弹性轮对的有限元分析

弹性轮对在国外轻轨交通车辆上已使用较为广泛 ,实践表明其在减少轮轨噪声、降低轮轨间的动作用力和提高旅客的乘坐舒适度等方面取得了明显的效果 ,但在国内还处于起步时期。应用有限元分析软件 ANSYS对弹性轮对进行了应力、变形和模态计算分析 ,并与刚性轮对的结果相比较 ,同时 ,研究了橡胶的本构参数对弹性轮对静强度的影响。结果表明 :在静载作用下 ,弹性轮对与刚性轮对的最大等效应力均发生在辐板靠近车轴处 ,但前者的最大等效应力值大于后者 ;橡胶材料常数对弹性轮对的橡胶应力和应变有较大影响 ,应对其合理选取 ;弹性轮对的低阶固有频率低于刚性轮对 ,这会使弹性轮对具有较好的隔振能力     

基于有限单元法轮对-车轴系统动力学特性研究

轮对车轴系统作为轨道交通车辆上的重要部件,随着车速的提高,其动力学问题也变得十分迫切和必要.提出一种基于有限元方法的弹性轮对-车轴系统动力学建模方法,利用该方法分析了轮对-车轴系统的固有特性与临界转速,并与有限元分析软件计算结果进行对比验证.在此基础上,分析车轮偏心状态下转子动力学响应.结果表明,两种方法计算的振型一致且固有频率值和临界转速误差均小于8％,验证了该模型的正确性,轮对-车轴系统前四阶振型主要为一弯曲和二弯曲振型;此外,轮轨法向动态作用力随着车轮偏心距和转速的增加而增大.     

基于传递矩阵法的轮对固有频率计算方法

应用传递矩阵法分析机车车辆轮对的固有频率,根据轮对的结构特点,将车轮和轴箱简化为集中质量和转动惯量,车轴简化为包含集中质量和转动惯量的变截面Timoshenko梁,建立轮对振动的传递矩阵,用Newton-Raphson方法求解频率方程,得到轮对的固有频率值。在轮对设计阶段,对其自振频率进行计算,分析其对轮对本身应力状态、机车车辆系统和轨道系统振动动态特性的影响。该方法与有限元方法计算的轮对固有频率的相对误差小于10%,具有较高的计算精度,满足工程设计的需要。     

铁路重载货车轮对弹性振动及其动态影响

为研究轮对弹性振动特性及其对重载货车动力学性能的影响，以30 t轴重重载货车为研究对象，对轮对刚、柔建模时的整车运动稳定性、曲线通过性能等进行了对比研究. 首先，给出了多体动力学中弹性体的数学建模方法；其次，建立轮对柔性体有限元模型，分析了轮对的弹性振动模态，进一步将其集成于多刚体系统中，形成重载货车刚柔耦合动力学分析模型；最后，针对货车多刚体和刚柔耦合两类建模方法，以干线不平顺叠加短波不平顺作为系统激励源，对比分析了重载货车的轮对振动响应、蛇行运动稳定性以及动态曲线通过性能的差异. 研究结果表明:相对刚性轮对而言，柔性轮对的变形能够缓和轮轨刚性冲击，同时弱化轮轨间的刚性约束能力，导致其振动幅度降低，使得车辆非线性临界速度下降约9%，通过小半径曲线时，轮轨横向力也降低了约13.7%，轮对弹性振动对重载货车动态性能的影响同样不容忽视.      

高架轨道结构振动特性分析

目前高架轨道是城市轨道交通的主要结构型式之一,为分析其结构振动特性,通过建立高架轨道垂向振动解析梁模型和有限元模型,采用动柔度法计算高架桥速度导纳和轨道速度导纳,并分别考虑桥梁支座刚度、桥梁截面形状对高架桥振动的影响以及高架桥基础和扣件刚度对轨道结构振动的影响。结果表明,桥梁支座刚度和截面形状在低频段对高架桥的振动有较大的影响,在高频段影响较小;高架桥结构对轨道的振动在20 Hz以下有明显的影响,在20 Hz以上基本没有影响;提高扣件刚度有利于减小轨道的竖向振动,但同时增大了轨道的固有频率。     

