大轴重化、长编组化是重载铁路的发展趋势。但随着货车轴重的提高和列车编组数量的增大,列车牵引和制动的操纵难度将加大,由此引起的纵向冲动效应也越来越突出。由国内外运用实践可知,重载列车纵向冲动引起的安全问题和隐患多出现在调车冲击作业、列车紧急制动、列车曲线通过等工况,具体表现为钩缓、摇枕、车体等结构的冲击破坏以及纵向冲动在横向、垂向耦合作用下引起的抻钩和脱轨事故等。在此背景下,本文结合我国现役的重载铁路货车运用和编组情况,分别建立一维全列车纵向动力学模型和三维短编组列车动力学模型,研究调车冲击作业和列车制动操作下的纵向振动特性及其影响,并探讨短编组车辆在曲线制动条件下的脱轨安全性,为货车及其零部件设计和列车运行安全提供理论参考。主要研究工作与结论如下:1.基于摩擦式缓冲器的结构特点和工作原理,通过理论推导其力学表达式并引入修正参数,建立了适用于我国重载货车缓冲器的通用力学计算模型,并通过与车辆冲击试验结果的对比,验证了其动态阻抗特性的准确性;为了获取并评估车钩力、转向架冲击力、缓冲器位移、车体结构变形等振动响应,通过建立心盘组成力学模型以及车体结构等效模型,建立了一种考虑货车结构特征的列车纵向连接模型,该模型一方面改善了传统连接模型的仿真结果,一方面也拓展了纵向列车动力学理论的应用范围。2.以我国铁路调车作业为研究背景,建立了车辆调车冲击计算模型,对部分输出结果与试验结果进行了比较分析。研究了车辆轴重、冲击模式、缓冲器阻抗特性、车体与转向架连接刚度、车体结构刚度、货物迟滞效应以及轮轨运行阻力等因素对车辆纵向冲击特性的影响。结果表明,随着车辆总重的增加,车钩力、心盘纵向力均呈现依次递增趋势;相同编组数量下,重车冲击重车时各连挂界面处的车钩力较大,重车冲击空车时冲击界面车辆的心盘纵向力较大;随着车体与转向架连接刚度的增大,车钩力变化的幅度很小,而心盘纵向力则呈现非线性增大趋势。随着车体结构刚度的增大,各冲击速度下的车钩力均呈现增大趋势;在罐车调车冲击中,由于液体的纵向晃动消耗了一部分的冲击能量,使得车钩力和速度随时间衰减变化得更快;被冲击车轮轨运行阻力越大,受冲击时其车钩力和心盘纵向力也越大。3.以我国重载列车为研究对象,研究了列车在紧急制动工况下的纵向振动基本特征,并探讨了车辆轴重、车钩间隙效应和制动特性参数等对列车在纵向冲动和制动效率方面的影响。结果表明,相同载重的列车采用大轴重方式要比采用长编组方式更有利于减小列车的纵向冲动;在相同制动装备条件下,由于列车管长度因素,通用列车制动时往往比运煤专用列车引起的纵向冲动更大;先慢后快的制动波传播特性、凸出型的制动缸升压特性以及收敛型的制动缸压力变化规律对列车纵向动力学性能最有利;改进型Locotrol系统可显著提高列车的纵向动力学性能;从减小车钩力角度,列车在由空、重车混编时,应严格控制编入空车的数量,并尽量将空车集中置于列车的尾部,尤其要避开全重列车下最大压钩力附近的车位;在由不同轴重及载重的车辆混编时,应将较重的车辆置于列车前部,较轻的车辆置于列车后部,并尽可能地按车辆重量递减依次编入;在由不同车型的车辆混编时,应尽量避免将车体刚度较小的平车或罐车集中置于列车中部。4.基于三辆货车编组的三维耦合列车动力学模型,分别从车钩偏转、车钩压力、车钩高度差、闸瓦压力以及连续纵向冲动等方面对重载货车在曲线制动工况下的安全性进行分析。结果表明,列车制动产生的纵向冲动会降低编组货车曲线通过安全性。当重载货车通过R370曲线时,编组模型比单车模型下的轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率分别大11%、8%和6%;全重的编组模型在1 000kN车钩压力作用下的轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率分别比惰行时大6%、5%和1%; “两重夹空”的编组模型在1 000kN车钩压力作用下的轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率分别比惰行时大12%、19%和51%;列车制动时,在转向架基础制动装置作用下,闸瓦压力给轮对伸缩和摇头施加了附加约束力,推动轮对偏离转向架中心,限制轮对自由摇头,使冲角始终处于较高值,从而增大车轮爬轨的可能性以及轮轨磨耗趋势;当编组车辆所在的列车进行紧急制动时,连续的纵向冲动使其轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率分别比惰行时大4%、5%和1%。