高速列车齿轮系统有限元分析

为探究高速列车齿轮系统的固有特性和动力响应情况,通过建立齿轮系统三维实体模型和有限元模型,基于振动理论、Hertz接触理论以及有限单元法,对系统进行静力学分析、模态分析和动力学分析。研究在最大启动扭矩作用下齿轮系统应力分布情况,对齿轮系统静强度进行校核;通过模态分析识别齿轮系统模态参数,研究系统共振失效可能性;齿轮啮合过程具有明显周期性,通过瞬态动力学分析确定齿轮啮合周期内,系统在额定转速工况下的动力学响应情况。结果表明:静力学分析表明齿轮系统静强度在安全范围内,模态分析表明系统不会产生共振,瞬态分析表明在输入恒定的前提下,由于齿轮啮合产生了刚度激励、误差激励等内部激励,使系统输出出现周期性波动,对系统稳定性产生影响。     

车轮扁疤对高速列车齿轮箱动态特性影响分析

在高速列车齿轮箱的动力学研究中,由于齿轮传动系统的结构特殊性,难以直接通过传感器测试得到其动态响应,为此通过仿真建立了包含齿轮传动系统和齿轮箱箱体有限元模型的整车动力学模型。根据齿轮传动系统参数和扁疤车轮参数,建立了齿轮箱内外激扰模型。对不同工况下的齿轮箱动态特性进行计算,结果表明:车轮扁疤对于高速列车齿轮传动系统的平稳啮合有恶劣影响,当扁疤激扰达到一定程度时,甚至会引起啮合脱离并造成冲击;箱体的不同位置由于其特征模态的不同而对扁疤激扰的敏感度不同,其中箱体底部和油位观察孔处的应力与扁疤长度正相关性较高,应力和变形较大,为危险区域;车轮扁疤对箱体动应力的影响比齿轮箱内部激扰大,相比箱体内部激扰,车轮扁疤对箱体裂纹的形成有更大影响。     

钢轨波磨区段高速轮轨瞬态滚动接触高频动态特性

考虑轨道—车辆系统耦合振动以及轮轨几何非线性,建立高速轮轨瞬态滚动接触三维有限元模型,利用隐式与显式相结合的方法模拟高速轮轨瞬态滚动接触过程,轮轨接触采用面—面接触算法。基于列车通过频率和钢轨Pinned-Pinned频率,分析非稳态载荷作用下钢轨短波波磨区段轮轨间相互作用以及列车通过频率对波磨区段轨道—车辆系统动态响应的影响。结果表明:在钢轨波磨区段,轮轨瞬态接触力和牵引比随钢轨波磨几何不平顺的变化呈周期性波动,且牵引比与钢轨波磨几何不平顺呈反相位;当列车通过频率与钢轨PinnedPinned频率相近时引起轮轨系统共振,轮轨接触力出现"拍"振特性,在轨枕附近整体振动较大,加速钢轨扣件伤损,而在2个轨枕跨间整体振动较小;在牵引扭矩作用下,轮轨接触存在周期性黏滑振动,轮轨系统共振时,轨枕附近波磨波谷处的钢轨滑动磨损加剧,加速钢轨波磨的发展。     

基于Romax软件的机车牵引齿轮优化设计

牵引齿轮传动系统是机车行走部的关键部件之一,它是将电机输出扭矩传递给机车轮对以实现牵引的装置。传统的牵引齿轮设计计算,未考虑实际运行在各种工况下齿轮啮合错位,在齿轮传动系统的设计及计算中存在着弊端。文章以某新型设计机车驱动系统参数为模型,通过Romax软件建立齿轮传动系统模型并进行分析,最后提出了优化设计方案。     

高速列车齿轮箱齿轮副接触应力分析

高速列车齿轮箱内的齿轮副的强度为列车安全运行的关键因素,以我国自主研发的某高速列车转向架齿轮箱齿轮副为研究对象,通过建立齿轮系统三维实体模型,通过SOLIDWORKS简化并建立有限元仿真模型,利用ANSYS WORKBENCH对齿轮啮合部位进行静态和瞬态力学分析。理论计算值和仿真分析结果都在强度安全范围之内,符合设计要求。在瞬态分析时发现,在齿轮启动阶段接触应力较大且出现应力波动,对齿轮系统的可靠性有一定的不利影响。     

