随着轨道交通行业的快速发展,高速动车组的最高运行速度不断提高,使得车辆端部各连接部件的运行环境更加恶劣,对列车运行的安全性和平稳性有着更严峻的考验和更高的要求。尤其是在列车通过曲线、道岔及变坡点时,车辆各个部件以及相邻车端之间的相对运动更加剧烈。因此,研究车辆运行中相邻车端的相对位姿及车端连接部件的运动状况,为车辆设计提供合理的车端间隙及车端各连接部件的合理布置方案,避免车辆运行中相邻车端各连接部件的运动干涉十分必要。车端关系研究方法包括路试、模拟仿真和台架试验。路试成本高、危险性大,模拟仿真可以弥补上述局限,并且试验周期短,适用不同车型及线路。但是模拟仿真要求的输入参数较多,有大量的近似及简化过程,与实际情况有一定差距。相比路试与模拟仿真,台架试验受外部环境影响较小,能够精确复现路况并开展路试中难以实现的极限工况测试,通过台架试验测取车端各部件运动参数,可为车辆端部设计提供试验依据。为此,中车长春轨道客车股份有限公司委托吉林大学开发研制了车端关系试验台,该试验台可以为列车相邻的两个车端提供六自由度运动模拟,本论文以车端关系试验台开发项目为依托,研究内容涵盖以下几个方面:(1)搭建列车-轨道系统动力学模型轨道模型由Frenet标架进行描述,给定轨道中心线上每一点的曲率半径、超高以及竖曲线对应的垂向坐标可计算出轨道的所有信息。建立3节车辆编组的列车模型,相邻车辆之间通过车端连接装置相连,每节车辆包含1个车体、2个构架和4个轮对,共42个自由度。建立车端连接装置动力学模型,包括车钩、车间减振器和风挡。车辆和轨道之间通过轮轨接触力耦合,建立包括轮轨接触几何关系、轮轨法向力和轮轨蠕滑力的轮轨接触模型。(2)研究车端关系试验台设计方案本文所设计的车端关系试验台由两个六自由度运动平台、14个作动器和两个车端模拟装置组成。通过协调控制14个作动器的运动驱动两个六自由度平台运动,以模拟实际列车运行时的车端运动姿态。试验台测量系统主要负责完成车端关系试验过程中相关数据的测量与采集,控制系统主要负责对试验台输入控制指令,协调各个作动器的伸缩量,实现运动平台的控制。监控系统用于监控试验台各部件的试验状态,确保试验的安全可靠。(3)研究车端关系试验台试验谱求解算法求解试验台作动器的控制指令是在试验台上实现车端运动姿态模拟的前提及关键技术。将轨道、列车和试验台作为一个系统进行研究,通过空间坐标位姿变换和位姿反解,从列车在线路运行时的位姿求解作动器的实时伸缩量。针对列车-试验台系统运动学模型和动力学模型两种不同模型提出两种试验谱求解算法。采用仿真分析求解14个作动器的控制指令,并对两种方法求解得到的控制指令进行对比分析。(4)基于仿真分析的车端相对位姿求解为确保台架试验的安全可靠,在台架试验之前建立车端关系试验台虚拟样机模型,将前面求解得到的14个作动器控制指令作为试验谱一一对应输入到所建模型中,通过仿真分析判断试验谱是否能够运用到台架试验中。同时求解得到车端的相对位姿,以便与台架试验的车端相对位姿实测数据进行对比分析,验证台架试验结果的准确性。(5)基于台架试验的车端相对位姿求解在仿真分析确认试验安全可行后,开展台架试验,对相邻车端在线路运行时的相对运动进行模拟。将台架试验实测数据与仿真分析结果进行对比分析,验证试验的准确性。通过试验所测取的车端相对位姿结果计算得到车钩摆角、风挡折角、车端错距以及两相邻车端墙的最小距离,对列车在线路运行时的车端运动状态进行评价。针对不同的线路条件,进行台架试验,并对不同的测试结果进行对比分析。