永磁直驱柔性构架转向架的动力学模型研究

永磁直驱柔性构架转向架是一种新型的地铁车辆转向架,具有结构简单、紧凑、曲线通过能力强等特点.使用Simpack软件建立了永磁直驱柔性构架转向架两种不同的动力学模型:构架集总参数的多刚体动力学模型和构架的刚柔体动力学模型.在构架集总参数模型中,将柔性构架视为两个通过多向弹簧连接的侧梁.在构架离散参数模型中,将柔性构架作为柔性体处理.仿真分析了装用永磁直驱柔性构架转向架的地铁车辆的蛇形运行临界速度、曲线通过安全性和运行平稳性.仿真结果表明:构架集总参数模型适用于优化柔性构架的刚度参数,进行脱轨安全性分析和车辆稳定性分析,而构架离散参数模型更适用于平稳性分析.     

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。      

铁道车辆柔性转向架蛇行频率分析方法

推导了与轮对纵向、横向移动速度和摇头速度相关的三个一阶微分方程,并将其作为轮对蛇行运动的激励,代入考虑转向架纵向、横向和摇头运动的柔性转向架二阶微分方程中.使用该模型计算三种动车组在轮对初始横移量3 mm下的构架和轮对蛇行频率及在构架1～8 mm横移量下的构架蛇行频率,计算结果表明:CRH2和CRH5型车的蛇行频率较为接近且低于CRH3型车的蛇行频率.使用推导的动力学微分方程对国内某型时速350 km动车组进行仿真计算,结果表明:当运行速度为350 km/h,轮对初始横移量为3 mm,等效锥度为0.14时的构架蛇行频率为3.0 Hz,说明该型动车组实测构架端部加速度出现的2.9 Hz振动频率为构架蛇行频率.研究结果表明:该二阶微分方程能够反映车辆在实际车轮踏面锥度的下蛇行运动规律.     

车辆冲击数值模拟研究

为了研究车辆冲击对车辆运行安全性的影响,依据缓冲器计算理论,利用Simulink软件建立了货车缓冲器动力学修正模型;根据车辆系统动力学理论及车钩计算模型,利用UM软件建立了装用K6转向架的C80货车完整自由度车辆模型.将上述模型联合仿真,实现了车辆冲击的数值模拟.计算结果表明:两组车之间的冲击比一辆车与一组车间的冲击危害更大;车钩和从板质量使车辆产生高频小幅的车钩力;悬挂因素导致完整自由度车辆冲击模型的车钩力比单自由度车辆冲击模型小21.7%;车辆在纵向、横向和垂向存在耦合关系,轮轨垂向力随着冲击质量以及重心高度的增加而增大,轮轨横向力随着车端纵向压力的增加和曲线半径的减小而增大.      

多柔体车辆耦合系统对动力学性能的影响

研究轨道车辆在运行状态下,刚柔耦合建模方式的车辆系统对动力学性能的影响程度.以某型高速动车组拖车为研究对象,基于SIMPACK多体动力学软件分别建立多刚体车辆模型和由柔性轮对、柔性构架以及柔性车体结构耦合的刚柔耦合车辆模型,通过对两者在不同运行速度和不同运行线路工况仿真计算的结果进行对比,从而评价采用刚柔耦合建模方式对动力学性能方面的影响.结果表明:对比多刚体车辆计算结果,刚柔耦合车辆整体上在稳定性、运行品质和曲线通过性能等指标结果表现较差,尤其在高速运行状态下,刚柔耦合车辆在垂向方向上影响更加剧烈.     

