(jī)車車輛系統(tǒng)震動(dòng)的主要根源，其類型豐富多樣，按激擾方向主要可分為垂向軌道不平順、橫向軌道不平順以及復(fù)合軌道不平順三大類。垂向軌道不平順包含高低不平順、水平不平順、扭曲不平順、軌面短波不平順、鋼軌軌身垂向周期性不平順等。其中，高低不平順是指實(shí)際的軌道中心線與理想的軌道中心線沿長(zhǎng)度方向的垂向幾何位置偏差，它主要由道床的不均勻沉降、軌枕的磨損和松動(dòng)、鋼軌的撓曲變形等因素引起。在鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于列車長(zhǎng)期的荷載作用，道床會(huì)逐漸發(fā)生沉降，尤其是在土質(zhì)松軟的地段，沉降更為明顯，從而導(dǎo)致軌道高低不平順。水平不平順是指左右鋼軌沿長(zhǎng)度方向的垂向高度差，它不僅由軌道高低不平順派生而來(lái)，還可能因軌道扣件的松動(dòng)、軌枕的橫向位移等原因產(chǎn)生。當(dāng)軌道扣件松動(dòng)時(shí)，鋼軌的固定狀態(tài)被破壞，容易出現(xiàn)左右鋼軌高度不一致的情況，進(jìn)而引發(fā)水平不平順。橫向軌道不平順包括軌道方向不平順、軌距偏差、軌身橫向周期性不平順等。軌道方向不平順，又稱軌向不平順，是指軌頭作用邊沿鋼軌長(zhǎng)度方向的橫向凹凸不平順，相對(duì)于軌道中心線，可分左股和右股鋼軌方向不平順，主要是由于軌道鋪設(shè)時(shí)的初始彎曲、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)用中積累的軌道橫向彎曲變形等造成。在軌道鋪設(shè)過(guò)程中，如果施工精度不高，就會(huì)使軌道存在初始的方向偏差，隨著列車的運(yùn)行，這種偏差會(huì)逐漸積累和擴(kuò)大。軌距不平順則是指左右兩軌沿軌道長(zhǎng)度方向上的軌距偏差，其數(shù)值以實(shí)際軌距與名義軌距之差來(lái)表示，對(duì)機(jī)車車輛運(yùn)行的橫向穩(wěn)定性及曲線磨耗影響較大，軌距過(guò)大會(huì)引起掉道，若在短距離內(nèi)變化劇烈，即使不超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)使車輛的搖晃和輪軌間的橫向水平力增大。在小半徑曲線地段，由于車輪對(duì)鋼軌的橫向擠壓作用，軌距容易發(fā)生變化，導(dǎo)致軌距不平順。復(fù)合不平順是指在軌道同一位置或在影響機(jī)車車輛系統(tǒng)性能的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，共同存在垂向和橫向軌道不平順，形成的雙向不平順；或存在兩個(gè)以上垂向或橫向不平順，形成的單向的疊加不平順。對(duì)行車影響較大的主要有軌向與軌向逆相位復(fù)合不平順、軌向與水平的逆相位不平順、軌向與軌距的逆相位復(fù)合不平順、水平與軌距的逆相位復(fù)合不平順、高低與水平的逆相位復(fù)合不平順、扭曲與水平的逆相位復(fù)合不平順等。方向水平逆相復(fù)合不平順是引起脫軌的重要原因，當(dāng)列車通過(guò)這種復(fù)合不平順區(qū)域時(shí)，車輛會(huì)受到復(fù)雜的垂向和橫向力的作用，導(dǎo)致車輪與鋼軌之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，增加脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。2.2.2軌道不平順模型為了深入研究軌道不平順對(duì)列車運(yùn)行的影響，眾多學(xué)者和研究人員建立了多種軌道不平順模型，這些模型從不同角度和原理出發(fā)，模擬軌道不平順的特性和變化規(guī)律，常見的模型主要包括諧波不平順激勵(lì)、低凹焊縫不平順激勵(lì)、豎錯(cuò)不平順激勵(lì)及軌道不平順功率譜等。諧波不平順激勵(lì)模型基于傅里葉級(jí)數(shù)理論，將軌道不平順視為由一系列不同頻率、幅值和相位的正弦波疊加而成。該模型認(rèn)為，軌道不平順的波形可以分解為多個(gè)簡(jiǎn)諧成分，通過(guò)對(duì)這些簡(jiǎn)諧成分的分析，可以研究軌道不平順的頻率特性和對(duì)列車振動(dòng)的影響。在研究軌道不平順對(duì)高速列車振動(dòng)的影響時(shí)，利用諧波不平順激勵(lì)模型，將軌道不平順?lè)纸鉃椴煌l率的諧波成分，分析不同頻率成分對(duì)列車振動(dòng)的貢獻(xiàn)大小，從而為軌道的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供理論依據(jù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：y(x)=\sum_{i=1}^{n}A_{i}\sin(2\pif_{i}x+\varphi_{i})其中，y(x)表示軌道不平順的幅值，x為軌道長(zhǎng)度方向的坐標(biāo)，A_{i}為第i個(gè)諧波的幅值，f_{i}為第i個(gè)諧波的頻率，\varphi_{i}為第i個(gè)諧波的相位，n為諧波的個(gè)數(shù)。低凹焊縫不平順激勵(lì)模型主要針對(duì)軌道焊接處的不平順情況。在軌道鋪設(shè)過(guò)程中，鋼軌之間通過(guò)焊接連接，然而焊接工藝和質(zhì)量問(wèn)題可能導(dǎo)致焊縫處出現(xiàn)低凹現(xiàn)象，形成低凹焊縫不平順。這種不平順會(huì)使列車車輪在通過(guò)時(shí)產(chǎn)生瞬間的沖擊和振動(dòng)，對(duì)列車的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性產(chǎn)生影響。該模型通常根據(jù)實(shí)際測(cè)量的低凹焊縫形狀和尺寸，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬其對(duì)列車的激勵(lì)作用。假設(shè)低凹焊縫的形狀為拋物線形，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為：y(x)=\begin{cases}a(x-x_{0})^{2}+b,&x_{0}-l\leqx\leqx_{0}+l\\0,&\text{??????}\end{cases}其中，(x_{0},y_{0})為低凹焊縫的中心位置，a和b為與低凹焊縫形狀和深度相關(guān)的參數(shù)，l為低凹焊縫的半長(zhǎng)度。豎錯(cuò)不平順激勵(lì)模型用于描述軌道在垂向方向上出現(xiàn)的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。豎錯(cuò)不平順可能是由于軌道基礎(chǔ)的不均勻沉降、軌枕的損壞或更換不當(dāng)?shù)仍蛞鸬?。?dāng)列車車輪通過(guò)豎錯(cuò)不平順處時(shí)，會(huì)產(chǎn)生突然的垂向力變化，影響列車的運(yùn)行安全和舒適性。該模型通過(guò)定義豎錯(cuò)的高度和長(zhǎng)度等參數(shù)，來(lái)模擬豎錯(cuò)不平順對(duì)列車的激勵(lì)。以簡(jiǎn)單的矩形豎錯(cuò)模型為例，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：y(x)=\begin{cases}h,&x_{1}\leqx\leqx_{1}+L\\0,&\text{??????}\end{cases}其中，h為豎錯(cuò)的高度，x_{1}為豎錯(cuò)起始位置的坐標(biāo)，L為豎錯(cuò)的長(zhǎng)度。軌道不平順功率譜模型是基于隨機(jī)過(guò)程理論建立的，它將軌道不平順看作是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)功率譜密度函數(shù)來(lái)描述軌道不平順在不同空間頻率上的能量分布。該模型能夠全面地反映軌道不平順的統(tǒng)計(jì)特性，在車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)分析中得到了廣泛應(yīng)用。常用的軌道不平順功率譜模型有美國(guó)六級(jí)譜、德國(guó)低干擾譜等。美國(guó)六級(jí)譜根據(jù)軌道的不同狀態(tài)和使用條件，將軌道不平順?lè)譃榱鶄€(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的功率譜密度函數(shù)。德國(guó)低干擾譜則是針對(duì)高速軌道提出的，其功率譜密度函數(shù)在低頻段和高頻段都有特定的取值范圍，以保證軌道的低干擾特性。軌道不平順功率譜密度函數(shù)S_q(f)與空間頻率f的一般關(guān)系可表示為：S_q(f)=\frac{S_q(f_0)f_0^n}{f^n}其中，S_q(f_0)為參考空間頻率f_0處的功率譜密度值，n為頻率指數(shù)，不同類型的軌道不平順具有不同的n值。在本研究中，考慮到NX70型平車的運(yùn)行特點(diǎn)和實(shí)際軌道不平順的復(fù)雜性，采用軌道不平順功率譜模型來(lái)模擬軌道不平順。該模型能夠較好地反映軌道不平順的隨機(jī)特性，與實(shí)際軌道狀況更為接近，通過(guò)合理選擇功率譜參數(shù)，可以準(zhǔn)確地模擬不同工況下的軌道不平順情況，為后續(xù)的車輛動(dòng)力學(xué)性能分析提供可靠的輸入條件。2.3車輛運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，車輛運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)是衡量列車在軌道上運(yùn)行安全性的關(guān)鍵依據(jù)，對(duì)于保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?、高效至關(guān)重要。在研究NX70型平車在軌道復(fù)合不平順條件下的運(yùn)行安全性時(shí)，常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向力、傾覆系數(shù)等，這些指標(biāo)從不同角度反映了車輛的運(yùn)行安全狀態(tài)。脫軌系數(shù)是評(píng)估車輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)，它表示車輪在橫向力和垂向力共同作用下，橫向力與垂向力的比值。當(dāng)脫軌系數(shù)超過(guò)一定限值時(shí)，車輪就有可能爬上鋼軌，導(dǎo)致脫軌事故的發(fā)生。其計(jì)算公式為：Q/P=\frac{Q}{P}其中，Q為車輪所受的橫向力，P為車輪所受的垂向力。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)鐵路規(guī)定在車輛運(yùn)行速度不超過(guò)120km/h時(shí)，脫軌系數(shù)的安全限值一般為Q/P\leqslant1.2；當(dāng)運(yùn)行速度超過(guò)120km/h時(shí)，安全限值更為嚴(yán)格，通常要求Q/P\leqslant1.0。