高速铁路辙叉区钢轨打磨廓形设计方法

以心轨顶宽20、35、50 mm处的辙叉区钢轨关键截面作为研究对象,基于NURBS曲线理论建立辙叉区钢轨廓形重构方法;以关键截面钢轨廓形上若干型值点为设计变量,以打磨材料去除量的减少和脱轨系数的降低为目标,以钢轨廓形几何特征和降低钢轨滚动接触疲劳为约束条件,设计出18号道岔辙叉区钢轨经济性打磨廓形;建立了轮轨接触有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型,进行了轮轨接触应力与动力学指标计算。分析结果表明:优化的打磨廓形接触点分布均匀,具有良好的轮轨接触几何特性;钢轨打磨材料去除量在2号截面处降低了17.2%;各截面Mises应力分别降低了8.7%、8.3%和11.5%,轮轨接触应力降幅分别为12.9%、15.8%和18.0%;列车逆侧向过岔时,轮轨横向力与车体横向振动加速度分别降低了10.3%和15.6%,脱轨系数与轮重减载率分别降低了8.1%和10.6%,疲劳因子降低了12.2%。可见,优化廓形在保证列车运行安全性的同时,提升了列车运行的平稳性以及辙叉区钢轨的使用寿命。      

车轮高阶多边形磨耗发生与演化特征分析

针对日益突出的车轮高阶多边形磨耗问题，基于轮轨系统转子动力学模型、轮轨接触模型和车轮圆周磨耗深度模型，建立车轮多边形磨耗发生与演化模型；分析列车运行速度和车轮质量偏心的变化，揭示车轮多边形磨耗发生与演化的规律，并进行现场跟踪实测数据验证；通过模态和灵敏度分析研究系统参数对多边形磨耗的影响.研究结果表明：车轮高阶多边形磨耗的产生和演化遵循“定频整分”规律，即580 Hz左右的固定频率整分轮对转频时，车轮磨耗会演化成19阶左右的多边形，否则车轮磨耗将趋于均匀；该固定频率主要来源于轮对的2阶弯曲模态，且对车轴直径的灵敏度最大，通过定转速运行、增大车轴直径等措施改变固定频率可有效抑制车轮多边形磨耗.     

智慧公路设备横梁风振特性研究

针对智慧公路设备横梁大幅振动问题,通过分析等截面直梁受迫振动特性,结合风在横梁处绕流时旋涡脱落频率进行计算,证明横梁振动为风作用下的驻波,对应于横梁的一阶振型,振动频率与旋涡脱落频率相同,振幅与结构固有频率、激励频率和阻尼具有相关关系,固有频率与横梁直径成正比,与跨径平方成反比,随横梁质量增加而减小。当激励频率与固有频率接近时,横梁将发生大幅共振,通过提高结构刚度、增加阻尼或改善断面气动外形可抑制风振。     

多约束燃料棒自由振动特性

为开发用于核燃料设计的流致振动计算程序，基于梁理论和势流理论，建立了多约束燃料棒振动问题理论分析方法. 首先通过多跨连续梁理论，得到了多约束燃料棒在空气中振动控制方程和干模态下总体刚度矩阵和质量矩阵；然后通过势流理论，考虑了流体轴流和边界条件的影响，给出了湿模态下附加质量矩阵；最后以压水堆燃料棒为例，得到了燃料棒在干模态和湿模态下自由振动固有频率和振型的理论分析结果，并研究了弹簧刚度和附加质量系数对振动固有频率的影响. 研究结果表明:通过理论分析方法所得计算结果与有限元软件ANSYS计算结果相一致；燃料棒在堆芯中结构为棒束形式，且周围为高速流动流体，振动频率及振型受到流体轴流和周边相邻燃料棒的边界效应影响，但由于多约束作用，流体轴流和边界效应仅影响了振动固有频率，而对振型基本没有影响；拉压和扭转弹簧刚度越大，燃料棒振动频率越高，增加扭转弹簧刚度可使第1阶固有频率增加79.1%，附加质量系数越高，燃料棒振动频率越低，可使第1阶固有频率降低18.2%，通过优化刚度方法可得到理想的振动特性，为格架设计提供参考.      

