谐波转矩对高速列车齿轮箱体与牵引电机振动特性的影响

为研究机电耦合作用下齿轮箱体和牵引电机的振动幅值、频谱分布及其随高速列车行驶速度的变化趋势, 分析了三相逆变器输出电压谐波频率分布与牵引电机谐波转矩, 建立了传动系统扭振模型; 基于直接转矩控制理论与车辆系统动力学理论, 搭建了牵引电机控制模型和高速列车多体动力学模型; 通过Simulink和SIMPACK联合仿真平台对比了恒力矩输入与含有谐波转矩的力矩输入模型, 分析了不同速度下牵引电机谐波转矩对高速列车齿轮箱体和牵引电机振动特性的影响。分析结果表明: 当高速列车以250 km·h-1的速度匀速运行时, 齿轮箱体大齿轮上方纵向振动、小齿轮上方纵向与垂向振动受牵引电机谐波转矩影响显著, 在700 Hz主频处振动加速度幅值显著增大, 该频率恰为牵引电机输出转矩基波频率的6倍; 在谐波转矩的影响下, 牵引电机在52 Hz主频处横向振动加速度幅值增加52.78%, 在49 Hz主频处垂向振动加速度幅值增加18.95%;随着高速列车速度的增加, 齿轮箱体纵向与牵引电机各向振动加速度逐渐增加, 牵引电机谐波转矩对齿轮箱体纵向振动加速度均方根的影响逐渐减小, 在6倍基波频率处, 齿轮箱体小齿轮上方和牵引电机纵向与垂向振动加速度均先增大后减小, 在速度为250 km·h-1时达到极大值, 且齿轮箱体和牵引电机的垂向振动受6倍基波频率谐波转矩的影响比纵向振动更为明显, 而其横向振动特性几乎不受谐波转矩的影响。      

高速列车对站房振动噪声影响的试验研究

为研究列车通行对综合交通枢纽振动噪声的影响，以成渝高铁沙坪坝站为工程背景，通过现场试验实测了站房候车厅、站台、轨道板的振动加速度以及候车厅、站台区域、轨行区的辐射声压. 通过对实测信号分别进行了时域分析和1/3倍频程分析，探究了列车作用下站房的振动传递规律及噪声辐射特性. 结果表明:在列车运行荷载作用下，站房与站台的结构振动优势频段为10.0～80.0 Hz，振动随振源距离的增大而减小，站台到候车厅总振级衰减最大值达到13.5 dB；轨道板峰值振动加速度级出现在400.0 Hz处，约为101.0 dB；对候车厅而言，噪声声压级的优势频段为20.0～2 500.0 Hz，列车进站总声压级比列车出站高0.5～1.3 dB（A）；对站台而言，噪声的优势频段为125.0～1 000.0 Hz，列车出站总声压级为86.3 dB（A），比列车进站时高1.3 dB（A）；对轮轨噪声自身，其优势频段为200.0～2 500.0 Hz，列车进站噪声总声压级为91.1 dB（A），较列车出站时高3.2 dB（A）.      

城市轨道交通列车车外噪声特性

基于统计能量分析(SEA)和半无限流体方法,建立6节编组的B型列车车外噪声预测仿真模型;通过试验提取车体SEA模型的振动激励和轮轨噪声激励,施加给车体并计算分析了车外噪声特性;以中国某城市轨道交通列车通过噪声试验对模型进行验证,并探讨了列车各板单元和轮轨噪声声源对车外场点声压的贡献量。研究结果表明:统计能量分析和半无限流体方法能够准确预测车外噪声,计算效率为常规方法的14.1倍;车速为60 km·h-1时,车外7.5和30.0 m处噪声显著频段为400~1 600 Hz,声压级随频率升高先增大后缓慢下降,其变化趋势和轮轨噪声变化趋势一致,最大幅值频率集中在800 Hz处,最大值分别为64.88、61.75 dB(A);车外噪声贡献量由大到小依次为轮轨噪声、车窗、侧墙、车门、底板、顶板、端墙;车体振动辐射噪声在低频段的贡献较大,在中心频率为20~100 Hz时,车外噪声主要来源为车窗、侧墙,其贡献率分别达到21.2%和19.2%;在中心频率为100~500 Hz时,车体各板及轮轨噪声贡献率差异较小;在中心频率为500~5 000 Hz时,车体各板块的贡献率呈缓慢下降趋势,轮轨噪声的贡献率随频率升高逐渐增加,在2 000~5 000 Hz的1/3倍频带内达到60%以上。      