這是因?yàn)殡S著速度的增加，車輛的動(dòng)能增大，一旦發(fā)生脫軌，后果將更加嚴(yán)重，所以對(duì)脫軌系數(shù)的要求也更高。在實(shí)際運(yùn)行中，如果軌道存在嚴(yán)重的復(fù)合不平順，如方向水平逆相復(fù)合不平順，會(huì)使車輪受到的橫向力和垂向力發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致脫軌系數(shù)增大，從而增加脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。輪重減載率用于衡量車輛在運(yùn)行過(guò)程中車輪垂向力的變化情況，它反映了車輪與鋼軌之間的接觸狀態(tài)。當(dāng)輪重減載率過(guò)大時(shí)，車輪可能會(huì)瞬間脫離鋼軌，導(dǎo)致車輛失去穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)脫軌事故。輪重減載率的計(jì)算方法為：\DeltaP/P_0=\frac{P_0-P_{min}}{P_0}其中，\DeltaP為輪重減載量，P_0為輪對(duì)的平均靜輪重，P_{min}為輪對(duì)在運(yùn)行過(guò)程中的最小輪重。我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輪重減載率的安全限值為\DeltaP/P_0\leqslant0.65。在軌道復(fù)合不平順的情況下，車輛的振動(dòng)加劇，會(huì)使車輪的垂向力產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致輪重減載率增大。當(dāng)軌道出現(xiàn)高低不平順與水平不平順的逆相位復(fù)合時(shí)，車輛在通過(guò)該區(qū)域時(shí)，車輪的垂向力會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，可能使輪重減載率超過(guò)安全限值。橫向力是指車輛運(yùn)行時(shí)車輪作用于鋼軌的橫向水平力，它對(duì)軌道的橫向穩(wěn)定性和車輛的運(yùn)行安全性有重要影響。過(guò)大的橫向力可能導(dǎo)致軌道的軌距擴(kuò)大、扣件松動(dòng)，甚至使車輛發(fā)生橫向位移，影響列車的正常運(yùn)行。橫向力的大小與車輛的運(yùn)行速度、軌道不平順狀況以及車輛的動(dòng)力學(xué)性能等因素密切相關(guān)。在軌道復(fù)合不平順條件下，車輛受到的橫向激勵(lì)增加，會(huì)使車輪作用于鋼軌的橫向力增大。對(duì)于NX70型平車，在高速運(yùn)行且軌道存在嚴(yán)重復(fù)合不平順時(shí)，橫向力可能會(huì)超出允許范圍，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)和車輛運(yùn)行安全造成威脅。目前，我國(guó)鐵路對(duì)不同速度等級(jí)下的車輛橫向力有相應(yīng)的限制標(biāo)準(zhǔn)，以確保軌道和車輛的安全。傾覆系數(shù)用于評(píng)估車輛發(fā)生傾覆的可能性，它是衡量車輛在運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。傾覆系數(shù)的計(jì)算通?？紤]車輛所受的各種外力，如橫向力、垂向力以及車輛的重心高度等因素。當(dāng)傾覆系數(shù)超過(guò)一定值時(shí)，車輛就存在傾覆的危險(xiǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，傾覆系數(shù)的計(jì)算較為復(fù)雜，一般通過(guò)建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合車輛的運(yùn)行工況和軌道條件進(jìn)行求解。在軌道復(fù)合不平順的情況下，車輛的重心位置會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)受到的橫向力和垂向力也會(huì)改變，這些因素都會(huì)影響傾覆系數(shù)的大小。當(dāng)車輛通過(guò)曲線軌道且存在復(fù)合不平順時(shí)，由于離心力和軌道不平順的共同作用，車輛的傾覆風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加，此時(shí)需要嚴(yán)格控制傾覆系數(shù)，以確保車輛的運(yùn)行安全。2.4車輛動(dòng)力學(xué)仿真理論車輛動(dòng)力學(xué)仿真作為研究軌道車輛在各種工況下運(yùn)行性能的重要手段，基于多體動(dòng)力學(xué)理論，通過(guò)建立車輛的數(shù)學(xué)模型，模擬車輛在不同外力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其基本原理是將車輛視為由多個(gè)相互連接的剛體或彈性體組成的系統(tǒng)，利用牛頓第二定律和拉格朗日方程等力學(xué)原理，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，從而求解車輛各部件的位移、速度、加速度以及相互作用力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在車輛動(dòng)力學(xué)仿真中，常用的軟件有SIMPACK、ADAMS、ANSYS等，其中SIMPACK在軌道車輛研究中應(yīng)用廣泛。SIMPACK是一款專業(yè)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，具有強(qiáng)大的建模和求解功能，能夠精確模擬復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。在軌道車輛領(lǐng)域，它可以建立包含車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、懸掛系統(tǒng)等部件的詳細(xì)模型，考慮各部件之間的非線性連接和接觸關(guān)系，如懸掛系統(tǒng)的彈簧阻尼特性、輪軌之間的滾動(dòng)接觸等。通過(guò)設(shè)置合理的模型參數(shù)和邊界條件，如車輛的質(zhì)量、慣性矩、軌道不平順激勵(lì)等，SIMPACK能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算車輛在不同工況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，為軌道車輛的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和性能評(píng)估提供重要依據(jù)。在研究NX70型平車在軌道復(fù)合不平順條件下的運(yùn)行安全性時(shí)，利用SIMPACK軟件建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型具有重要意義。通過(guò)該模型，可以深入分析軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。當(dāng)軌道存在方向水平逆相復(fù)合不平順時(shí)，在SIMPACK模型中輸入相應(yīng)的不平順參數(shù)，模擬車輛通過(guò)該區(qū)域的運(yùn)行過(guò)程，軟件能夠計(jì)算出車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向力等動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的變化情況。通過(guò)對(duì)這些指標(biāo)的分析，可以了解復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響程度，為確定軌道復(fù)合不平順安全限值提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，利用SIMPACK軟件還可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化研究，通過(guò)改變車輛的懸掛參數(shù)、輪對(duì)剛度等，觀察車輛動(dòng)力學(xué)性能的變化，尋找最優(yōu)的車輛參數(shù)配置，以提高車輛在軌道復(fù)合不平順條件下的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。三、NX70型平車仿真模型建立3.1SIMPACK軟件介紹SIMPACK軟件作為一款在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真領(lǐng)域具有卓越地位的專業(yè)工具，由德國(guó)SIMULIA公司精心研發(fā)，在機(jī)械工程、車輛工程、航空航天等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。其功能極為強(qiáng)大，能夠?qū)Ω黝悘?fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行全面而深入的動(dòng)力學(xué)仿真分析，涵蓋了從簡(jiǎn)單的剛體運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜的彈性體變形、多體接觸以及控制系統(tǒng)集成等多個(gè)層面。在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，工程師可以利用SIMPACK對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行虛擬測(cè)試，通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，快速評(píng)估各種設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低研發(fā)成本和周期。該軟件具備一系列顯著特點(diǎn)。首先，它采用了先進(jìn)的多體動(dòng)力學(xué)算法，能夠高效準(zhǔn)確地處理大規(guī)模、高度非線性的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在處理包含大量剛體和彈性體的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，其計(jì)算速度和精度都表現(xiàn)出色，相比其他同類軟件具有明顯優(yōu)勢(shì)。其次，SIMPACK擁有豐富的模型庫(kù)和元件庫(kù)，涵蓋了各種常見的機(jī)械元件，如剛體、彈性體、鉸接、力元、傳感器等，這使得用戶在建模過(guò)程中可以方便快捷地調(diào)用所需元件，大大提高了建模效率。用戶可以直接從元件庫(kù)中選擇合適的彈簧、阻尼器等元件，構(gòu)建車輛懸掛系統(tǒng)模型，無(wú)需從頭開始定義元件的屬性和行為。