浮置板轨道减振垫的刚度测试与评价

为了科学测试与评价浮置板轨道减振垫刚度,为浮置板轨道静动力学特性分析提供准确的计算参数,通过有限元仿真计算减振垫测试样品的荷载施加范围,应用配备温度箱的力学试验机并结合温频等效原理测试了减振垫静刚度以及5.0、10.0、20.0、30.0 Hz频率下的动刚度;在得到减振垫准确力学参数的基础上,对比分析了采用传统4.0 Hz参数与真实频变参数对浮置板轨道固有频率以及导纳特性的影响. 研究结果表明:浮置板轨道变形、静力学分析以及底座板弯曲变形应分别采用3种不同荷载范围下的静刚度;浮置板轨道调谐频率,安全性以及减振效果应分别采用3种不同预压条件下的动刚度;无（有）车载条件下聚氨酯减振垫4.0 Hz参数得到的浮置板固有频率为27.0 Hz （15.5 Hz）,而考虑频变刚度的真实固有频率为31.5 Hz （18.3 Hz）;采用4.0 Hz减振垫参数分析浮置板振动传递特性将会低估浮置板轨道固有频率,高估隔振频带及隔振效果;当采用浮置板轨道真实一阶固有频率对应的减振垫参数,其导纳计算结果与考虑减振垫真实频变特性基本一致.      

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.      

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。      

高速动车组柔性转向架蛇行运动频谱分析

为分析高速动车组在不同运行速度下的转向架蛇行运动频谱,推导了自由轮对蛇行运动模型,建立了与纵向、横向速度和摇头角速度相关的3个一阶微分方程;建立了柔性转向架蛇行运动模型,给出了与轮对和构架的横移和摇头自由度相关的9自由度蛇行运动方程;结合车辆悬挂和实测轮轨接触关系等参数,联立自由轮对蛇行运动方程,求解不同轮对初始横移下...     

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。      

从轨道方面看发展25t轴重货车的可行性

本文从轨道方面就发展25t轴重货车的可行性,从轨道准静态效应、轨道垂向动力效 应及翻谴振动效应等方面对高质量低刚度的轨道结构进行了较全面的分析。分析认 为,提高轴重是扩能的需要,运用现代科学技术和国内外铁路的运营经验,实现重轴 重大型货车的低轮轨力和低振动效应的车辆和轨道的相互作用,是能够获得所期望 的效果的。      

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。      

高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测

结合车辆系统在随机轨道谱激励下的动力响应与疲劳强度理论,以"中华之星"高速动力车轴为例,建立了动车系统的非线性动力学模型,仿真车辆在典型线路上的运行特性,获取作用于轮轴上的随机载荷谱。引入车轴材料的非线性本构关系,进行轮轴的有限元分析,得到车轴关键部位的应力时间历程,对其进行统计分析后得到各危险点的应力谱。在此基础上,运用局部应力应变法和累积损伤理论进行了车轴疲劳寿命估算和可靠性分析,得到不同可靠度下的疲劳寿命。当可靠度为0.9时,其疲劳寿命为16年。     

弹性支承块式无砟轨道冲击振动传递衰减特性试验

针对重载铁路弹性支承块式无砟轨道(LVT)在实际应用中出现的弹性部件变形过大、易损坏等问题, 优化设计了既有弹性支承块, 将支承块短侧边坡度由1∶17.00调整为1∶4.85, 取消了块下垫板, 并采用一体化弹性套靴; 为验证设计成果, 建立了传统型LVT和改进型LVT足尺模型, 采用质量为1 120 kg的重载货车轮对, 以20 mm的落高进行落轴冲击试验, 分别从时域和频域角度对比分析了冲击作用下竖向振动在钢轨、支承块、道床板、底座板及地面等结构部件沿线路纵、竖、横向的传递衰减特性。研究结果表明: 轮轨产生的高频振动能量沿钢轨纵向传递, 低频振动能量传递给下部其他轨道结构; 竖向冲击振动在纵、竖向传递的过程中不断衰减且衰减速率逐渐降低, 在支承块和道床板表面横向传递过程中, 向外侧边缘传递振动增大; 相比传统型LVT, 改进型LVT整体弹性系数减小21.1%, 而阻尼系数增大5.4%, 其振动周期、衰减时长、振动峰值分别比传统型LVT小37.0%、21.3%和3.4%, 各结构部位功率谱密度峰值比传统型LVT小30%以上; 改进型LVT轨道结构各部位Z振级比传统型LVT小, 在地面处减小了3.65 dB, 能更有效、迅速地衰减轮轨冲击力和轨道结构振动, 振动水平更低, 降低了冲击作用对环境的影响。研究结果对于开展LVT减振性能试验验证、优化与工程应用有参考价值。