秦沈客运专线高速列车构架人工蛇行波的随机模拟

国内外在列车-轨道时变系统横向振动计算中,大多采用轨道横向不平顺作为列车-桥梁(轨道)时变系统横向振动的激振源。实际上,引起此系统横向振动的因素很多,诸如轨道横向不平顺、车轮踏面锥度、轮轨缺陷、车轮与钢轨的制造误差、车辆质量及其载重的偏心等。机车车辆构架蛇行波反映了引起此系统横向振动所有因素的影响,同时还反映了轮轨实际接触状态。根据秦沈客运专线高速列车构架蛇行波的现场测试资料和试验结果表明：采用三角级数模型及Monte-Carlo法随机模拟出了高速列车在时速160～300km／h范围内的构架人工蛇行波;解决了高速列车一桥梁(轨道)时变系统横向振动随机分析的激振源问题。列出了具有代表性的高速列车构架蛇行波实测波形图。     

分度圆裂纹齿轮副动态特性及故障诊断

将有限元软件ANSYS建立的齿轮有限元模型和多体动力学软件SIMPACK建立的齿轮副啮合模型进行联合仿真,轮齿有限元模型计算其单齿刚度,生成齿轮副啮合综合刚度,并导入齿轮副SIMPACK模型;齿轮副啮合模型不采用Gear-pair力元,通过移动Marker、函数表达式以及输入函数等实现啮合作用;最终利用广义共振、共振解调技术进行故障诊断。仿真结果表明,ANSYS计算的啮合综合刚度与SIMPACK结果相差2.65%;啮合振动模型计算结果与Gear-pair力元结果误差控制在10%以内。可通过故障特征频率定位故障、采用幅值衡量严重程度,最终达到故障诊断的目的。     

高速铁路路基-地基系统振动响应分析

推导了有砟轨道-路基-地基系统在轮轨接触点处的柔度矩阵,建立了考虑轨道不平顺的车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。通过算例分析了单台TGV高速动车引起的路堤本体-地基系统振动,得到路堤本体表面的垂向位移,研究了列车速度、轨道不平顺、基床刚度和路堤土体刚度对路堤本体振动的影响。研究结果表明:路堤本体垂向位移主要由移动列车轴荷载引起;随着列车速度的提高,路堤振动的"波动性"明显增加;基床刚度和路堤土体刚度对路堤振动影响显著,可通过增大基床和路堤土体刚度来减小高速列车引起的路基振动。     

高速列车牵引传动系统机电耦合振动及其影响因素分析

高速列车牵引传动系统是一个典型的机电耦合系统,由于驱动装置存在弹性,各部件间会因系统不稳定因素产生沿旋转方向的振动。主要针对高速列车牵引传动系统机电耦合振动现象及其影响因素进行分析,首先用双惯量模型表示传动装置,分析了机械结构的谐振频率,建立了高速列车传动系统模型,对系统稳定性以及参数影响度进行了分析,着重分析了速度控制器和电流环参数对稳定性的影响;然后在双惯量模型分析的基础上,建立了考虑齿轮箱弹性悬挂的扭转-弯曲耦合振动模型,将系统的电气振荡转化为机械振动,分析了系统电气参数对振动的影响;在小功率实验平台上,模拟再现了机电耦合振动现象,验证了本文的结论。     

存在轮齿裂纹的机车轮对驱动单元动力学性能研究

为仿真轮齿裂纹对轮对驱动单元动力学性能的影响,利用多体动力学软件SIMPACK,在不采用Gear-pair力元的前提下,通过移动Marker、函数表达式以及输入函数等建立齿轮副啮合振动模型,并将其应用于机车轮对驱动单元动力学模型进行仿真分析。仿真结果表明,齿轮副啮合振动模型计算结果与Gear-pair计算结果相差在10%以内;齿轮副啮合振动表现出刚度的时变特性;小齿轮分度圆裂纹将引起轮对驱动单元在时域上表现出冲击特性;当裂纹达到一定深度(刚度减小到一定值)时,轮对驱动单元在频域上表现出小齿轮的转速基频,因此,可通过频域分析达到故障诊断的目的。     