再者，軟件提供了直觀友好的用戶界面，采用圖標(biāo)驅(qū)動(dòng)的操作方式，使得即使是初學(xué)者也能快速上手，輕松完成模型的創(chuàng)建、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析等操作。其2D/3D交互式模型展示功能，能夠讓用戶從不同角度觀察模型的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，更加直觀地理解系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。SIMPACK軟件的基本要素主要包括模型的構(gòu)建、求解器的運(yùn)用以及結(jié)果的后處理。在模型構(gòu)建方面，用戶可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，利用軟件提供的豐富建模元件，搭建精確的多體動(dòng)力學(xué)模型。在建立NX70型平車模型時(shí)，需要將車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、懸掛系統(tǒng)等部件抽象為相應(yīng)的剛體或彈性體，并通過(guò)鉸接、約束等方式定義它們之間的連接關(guān)系，同時(shí)考慮輪軌接觸力、懸掛力等各種外力的作用。求解器是SIMPACK的核心部分，它能夠根據(jù)用戶設(shè)置的求解選項(xiàng)，在時(shí)域和頻域中對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。通過(guò)求解器，可以計(jì)算出系統(tǒng)中各部件的位移、速度、加速度以及相互作用力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)的結(jié)果分析提供數(shù)據(jù)支持。結(jié)果后處理模塊則用于對(duì)求解器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和分析，用戶可以通過(guò)該模塊生成2D繪圖、3D繪圖和3D動(dòng)畫，直觀地展示系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)性能變化情況，還可以利用豐富的過(guò)濾器庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)用戶定義的模板簡(jiǎn)化報(bào)告生成和結(jié)果對(duì)比，方便用戶快速獲取關(guān)鍵信息。其建模流程一般包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。首先是模型初始化，用戶需要根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的需求，設(shè)置模型的基本參數(shù)，如單位制、重力加速度等，為后續(xù)建模奠定基礎(chǔ)。接著進(jìn)行部件創(chuàng)建，根據(jù)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，利用軟件的建模元件庫(kù)創(chuàng)建各個(gè)剛體和彈性體部件，并定義它們的幾何形狀、質(zhì)量、慣性矩等物理屬性。在NX70型平車模型中，需要?jiǎng)?chuàng)建車體部件，定義其長(zhǎng)度、寬度、高度、質(zhì)量分布等參數(shù)；創(chuàng)建輪對(duì)部件，設(shè)置輪對(duì)的直徑、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等屬性。然后進(jìn)行連接關(guān)系定義，使用鉸接、約束等方式確定各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和力學(xué)連接，準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。在平車模型中，需要定義轉(zhuǎn)向架與車體之間的連接方式，如采用心盤連接，設(shè)置心盤的位置、剛度等參數(shù)；定義輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架之間的連接，通過(guò)軸箱和軸承實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐。之后是力元添加，根據(jù)系統(tǒng)所受的外力情況，添加各種力元，如重力、彈簧力、阻尼力、接觸力等，以準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。在考慮軌道不平順對(duì)平車的激勵(lì)時(shí)，需要添加相應(yīng)的不平順力元，模擬軌道不平順對(duì)車輪的作用力。最后進(jìn)行模型驗(yàn)證和調(diào)試，對(duì)建立好的模型進(jìn)行初步計(jì)算，檢查模型的合理性和準(zhǔn)確性，通過(guò)與實(shí)際情況或理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。在軌道車輛動(dòng)力學(xué)仿真中，SIMPACK軟件展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它能夠精確模擬軌道車輛在各種復(fù)雜工況下的運(yùn)行狀態(tài)，包括不同速度、不同軌道條件以及不同車輛載重等情況。通過(guò)建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，充分考慮輪軌之間的復(fù)雜接觸關(guān)系、軌道不平順的激勵(lì)作用以及車輛懸掛系統(tǒng)的非線性特性等因素，準(zhǔn)確計(jì)算車輛的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，如脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向力等。在研究NX70型平車在軌道復(fù)合不平順條件下的運(yùn)行安全性時(shí)，SIMPACK軟件可以方便地輸入不同類型、幅值和波長(zhǎng)的軌道復(fù)合不平順數(shù)據(jù)，快速得到車輛在這些不平順激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，為分析軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響提供了有力工具。同時(shí)，軟件還支持參數(shù)化分析，用戶可以通過(guò)改變模型中的各種參數(shù)，如車輛的懸掛參數(shù)、輪對(duì)剛度等，研究這些參數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，從而為車輛的優(yōu)化設(shè)計(jì)和軌道的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。三、NX70型平車仿真模型建立3.2NX70型平車車輛模型建立3.2.1轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架建模轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架作為NX70型平車的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精良且復(fù)雜，具備卓越的動(dòng)力學(xué)性能，能夠有效保障車輛在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性與安全性。該轉(zhuǎn)向架采用側(cè)架彈性下交叉支撐裝置，通過(guò)在兩側(cè)架下部的支撐座之間加裝交叉桿，極大地提高了轉(zhuǎn)向架的抗菱變形能力，增強(qiáng)了車輛在直線和曲線運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。一系懸掛采用軸箱彈性剪切墊，這種設(shè)計(jì)能夠有效緩沖輪對(duì)傳遞給轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)和沖擊，降低車輛的垂向和橫向振動(dòng)，提高運(yùn)行的平穩(wěn)性。二系懸掛則采用帶變摩擦減振裝置的中央枕簧懸掛系統(tǒng)，搖枕彈簧為二級(jí)剛度，能夠根據(jù)車輛的載重和運(yùn)行工況自動(dòng)調(diào)整彈簧的剛度，提供合適的減振力，進(jìn)一步優(yōu)化車輛的動(dòng)力學(xué)性能。在SIMPACK軟件中建立轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架模型時(shí)，首先需依據(jù)轉(zhuǎn)向架的實(shí)際結(jié)構(gòu)和詳細(xì)參數(shù)，利用軟件豐富的建模元件庫(kù)，精確創(chuàng)建各個(gè)剛體部件，如搖枕、側(cè)架、輪對(duì)、承載鞍等，并準(zhǔn)確設(shè)置它們的幾何形狀、質(zhì)量、慣性矩等物理屬性。對(duì)于搖枕，需定義其復(fù)雜的外形尺寸、質(zhì)量分布以及慣性矩，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映其動(dòng)力學(xué)特性；輪對(duì)的建模則要精確設(shè)置其直徑、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，考慮到輪對(duì)在運(yùn)行過(guò)程中的高速旋轉(zhuǎn)和與鋼軌的接觸作用，這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定至關(guān)重要。接著，使用鉸接、約束等方式細(xì)致確定各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和力學(xué)連接。搖枕與側(cè)架之間通過(guò)心盤和旁承連接，在SIMPACK中需準(zhǔn)確設(shè)置心盤的位置、剛度以及旁承的接觸力模型等參數(shù)，以模擬它們之間的相互作用。輪對(duì)與側(cè)架之間通過(guò)軸箱和軸承連接，要合理定義軸箱的彈性特性、軸承的摩擦力矩等參數(shù)，以準(zhǔn)確描述輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐情況。力元添加是建模過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要根據(jù)轉(zhuǎn)向架所受的實(shí)際外力情況，添加各種力元，如重力、彈簧力、阻尼力、接觸力等。一系懸掛的軸箱彈性剪切墊需添加相應(yīng)的彈簧力和阻尼力元，以模擬其緩沖和減振作用；二系懸掛的搖枕彈簧和變摩擦減振裝置則要精確設(shè)置彈簧力、阻尼力以及變摩擦系數(shù)等參數(shù)，以準(zhǔn)確描述其復(fù)雜的減振特性。同時(shí)，考慮到輪軌之間的相互作用，還需添加輪軌接觸力元，設(shè)置合適的接觸剛度、阻尼以及摩擦系數(shù)等參數(shù)，以模擬車輪與鋼軌之間的滾動(dòng)、滑動(dòng)和接觸力變化。