桥梁柔性对中低速磁浮车辆平曲线通过的影响

为研究桥梁柔性对中低速磁浮车辆在曲线半径为70.0 m的平曲线上运行时的动态响应影响,对通过柔性桥梁和刚性轨道时的车辆动态响应开展了对比分析. 首先,建立了122个自由度的车辆空间动力学模型,模型中考虑了具有主动悬浮与被动导向特性的二维磁轨关系;其次,利用三维铁木辛柯梁参数化建模方法,建立了由柔性桥梁组成的平曲线有限元模型;最后,通过悬浮力的联系形成了车辆-曲线桥梁系统刚柔耦合动力学模型. 研究结果表明:17.0 m跨径的圆曲线桥梁的自振特性和动位移响应满足相关标准要求;与车辆通过刚性轨道相比,柔性桥梁作用下的车辆系统动态响应更为剧烈,这种差异在车辆系统的横向动态响应上体现明显,而悬浮间隙和车体垂向加速度的响应差异较小,考虑刚性轨道时将高估车辆的曲线通过能力;柔性桥梁和刚性轨道两种模型计算得到的电磁铁最大横向位移不超过6.0 mm,悬浮间隙可在额定值的 ± 4.0 mm内波动,表明在开展对比计算的工况下车辆具有良好的曲线通过性能.      

轨道模型对车辆动力学性能的影响分析

基于多体动力学软件UM建立了车辆-轨道耦合动力学模型,分别计算了车辆在无质量轨道和刚性轨道模型下的非线性临界速度、脱轨系数、车体振动加速度及轮重减载率等动力学参数.计算结果表明,车辆在刚性轨道模型下的非线性临界速度增大,同时车体的振动加速度、轮轨垂向力、轮轴横向力、轮重减载率都有不同程度上的增大,但其脱轨系数却比无质量轨道模型下的有所减小.采用刚性轨道模型较无质量轨道模型更能较真实地反映车辆的动力学性态.     

柔性双层隔振系统振动能量解耦方法及应用

为解决难以利用能量解耦法设计柔性双层隔振系统的问题,提出一种能够表示柔性设备和中间质量弹性模态特点的多自由度模型;基于该模型,提出采用广义弹性力对柔性隔振系统进行解耦的方法,并推广到柔性结构中;以某内燃动车动力总成双层隔振系统为例,基于所提方法探讨了构架弹性模态下刚体振动与弹性振动的耦合情况;最后通过振动实验台验证了该方法的有效性.研究结果表明：机组一级隔振系统垂向频率从12 Hz降低到8 Hz后,系统所有模态频率均得到不同幅度的下降,前两阶刚体振动模态频率下降最明显,分别下降50.00%和49.98%;构架弹性模态频率比机组弹性模态频率更低,影响更大,构架弹性模态频率下降8.32%,机组弹性模态频率下降0.80%;在构架弹性振动模态振动中,构架弹性振动能量所占比例提高14.88%,刚体振动能量所占比例降低90.64%,降低一级隔振系统垂向频率能够提高振动解耦效果,减少振动传递.     

转向架构架疲劳应力计算与评估

为评估某低地板车辆焊接转向架构架的疲劳强度,采用ANSYS有限元仿真软件搭建转向架构架三维有限元模型,分别计算母材、打磨的焊缝边缘部位和不打磨的焊缝边缘部位的3组包络线的许用应力,与11种动载荷的组合变化应力相比较,评价构架的疲劳强度是否满足设计要求.结果 表明:转向架构架母材和打磨过的焊缝边缘部位疲劳强度满足要求;在转向架构架安全裕量较小的焊缝部位必须打磨才能满足疲劳强度要求.     

动车组踏面凹型磨耗对车辆稳定性的影响

针对某型高速动车组在运行过程中出现构架横向报警的问题,建立考虑踏面凹型磨耗的动车组动力学模型. 通过仿真分析和现场试验相结合的方法,研究不同运行里程凹型磨耗踏面与钢轨的轮轨关系以及凹磨踏面对车辆稳定性的影响. 研究结果表明:镟修踏面与钢轨匹配时轮轨接触点呈现均匀分布,凹型磨耗踏面轮轨接触点主要分布在凹磨区域两侧;随着轮对横移接触点发生跳跃,产生假轮缘效应,引起剧烈的轮轨横向冲击;随着凹磨加剧车辆稳定性逐渐降低,当车辆高速运行过程中,凹磨踏面对应构架蛇行带来横向振动频率与构架自身的固有振动频率接近,容易发生横向耦合振动,使得横向加速度超过限制值;踏面凹磨是造成构架横向报警重要原因,通过轮对镟修能够有效抑制构架报警情况发生.      

