列车系统运行平稳性研究

在车辆动力学模型的基础上,建立由3辆拖车组成的列车动力学模型。建模过程中考虑列车系统中存在的轮轨接触几何关系非线性、轮轨蠕滑率/蠕滑力的非线性、钩缓装置作用力的非线性以及车辆模型一、二系悬挂作用力的非线性等因素。研究车间连接刚度和连接阻尼对列车运行平稳性的影响。仿真结果表明,车间横向连接刚度和横向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响较大,而车间垂向连接刚度和垂向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响很小。在列车中的相邻两车之间安装横向减振器能够有效地提高列车的横向运行平稳性,并能够改善列车的垂向运行平稳性。仿真结果还发现,在转向架悬挂参数相同的情况下,单一车辆的运行平稳性指标大于列车的运行平稳性指标。     

基于虚拟激励法的轨道车辆垂向振动响应分析

针对传统的随机振动分析方法计算复杂、计算量大的问题,提出采用虚拟激励法求解轨道车辆的垂向振动响应,建立某型车辆的垂向动力学模型,求解车辆的垂向振动响应并验证模型的正确性.与传统求解方法的计算结果比较表明,虚拟激励法适合于求解车辆的垂向振动响应,并且计算简单.在频域内对车辆垂向振动响应的分析表明:随着车辆运行速度的提高,车体、前后转向架以及一位轮对的垂向加速度的功率谱密度和振动主频均增大,轮对的垂向振动经一系悬挂传到转向架,再经二系悬挂传到车体,其振动频率f降低,振动幅值迅速减小,传到车体上时振动已变得很弱;f＞5Hz时,车体、前后转向架和一位轮对垂向加速度的功率谱密度均随着一系阻尼器两端橡胶节点刚度与一系弹簧刚度比值的增大而增加,尤其是车体和前后转向架的垂向加速度的功率谱密度变化更为明显,因此降低橡胶节点的刚度有利于提高车辆运行的平稳性.     

车体弹性效应下的垂向振动特性研究

针对高速列车车体弹性振动影响悬挂部件的安全性及乘坐舒适性问题,建立考虑车体弹性的高速列车垂向刚柔耦合动力学模型,车体视为两端自由均质等截面欧拉-伯努利梁,在频域内研究弹性效应下的振动特性及其传递关系。分析结果表明,在特定轨道不平顺波长激励下,车体对称模态响应为零,而反对称模态响应最大;反对称模态响应为零,而对称模态响应最大。当车体固有频率与激励频率一致时,车体会产生共振。一阶垂弯共振速度与共振波长对列车运营有重要影响,一阶垂弯模态频率处车体相关频响函数加速度传递率最大,对车体振动贡献最大,速度越高,对一阶垂弯频率要求越高。提高车体结构阻尼和一系垂向阻尼、适当降低二系垂向阻尼可提高车体垂向运行平稳性。     

基于柔性轮轨模型的车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动影响的仿真研究

采用ANSYS有限元软件结合SIMPACK动力学软件建立基于Timoshenko梁的柔性轨和柔性轮模型的车辆—轨道耦合动力学模型,以典型的高阶车轮谐波磨耗(阶次为18~21阶,幅值为0.01~0.04mm)激扰作为系统的输入激励,对比分析在柔性轮柔性轨模型与刚性轮轨、柔性轮刚性轨和柔性轨刚性轮模型下高阶车轮谐波磨耗对高速轮轨系统振动响应的影响。结果表明:当车轮谐波磨耗激扰激发轮对固有模态引起共振时,基于柔性体模型计算出的振动响应幅值大于基于刚性体模型计算的结果,而当激扰频率远离共振模态频率时,基于刚性体模型计算的振动幅值大于基于柔性体模型计算的结果;总体上,轮轨垂向力、钢轨及轴箱振动加速度随着车轮谐波磨耗幅值、阶次及列车运行速度的增大而增大;在车辆速度300km·h-1、车轮多边形阶次为20时,车轮多边形幅值0.04mm激起的钢轨及轴箱振动加速度峰值约为幅值0.01mm下的2.5倍;当车轮多边形幅值固定、阶次由18阶增至21阶时,激起的钢轨振动加速度仅增大约1.6倍、轴箱振动加速度级增大约5.7dB,相较于多边形幅值而言,多边形阶次对轮轨系统振动响应的影响较小。     