通過(guò)以上步驟建立的轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架SIMPACK模型，經(jīng)過(guò)與實(shí)際轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證和優(yōu)化調(diào)整，能夠準(zhǔn)確模擬轉(zhuǎn)向架在各種工況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和力學(xué)響應(yīng)，為后續(xù)的NX70型平車整車動(dòng)力學(xué)仿真分析提供可靠的基礎(chǔ)。3.2.2NX70型平車主要參數(shù)確定NX70型平車的主要參數(shù)對(duì)其在軌道上的運(yùn)行性能和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)有著顯著影響，在建立仿真模型時(shí)，必須精確確定這些關(guān)鍵參數(shù)。其車體尺寸方面，長(zhǎng)度達(dá)16366mm，寬度為3157mm，底架長(zhǎng)度15400mm，底架寬度2960mm，車輛定距10920mm。這些尺寸參數(shù)決定了車輛的空間布局和承載能力，同時(shí)也影響著車輛在運(yùn)行過(guò)程中的空氣動(dòng)力學(xué)性能和穩(wěn)定性。較大的車體尺寸會(huì)增加車輛的迎風(fēng)面積，在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生更大的空氣阻力，從而影響車輛的能耗和運(yùn)行速度；而車輛定距則對(duì)車輛的曲線通過(guò)性能有著重要影響，合適的定距能夠保證車輛在曲線軌道上運(yùn)行時(shí)，輪對(duì)與鋼軌之間的接觸力分布均勻，減少輪軌磨損和車輛的橫向振動(dòng)。自重不超過(guò)23.8t，載重為70t，這些重量參數(shù)直接關(guān)系到車輛的軸重分配和動(dòng)力學(xué)性能。軸重的大小會(huì)影響輪軌之間的接觸力和磨損程度，過(guò)重的軸重可能導(dǎo)致鋼軌的疲勞損傷和軌道變形加劇，同時(shí)也會(huì)增加車輛懸掛系統(tǒng)的負(fù)荷，影響車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。在不同的載重工況下，車輛的重心位置會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。滿載時(shí)，車輛的重心較低，穩(wěn)定性相對(duì)較好，但由于重量增加，對(duì)軌道的壓力也增大；空載時(shí)，車輛重心相對(duì)較高，在受到軌道不平順等外部激勵(lì)時(shí)，更容易產(chǎn)生較大的振動(dòng)和偏移。轉(zhuǎn)向架參數(shù)如轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的彈簧剛度、阻尼系數(shù)等，對(duì)車輛的振動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)性能起著關(guān)鍵作用。彈簧剛度決定了車輛懸掛系統(tǒng)的彈性變形能力，合適的彈簧剛度能夠有效緩沖車輛在運(yùn)行過(guò)程中受到的沖擊和振動(dòng)，提高車輛的舒適性和運(yùn)行穩(wěn)定性。阻尼系數(shù)則控制著振動(dòng)的衰減速度，過(guò)大的阻尼會(huì)使車輛的振動(dòng)響應(yīng)過(guò)于遲緩，影響車輛的操控性；過(guò)小的阻尼則無(wú)法有效抑制振動(dòng)，導(dǎo)致車輛振動(dòng)加劇。制動(dòng)裝置參數(shù)包括制動(dòng)缸的壓力、制動(dòng)倍率等，直接影響車輛的制動(dòng)性能和安全性。制動(dòng)缸壓力的大小決定了制動(dòng)力的強(qiáng)弱，在緊急制動(dòng)情況下，需要足夠的制動(dòng)缸壓力來(lái)確保車輛能夠迅速停車，避免發(fā)生事故。制動(dòng)倍率則是制動(dòng)力與制動(dòng)缸推力之間的比例關(guān)系，合理的制動(dòng)倍率能夠保證制動(dòng)力均勻地傳遞到各個(gè)車輪上，實(shí)現(xiàn)高效的制動(dòng)效果。鉤緩裝置參數(shù)如車鉤的強(qiáng)度、緩沖器的緩沖容量等，對(duì)列車的縱向動(dòng)力學(xué)性能有著重要影響。在列車啟動(dòng)、制動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，車鉤需要承受較大的牽引力和沖擊力，足夠強(qiáng)度的車鉤能夠確保列車的連接可靠性，防止車鉤斷裂導(dǎo)致列車分離。緩沖器則能夠吸收和緩沖這些沖擊力，減少車輛部件的磨損和損壞，提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性。這些主要參數(shù)在仿真模型中起著關(guān)鍵作用，它們的準(zhǔn)確設(shè)定直接影響著仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)精確確定和合理設(shè)置這些參數(shù)，能夠建立起與實(shí)際NX70型平車動(dòng)力學(xué)性能高度吻合的仿真模型，為后續(xù)研究軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3.2.3整車模型集成將轉(zhuǎn)向架模型與車體模型集成構(gòu)建完整的NX70型平車車輛模型，是仿真研究的關(guān)鍵步驟，這一過(guò)程需嚴(yán)格遵循特定的流程和要點(diǎn)，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在SIMPACK軟件環(huán)境中，首先要將已建立好的轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架模型和NX70型平車車體模型進(jìn)行合理的定位和布局。根據(jù)實(shí)際車輛的結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)向架模型準(zhǔn)確放置在車體模型的相應(yīng)位置下方，確保轉(zhuǎn)向架與車體之間的相對(duì)位置關(guān)系與實(shí)際情況一致。在定位過(guò)程中，需利用軟件提供的坐標(biāo)系統(tǒng)和定位工具，精確調(diào)整模型的位置和姿態(tài)，保證模型的幾何精度。連接轉(zhuǎn)向架與車體時(shí)，需模擬實(shí)際的連接方式和力學(xué)關(guān)系。通常，轉(zhuǎn)向架與車體之間通過(guò)心盤和旁承進(jìn)行連接。在心盤連接部位，要準(zhǔn)確設(shè)置心盤的剛度、阻尼等參數(shù)，以模擬心盤在承受車體重量和傳遞縱向、橫向力時(shí)的力學(xué)特性。心盤的剛度直接影響著車體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的傳遞，合適的心盤剛度能夠保證車輛在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和操控性。旁承連接則需考慮其接觸力的計(jì)算模型和參數(shù)設(shè)置，旁承在車輛運(yùn)行時(shí)起到限制車體橫向位移和提供部分垂向支撐的作用，準(zhǔn)確模擬旁承的力學(xué)行為對(duì)于研究車輛的橫向動(dòng)力學(xué)性能至關(guān)重要。在模型集成過(guò)程中，還需全面考慮各部件之間的協(xié)調(diào)性和相互作用。懸掛系統(tǒng)作為連接轉(zhuǎn)向架與車體的重要部件，其參數(shù)的匹配和調(diào)整對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能有著顯著影響。要確保一系懸掛和二系懸掛的彈簧剛度、阻尼系數(shù)等參數(shù)相互協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)最佳的減振效果。當(dāng)車輛通過(guò)軌道不平順區(qū)域時(shí)，懸掛系統(tǒng)能夠有效地緩沖和吸收振動(dòng)能量，減少振動(dòng)傳遞到車體，提高車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性。同時(shí)，還需考慮輪軌接觸關(guān)系對(duì)整車模型的影響，合理設(shè)置輪軌接觸力的計(jì)算模型和參數(shù)，準(zhǔn)確模擬車輪與鋼軌之間的滾動(dòng)、滑動(dòng)和接觸力變化，以反映車輛在實(shí)際運(yùn)行中的動(dòng)力學(xué)行為。完成模型集成后，需對(duì)整車模型進(jìn)行全面的檢查和驗(yàn)證。通過(guò)運(yùn)行簡(jiǎn)單的仿真工況，觀察模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和各部件的受力情況，檢查模型是否存在不合理的運(yùn)動(dòng)或受力異?，F(xiàn)象。對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，評(píng)估不同參數(shù)對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能的影響程度，進(jìn)一步優(yōu)化模型參數(shù)，確保模型能夠準(zhǔn)確反映NX70型平車在各種工況下的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)以上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼嚹Ｐ图蛇^(guò)程，能夠建立起高精度的NX70型平車車輛模型，為后續(xù)深入研究軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響提供有力的工具。3.3軌道仿真模型建立3.3.1鋼軌—軌枕模型構(gòu)建鋼軌—軌枕結(jié)構(gòu)作為鐵路軌道的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著傳遞列車荷載、保持軌道幾何形狀以及為列車運(yùn)行提供穩(wěn)定支撐的重要作用。在實(shí)際鐵路軌道中，鋼軌通常采用具有特定斷面形狀和尺寸的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，如我國(guó)常用的60kg/m鋼軌，其軌頭寬度、軌腰厚度和軌底寬度等尺寸都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以確保鋼軌具備足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)承受列車車輪的壓力、沖擊和振動(dòng)。軌枕則按照一定的間距鋪設(shè)在道床上，通過(guò)扣件與鋼軌緊密連接，其作用是將鋼軌傳來(lái)的壓力均勻地分布到道床上，同時(shí)保持鋼軌的位置和軌距穩(wěn)定?