高速列车齿轮传动系统主动齿轮接触疲劳可靠性研究

根据应力、强度干涉理论,结合Monte Carlo模拟技术,建立了高速列车齿轮传动系统主动齿轮接触疲劳可靠度的计算模型。通过自编的计算机程序,对高速列车齿轮传动系统主动齿轮的接触疲劳可靠度和接触疲劳应力、强度的分布规律进行了计算分析。应用摄动理论,对影响高速列车齿轮传动系统主动齿轮接触疲劳可靠度的随机均值和标准差进行了参数的灵敏度分析。以上分析研究得出的结论可为高速列车齿轮传动系统主动齿轮的设计、制造、使用和维修提供参考依据。     

砂浆刚度和阻尼对高速列车-板式轨道时变系统竖向振动的影响

利用横向有限条与板段单元模拟板式轨道。考虑轮轨竖向位移衔接条件,基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了高速列车-板式轨道时变系统竖向振动矩阵方程;分析了CA砂浆的刚度和阻尼对此系统竖向振动响应的影响规律。计算结果表明,合理的CA砂浆刚度为1.0~1.5 GPa/m,尽量采用大阻尼的CA砂浆垫层将有利于降低轨道板的振动。     

高速列车牵引传动系统机电耦合振动特性研究

高速列车牵引传动系统是一个典型的机电耦合系统,电机输出谐波转矩导致机械结构振动加剧,影响各机械部件的使用寿命,进而影响到列车运行安全。针对高速列车牵引传动系统的机电耦合振动现象进行分析,通过传动系统机械结构振动模态分析,建立其四阶扭转-弯曲振动模型,计算谐振频率,结合牵引电机输出转矩谐波成分分析,尤其是功率开关器件死区效应的影响,建立传动系统振动耦合关系。在此基础上,研究牵引传动系统机电耦合振动现象的机理与成因,提出基于误差电压死区补偿的振动抑制策略。最后搭建实验平台,模拟再现机电耦合振动现象,并完成振动抑制的实验验证。     

机车辐板式直齿轮啮合刚度计算及传动优化

为减小机车齿轮传动质量,保证高速运行稳定性,根据分析力学方法和应变能原理给出一种辐板式直齿圆柱齿轮传动的啮合刚度计算方法.通过对不同辐板和轮缘厚度、辐板孔径和孔数齿轮啮合刚度的分析,找出辐板结构对啮合刚度的影响规律;同时在保证机车齿轮强度条件下,以辐板结构参数为设计变量,利用多目标遗传算法对大齿轮质量和啮合刚度波动因子...     

高速列车模型参数辨识及控制研究

针对高速列车模型参数时变、非线性、高阶复杂等特点,提出了基于特征模型的高速列车二阶系统最优化PID控制方法。特征模型和原动力学模型在输出上是等价的,不需要考虑列车实际的物理特性,将模型简化,降低了模型的复杂度。首先对列车进行基本动力学分析,由高速列车一般单质点动力学模型推导建立特征模型。然后采用梯度矫正辨识算法对模型慢时变参数进行辨识优化,通过辨识仿真得到的估计值和模型值对比,进一步来验证特征模型时变参数对模型精确度的影响。最后,通过设计最优控制器和最优PID控制器,对列车速度和位置进行误差跟踪控制,得到两种控制器下的误差跟踪仿真结果,通过采用稳态误差、超调量和调节时间三项系统参数进行结果对比,说明了最优PID控制器的控制效果更加良好,也由此说明特征模型对控制器的设计是有效的。     