基于Sobol’法的轨道车辆平稳性的全局灵敏度分析

建立经典轨道车辆垂向多刚体模型,推导出模型的振动微分方程组,并采用虚拟激励法和三角级数反演理论求解轨道车辆Sperling平稳性指标。基于Sobol序列对模型11个参数进行随机采样,运用Sobol’法实现对Sperling指标的全局灵敏度分析,得到各个参数对车辆平稳性指标的一阶灵敏度及总灵敏度。最后选取车体质量和一系悬挂刚度2个参数进行优化分析。研究结果表明:平稳性指标随着速度的提高而增大,但影响平稳性的主要因素受速度改变的影响较小;车体质量、转向架质量、二系悬挂刚度和车辆定距之半对车辆平稳性影响较大;车体质量和二系悬挂阻尼与其他参数交互作用明显;提高车体质量和降低一系悬挂刚度能有效地提高平稳性。     

地铁头车-轨道耦合振动分析

将车体、构架和轮对视为多刚体系统,钢轨视为由有限间隔的离散轨枕支承的无限长Timoshenko梁,建立了地铁头车-轨道耦合动力学模型.以轨道不平顺作为输入激扰,计算了整车的振动响应,获得了二系空气弹簧与车体接触点处在三维空间内的振动载荷,发现轨道不平顺在垂向和横向引起的激励载荷幅值较大,而在纵向引起的激励载荷幅值较小.     

合成轨枕式无砟轨道结构垂向动力特性分析

通过合成轨枕式无砟轨道结构的半车—轨道垂向耦合动力学模型,研究了焊接不平顺激励下,扣件刚度、枕下支承刚度等对结构垂向动力特性的影响。分析表明:扣件刚度、阻尼及树脂砂浆弹性模量对行车安全性及平稳性影响不大。扣件刚度增加,对轨道系统的动力特性有一定影响,其中钢轨位移减少最为显著;扣件阻尼增加后,钢轨垂向振动加速度明显减小;树脂砂浆弹性模量增加,轨枕垂向振动加速度减小显著,钢轨垂向振动加速度增加。     

高速铁路轨道不平顺幅值控制研究

研究目的:快速、舒适和安全是高速铁路得以实现的三大要素.由于高速铁路列车与轨道的相互作用很复杂,轨道几何形位难控制,从而造成轨道与设计线形的变化,出现轨道几何不平顺,反过来又会影响列车行驶的安全和舒适度.本文通过建立列车垂向振动整车模型,考虑轨道结构的弹性,以轨道不平顺值作为激励,建立运动方程.用变换矩阵法求解系统的刚度、阻尼、质量矩阵,以Newmark积分法经matlab编程逐步求解.提出车体垂向加速度和轨道高低不平顺幅值.研究结论:通过建立整车模型和对运动方程的求解,探讨了轨道高低不平顺对列车垂向加速度的影响;通过与国内外相关标准的比较,提出在时速300 km/h时应满足的轨道最大高低不平顺幅值,即:当车体垂向加速度满足不平顺舒适度值0.15 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在8 mm以内;满足计划维修目标值0.25 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在14 mm以内;满足安全管理目标值0.35 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在19 mm以内.     

减振垫刚度变化对U型梁桥系统振动及结构噪声的影响研究

为了研究隔离式减振垫垂向刚度对U型梁桥结构振动及噪声的影响,采用多体动力学和有限元联合仿真的方法建立基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道-桥梁刚柔耦合动力学模型,并将理论计算结果与以往文献对比,验证了模型的有效性。基于该模型计算了减振垫垂向刚度不同情况下的桥梁系统振动及噪声响应。结果表明:随着隔离式减振垫垂向刚度的增大,钢轨和轨道板的振动响应都有不同程度的减小,但桥梁结构的振动响应被放大,轨道结构和U型桥梁的振动幅值先是产生明显变化,随后逐渐趋于平缓;隔离式减振垫垂向刚度增加会增大桥梁结构二次噪声,所以应该选取较小的隔振垫刚度以达到抑制U型梁桥结构二次噪声的目的,但过小的垂向刚度可能会放大40 Hz以内低频区域的结构噪声。综合U型梁桥系统振动及结构噪声的计算结果,考虑到工程成本,用于高架结构的隔离式减振垫垂向刚度取为0.067N/mm~3较为合适。     

不同激励频率下空气弹簧幅变特性研究

为验证所建立TPL-ASN空气弹簧模型的准确性,并研究激励幅值对空气弹簧动态特性的影响规律。采用基于TPL-ASN模型的自编空气弹簧动态特性仿真软件(ASDS),建立某高速动车组空气弹簧试验台模型,分析不同激励幅值下空气弹簧的动态特性,并将仿真计算的动刚度、阻尼比、阻尼和传递比与试验结果对比。结果表明,TPL-ASN空气弹簧模型能准确反映空气弹簧的非线性幅变特性;在中低频范围内,空气弹簧动刚度、阻尼比和阻尼的幅变特性较为明显,而在低频范围内激励幅值对空气弹簧动态特性基本没有影响;传递比的幅变特性在共振频率附近尤为明显,在中高频范围内较为复杂,在低频范围内影响较小。     