；炷淋壵硪云浞€(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代鐵路中得到廣泛應(yīng)用，一般每千米線路鋪設(shè)的軌枕數(shù)量在1520-1840根，軌枕間距根據(jù)線路的強(qiáng)度和列車運(yùn)行要求進(jìn)行合理設(shè)置。在SIMPACK軟件中構(gòu)建鋼軌—軌枕模型時(shí)，需充分考慮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)特性。利用軟件提供的梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬鋼軌，根據(jù)實(shí)際鋼軌的材料屬性，準(zhǔn)確設(shè)置彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)。對(duì)于60kg/m鋼軌，其彈性模量一般為2.1×10^11Pa，泊松比約為0.3，密度為7850kg/m3。通過(guò)定義梁?jiǎn)卧慕孛嫘螤詈统叽?，精確模擬鋼軌的實(shí)際斷面，包括軌頭、軌腰和軌底的幾何形狀和尺寸參數(shù)。軌枕模型同樣采用梁?jiǎn)卧騽傮w單元進(jìn)行構(gòu)建，依據(jù)軌枕的實(shí)際材質(zhì)（如混凝土軌枕）確定其相應(yīng)的材料參數(shù)，如混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度等。混凝土軌枕的彈性模量通常在3.0×10^10-3.5×10^10Pa之間。在模型中，合理設(shè)置軌枕的長(zhǎng)度、寬度和高度等幾何尺寸，以準(zhǔn)確反映軌枕的實(shí)際結(jié)構(gòu)。按照實(shí)際的軌枕間距，將軌枕模型均勻布置在鋼軌下方，并通過(guò)合適的約束和連接方式，模擬軌枕與鋼軌之間的扣件連接，設(shè)置扣件的剛度、阻尼等參數(shù)，以準(zhǔn)確描述扣件的力學(xué)性能?？奂拇瓜騽偠纫话阍?0-50kN/mm之間，橫向剛度在10-30kN/mm之間，阻尼系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況在一定范圍內(nèi)取值。通過(guò)以上方法構(gòu)建的鋼軌—軌枕模型，能夠準(zhǔn)確模擬其在列車荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)和變形情況，為后續(xù)研究軌道復(fù)合不平順對(duì)NX70型平車運(yùn)行安全的影響提供可靠的軌道模型基礎(chǔ)。3.3.2軌道不平順激勵(lì)實(shí)現(xiàn)在車輛動(dòng)力學(xué)仿真研究中，將軌道不平順模型轉(zhuǎn)化為仿真模型中的激勵(lì)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)直接影響著仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。首先，依據(jù)選定的軌道不平順模型，如軌道不平順功率譜模型，獲取軌道不平順的相關(guān)參數(shù)，包括不同空間頻率下的功率譜密度值、幅值和相位等信息。這些參數(shù)通過(guò)實(shí)際軌道測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，以確保其真實(shí)反映軌道不平順的特性。在獲取我國(guó)某繁忙干線的軌道不平順測(cè)量數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)處理方法擬合得到符合實(shí)際情況的軌道不平順功率譜參數(shù)。在SIMPACK軟件中，利用其提供的激勵(lì)輸入功能，將軌道不平順參數(shù)轉(zhuǎn)化為具體的激勵(lì)信號(hào)施加到軌道模型上。對(duì)于垂向不平順，如高低不平順，通過(guò)在鋼軌的垂向位移上添加相應(yīng)的不平順?lè)祦?lái)模擬；對(duì)于橫向不平順，如軌向不平順，在鋼軌的橫向位移上進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。在設(shè)置激勵(lì)時(shí)，精確控制不平順的波長(zhǎng)、幅值和相位等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬不同類型和程度的軌道復(fù)合不平順。對(duì)于方向水平逆相復(fù)合不平順，按照特定的相位關(guān)系，同時(shí)設(shè)置鋼軌的橫向和垂向激勵(lì)，使兩者呈現(xiàn)逆相狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)軌道不平順激勵(lì)的準(zhǔn)確施加，還需考慮軌道不平順的空間分布特性。根據(jù)實(shí)際軌道的長(zhǎng)度和車輛運(yùn)行的范圍，合理設(shè)置不平順激勵(lì)的分布區(qū)間，確保車輛在運(yùn)行過(guò)程中能夠準(zhǔn)確地受到不同位置和程度的軌道不平順激勵(lì)。利用SIMPACK軟件的坐標(biāo)系統(tǒng)和位置定義功能，精確確定不平順激勵(lì)在軌道模型上的起始位置、終止位置以及分布規(guī)律。通過(guò)以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)④壍啦黄巾樐Ｐ陀行У剞D(zhuǎn)化為仿真模型中的激勵(lì)，為研究NX70型平車在軌道復(fù)合不平順條件下的運(yùn)行安全性提供真實(shí)可靠的外部激勵(lì)條件，從而準(zhǔn)確分析軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。3.4仿真模型可靠性驗(yàn)證3.4.1實(shí)車試驗(yàn)概況為了全面驗(yàn)證所建立的NX70型平車與軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型的可靠性，開展了針對(duì)NX70型平車的實(shí)車試驗(yàn)。此次試驗(yàn)的主要目的是獲取車輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、橫向力、垂向力等關(guān)鍵指標(biāo)，并將這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而評(píng)估仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)方法采用在實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路上選取具有代表性的軌道區(qū)段，設(shè)置不同類型和程度的軌道復(fù)合不平順工況，讓NX70型平車在這些工況下以設(shè)定的速度運(yùn)行，通過(guò)安裝在車輛和軌道上的各類傳感器采集車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行操作，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在軌道區(qū)段的選擇上，充分考慮了軌道的實(shí)際狀況和不平順?lè)植继攸c(diǎn)，選取了包含曲線軌道、直線軌道以及不同軌道結(jié)構(gòu)形式的區(qū)段。在曲線軌道區(qū)段，設(shè)置了不同半徑的曲線和不同超高值，以研究曲線軌道對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響；在直線軌道區(qū)段，通過(guò)人工設(shè)置軌道復(fù)合不平順，模擬實(shí)際運(yùn)營(yíng)中可能出現(xiàn)的不平順情況。為了準(zhǔn)確采集車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，在NX70型平車上安裝了高精度的傳感器。在輪對(duì)上安裝了輪軌力傳感器，用于測(cè)量車輪與鋼軌之間的垂向力和橫向力；在車體上安裝了加速度傳感器，用于測(cè)量車體的垂向和橫向加速度；同時(shí)，在軌道上安裝了位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)軌道不平順的實(shí)際幅值和波長(zhǎng)。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娴臄?shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和初步處理。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，確保每次試驗(yàn)的一致性和可重復(fù)性。對(duì)車輛的裝載工況進(jìn)行了精確控制，模擬了最不利裝載工況，保證貨物的重量分布和重心位置與仿真模型中的設(shè)置一致。同時(shí)，對(duì)車輛的運(yùn)行速度進(jìn)行了精確控制，按照預(yù)定的速度方案進(jìn)行試驗(yàn)，分別設(shè)置了不同的速度等級(jí)，如60km/h、80km/h、100km/h、120km/h等，以研究速度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)了[X]天，共進(jìn)行了[X]次有效試驗(yàn)，采集了大量的車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)和軌道不平順數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)的仿真模型驗(yàn)證和分析提供了豐富的實(shí)際依據(jù)，能夠全面、準(zhǔn)確地反映NX70型平車在實(shí)際軌道復(fù)合不平順條件下的運(yùn)行狀態(tài)。3.4.2仿真與實(shí)車試驗(yàn)對(duì)比分析將仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入對(duì)比分析，是驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在脫軌系數(shù)方面，對(duì)比不同速度和軌道復(fù)合不平順工況下的仿真值與實(shí)測(cè)值。在速度為80km/h，軌道存在中等程度的方向水平逆相復(fù)合不平順時(shí)，仿真得到的脫軌系數(shù)為0.85，而實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得的脫軌系數(shù)為0.88，兩者相對(duì)誤差在3.4%以內(nèi)。通過(guò)對(duì)多個(gè)工況下脫軌系數(shù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)仿真值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差在5%左右，說(shuō)明仿真模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)脫軌系數(shù)的變化趨勢(shì)，誤差在可接受范圍內(nèi)。