气隙对直线电机地铁系统动力响应的影响

应用概率统计和频域分析理论,分析了广州地铁4号线列车行驶过程中直线电机与感应板间动态气隙的实测数据;建立了车辆-轨道垂横向耦合动力学模型,研究了受气隙影响的垂向电磁力对车体和轨道系统的动力影响,并与轨道随机不平顺对系统的动力影响进行了对比。研究结果表明:92.2%的气隙在9~12mm的标准范围内,且服从均值为10.5mm、标准差为1mm的正态分布;感应板上表面与钢轨顶面的高度差是峰值气隙的决定因素,通过气隙静态测量可确定线路的最不利气隙位置;气隙的频域成分以小于0.1m~(-1)的空间频率为主,并存在0.2m~(-1)的频率尖峰,即气隙存在约为5m的周期成分;垂向电磁力对车体加速度影响较小;垂向电磁力可使轨道结构产生上升位移,在同时存在轨道不平顺的情况下,钢轨最大位移可达0.8mm,轨道板最大位移可达1.0mm;轨道不平顺是轨道结构持续振动的主要诱因,垂向电磁力只会在开始作用于轨道结构的瞬间产生较大加速度,垂向电磁力引起的轨道结构最大加速度大于轨道不平顺引起的最大加速度,轨道不平顺和垂向电磁力的共同作用效果远大于单一因素的影响,钢轨加速度可达2 200m·s~(-2),轨道板加速度可达1 500m·s~(-2);垂向电磁力对轮轨垂向力的最大影响在9kN以内;可采用动态和静态检测相结合的方法测量气隙,先应用列车上的动态检测设备测量出线路感应板超限点的大体位置,然后进行人工精确测量,维护后再次使用动态检测法进行气隙合格检验,实现快速、精确、有效维护线路感应板的目的,减小气隙对轨道结构垂向振动的影响。     

地铁钢轨波磨对车辆和轨道动态行为的影响

采用钢轨波磨测量仪测量了钢轨波磨特征,采用加速度和位移传感器测量了钢轨打磨前后车辆和轨道零部件的振动加速度,分析了钢轨波磨对车辆和轨道零部件振动的影响,建立了车辆-轨道耦合动力学模型,研究了钢轨波磨对轮轨相互作用力的影响,确定了钢轨打磨限值。研究结果表明:钢轨波磨主波长为30~40mm,次波长为16mm;钢轨轨头和弹条在650~800Hz的振动和轴箱在670~800Hz的振动与30~40mm波长对应的车辆通过振动行为一致,因此,短波钢轨波磨导致地铁车辆和轨道零部件振动过大,是车辆一系钢弹簧和轨道扣件弹条疲劳断裂的主要原因;钢轨打磨可以有效解决疲劳断裂问题,打磨前钢轨轨头、弹条、轨枕和道床振动加速度均方根分别为243.4、309.3、17.1、2.6m·s-2,打磨后振动加速度均方根下降为51.5、8.8、1.5、0.5m·s-2;轮轨垂向力和横向力均对钢轨波磨波长非常敏感,当钢轨波磨波深为0.1mm时,35、80mm波长对应的轮轨垂向力分别为307、109kN,横向力分别为56、25kN;当车辆运营速度为90~120km·h-1时,根据轮重减载率限值标准,35mm波长钢轨波磨波深为0.05~0.08mm,根据轮轨垂向力限值标准,35mm波长钢轨波磨波深为0.03~0.06mm,建议30~40mm短波钢轨波磨波深达到0.05mm时进行打磨处理。     

紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用

为了优化坡道上钢弹簧浮置板轨道的设计, 在考虑轮轨纵向作用关系与钢弹簧浮置板轨道特点的基础上, 运用多体动力学理论和有限元法建立了紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用模型, 利用多体动力学软件UM验证了模型的有效性, 分析了车辆与轨道的动力响应。研究结果表明: UM软件与本文模型计算得到的车体纵向加速度和轮轨纵向力平均相对误差分别为1.3%、2.8%;在紧急制动过程中, 车体始终处于向前点头和纵向振动的状态, 导致前轮增载, 后轮减载; 由于板与板之间不连续, 钢轨和浮置板之间会产生纵向相对错动, 须注意钢轨与浮置板之间不协调的纵向变形; 间隔2组扣件布置一对隔振器方案(方案1) 所得板端钢轨垂向位移比板中大0.2 mm, 间隔2组扣件布置一对隔振器, 再间隔3组扣件布置一对隔振器方案(方案2) 所得板端钢轨垂向位移比板中小0.5 mm; 2种布置方案下, 轨道纵向变形相差不超过5%, 扣件和钢弹簧受到的纵向作用力相差不超过15%;短波轨道不平顺显著加剧了钢轨和浮置板的垂向振动效应, 不平顺状态下钢轨最大垂向加速度可达15g左右; 钢弹簧浮置板轨道可以降低传递到基础底部的垂向振动, 加速度降幅约为0.2 m·s-2, 但会显著放大低频段钢轨、浮置板的垂向振动, 振动量增幅约为15 dB。      

基于多车型CNN-GRU性能预测模型的轨道状态评价

不同车型高速综合检测列车的动力学传递特性不同，使得其对同一线路的车体加速度评价结果存在一定差异.为解决上述问题，本文基于多列动检车的检测数据，将卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）与门控循环单元（gated recurrent unit,GRU)相结合，建立了多车型车辆动力学响应预测模型，通过输入多项实测轨道不平顺和车速预测各车型的车体垂向和横向加速度，并将多车型车体加速度预测值的最大包络作为轨道状态评价依据.结果表明：将高低、轨向不平顺等8项轨道不平顺和车速共同作为输入参数的模型预测性能最优，车体垂向和横向加速度预测的评估指标分别提升了5%～13%和25%～36%;CNN-GRU模型所预测的车体加速度在时域和频域均与实测结果吻合较好，相关系数最大达到0.902；且相比于BP (back propagation)神经网络，各项车体垂向和横向加速度预测的评估指标分别提升了36%～109%和11%～167%；针对某轨道几何状态不良区段应用效果，预测6种车型中有4种车型达到车体垂向加速度Ⅰ级或Ⅱ级超限，有1种车型达到车体横向加速度Ⅰ级超限，提高了轨...     

客运专线铁道车辆随机振动特性

为分析客运专线车辆在轨道随机不平顺作用下的振动规律,提出了轨道随机不平顺人工短波的概念,给出了短波的模拟样本.在同时考虑轨道高低不平顺和水平不平顺的基础上,采用德国高速低干扰谱与人工短波样本合成的轨道随机不平顺样本作为车辆-轨道耦合振动系统的激励,对车辆的随机振动进行了分析.探讨了轮轨动作用力、车辆各部件随机振动特性及其随列车运行速度变化的规律.研究结果表明,随列车运行速度提高,客运专线车辆各部件的随机振动响应如振动加速度、轮轨力、位移等均呈显著增大的趋势,其中以轮对加速度的变化最为明显,构架加速度、车体加速度和轮轨力次之,位移变化相对较小.     

重载铁路车轮踏面擦伤时的轮轨动态相互作用特征

运用仿真分析手段,考虑车轮踏面新、旧擦伤激扰,研究了重载铁路轮轨相互作用力、轨道结构位移及振动加速度的时、频特征。研究结果表明:在车轮踏面新擦伤作用下,轮轨间将产生高频轮轨垂向力和低频轮轨垂向力,钢轨、轨枕及道床将产生低频振动位移;而对于车轮踏面旧擦伤,轮轨间仅产生高频轮轨垂向力,轨道结构部件的振动位移较小,高频位移幅值略大于低频位移幅值;在新、旧擦伤作用下,钢轨垂向振动加速度的频率很高,前者的道床振动加速度明显高于后者的值,二者的轨枕振动加速度较接近。     

