高速公路平竖曲线组合行车舒适性研究

公路线型最终是以平面线型和纵断面线型组合成的三维立体线型而表现出来的,平纵面线型组合的好坏,直接影响到公路线型的优劣和行车的舒适性。选用横向加速度及其时变率作为评价指标,根据平曲线与竖曲线不同的重叠情形,建立不同工况的分析模型,考虑汽车速度变化的影响,推导出不同工况下的车体横向加速度及其时变率的一般计算公式,同时选用AD—AMS／CAR软件进行整车仿真。通过对比分析,工况4的平曲线、竖曲线重叠设置为最优。     

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.     

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.     

一种新型道路缓和曲线的线形分析与评价

缓和曲线作为一种空间过渡曲线,其设计的合理与否直接关系到车辆行驶的平稳性和旅客舒适性。介绍了利用缓和曲线边界条件确定其代数方程式的一种通用方法：根据边界条件列出曲率待定方程,并利用曲率边界条件确定出缓和曲线曲率方程,然后对曲率方程二次积分得到缓和曲线的方程。此方法适用于推导缓和曲线方程,可为公路缓和曲线线形设计提供参考。采用此方法设计出了一种连接直线与直线的新型缓和曲线,并建立5种不同工况,以横向加速度及其时变率为评价指标,对新型缓和曲线和回旋线进行了行驶动力学性能评价,通过比较分析得出这种新型缓和曲线在行驶动力学性能上明显优于回旋线,为高速公路缓和曲线的线形选择提供参考。     

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...     

曲曲连接新型缓和曲线线形动力特性分析

采用边界条件法,提出满足连接圆曲线与圆曲线的新型缓和曲线,建立三种不同的计算工况,利用MATLAB数值计算分析列车以高速通过不同曲曲连接方式对乘车舒适性的影响,采用通用的机械动力学/运动学仿真分析软件Universal Mechanism（简称UM）软件进行动力仿真,通过理论计算与仿真分析得出新型缓和曲线较三次抛物线少了两个连接点（缓直点和直缓点）,对舒适性有较好的改善,为高速铁路缓和曲线的选择提供借鉴。     

轨道不平顺概率模型

为了高效选取轨道不平顺随机样本, 以满足车辆-轨道系统随机动力与可靠度分析中的激振源遍历性要求, 依据轨道随机不平顺的弱平稳与谱相似特征, 提出了一种轨道不平顺概率模型; 采用离散概率积分和统计方法, 在时域中将大量轨道不平顺检测信号分成若干个时程序列, 对每个序列采用谱分析法计算其统计功率谱密度分布; 采用矩阵法对轨道不平顺功率谱密度函数进行集合表征, 视每条谱线在不同频率点的功率谱密度概率具有累加性, 采用单一频率下的功率谱密度概率分布推知整条谱线的出现概率; 采用通用随机模拟方法选取代表性轨道谱, 并反演随机不平顺序列; 实测了某高速铁路约269km的轨道高低和方向不平顺, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 从轨道不平顺模拟幅值与车辆-轨道系统动力响应的概率密度分布出发, 对比了轨道不平顺概率模型与轨道不平顺随机模型的计算结果, 以验证轨道不平顺概率模型的正确性和高效性。计算结果表明: 以2种模型生成的轨道随机不平顺为激振源, 获得的车辆-轨道系统动力响应分布熵差异小于2%, 2种模型均能准确表达不平顺激扰特性; 为保证模拟与实测不平顺的概率密度分布一致, 采用随机模型和概率模型分别需要生成131和33个随机样本, 概率模型具有更高的分析效率; 在给定计算工况下, 轮轨力和车体加速度的幅值分别为38~152kN和-0.042g~0.043g (g为重力加速度), 均未超过《高速铁路设计规范》 (TB 10621—2014) 中的限值(轮轨力为170kN, 车体加速度为0.25g), 表明此高速铁路轨道不平顺状态较优, 行车安全性和舒适性可以得到保证。      