轮胎侧偏特性对过桥车辆行车舒适性评价的影响

侧风作用下桥上通行车辆因同时受到轮胎侧偏特性产生的侧偏力作用和桥梁振动响应的影响,驾驶员和乘客极易遭受行车舒适性问题,根据Dugoff非线性轮胎模型在车轮横向振动方程中引入轮胎侧偏力表达式,建立了考虑轮胎侧偏特性的车辆动力学分析模型.考虑自然风、车辆和桥梁三者之间的相互作用,构建了风-汽车-桥梁耦合振动分析框架,分析了不同影响因素下轮胎侧偏特性对车辆行驶舒适性评价的影响.结果表明:考虑轮胎侧偏特性后,车辆的横向振动状态得到了一定程度的改善,在风速25m/s及路面等级非常好的情况下,考虑轮胎侧偏特性时车辆行车舒适程度提高了20.6%.      

铁道车辆转向架构架可拓变型设计方法研究

在传统的铁道车辆转向架构架设计领域,构架变型设计时的变化不仅体现在结构尺寸上,其拓扑结构也随之发生变化.基于可拓思想,建立构架的可拓模型,提出一种基于可拓模型的构架变型设计方法.首先描述构架的物元和关系元模型,建立其可拓模型,并以有序三元组形式表达构架模块数据,通过可拓变换方法对构架进行变型设计.以某型车转向架构架的变型设计为例验证了方法的可行性.     

铁道车辆用油压减振器粘温特性的研究

对铁道车辆用油压减振器的阻尼特性理论进行分析,结合粘温关系特性和油压减振器的热平衡理论,建立油压减振器压缩、复原模型和车辆振动模型,然后用Matlab进行仿真研究,初步揭示温度对油压减振器特性的显著影响.结果表明:连续工作一段时间之后,油压减振器内部温度升高并逐渐趋于热平衡状态.随着油压减振器油液温度的升高,油液粘度逐渐减小,车体和转向架构架垂向振动速度明显增大,阻尼性能明显降低.     

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.      

高速列车--轨道动态耦合振动响应分析*

利用多体系统运动学理论以及多体动力学软件 SIMPACK精确的建立国内某主型动车与轨道系统的耦合动力学模型,通过在 SIMPACK软件中仿真车辆在不同速度下的运动状态,对该型车的垂动加速度,横向振动加速度、轮轨垂向力、轮轨横向力、车体垂向位移、车体横向位移等数据进行分析,得到振动响应随速度的变化。进一步分析根轨迹值得出自然阻尼与振动频率的分布曲线图,判断车辆振动与速度的关系以及在该速度下车辆是否失稳,为轨道、车辆结构设计提供一定的参考。     

高速列车转向架构架动应力计算与疲劳全寿命预测

建立了车辆结构的刚柔耦合动力学模型,对比了刚性构架和柔性构架的振动响应,计算了构架的载荷谱;分析了应力谱转化方法,利用有限元方法与多项式拟合方法计算了构架的动应力谱;基于动应力谱与相关标准,运用线性累积损伤理论与疲劳裂纹扩展寿命Paris方程计算了构架的疲劳全寿命。计算结果表明:相比于多刚体车辆系统动力学模型,采用考虑构架柔性的车辆系统动力学模型计算的构架振动加速度响应在构架固有频率36.94~95.53Hz范围内的幅值较大,因此,构架的模态对振动响应的贡献显著;将载荷谱转化为应力谱的多项式拟合方法与瞬态分析方法相比较,应力误差最大值为1.16MPa,相对最大误差为3%,满足工程分析5%的计算精度要求;基于疲劳损伤理论计算的可靠度为95%的构架疲劳寿命为1.82×106 km;构架危险关注点裂纹由1mm扩展到2mm的寿命为1.76×106 km,满足中国高速列车车辆检修标准中制定的五级检修周期为1.2×106 km的要求。可见,构架模态参与下的动态应力谱计算方法与构架的疲劳全寿命预测方法可靠,有益于构架的动态设计与维修周期的制定。     

高速转向架构架强度及模态分析研究

根据某型高速转向架构架的结构特点,利用Ansys软件建立构架的有限元模型,依据TB/T 2368-2005标准和焊接材料的Goodman-smith疲劳极限图对构架进行疲劳强度评估.结果表明:各关键点的等效应力均小于相应的许用应力,构架满足疲劳强度的要求.此外,还对构架的模态进行了分析,分析构架在某一频域内的振动模态,从而评价构架的动态性能是否满足设计要求.     