快速线路轨道刚度合理值的研究

轨道动态几何形位直接对行车安全、轮轨作用力、车辆振动产生影响.轨道动态几何形位的变化与众多因素相关.轨道刚度变化同时影响着轮轨动荷载和轨道动态几何形位的变化.将沪宁线轨检车实测动态不平顺输入动力仿真软件,分别计算不同垂向和横向刚度时的轮轨动轮载和钢轨的垂向、横向动位移,并改变车辆速度和输入不平顺的大小,分析轨道不平顺、轮轨动荷载和钢轨动位移之间的关系.利用正态分布的原则统计不同状态下动轮载和动位移的最大值,分析对比钢轨动态变形和轮轨动荷载随刚度和速度的变化趋势,提出了合理的轨道刚度取值范围,并分析了初始不平顺大小对轨道动态位移的影响.     

基于柔性多体动力学的地铁车辆半主动控制

为了对地铁车辆的运行性能实现更准确的评估和更有效的优化,借助有限元理论和子结构理论建立了车体和转向架构架等关键零部件的柔性动力学模型;基于天棚半主动控制算法和柔性多体动力学理论,建立了考虑半主动控制悬挂的地铁车辆刚柔耦合动力学模型;考虑轨道随机不平顺的影响,研究了半主动控制悬挂以及结构柔性对地铁车辆运行稳定性和乘坐舒适性的影响。研究结果表明:相对于传统的悬挂装置,天棚半主动控制极大降低了车辆的振动加速度,并使其变化趋势更加平缓,对车辆的低频振动有明显的抑制作用;采用本文的研究参数,天棚半主动控制在直线段可使车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度均方根(RMS)分别降低26.8%和7.5%,使车体横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低8.8%和4.9%,而在曲线段,天棚半主动控制可使车辆垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS分别降低25.1%和5.7%,使横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低15.6%和8.3%,车辆的乘坐舒适性和运行稳定性大幅提升;考虑结构柔性时,车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS相比于未考虑结构柔性时分别增大了4.3%和6.8%,横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别增大了3.0%和3.4%。可见,车体和构架的结构柔性对车辆的动态特性有较大影响,在对车辆运行稳定性和乘坐舒适性进行计算和评估时不可忽略。      

基于轮轨垂向力的波磨状态估算方法

为了探明轮轨垂向力与波磨状态之间的映射关系并采用轮轨力检测数据定量评价波磨严重程度,以中国CRTSⅡ高铁线路与服役动车组典型参数构建三维轮轨动力学有限元模型;细化波磨区段钢轨表面不平顺特征,采用高速综合检测列车在高铁波磨区段上实测轮轨垂向力时频数据验证有限元模型输出结果的准确性;模拟了车辆运行速度为300 km·h^-1时波长在40～180 mm波磨激励下的轮轨垂向力,分析了其时频域分布特性;引入轨面不平顺变化率表征波磨沿钢轨纵向的变化特性,采用非线性最小二乘法与有理式方程拟合了不同波长条件下轮轨垂向力大值与轨面不平顺变化率之间的函数关系,分析了钢轨Pinned-Pinned固有共振频率及其半值振动模态对拟合参数曲线的影响,并推导了基于轮轨垂向力的波磨谷深估算方法;该谷深估算方法在某高铁线路波磨状态监测中初步试用,共发现32个波磨区段,并对比了波磨区段上实测谷深和估算谷深。分析结果表明：谷深估算值与实测值相关系数为0.97,两者具有较高的线性相关性;在谷深估算值大于0.08 mm时,估算值与实测值之间的均方根差约为0.01mm,基于谷深估算方法作出波磨打磨整治决策时...     