基于电机动力吸振的高速列车蛇行运动控制

复兴号CR400BF高速动车组动力转向架的牵引电机采用特有的四点弹性架悬方式, 在电机和构架之间安装有横向液压减振器和横向止挡, 首次采用牵引电机作为动力吸振器来控制转向架蛇行运动稳定性和蛇行频率, 从而避免引起车体弹性模态共振; 考虑悬挂参数和轮轨接触非线性, 建立了复兴号动车组非线性多刚体动力学仿真模型, 通过悬挂模态计算和动力学时域仿真, 分析了关键参数对动车蛇行运动的影响规律; 基于将电机作为动力吸振器的原理, 优化了电机节点横向刚度和横向减振器阻尼; 考虑动车组运营中的轮轨匹配随机因素, 组合400种轮轨随机匹配状态, 仿真分析了动车的动力学性能; 开展动车组长期线路动力学跟踪试验, 研究了动力转向架蛇行运动演变规律。仿真与试验结果表明: 牵引电机弹性架悬下的构架横向加速度频谱图从以蛇行频率为主频的单峰值变化为主频在蛇行频率两侧的双峰值, 说明电机起到了动力吸振器的作用; 将电机作为动力吸振器能够提高动车蛇行运动稳定性, 具有不同等效锥度的典型轮轨匹配下非线性临界速度超过500 km·h-1; 动车蛇行运动最高频率被控制在6 Hz附近, 远离车体中部菱形弹性模态频率8.5 Hz, 避免了转向架蛇行运动激起车体弹性共振; 动车组在轨道随机不平顺激扰下, 构架端部横向加速度小于0.5g, 平稳性指标小于2.5, 轮轴横向力和脱轨系数等运行安全性指标满足要求。      

高速铁路路基结构空间时变系统耦合动力分析

考虑高速线路的实际工况,建立了包括轨道结构和车辆的路基结构空间时变动力系统分析模型.将线路结构及车辆离散为不同的单元,采用能量原理导出了系统动力方程,进一步建立了系统动力矩阵.作为模型的验证,对连续谐波不平顺条件下系统动力响应进行了分析,得出了车辆走行过程中的车体加速度、动轮载以及基床动应力、基床动变形等动态响应结果.计算结果表明,本文中的计算模型是合理的.     

高速列车轮轨动态相互作用特征

为了探明高速铁路轮轨动态相互作用特征,运用铁道机车车辆-轨道耦合动力学理论,考虑了轮轨系统参振的影响,研究了高速运营条件下曲线轨道上的轮轨动态接触几何关系,分析了安全性指标和舒适性指标的随机振动特性。研究结果表明:在高速运营条件下,曲线轨道上的轮轨动态接触几何关系具有明显的特点,在160～300 km·h-1速度范围内,减载率及车体振动加速度的敏感波长分别为1.0～2.5 m与40～50 m,控制该波长范围不平顺对提高动车组的安全性及舒适性十分有利。     

Dynamic Performance of High-Speed Railway Transition Curves during Vehicle Movement

After introducing the theories and geometric features of four familiar transition curves (cubic parabola (CP), fifth degree parabola (FDP), half-wave-length sinusoidal (HS) and sinusoidal (SI)), these curves are compared under identical conditions of length, offset and the maximum of the first derivative of curvature. In terms of the roll acceleration (RA) and the lateral change of acceleration (LCA), the SI curve, in theory, is superior to other transition curves.     

高速铁路平竖重合段三维高阶连续曲线线形设计

针对平竖重合曲线段存在几何连续性衰减并引起列车运动状态突变的现象, 以三维曲线的Frenet标架为基础, 结合曲率、挠率建立三维车体运动状态模型, 得到了曲率、挠率与车体加速度、急动度的关系, 并通过该模型从三维角度分析了三维曲线的几何连续性等级对车体运动的影响; 考虑几何连续性对曲率、挠率的要求, 提出以曲线曲率、挠率变化最小为目标的线形选择方法, 利用三维欧拉曲线创建平竖重合段高阶连续曲线。研究结果表明: 传统平竖重合段曲线连接点处几何连续性存在衰减, 仅为1阶几何连续, 曲率、挠率对列车加速度和急动度起主导作用, 几何连续性的衰减是竖向急动度突增的主要原因; 二维设计曲线在起点处的竖向急动度为1.206~1.264 m·s-3, 超过乘客舒适性运动学阈值0.240 m·s-3, 难以实现二维线形的高阶几何连续; 提出的曲线设计方法对连接点处的曲率和挠率都有明确定义, 容易在连接点处实现高阶几何连续, 且不存在几何连续性衰减, 曲线的曲率、挠率变化最小, 可有效降低线形参数变化给车体运动带来的不良影响; 所建曲线的加速度与急动度在全程均连续且满足运动学阈值, 实现了2阶几何连续, 最大竖向急动度为0.149 m·s-3, 为阈值的62.0%, 为二维设计的11.7%~12.3%, 有效地改善了行车稳定性与乘客舒适性; 所建曲线路径与二维设计相比变化小, 在2%~3%坡度差时, 水平、竖向坐标差分别为0.907~2.305、1.085~2.498m;所建曲线的设计参数同时也是车体运动状态的计算参数, 从而可根据列车运行条件直接优化线路的设计。      