高速列车传动系统机电耦合仿真与分析

基于直接转矩控制理论和车辆系统动力学理论,综合考虑了车辆传动系统电气特性和机械特性,建立全速度下高速列车机电耦合仿真模型。针对某高速动车组3种动力学模型进行仿真分析,研究传动系统对于车辆动力学的影响。仿真结果表明:有传动系统的车辆与无传动系统的车辆相比,车辆临界速度有所降低,运行安全性和平稳性指标都有所偏大;车辆在高速运行条件下,与无传动系统的车辆相比,有传动系统的车辆构架以及车体横向、垂向的振动加速度幅值都有所增大,特别是构架变化最为明显;由于传动系统的存在,构架与传动系统在诸多频率范围内发生耦合,致使构架的振动加强;驱动力对车辆动力学基本没有影响。     

扣件刚度对轨道及饱和地基振动响应的影响

研究目的:修建于我国沿海软土地区的铁路受地基特性的影响在列车高速运行时会产生较大振动,控制列车运行引起的轨道系统及地基振动响应能够有效提高列车的平稳性、舒适性,并减少对周边环境的影响。本文采用轨道系统-饱和地基耦合模型研究饱和地基上轨道系统的振动特性,探讨扣件刚度的选取对轨道振动响应的影响。研究结论:(1)扣件刚度对钢轨位移和加速度响应均有明显影响;(2)增大扣件刚度能够有效减少钢轨的位移响应;(3)增大扣件刚度能够降低低速列车的钢轨加速度响应,但高速列车引起的钢轨加速度响应随扣件刚度的增大有所增加;(4)本研究结论可为认识交通活动中振动现象的本质、解决饱和软土地区列车和环境振动问题、优化轨道系统设计和施工提供理论指导。     

横向有限条与无砟轨道板段单元的车轨系统竖向振动分析法

研究高速列车-板式轨道时变系统竖向振动。高速列车（以1动＋4拖为例）中的动车及拖车均离散为具有二系悬挂的多刚体系统。针对无砟轨道（以板式轨道为例）的结构特点,提出横向有限条与无砟轨道板段单元分析模型。考虑轮轨竖向位移衔接条件,基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了此系统竖向振动矩阵方程,采用Wilson-θ法求解。比较了钢轨与轨道板竖向位移的静、动态响应,结果接近。得出200 km/h车速下此系统竖向振动响应时程曲线,计算波形及量值均符合物理概念。分析车速及轨道高低不平顺对此系统竖向振动响应的影响,此系统竖向振动响应随车速及轨道高低不平顺的增大而增大。计算结果表明,本文提出的模型正确、可行。     

CRH5型动车万向轴扭转振动分析

采用多刚体动力学软件SIMPACK建立包含传动系统的单节CRH5高速动车模型,对在万向轴波动附加力矩作用下引起的传动系统扭转振动进行分析,并给出万向轴扭转刚度合理的选用范围.研究结果表明:由于万向轴传动不等速性而产生波动附加力矩,导敏传动系统产生强迫振动;附加力矩的波动频率与动车运行速度有关,强迫振动的频率为万向轴输入轴旋转频率的2倍,附加力矩幅值与输入轴角速度的平方成正比;万向轴扭转刚度的选用应以传动系统固有频率避开正常运行时万向轴强迫振动频率为原则.建议选用的万向轴扭转刚度小于560 kN·m·rad-1.     

CRH5型动车万向轴传动系统技术特征分析

CRH5型动车传动系统通过纵向布置的万向轴传递驱动力矩.本文利用多体动力学软件SIMPACK建立包含传动系统的单节CRH5型动车模型,讨论了驱动、制动和惰行3种工况下万向轴传动系统运动学和动力学性能,并在此基础上对反作用杆杆端关节参数进行优化.结果表明:驱动制动力矩改变齿轮箱转角,使得万向轴不满足等速传动条件,导致驱动力矩波动,引起传动系统强迫振动,对传动不利;反作用杆关节刚度决定齿轮箱偏转角度及其固有振动频率.刚度过小引起万向轴较大折角,而刚度过大使得传动系统固有振动频率与正常运行速度下万向轴强迫振动频率接近,从而引起共振,本文通过对传动系统分析,得出较为合理的系统参数选用范围.