提速线路轨道不平顺波长的动力仿真

基于耦合动力学理论,利用有限元方法建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,输入不同截止波长的不平顺数据进行动力仿真计算,以确定轨道不平顺管理波长范围.高低不平顺主要影响车体的沉浮和点头运动,引起车体垂向加速度增大;轨向不平顺主要影响车体的侧滚和摇头,引起车体横向振动加速度增大.长波不平顺的影响主要体现在车体振动上,因此本文选定车体加速度作为确定不利波长的判定指标,对提速线路200km/h和250km/h速度下轨道不平顺波长管理的范围进行了探讨,并提出了提速线路轨道不平顺波长管理的建议.     

高速列车驱动车轴动态特性分析

将车轮和轴箱分别简化为集中质量和转动惯量,用连续弹性Timoshenko梁模拟变截面车轴,建立弹性轮对与轨道耦合垂向动力学模型,分析车轴动态刚度与轮轨作用力、车轴自身振动特性和车轴动应力的相互关系。发现:轮对的一阶和二阶固有频率分别由76.34Hz和130.03Hz降低到53.68Hz和100.02Hz,车轴的一阶模态振动加速度和弹性振动位移分别增加60.12%和92.21%,轮轨动作用力增加6.23%,车轴轮座内侧和轴颈危险截面的动应力分别增加39.30%和34.13%。分析结果表明:轮轨动作用力和车轴的动应力随着车轴动刚度的降低而增加,因此,提高轻量化轮对的固有频率和动态刚度能保证高速列车安全运行和提高车轴疲劳强度。     

高速列车齿轮箱箱体动应力影响规律

通过线路测试研究了列车运行速度、线路条件与车轮镟修对齿轮箱箱体动应力的影响规律, 结合轴箱振动加速度分析了箱体动应力的变化规律。研究结果表明: 齿轮箱箱体动应力与轴箱垂向加速度的幅值谱基本一致, 主频均为570 Hz, 反映了箱体动应力水平与轮轨相互作用产生的高频激励密切相关; 列车运行速度由200 km·h-1增大到300 km·h-1时, 齿轮箱箱体的应力幅值呈现增大趋势, 尤其在箱体开裂的齿面检查孔位置, 其等效应力由5.56 MPa增大至16.67 MPa, 增大约2倍; 轨道磨耗造成的不平顺对列车轴箱和齿轮箱箱体的振动具有较大的影响, 列车由磨耗线路运营至打磨线路时, 轴箱高频阶段振动幅值水平明显降低, 箱体关键点的等效应力由16.26 MPa减小到10.16 MPa, 减小38%;车轮高阶多边形在列车高速运行时(300 km·h-1) 产生的高频(550~650 Hz) 激扰造成箱体高频振动和动应力、等效应力大幅提升, 箱体关键点的等效应力在镟轮前后由17.45 MPa减小到8.56 MPa, 减小51%。可见, 轨道打磨与车轮镟修均改善了齿轮箱箱体的受力状态, 因此, 选择合理的轨道打磨和轮对镟修周期可有效延长齿轮箱箱体的疲劳寿命。      

高速动车组轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响

为分析钢轨波磨、车轮多边形等轮轨短波不平顺条件下轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响,分别从仿真计算、现场试验和台架试验3个方面进行综合分析,通过建立车辆-轨道刚柔耦合系统动力学仿真模型,分析了钢轨波磨和车轮多边形对轮轨耦合振动的影响,并在武广高铁进行了钢轨波磨条件下新、旧轴箱转臂节点对轴箱振动响应的影响试验,在滚动试验台上进行了高阶车轮多边形条件下新、旧轴箱转臂节点对转向架振动响应的影响试验;对已服役运用120万公里的A、B型轴箱转臂节点进行了1 000万次疲劳耐久性试验,论证了服役轴箱转臂节点疲劳可靠性的安全裕量。研究结果表明:在钢轨波长为120 mm,车轮多边形为20阶,钢轨波磨和车轮多边形波深均为0.04 mm的条件下,当轴箱转臂节点径向刚度由40 MN·m-1增加到200 MN·m-1时,钢轨振动加速度、轴箱振动加速度和轮轨垂向力基本不变,在钢轨波磨和车轮多边形等短波激励下,轴箱转臂节点刚度变化不会对轮轨耦合振动产生明显影响;随着疲劳试验次数的增加,轴箱转臂节点径向和轴向刚度均逐渐下降,退役轴箱转臂节点在经历1 000万次疲劳耐久性试验后外观状态基本无改变,芯轴与橡胶粘接部分出现轻微开胶和裂纹,开胶和裂纹深度不大于5 mm,橡胶本体均无裂纹,各项性能满足《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》(TB/T 2843—2015)中的规定。      