圆销车钩自由转角与车体参数匹配性的研究

为了明确圆销车钩自由转角与车体主要结构参数的匹配关系,采用理论分析与动态仿真相结合的方法,研究了曲线通过及直线承压工况下,机车车体主要结构参数与车钩转角的关系.结合缓冲器的非线性迟滞特性并采用控制系统仿真方法,建立了圆销钩缓系统的对中钩肩模型,该模型能够较好体现钩肩回复力的实时性;采用内插样条函数进行拟合,根据工程图纸对车钩钩头轮廓曲线进行数据离散,反演得到钩头轮廓曲面,并建立了一对连挂钩头间的曲面/曲面接触模型,进一步考虑了连挂钩头间的相互作用,能够准确模拟连挂钩头间的相对运动;通过对不同自由转角条件下机车的受力情况进行分析,得出了车钩自由转角设计推荐公式,并通过动力学仿真对其进行了验证.研究与仿真结果表明,受轨道曲率变化的影响,车钩实际转角比静态计算结果要偏大0.5~1.0,钩头间的相对转动可对车钩转角进行补偿,以顺利实现机车曲线通过;车钩自由摆角与车体结构要有较好的匹配,以保证机车承压时的运行安全性,同时建议该型机车钩缓系统自由转角设计值应小于8,这与推荐公式的计算结果有较好的一致性.      

一系纵向定位间隙对磁流变耦合轮对车辆横向动力学性能的影响

为了合理控制车辆轮对定位间隙,提高磁流变耦合轮对车辆在高速时的横向动力学性能,建立该车辆的空间动力学模型,分析了轮对纵向定位间隙对车辆临界速度和曲线通过性能的影响。得出了纵向定位间隙的增大能使磁流变耦合轮对车辆的临界速度急剧下降,轮对横移量和冲角、轮轨横向力和车体横移加速度快速增大;只有在小间隙的条件下,车辆在高速铁路上才具有较高的临界速度和较好的曲线通过性能。     

250km／h高速铁路轨道不平顺的安全管理

利用根据车辆－轨道耦合动力学思想所建立车辆－轨道垂横耦合模型,在充分考虑多种波长并存的情况下,仿真计算了250km/h高速铁路各种轨道不平顺的管理目标值。计算结果与日本和德国高速铁路轨道不平顺的经验管理目标值基本一致。     

轨枕支撑硬点对轨枕动力响应的影响

采用35自由度的多刚体车辆系统与三层弹性离散点支撑轨道模型,建立了基于Timosh-enko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,应用新型显式积分法求解其运动特性。考虑钢轨横向、垂向和扭转运动对轮轨滚动接触几何关系的影响,分别由Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算了轮轨法向力和轮轨滚动接触蠕滑力。假设轨枕垂向支撑高度沿纵向非均匀分布来模拟轨枕支撑硬点,基于移动轨下支撑模型,分析了不同轨枕支撑硬点个数和高度对系统动力响应的影响。分析结果表明,轨枕支撑硬点对轨枕的动力响应影响显著。当硬点高度为1.0 mm时,最大钢轨/轨枕作用力约为正常状态下的2倍,最大钢轨/轨枕拉力约为正常状态的10倍,这将加速轨枕、轨下垫层及钢轨扣件状况的恶化。而支撑硬点个数对系统动力响应的影响很小。     

回头曲线路段的轨迹曲率特性和汽车过弯方式

为了明确山区公路回头曲线上的车辆轨迹特性和驾驶行为偏好,通过实车路试采集了自然驾驶习惯条件下回头曲线路段上的车辆行驶轨迹线和轮迹线-车道线的横向距离等参数,基于实测数据计算了轨迹曲率,分析了轨迹曲率与道路设计曲率之间的关系,确定了轨迹曲率变化模式,提出了轨迹等效半径的概念,研究了回头曲线路段的切弯行为和典型过弯方式. 研究发现:1） 回头曲线的入弯、弯中和出弯均可见严重的车道偏离. 2） 入弯时汽车在缓和曲线之前便已进入曲线行驶状态,出弯时车辆轨迹曲率在驶出缓和曲线之后的直线上降低至0,轨迹曲率的变化率要低于缓和曲线的曲率变化率;左转轨迹的曲率变化率要低于右转轨迹的曲率变化率. 3） 左转轨迹曲率的幅值回头曲线中部低于或者接近道路设计曲率,右转轨迹曲率则高于道路设计曲率. 4） 左转弯的轨迹等效半径要高于弯道设计半径,右转弯轨迹半径最小值和均值普遍则低于设计半径. 5） 驾驶人可以通过不同的切弯方式来实现回头曲线路段轨迹半径的增加和最大化,但需要侵占对向车道. 6） 驾驶人切弯时,左转弯的轨迹半径增量要高于右转弯的轨迹率半径增量,即车辆左转驶入回头曲线是更容易取得切弯效用;在大头线、平头线和小头线（转角分别大于、等于和小于180°） 3类回头曲线中,小头线和大头线上的切弯效果更明显.      

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。