列车诱发振动对大跨度混合梁桥转体施工影响研究

列车运行诱发环境振动及其对临近在建桥梁的稳定与安全影响是一个复杂的工程问题。以邢台市龙泉大街邻近铁路钢-混混合梁转体桥梁施工为研究背景,采用现场试验方法,开展列车诱发振动对大跨度混合梁桥转体施工影响研究。研究结果表明：随着振源距离的增大地面振动响应整体衰减明显,且不同行车类型诱发地面振动响应程度不同,具体表现为会车>货车>客车,另外列车会车时地面振动频响范围集中在5～25 Hz,振源距离的增大不改变地面竖向振动频响范围的分布,但对横向振动影响较大。通过不同阶段悬臂梁端实测动力响应对比分析,试转阶段梁端振动响应整体大于独立站立阶段,且试转阶段梁端横向振幅达到了2.18 mm,振动响应较大,表明列车诱发地面振动对钢-混混合梁转体的稳定性具有较大影响,所以应选择在既有铁路线天窗点进行正式转体。     

桥上列车高速运行引起的地面振动试验研究

为了研究高速铁路高架段车致地面振动的传播和衰减规律,以津秦客专线32m简支梁桥区段为工程背景,实测高速列车以速度250~385km/h通过时的三向地面振动响应,并对实测数据进行时域和频域分析。研究结果表明:近场测点的加速度时程呈现出明显的列车周期性加载现象,轴距及前后车相邻转向架间距的激励频率起主要作用;地面各测点在顺桥向、横桥向和垂向3个方向上的振动优势频率范围为25~80Hz;随着距离的增加,垂向地面振动在优势频段显著衰减,而顺桥向和横桥向地面振动在1~80Hz频段内均明显衰减;各测点在各测试车速下,垂向地面振动比顺桥向和横桥向大,而同一测点在顺桥向和横桥向的地面振动加速度级最多相差2dB;顺桥向和横桥向地面振动在距振源约30m处出现放大现象;车速为250~320km/h时,近场总体振动加速度级随车速增加而增大约6dB,但车速为330~385km/h时的各测点总体振动加速度级相差不超过2dB。      

高速列车隧道交会压力波特性分析

随着列车运行速度的大幅度提高,列车在隧道高速交会时就形成了瞬变的交会压力波。对车体侧壁而言,瞬变交会压力波是一种瞬态激励,激励频带宽,几乎能激发车体侧壁及相关部件的所有振动模态,并产生较强的空气动力噪声。这种复杂的动力学现象,对车体侧壁变形、列车隧道运行的噪声及运行安全性都有不可忽视的影响。论文从三方面对实测隧道交会压力波的特性进行了深入分析:交会压力波的时-频特性、主要参数值及其与车速的关系、交会压力波对车体侧壁振动的激励作用。论文通过倒频谱分析,得出隧道压力波不是单一线性叠加波,而含乘积性成分。本文为进一步研究瞬变交会压力波对车体侧壁变形的影响和对列车隧道运行噪声的影响,提供了新的依据。     

下沉式地铁车辆段咽喉区车致振动特性

采用触发采集方式现场实测了某下沉式地铁车辆段咽喉区钢轨、道床、地面、楼板及盖板的振动加速度, 采用插入损失、1/3倍频谱、Z振级曲线拟合等方法分析了现场实测数据, 进而分析了下沉式地铁车辆段咽喉区的振源特性与地铁振动沿盖板和不同层楼板的传播规律。分析结果表明: 在频域上, 钢轨比道床振动频带更宽, 没有明显的主频段, 其振动分布在800 Hz以内, 道床则有明显的主频段, 主要分布在80~200 Hz; 下沉式地铁车辆段地下1、2层钢轨至道床振动衰减幅度分别约为29.9、10.4 dB; 列车引起盖板的振动响应随测点与行车轨道中心线距离的增大呈线性衰减规律, 其线性衰减率约为0.2 dB·m-1; 由于边墙对振动的反射与折射, 振动传至盖板端部时出现局部放大现象; 列车无论在地铁车辆段端部还是在中间股道行车, 随着测点与行车轨道中心线距离的增大, 车辆段盖板振级在2.5、5.0 Hz低频处基本不变, 在10 Hz处衰减缓慢, 在25、40、80 Hz中高频处衰减明显; 列车在地下1、2层行车时诱发的振动的向上传播呈逐层衰减规律, 列车在地下1层行车引起的盖板振动比其在地下2层行车时大约16.1 dB; 下沉式地铁车辆段咽喉区轨道接头多、道岔多的特点导致该区域盖板车致振动响应突出, 需重点对该区域进行减振设计。      