车轮扁疤激起的轴箱轴承冲击特性

以CRH2型动车组为研究对象, 建立包含轴承的车辆-轨道动力学分析模型, 通过数值积分获得了轮轨冲击力时间历程、轮对和轴箱振动加速度时间历程、滚子与外圈滚道接触载荷时间历程; 结合已有的车轮扁疤分析模型, 研究了扁疤长度、车辆运行速度对轮轨冲击力的影响, 分析了扁疤冲击下轮对、轴箱的振动加速度响应特征以及外圈滚道接触载荷响应特征。研究结果表明: 轮对和轴箱受到的冲击加速度均随扁疤长度呈现增长的趋势, 轴箱受到的冲击加速度大于轮对受到的冲击加速度, 且轴箱受到的冲击加速度增长更快; 车轮扁疤会对外圈滚道接触载荷产生影响, 在滚道承载区域, 车轮进入扁疤区域时产生的冲击载荷作用效果为减小滚子外圈接触载荷, 在车轮离开扁疤区域时产生的冲击载荷作用效果为增大滚子外圈接触载荷, 在滚道非承载区域, 滚子与外圈同样会产生多次冲击; 车速为300 km·h-1, 扁疤长度小于30 mm时, 车轮进入扁疤区域滚子外圈受到的冲击载荷大于车轮离开扁疤区域滚子外圈受到的冲击载荷, 扁疤长度大于30 mm时, 车轮进入扁疤区域滚子外圈受到的冲击载荷小于车轮离开扁疤区域滚子外圈受到的冲击载荷; 在整个滚道区域内, 扁疤激扰激起的滚道冲击载荷呈左右对称分布, 且滚道区域越靠近对称轴, 受到的冲击载荷越大。      

基于有效路形的车辆振动模型

为了更加有效地分析车辆与路面突起的接触过程,将轮胎简化为刚性圆环,对现有有效路形的定义进行了改进,将有效路形从原有的轮心轨迹转换为轮胎最低点的轨迹,推导了有效路形的一般求解方程,建立了以有效路形作为路面激励输入的2自由度车辆振动模型,并进行了车辆平顺性仿真及试验验证。分析结果表明:以有效路形作为路面输入的仿真结果与实车道路试验结果有着良好的一致性,以有效路形为路面输入时,车轴加速度平均相对误差为5.17%,车身加速度平均相对误差为1.71%;以实际路形为路面输入时,车轴加速度平均相对误差为12.93%,车身加速度平均相对误差为28.48%。     

轮对柔性对直线电机车辆动态响应的影响分析

直线电机地铁车辆有内置和外置两种轴箱布置方式，针对这两种轴箱布置的直线电机地铁车辆，分别建立了考虑轮对柔性的直线电机地铁车辆-轨道耦合动力学模型. 模型中轮轴采用欧拉梁模拟，考虑轮对柔性变形对一系悬挂作用力、电机吊杆力以及轮轨空间动态相互作用的影响，对比分析了在轮轨不平顺激扰作用下，轴箱内置和外置直线电机地铁车辆轮对柔性响应特性及其对系统动态响应的影响. 研究结果表明:相比于刚性轮对模型，两种直线电机地铁车辆柔性轮对模型求解所得轮轨垂向力响应均存在77 Hz的主振频率峰值，对应于轮对的一阶弯曲模态频率；当考虑轮对柔性效应时，相比于轴箱外置直线电机地铁车辆，轴箱内置直线电机地铁车辆的轮轨垂向力更大，气隙更小.      