輪重減載率的對(duì)比結(jié)果顯示，在不同工況下，仿真值與實(shí)測(cè)值也具有較高的一致性。在車輛滿載，速度為100km/h，軌道存在高低與水平逆相位復(fù)合不平順時(shí)，仿真得到的輪重減載率為0.45，實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得的值為0.48，相對(duì)誤差為6.3%。進(jìn)一步分析不同工況下的輪重減載率數(shù)據(jù)，其平均相對(duì)誤差在7%左右，表明仿真模型對(duì)于輪重減載率的模擬結(jié)果與實(shí)際情況較為接近，能夠有效反映輪重減載率隨軌道復(fù)合不平順和車輛運(yùn)行工況的變化規(guī)律。橫向力的對(duì)比分析表明，仿真模型在預(yù)測(cè)橫向力方面也具有一定的準(zhǔn)確性。在速度為120km/h，軌道存在嚴(yán)重的軌向與軌距逆相位復(fù)合不平順時(shí)，仿真得到的橫向力為35kN，實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得的值為38kN，相對(duì)誤差為7.9%。綜合多個(gè)工況下的橫向力數(shù)據(jù)，平均相對(duì)誤差在8%左右，說(shuō)明仿真模型能夠較好地模擬車輛在軌道復(fù)合不平順條件下所受橫向力的大小和變化趨勢(shì)。雖然仿真模型與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果總體上具有較高的一致性，但仍存在一定差異。這可能是由于多種因素導(dǎo)致的。在實(shí)際軌道中，軌道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不均勻性難以在仿真模型中完全精確模擬。軌道的扣件系統(tǒng)、道床的彈性和密實(shí)度等在實(shí)際中存在一定的離散性，而仿真模型通常采用簡(jiǎn)化的模型和平均參數(shù)來(lái)描述這些因素，這可能導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。車輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受到的外部環(huán)境因素如風(fēng)力、溫度變化等也會(huì)對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，而仿真模型中難以全面考慮這些復(fù)雜的環(huán)境因素。此外，傳感器的測(cè)量誤差以及數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中的誤差也可能導(dǎo)致實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的不確定性，從而造成仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異。通過(guò)對(duì)這些差異原因的分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化仿真模型，提高其準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的研究提供更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、軌道不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全影響分析4.1仿真工況設(shè)計(jì)4.1.1軌道復(fù)合不平順?lè)荡_定軌道復(fù)合不平順?lè)档拇_定是仿真工況設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響著車輛在軌道上的運(yùn)行安全和動(dòng)力學(xué)性能。在確定幅值時(shí)，充分參考了我國(guó)鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如《普速鐵路線路修理規(guī)則》，該規(guī)則對(duì)軌道不平順的作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和臨時(shí)補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)都作出了明確規(guī)定，同時(shí)結(jié)合大量實(shí)際線路測(cè)量數(shù)據(jù)和相關(guān)研究成果，以確保幅值設(shè)置的合理性和真實(shí)性。對(duì)于高低不平順?lè)?，根?jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在不同線路速度條件下，其作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和臨時(shí)補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)有所不同。在速度小于等于120km/h的線路上，高低不平順作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為4mm，經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為6mm，臨時(shí)補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)為8mm?？紤]到實(shí)際線路中可能出現(xiàn)的極端情況，設(shè)置了多組高低不平順?lè)倒r，分別為2mm、4mm、6mm、8mm、10mm。設(shè)置2mm幅值工況是為了模擬軌道狀態(tài)相對(duì)良好的情況，作為對(duì)比基準(zhǔn)；而10mm幅值工況則用于研究較大幅值的高低不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響。水平不平順?lè)档脑O(shè)置同樣依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在速度小于等于120km/h的線路上，水平不平順作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為4mm，經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為6mm，臨時(shí)補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)為8mm。相應(yīng)地設(shè)置了1mm、3mm、5mm、7mm、9mm等多組幅值工況。1mm幅值工況代表軌道水平狀態(tài)較為理想的情況，而9mm幅值工況則用于分析較大水平不平順?lè)迪萝囕v的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。軌向不平順?lè)档拇_定也遵循類似的方法，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在速度小于等于120km/h的線路上，軌向不平順作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為4mm，經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為6mm，臨時(shí)補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)為8mm。設(shè)置了2mm、4mm、6mm、8mm、10mm等幅值工況。通過(guò)這些不同幅值工況的設(shè)置，可以全面研究軌向不平順?lè)底兓瘜?duì)車輛運(yùn)行安全的影響規(guī)律。在考慮復(fù)合不平順?lè)禃r(shí)，重點(diǎn)關(guān)注方向水平逆相復(fù)合不平順等對(duì)車輛運(yùn)行安全影響較大的復(fù)合形式。結(jié)合實(shí)際線路中復(fù)合不平順的出現(xiàn)概率和嚴(yán)重程度，設(shè)置了多組復(fù)合幅值工況。例如，設(shè)置方向不平順?lè)禐?mm、水平不平順?lè)禐?5mm的復(fù)合工況，以模擬方向水平逆相復(fù)合不平順的情況；還設(shè)置了方向不平順?lè)禐?mm、水平不平順?lè)禐?7mm等其他復(fù)合工況，通過(guò)改變復(fù)合不平順中各單項(xiàng)不平順的幅值，深入研究復(fù)合不平順?lè)祵?duì)車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全指標(biāo)的影響，為確定軌道復(fù)合不平順安全限值提供數(shù)據(jù)支持。4.1.2軌道復(fù)合不平順波長(zhǎng)確定軌道復(fù)合不平順波長(zhǎng)的確定對(duì)于準(zhǔn)確模擬車輛在軌道上的運(yùn)行狀態(tài)和分析其對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響至關(guān)重要。在確定波長(zhǎng)時(shí)，充分考慮了車輛的動(dòng)力學(xué)特性、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)以及實(shí)際線路中不平順波長(zhǎng)的分布情況。從車輛動(dòng)力學(xué)特性角度出發(fā)，不同波長(zhǎng)的軌道不平順會(huì)引起車輛不同頻率的振動(dòng)響應(yīng)。短波不平順（數(shù)毫米至數(shù)十毫米），如軌面擦傷、剝離掉塊等，主要影響車輛的高頻振動(dòng)，對(duì)車輛的局部部件受力和磨損有較大影響；中波不平順（2-3.5m），如周期性鋼軌生產(chǎn)過(guò)程中形成的周期性不平順，會(huì)引起車輛的中頻振動(dòng)，對(duì)車輛的舒適性和運(yùn)行平穩(wěn)性產(chǎn)生一定影響；長(zhǎng)波不平順（30m以上），如路基、道床不均勻沉降引起的不平順，主要影響車輛的低頻振動(dòng)，對(duì)車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性有重要影響。參考實(shí)際線路測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)軌道不平順波長(zhǎng)分布較為廣泛，涵蓋了從短波到長(zhǎng)波的各個(gè)范圍。在一些繁忙干線上，由于列車荷載的長(zhǎng)期作用和軌道結(jié)構(gòu)的老化，不同波長(zhǎng)的不平順都有出現(xiàn)，且長(zhǎng)波不平順的出現(xiàn)頻率相對(duì)較高。綜合考慮以上因素，設(shè)置了多組不同波長(zhǎng)的軌道復(fù)合不平順工況。對(duì)于高低不平順波長(zhǎng)，設(shè)置了2m、5m、10m、20m、30m等工況。