高速铁路沿线地面环境振动特性的实测与分析

通过对我国某高速铁路路基区段高速列车引起的周围环境地面振动进行现场实测,根据测试数据进行了功率谱分析、Z振级分析和1/3倍频程分析.分析结果表明,列车以250～350 km·h-1高速运行时,在距轨道中心线水平距离30～60m处,地面振动随列车速度的提高而增大;地面振动能量主频在40 Hz左右;地面各处振动呈波动式变化...     

时速300 km/h高速列车诱发高架箱梁结构振动特性分析

为揭示高速铁路桥梁结构振动产生与传递机理,分别采用数值方法与现场实测研究时速300 km/h高速列车诱发高架箱梁结构振动特性。首先,建立高架简支箱梁三维有限元动力学模型,分析列车以300 km/h速度通过时,高架箱梁结构振动特性及传递规律。然后,选择沪昆高铁高安—南昌区间某高架轨道,对高速列车引起的桥梁结构振动进行现场测试,并将有限元计算结果与实测结果进行对比。结果表明:有限元分析与现场实测结果在20～400 Hz吻合良好。桥梁结构振动的优势频率为31.5～125 Hz,峰值频率为31.5～63 Hz,在16 Hz处有一个明显的波谷;当频率大于200 Hz时,桥梁结构加速度振级急剧下降,可以针对31.5～63 Hz频率进行桥梁结构减振设计。桥梁顶板最大加速度振级为88.59～100.48 dB,对应的峰值频率为31.5 Hz和40 Hz;桥梁底板最大加速度振级为82.96～94.29 dB,对应的峰值频率为31.5 Hz和63 Hz,箱梁底板振动对桥梁结构振动的贡献最大。     

城市高架轨道箱梁振动特性数值分析

为研究列车通过时高架轨道箱梁结构的振动响应,采用有限元方法分别建立了高架简支箱梁的三维振动分析模型,计算当列车分别以60,80,100,120 km/h的速度通过时城市高架轨道箱梁结构的动力响应。模态分析结果表明:固有频率高于10 Hz的箱梁振动模态开始呈现截面变形,随着频率增加,箱梁结构振动形式逐渐表现为各构成板件的弯曲振动;时域分析结果表明:当列车经过时,箱梁结构振动加速度幅值分布呈现翼缘最大、腹板次之、桥面板和梁底最小的规律,钢轨、轨道板、桥面板、翼缘、腹板和梁底板的振动水平分别为140~160,110~120,110~120,115~130,110~125,105~115 d B,振动水平随车速的提高而增大。     

不同线路条件及运行速度下高速列车振动性能分析

高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性．为了分析不同线路条件和运行速度对高速列车振动特性的影响,建立了车辆-轨道耦合系统模型,并以德国高速轨道谱和我国干线轨道谱产生的轨道随机不平顺作为耦合系统的激励,通过Newmark数值积分和Matlab仿真,计算了高速车辆在高速线路和提速干线条件下车体、构架、轮对等车辆各部件和轨道部件的振动响应．研究结果表明,随着列车运行速度的提高,高速车辆各部件振动响应均显著增大;线路条件对高速列车轮对及轨道系统振动的影响较对车体系统振动的影响明显．     