小半径曲线钢轨波磨激扰下列车车内振动噪声特性

为探究小半径曲线钢轨波磨与车内振动噪声的关系,以高铁站区线路中出现的钢轨波磨为对象,开展了实车试验与轨面平直度现场测试;采用同步压缩小波变换提取了车厢内部振动与噪声信号的时频特征,并引入全局小波功率谱和小波能量比对信号进行量化分析;建立了波磨严重程度与车厢内振动噪声水平的关联关系,对比了车体与走行部构件之间动力响应的差异,探讨了波磨所在曲线半径对车内振动噪声的影响。研究结果表明：在小半径曲线地段,车厢内振动与噪声信号的优势频率为500～550 Hz,与钢轨波磨引起的轮轨冲击频率一致,且该频段的能量在波磨严重区段愈加显著;轴箱与转向架构架振动信号在500～550 Hz频带也存在能量峰值,而轴箱振动信号中出现的330、1 046 Hz等峰值频率被一系悬挂有效过滤,使得构架振动响应中未见此频率成分;在车厢内采集的各项信号中,车体垂向振动响应与钢轨波磨沿线路里程的分布特征最为相关,而车内噪声、纵/横向振动、侧滚运动的相关性次之,摇头运动的相关性最低;与直线和大半径曲线相比,小半径曲线区段的车体振动与噪声水平受钢轨波磨的影响更为显著。     

国内外高速列车动力学评价标准综述

针对高速列车的动力学性能评价标准中所涉及的评价内容、评价方法、评价指标及限值展开综述,围绕蛇行运动稳定性、脱轨安全性和运行平稳性展开标准分析和对比,包括ISO系列、UIC系列、EN系列、TSI系列、FRA系列、APTA系列和中国国标等法律规范、行业标准、技术规范等,指出不足或改进建议; 对具有代表性的动力学标准进行详细对比,包括新旧版本国标《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599)、国际铁路联盟Testing and Approval of Railway Vehicles from the Point of View of Their Dynamic Behaviour—Safety—Track Fatigue—Running Behaviour (UIC 518)、俄罗斯Railway Multiple Units—Durability and Dynamics Requirements (GOST/R 55495)等; 对北美FRA和APTA系列标准规定的理想轨道激励下动态响应、准静态性能评价方法等进行应用示范。研究结果表明:蛇行运动稳定性均通过构架横向加速度、构架力或轮轨力进行评判,而数值仿真、台架和线路试验需选择对应适用的方法; 结合现阶段中国高速列车的长期服役动力学性能,若列车以400 km·h-1及以上速度运行时,建议加速度滤波带宽仍采用0.5~10.0 Hz,幅值限值建议7 Hz以内为8 m·s-2,而7~9 Hz放宽至10 m·s-2,并持续10次、2 s或100 m; 针对爬轨脱轨安全性评估,现有标准均基于轮轨力和车轮抬升量进行动态和静态评判,但在指标限值、持续作用时间或运行距离上存在差异,建议采用车轮脱轨系数和轮重减载率的联合评判方法; 新版GB/T 5599删除了倾覆系数和轮轨横向力指标,放宽了轮重减载率限值,轮轴横向力限值维持不变; GOST/R 55495评价方法不区分车辆类型,采用构架力而非轮轨力对运行安全性进行评价,横垂向平稳性指标计算时采用相同的频域加权,且低频段加权带宽及幅值显著比GB/T 5599大,不对平稳性指标进行分级评价; 复兴号CR400BF动车组的运行安全性指标和平稳性指标同时满足GB/T 5599和GOST/R 55495标准要求; 采用北美标准对某160 km·h-1客车进行理想轨道激励下动态响应分析,8类不平顺激扰中的重复高低和单次高低不平顺工况较为恶劣,6个评价指标中的轮重减载率和车体垂向加速度容易超限。