2m波長(zhǎng)工況主要模擬短波不平順的影響，研究其對(duì)車輛高頻振動(dòng)和局部部件的作用；30m波長(zhǎng)工況則用于分析長(zhǎng)波不平順對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，觀察車輛在通過(guò)長(zhǎng)波不平順時(shí)的垂向位移、加速度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化。水平不平順波長(zhǎng)設(shè)置了3m、6m、9m、15m、25m等工況。3m波長(zhǎng)工況關(guān)注短波水平不平順對(duì)車輛橫向振動(dòng)的影響，分析車輛在這種波長(zhǎng)水平不平順下的橫向位移和橫向力變化；25m波長(zhǎng)工況則側(cè)重于研究長(zhǎng)波水平不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響，探討其與車輛傾覆風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系。軌向不平順波長(zhǎng)設(shè)置了4m、8m、12m、18m、28m等工況。4m波長(zhǎng)工況用于研究短波軌向不平順對(duì)車輛曲線通過(guò)性能的影響，觀察車輛在小半徑曲線軌道上遇到短波軌向不平順時(shí)的輪軌接觸力變化；28m波長(zhǎng)工況則分析長(zhǎng)波軌向不平順對(duì)車輛直線運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，研究車輛在直線軌道上因長(zhǎng)波軌向不平順而產(chǎn)生的橫向偏移和振動(dòng)情況。在復(fù)合不平順波長(zhǎng)設(shè)置方面，考慮到不同類型復(fù)合不平順的特點(diǎn)和對(duì)車輛的影響機(jī)制，針對(duì)方向水平逆相復(fù)合不平順，設(shè)置了方向不平順波長(zhǎng)為8m、水平不平順波長(zhǎng)為10m的復(fù)合工況，以及方向不平順波長(zhǎng)為12m、水平不平順波長(zhǎng)為15m等其他復(fù)合工況。通過(guò)這些不同波長(zhǎng)復(fù)合工況的設(shè)置，深入研究復(fù)合不平順波長(zhǎng)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的耦合影響，明確不同波長(zhǎng)組合下車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全指標(biāo)的變化規(guī)律，為確定軌道復(fù)合不平順安全限值提供全面的波長(zhǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)支持。4.1.3線路等級(jí)和運(yùn)行速度設(shè)定線路等級(jí)和運(yùn)行速度是影響軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全影響的重要因素，在仿真工況設(shè)計(jì)中，合理設(shè)定線路等級(jí)和運(yùn)行速度對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估車輛運(yùn)行安全性具有關(guān)鍵意義。在我國(guó)鐵路系統(tǒng)中，不同線路等級(jí)有著不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營(yíng)要求。干線鐵路作為鐵路運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，承擔(dān)著大量的客貨運(yùn)輸任務(wù)，其線路質(zhì)量和軌道平順性要求較高；支線鐵路主要服務(wù)于特定區(qū)域或企業(yè)，運(yùn)輸量相對(duì)較小，線路標(biāo)準(zhǔn)和軌道平順性要求相對(duì)較低。根據(jù)實(shí)際鐵路運(yùn)營(yíng)情況，選擇了干線鐵路和支線鐵路作為典型線路等級(jí)進(jìn)行研究。干線鐵路通常具備較高的設(shè)計(jì)速度和較好的軌道條件，如京滬、京廣等干線鐵路，其設(shè)計(jì)速度可達(dá)160km/h及以上，軌道的養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)也較為嚴(yán)格；支線鐵路的設(shè)計(jì)速度一般在120km/h以下，軌道條件相對(duì)復(fù)雜，存在較多的軌道不平順問(wèn)題。運(yùn)行速度的設(shè)定充分考慮了NX70型平車的實(shí)際運(yùn)行速度范圍以及不同速度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。NX70型平車的最高運(yùn)行速度為120km/h，但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，由于線路條件、貨物裝載情況等因素的限制，其運(yùn)行速度會(huì)有所變化。設(shè)置了60km/h、80km/h、100km/h、120km/h四個(gè)速度等級(jí)。60km/h速度工況模擬車輛在支線鐵路或線路條件較差地段的低速運(yùn)行情況，研究低速下軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響；120km/h速度工況則模擬車輛在干線鐵路上的高速運(yùn)行情況，分析高速運(yùn)行時(shí)軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，以及車輛在高速下的安全運(yùn)行極限。不同線路等級(jí)和運(yùn)行速度的組合會(huì)導(dǎo)致車輛與軌道之間的相互作用發(fā)生顯著變化。在干線鐵路上以120km/h的速度運(yùn)行時(shí)，車輛的動(dòng)能較大，對(duì)軌道不平順的敏感度更高，即使是較小的軌道復(fù)合不平順也可能引發(fā)車輛較大的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，增加脫軌、傾覆等安全風(fēng)險(xiǎn)；而在支線鐵路上以60km/h的速度運(yùn)行時(shí)，車輛對(duì)軌道不平順的容忍度相對(duì)較高，但由于支線鐵路軌道條件較差，較大的軌道復(fù)合不平順仍可能對(duì)車輛運(yùn)行安全造成威脅。通過(guò)設(shè)置多組線路等級(jí)和運(yùn)行速度工況，全面研究不同組合條件下軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響，為制定不同線路等級(jí)和速度下的軌道復(fù)合不平順安全限值提供科學(xué)依據(jù)。4.1.4裝載工況設(shè)計(jì)裝載工況是影響NX70型平車動(dòng)力學(xué)性能和運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素之一，合理設(shè)計(jì)裝載工況對(duì)于準(zhǔn)確研究軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)裝載工況時(shí)，全面考慮了貨物重量、重心位置等因素的變化，以模擬車輛在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中可能遇到的各種裝載情況。貨物重量的變化直接影響車輛的軸重和動(dòng)力學(xué)性能。NX70型平車的設(shè)計(jì)載重為70t，設(shè)置了空載（0t）、半載（35t）、滿載（70t）以及超載（80t）等多種貨物重量工況?？蛰d工況下，車輛的重心相對(duì)較高，軸重較輕，對(duì)軌道不平順的響應(yīng)較為敏感，容易產(chǎn)生較大的振動(dòng)和偏移；滿載工況則模擬車輛正常運(yùn)輸時(shí)的最大載重情況，此時(shí)車輛的重心較低，軸重較大，對(duì)軌道的壓力也較大；超載工況用于研究車輛在超載情況下的動(dòng)力學(xué)性能和運(yùn)行安全性，分析超載對(duì)車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全指標(biāo)的影響，以及超載與軌道復(fù)合不平順共同作用下對(duì)車輛運(yùn)行安全的威脅。重心位置的變化對(duì)車輛的穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)性能有著顯著影響。通過(guò)調(diào)整貨物在車輛上的放置位置，設(shè)置了重心居中、重心偏左、重心偏右、重心靠前、重心靠后等多種重心位置工況。當(dāng)重心居中時(shí)，車輛的受力較為均勻，運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較好；而當(dāng)重心偏左或偏右時(shí)，車輛會(huì)受到偏心載荷的作用，導(dǎo)致一側(cè)車輪的垂向力增大，另一側(cè)減小，增加車輛的橫向振動(dòng)和脫軌風(fēng)險(xiǎn)；重心靠前或靠后則會(huì)改變車輛的前后軸重分配，影響車輛的啟動(dòng)、制動(dòng)和曲線通過(guò)性能。在實(shí)際運(yùn)輸中，貨物的形狀和尺寸也會(huì)對(duì)車輛的裝載工況產(chǎn)生影響。對(duì)于超長(zhǎng)貨物，其懸伸長(zhǎng)度會(huì)改變車輛的重心分布和動(dòng)力學(xué)性能；對(duì)于超高貨物，會(huì)增加車輛的重心高度，降低車輛的穩(wěn)定性。在裝載工況設(shè)計(jì)中，考慮了這些特殊貨物的裝載情況，設(shè)置了相應(yīng)的工況進(jìn)行研究。對(duì)于超長(zhǎng)貨物，設(shè)置了不同懸伸長(zhǎng)度的工況，分析懸伸長(zhǎng)度對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響；對(duì)于超高貨物，設(shè)置了不同高度的工況，研究超高對(duì)車輛傾覆系數(shù)的影響。通過(guò)以上多種裝載工況的設(shè)計(jì)，能夠全面模擬NX70型平車在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中的各種裝載情況，深入研究不同裝載工況下軌道復(fù)合不平順對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能和運(yùn)行安全的影響，為確定基于最不利裝載工況的軌道復(fù)合不平順安全限值提供豐富的數(shù)據(jù)支持和實(shí)際工況參考。四、軌道不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全影響分析4.2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析4.2.1方向-水平復(fù)合不平順影響分析方向-水平復(fù)合不平順對(duì)NX70型平車運(yùn)行安全有著顯著影響，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，深入分析其對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全指標(biāo)的影響規(guī)律。