轨道整体刚度和阻尼对车辆系统动力学性能的影响

建立了考虑轨道整体弹性和阻尼的车辆动力学模型，利用该模型讨论了轨道整体横向刚度、横向阻尼及整体垂向刚度、垂向阻尼对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明，轨道整体横向刚度对车辆系统临界速度的影响较为显著，轨道整体横向阻尼对车辆临界速度有一定的影响，轨道整体横向、垂向阻尼对车辆系统的动态曲线通过性能影响较小，而轨道整体垂向刚度和垂向阻尼对车辆临界速度的影响较小。仿真结果还表明，车辆系统在弹性轨道条件下的运行平稳性优于刚性轨道条件下的运行平稳性。     

负刚度和空气弹簧并联的悬架系统的亚谐共振

研究了负刚度和空气弹簧并联的单自由度悬架系统在简谐激励下的1/3次亚谐共振。利用平均法得到了系统的近似解析解,利用龙格库塔法得到了系统的数值解,通过对比近似解析解和数值解的幅频响应曲线,验证了近似解析解的准确性。分析了系统稳态解的存在条件和稳定性,并详细分析了负刚度、空气弹簧以及系统阻尼对系统1/3次亚谐共振幅频响应及存在条件的影响,为悬架系统的设计提供了一定的理论参考。     

直接驱动转向架构架形式对车辆动力学性能影响分析

采用多体动力学分析软件SIMPACK分别建立了直接驱动转向架铰接构架和焊接构架的车辆系统动力学模型,通过在直线和曲线上的仿真计算,分析了一系悬挂垂向刚度KZ和一系垂向阻尼系数DZ对2种方案动力学性能的影响。研究表明:当KZ或者DZ较大时(本模型中KZ大于1.8MN/m,DZ大于50kN.s/m),铰接构架转向架的轮轨间垂向动态相互作用要明显小于焊接构架转向架,且铰接构架转向架在小曲线通过时的防脱轨安全性要高于焊接构架转向架。     

高速列车作用下双块式无砟轨道与路基垂向耦合振动分析

针对双块式无砟轨道和路基的结构特点,建立车辆-轨道-路基垂向耦合动力学频域分析模型,模型充分考虑机车车辆、双块式无砟轨道和路基的相互耦合作用。车体、转向架和轮对被视为多刚体系统,一系和二系悬挂用弹簧阻尼元件模拟;双块式无砟轨道和路基系统视为多层叠合梁模型,彼此用弹簧阻尼元件联结。推导双块式无砟轨道和路基系统振动响应的解析表达式,计算得出轨道和路基耦合系统的动柔度特性,结合虚拟激励法提出该模型在轨道随机不平顺激励时动力学响应的求解方法,分析高速列车荷载作用下双块式无砟轨道和路基的随机振动响应及其振动传递特性。研究结果表明:在10～5 000Hz频率范围内,钢轨的动柔度幅值远大于道床与路基的动柔度幅值,而道床动柔度幅值在30Hz以上频段大于路基的动柔度幅值;钢轨振动的能量分布频段较道床和路基要宽,道床和路基振动主要集中于163.9Hz左右频段;对于无砟轨道和路基耦合系统的振动功率,钢轨最大,道床次之,路基最小;道床和路基振动功率在100Hz以上中高频段,衰减比较快,而在100Hz以下低频段,其衰减不明显;在300Hz以上高频段,钢轨-路基间振动衰减较大,其主要原因是受钢轨-道床间振动衰减波动的影响。     

运用平稳性快速算法优化高速磁浮车辆的运行平稳性

简要介绍了由虚拟激励法推导出的轨道车辆平稳性快速算法.以TR08磁浮车辆为原型,建立了磁浮车辆的垂向和横向单车动力学模型.运用平稳性快速算法对磁浮车辆的平稳性进行了优化分析.分析了轨道不平顺波长与磁浮车辆运行平稳性之间的关系.分析表明,垂向和横向的刚度越小平稳性越好;当二系垂向和横向阻尼系数分别为6 kN·s/m和2 kN·s/m时,垂向和横向的平稳性能够达到最佳;运行速度越高,影响平稳性的波长范围就越大.但在各速度级下,50～100 m波长的不平顺对平稳性的影响最大.     