底座板脱空对板式无砟轨道行车动力特性的影响

采用有限元动力学软件ANSYS/LS-DYNA,建立了底座板脱空条件下车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型,以分析底座板脱空对车辆和轨道系统动力性能的影响.计算结果表明:当底座板下纵向脱空长度小于3.125 m(脱空面积10 m2)时,对车辆及轨道系统动力响应的影响较小;当底座板下纵向脱空长度超过3.125 m时,钢轨垂向位移、转向架及车体垂向加速度显著增大,可能危及行车舒适性和安全性,因此建议底座板下纵向脱空长度限值不超过3.125 m.      

新型全自动轨道巡检车动力学性能

为准确评估某新型全自动智能轨道巡检车的动力学性能,开展了轨道巡检车动力学数值仿真;轮轨接触采用非椭圆多点接触Kik-Piotrowski算法模拟,车辆系统建模过程中考虑悬挂力元非线性与轮轨接触几何非线性特性等因素,同时考虑车载设备参振影响;针对车轮踏面表面包裹高硬度聚氨酯的特殊结构,利用有限元软件ABAQUS建立了轮轨局部接触模型,采用Mooney-Rivlin橡胶模型模拟了聚氨酯特殊性质,计算了轮轨等效接触刚度;根据有限元计算结果修正了Kik-Piotrowski算法中的相关参数;基于Craig-Bampton模态综合法和多体动力学软件UM建立了车辆-轨道刚柔耦合模型;为验证仿真模型的准确性,开展了实车动力学试验;重点分析了直线和300 m小半径曲线,运行速度10~30 km·h-1工况下巡检车的振动响应。研究结果表明:车辆正常运行时,中间视觉模块垂向最大加速度大于左侧视觉模块垂向最大加速度,横向最大加速度小于左侧视觉模块横向最大加速度,车架最大加速度大于视觉模块最大加速度;车架中部易产生垂向弯曲变形,和视觉模块安装位置有胶垫减振有关;轨道巡检车在直线和300 m小半径区间运行性能整体良好,其中车辆在300 m小半径曲线段内30 km·h-1运行时,轮重减载率最大可达0.92,车架部位振动响应较大,为保证车载设备的安全性和避免车辆脱轨的风险,建议曲线段内检测速度控制在20 km·h-1左右。      

车辆/轨道耦合作用下高速列车车轮振动影响灵敏度分析

考虑车辆一系、二系悬挂参数和轨道参数的随机性,在多体动力学软件UM当中建立了CRH2动车组拖车的随机性仿真模型;采用最优拉丁超立方试验设计方法抽取车辆参数和轨道参数的随机样本,利用多目标优化软件iSight调用随机样本,联合UM完成了随机样本仿真分析;在有限试验设计样本和仿真数据的限制下,以最佳近似精度为目标,结合最小角回归、低阶交互截断和留一法交叉验证等实现了多项式混沌展开,构建多项式混沌展开代理模型;采用Sobol法进行全局灵敏度分析,研究了直线、曲线2种工况下车辆参数和轨道参数随机耦合作用对于车轮振动特性的影响,找出了主要影响因子,并考虑了多参数之间的交互效应。研究结果表明:多项式混沌展开法能够基于已有的样本比较好地拟合出代理模型,计算出Sobol灵敏度系数,平均误差低于3%,从而可以高效、定量地分析各参数耦合作用对车轮振动的影响;转臂节点横向刚度、一系弹簧垂向刚度、一系弹簧横向刚度和二系横向减振器阻尼是对车轮振动响应方差具有较大贡献的车辆参数,轨道横向、垂向刚度是对车轮振动响应方差具有较大贡献的轨道参数,各参数之间存在明显交互效应。