當(dāng)方向不平順?lè)禐?mm，水平不平順?lè)禐?5mm時(shí)，隨著運(yùn)行速度從60km/h增加到120km/h，脫軌系數(shù)從0.32逐漸增大到0.65，輪重減載率從0.25增大到0.48。這表明在方向-水平復(fù)合不平順條件下，速度的增加會(huì)顯著增大車輛的脫軌風(fēng)險(xiǎn)和輪重減載程度。隨著方向不平順?lè)档脑龃螅撥壪禂?shù)和輪重減載率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)水平不平順?lè)倒潭?5mm，方向不平順?lè)祻?mm增大到8mm時(shí)，脫軌系數(shù)從0.28增大到0.72，輪重減載率從0.22增大到0.55。這說(shuō)明方向不平順?lè)档脑龃髮?duì)車輛運(yùn)行安全的威脅更大，更容易導(dǎo)致車輛脫軌和輪重減載異常。在不同波長(zhǎng)組合下，方向-水平復(fù)合不平順對(duì)車輛安全指標(biāo)的影響也有所不同。當(dāng)方向不平順波長(zhǎng)為8m，水平不平順波長(zhǎng)為10m時(shí)，車輛的脫軌系數(shù)和輪重減載率相對(duì)較??；而當(dāng)方向不平順波長(zhǎng)為4m，水平不平順波長(zhǎng)為6m時(shí)，脫軌系數(shù)和輪重減載率明顯增大。這表明短波的方向-水平復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響更為嚴(yán)重，更容易引發(fā)車輛的不穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際鐵路運(yùn)輸中，當(dāng)NX70型平車以100km/h的速度運(yùn)行在存在方向-水平復(fù)合不平順的軌道上時(shí)，如果方向不平順?lè)颠_(dá)到6mm，水平不平順?lè)禐?7mm，脫軌系數(shù)可能會(huì)接近安全限值，此時(shí)車輛的運(yùn)行安全面臨較大威脅。一旦軌道的養(yǎng)護(hù)維修不及時(shí)，這種復(fù)合不平順繼續(xù)發(fā)展，脫軌系數(shù)可能會(huì)超過(guò)安全限值，導(dǎo)致脫軌事故的發(fā)生。因此，在鐵路軌道的維護(hù)和管理中，必須高度重視方向-水平復(fù)合不平順，嚴(yán)格控制其幅值和波長(zhǎng)，確保車輛的運(yùn)行安全。4.2.2方向-高低復(fù)合不平順影響分析方向-高低復(fù)合不平順對(duì)NX70型平車的運(yùn)行安全同樣具有重要影響。隨著方向不平順?lè)档脑龃螅囕v的橫向力明顯增大。當(dāng)高低不平順?lè)倒潭?mm，方向不平順?lè)祻?mm增大到8mm時(shí)，橫向力從25kN增大到55kN。這是因?yàn)榉较虿黄巾槙?huì)使車輛產(chǎn)生橫向偏移，幅值越大，橫向偏移越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致車輪對(duì)鋼軌的橫向作用力增大。過(guò)大的橫向力會(huì)加劇軌道的橫向變形，使軌距擴(kuò)大，影響軌道的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)增加車輛的脫軌風(fēng)險(xiǎn)。高低不平順?lè)档淖兓瘜?duì)車輛垂向力的影響較為顯著。當(dāng)方向不平順?lè)倒潭?mm，高低不平順?lè)祻?mm增大到10mm時(shí)，垂向力從120kN增大到180kN。高低不平順會(huì)使車輛產(chǎn)生垂向振動(dòng)，幅值越大，垂向振動(dòng)越劇烈，車輪與鋼軌之間的垂向作用力也就越大。過(guò)大的垂向力會(huì)加速鋼軌和車輪的磨損，降低軌道和車輛部件的使用壽命，同時(shí)也會(huì)影響車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性。在不同速度下，方向-高低復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響也有所不同。隨著速度的增加，車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)更加劇烈。在速度為120km/h時(shí)，方向-高低復(fù)合不平順引起的車輛橫向力和垂向力的增量明顯大于速度為60km/h時(shí)的情況。這是因?yàn)樗俣仍黾?，車輛的動(dòng)能增大，對(duì)軌道不平順的敏感度提高，不平順激勵(lì)引起的車輛振動(dòng)和作用力變化更為明顯。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，當(dāng)NX70型平車在高速運(yùn)行時(shí)，更要嚴(yán)格控制方向-高低復(fù)合不平順，以保障車輛的運(yùn)行安全。4.2.3軌距-水平復(fù)合不平順影響分析軌距-水平復(fù)合不平順對(duì)NX70型平車運(yùn)行安全的作用不容忽視，其對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能和安全指標(biāo)有著特定的影響規(guī)律。當(dāng)軌距不平順?lè)禐?6mm，水平不平順?lè)禐?5mm時(shí)，隨著運(yùn)行速度從60km/h提升至120km/h，輪重減載率從0.28逐漸上升至0.52，脫軌系數(shù)從0.35增大到0.70。這清晰地表明，在軌距-水平復(fù)合不平順條件下，速度的增加會(huì)顯著加大車輛的脫軌風(fēng)險(xiǎn)和輪重減載程度，速度與安全指標(biāo)之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著軌距不平順?lè)档脑龃?，脫軌系?shù)和輪重減載率均呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。當(dāng)水平不平順?lè)倒潭?5mm，軌距不平順?lè)祻?4mm增大到+8mm時(shí)，脫軌系數(shù)從0.38增大到0.75，輪重減載率從0.32增大到0.58。這充分說(shuō)明軌距不平順?lè)档脑龃髮?duì)車輛運(yùn)行安全的威脅更大，更容易導(dǎo)致車輛脫軌和輪重減載異常，軌距不平順?lè)蹬c安全指標(biāo)之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)。在不同波長(zhǎng)組合下，軌距-水平復(fù)合不平順對(duì)車輛安全指標(biāo)的影響也存在差異。當(dāng)軌距不平順波長(zhǎng)為10m，水平不平順波長(zhǎng)為12m時(shí)，車輛的脫軌系數(shù)和輪重減載率相對(duì)較??；而當(dāng)軌距不平順波長(zhǎng)為6m，水平不平順波長(zhǎng)為8m時(shí)，脫軌系數(shù)和輪重減載率明顯增大。這表明短波的軌距-水平復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響更為嚴(yán)重，更容易引發(fā)車輛的不穩(wěn)定運(yùn)行，波長(zhǎng)組合對(duì)車輛安全性能有著重要的影響。在實(shí)際鐵路運(yùn)輸場(chǎng)景中，當(dāng)NX70型平車以100km/h的速度運(yùn)行在存在軌距-水平復(fù)合不平順的軌道上時(shí)，如果軌距不平順?lè)颠_(dá)到+7mm，水平不平順?lè)禐?6mm，脫軌系數(shù)可能會(huì)接近安全限值，此時(shí)車輛的運(yùn)行安全面臨較大威脅。一旦軌道的養(yǎng)護(hù)維修不及時(shí)，這種復(fù)合不平順繼續(xù)發(fā)展，脫軌系數(shù)可能會(huì)超過(guò)安全限值，導(dǎo)致脫軌事故的發(fā)生。因此，在鐵路軌道的維護(hù)和管理中，必須高度重視軌距-水平復(fù)合不平順，嚴(yán)格控制其幅值和波長(zhǎng)，確保車輛的運(yùn)行安全。4.2.4軌距-高低復(fù)合不平順影響分析軌距-高低復(fù)合不平順對(duì)NX70型平車的脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)有著獨(dú)特的影響特點(diǎn)。隨著軌距不平順?lè)档脑龃?，脫軌系?shù)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。當(dāng)高低不平順?lè)倒潭?mm，軌距不平順?lè)祻?4mm增大到+8mm時(shí)，脫軌系數(shù)從0.36增大到0.78。這是因?yàn)檐壘嗖黄巾槙?huì)改變車輪與鋼軌的接觸狀態(tài)，幅值越大，接觸狀態(tài)越不穩(wěn)定，在高低不平順的共同作用下，車輪受到的橫向力和垂向力的合力變化越大，從而導(dǎo)致脫軌系數(shù)增大，脫軌風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。高低不平順?lè)档淖兓瘜?duì)輪重減載率的影響較為顯著。當(dāng)軌距不平順?lè)倒潭?6mm，高低不平順?lè)祻?mm增大到10mm時(shí)，輪重減載率從0.30增大到0.60。高低不平順會(huì)使車輛產(chǎn)生垂向振動(dòng)，幅值越大，垂向振動(dòng)越劇烈，在軌距不平順的影響下，車輪的垂向力分布更加不均勻，導(dǎo)致輪重減載率增大，車輛的穩(wěn)定性降低。在不同速度下，軌距-高低復(fù)合不平順對(duì)車輛運(yùn)行安全的影響也有所不同。隨著速度的增加，車輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)更加劇烈，脫軌系數(shù)和輪重減載率的增長(zhǎng)速度加快。在速度為120km/h時(shí)，軌距-高低復(fù)合不平順引起的脫軌系數(shù)和輪重減載率的增量明顯大于速度為60km/h時(shí)的情況。這是因?yàn)樗俣仍黾?，車輛的動(dòng)能增大，對(duì)軌道不平順的激勵(lì)更加敏感，不平順引發(fā)的車輛振動(dòng)和作用力變化更為明顯，從而導(dǎo)致脫軌系數(shù)和輪重減載率快速上升，車輛的運(yùn)行安全面臨更大挑戰(zhàn)。4.3不同復(fù)合不平順工況下仿真數(shù)據(jù)對(duì)比4.3.1脫軌系數(shù)敏感性分析通過(guò)對(duì)不同軌道復(fù)合不平順工況下脫軌系數(shù)的細(xì)致對(duì)比，能夠深入剖析其對(duì)不同不平順的敏感程度。在方向-水平復(fù)合不平順工況中，當(dāng)方向不平順?lè)祻?mm增大到8mm，水平不平順?lè)倒潭?5mm時(shí)，脫軌系數(shù)從0.28急劇增大到0.72，增長(zhǎng)幅度高達(dá)157%；而當(dāng)水平不平順?lè)祻?3mm增大到-7mm，方向不平順?lè)倒潭?mm時(shí)，脫軌系數(shù)從0.35增大到0.68，增長(zhǎng)幅度為94%。這表明脫軌系數(shù)對(duì)方向不平順?lè)档淖兓鼮槊舾?，方向不平順?lè)档母淖儗?duì)脫軌系數(shù)的影響更為顯著。在方向-