随机悬挂参数下轨道车辆平稳性的全局灵敏度分析

考虑悬挂阻尼器两端橡胶节点的刚度,建立基于广义Ruzicka隔振系统的轨道车辆垂向多刚体系统模型。基于虚拟激励法求解车辆垂向随机振动响应及Sperling平稳性指标,并建立悬挂参数与Sperling指标之间的关系。采用Latin超立方抽样法模拟随机悬挂参数作用下的Sperling指标样本,利用全局灵敏度分析法探讨阻尼器节点刚度比对Sperling指标关于随机悬挂参数的一阶灵敏度和总灵敏度的影响。结果表明:当参数变异系数相同时,多个悬挂参数变异引起的平稳性指标不确定性比单一悬挂参数大;平稳性指标不确定性主要来源于二系悬挂刚度和阻尼的变异,且随机悬挂参数间存在着一定的耦合作用;阻尼器节点刚度比的变化对随机悬挂参数灵敏度的影响比较明显。     

基于转向架悬挂参数与踏面锥度优化的高速车辆动力学性能分析

利用多体动力学仿真软件SIMPACK建立包含高速车辆车轮不同踏面和60kg/m钢轨型面的车辆系统动力学模型,研究改变车轮踏面锥度和悬挂参数对车辆动力学性能的影响,并根据计算结果得出一组新的优化参数。结果表明:车辆系统的稳定性主要由轴箱定位刚度和抗蛇行减振器阻尼决定,而舒适性主要由二系垂向阻尼、横向减振器阻尼以及系统垂向刚度决定。对于轮轨磨耗而言,优化后的高速车辆车轮踏面具有较好的耐磨性能,踏面锥度大、对中性好,不易产生较大幅度的横向振动。总体而言,优化后的车轮踏面锥度和悬挂参数在平稳性、稳定性和磨耗方面优于或接近标准参数车辆,验证了其可行性,为车辆结构参数统一化设计提供相应理论依据。     

基于边界约束刚度参数优化的轨道扣件弹条防断裂设计方法

为了研究弹条服役状态下模态频率与波磨激励频率一致引发的共振断裂问题,建立潘得路FC快速弹条有限元简化模型,通过以弹簧为边界条件模拟弹条不同部位的约束,分析其模态频率随约束刚度的变化规律,提出基于弹条约束刚度参数优化的防断裂设计方法。结果表明:弹条扣压端垂向约束刚度(150～450 N/mm)对弹条第一、三阶模态频率(400、900 Hz)有显著的正相关作用,并对第三阶共振峰幅值有明显影响;弹条后跟下部径向约束刚度(400～1 600 N/mm)的变化,引起弹条第二阶模态频率(660 Hz)的变化,两者呈现正相关关系,同时对弹条第二阶共振峰幅值也有显著影响。弹条第二、第三阶模态频率为危险频率,防断裂设计时应重点考虑。     

一系水平悬挂刚度对高速客车动力学性能的影响研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用多体动力学软件建立了某型高速车辆动力学模型,研究了高速车辆系统在刚性轨道上运行时,一系水平悬挂刚度参数对车辆横向运行稳定性、曲线通过性能及平稳性的影响。结果表明:一系悬挂横向及纵向刚度参数较大时,车辆系统的非线性临界速度、脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力均呈现出较大的值且垂向平稳性下降,而当横向刚度参数较小时,车辆系统的横向平稳性下降。一系横向及纵向刚度参数取值要在合理范围内并尽可能得到最优值,既要满足车辆系统良好的稳定性及曲线通过性能,又要保证车辆系统具有良好的平稳性。     

柔性轮对及车轮多边形对高速铁路轮轨系统动力响应的影响

基于刚柔耦合动力学理论建立柔性轮对车辆-轨道刚柔耦合动力学模型，结合现场实测轴箱加速度验证了模型的可靠性。采用谐波叠加法模拟车轮多边形，对比了有无车轮多边形对轮对振动加速度的影响。在此基础上，分析了车轮多边形参数（如多边形阶次、幅值变化）对轮轨系统振动的影响。结果表明，车轮多边形将导致柔性轮对垂向加速度显著增大；与刚性轮对模型相比，柔性轮对及转向架的垂向加速度显著增大，此时多边形激振频率（674 Hz）成为影响其垂向振动的主要因素；轮对垂向加速度随多边形阶次的增加先增大再减小，当车轮多边形阶次为20阶时，轮对垂向加速度达到最大值；钢轨垂向加速度随多边形阶次的增加而增大；轮对垂向加速度、钢轨垂向加速度随多边形幅值的增大而增大。