高速列车过桥诱发地面振动特性研究

为研究高速列车过桥引起的环境振动问题,以沪昆客运专线某铁路桥梁为工程背景,采用现场实测和有限元法获取地面振动特性。将计算值与实测值对比分析,结果表明：高速列车过桥引起的地面横向振动加速度稍大于垂向振动加速度,频谱曲线的主峰频率点可视为周期载荷诱发的共振频率;横垂向卓越频率分布区间为10～80 Hz,频带内各单频加速度幅值随距离增加呈波动衰减趋势;当不同频率的振动波波峰相遇时,相遇点的振动叠加出现放大现象;横垂向加速度最大振级对应的频带为25～63 Hz,大部分出现在31.5 Hz;实测值和计算值在幅值大小及变化趋势吻合较好,加速度Z振级最大误差为1.4 dB。可见,有限元模型满足精度要求,证明该方法能够有效预测环境振动响应。     

高速列车隧道交会压力波特性

采用基于有限体积方法的计算流体力学软件,建立了列车几何模型和非定常可压缩湍流的三维流动模型,对高速列车隧道内等速和不等速交会的全过程进行了数值模拟。在软件的任意滑移界面动网格技术中嵌入了列车光滑启动方法,研究了列车交会过程中隧道断面的压力波动、流速变化和压力波的形成过程。研究结果表明:基于三维流动模型的计算结果能够清晰地展示高速列车隧道内交会时的压力场与速度场变化情况,同一隧道横截面上各点的压力波动趋势与断面压力均值的波动趋势虽然一致,但不同测点的压力差异较大,最大可达53.5%;等速交会时隧道中央的交会压力变化幅值最大,负压峰值达到约-7kPa;不等速交会时高速列车车体正压峰值与负压峰值均随低速列车速度的减小而减小,而低速列车比高速列车的正压峰值大约1.5kPa;两列车鼻尖交会处的隧道断面压力波负压峰值与低速列车速度的二次方近似成正比。     

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。      

双层车辆段运用库环境振动特性实测分析

现场实测某地铁典型双层车辆段运用库道床、柱子和盖板的振动加速度，分析运用库振源特性及其传递衰减规律。结果表明：列车分别通过一层和二层时各道床和柱子的振动相差不大，但一层道床-柱子的振动衰减相对较大；运用库盖板振动的卓越频率主要集中在30～80 Hz，靠近板中的测点振动响应大于盖板端部测点;列车在运用库二层行车比一层行车引起上方盖板的振动响应大，若进行上盖开发应当考虑对运用库二层进行减振设计；无论是一层行车还是二层行车，振动由道床传至柱子时全频段均在衰减，且振动能量中的低频部分容易引起盖板的共振。     

不同隧道介质下地铁列车运行引起地表的振动响应研究

通过选取具有代表性的地铁隧道土层和岩层介质环境,利用有限元软件ANSYS建立隧道—地层有限元模型,基于相同隧道埋深下,施加相同的轮轨激励,研究地铁列车通过不同隧道岩土介质环境时引起的地表振动响应。结果表明:土层地铁,低频(≤8Hz)衰减不明显,高频(80 Hz)开始衰减较快;岩层地铁,在低频(≤8Hz)和高频(100Hz)衰减均较快,衰减幅度大于土层地铁,但中高频能量带宽却大于土层地铁;不同隧道介质下地表振动响应一般均出现4个峰值,其中10~20Hz出现振动放大区,尤其是在12.5Hz左右。距隧道中心50m范围内,岩层地铁与土层地铁的地表振动响应相差不大,大于该距离后,岩层地铁低频振动(≤8Hz)衰减较快,中高频(≥20Hz)衰减较慢,土层地铁则相反。8Hz以内,岩层地铁中振动衰减量大于土层地铁,且随频率增大,岩层地铁与土层地铁振动衰减差异有减小趋势;在10~12.5 Hz,振动波在土层地铁中衰减量开始大于在岩层地铁,且二者衰减量随距隧道中心的远近影响不大。可为地铁减振及设计研究工作提供一定的参考。     

双振源激励下地铁车辆段上盖建筑物振动特性

以广州某地铁车辆段为研究对象, 实测了试车线与库内检修线引起地面振动的加速度, 分析了两类振源的衰减规律与差异; 建立了车辆段上盖建筑物有限元模型, 将实测地面振动数据采用大质量法进行多点激励, 分析了双振源激励对上盖建筑物楼板振动的影响。研究结果表明: 列车通过时, 试车线地面振动主要频率为60~80 Hz, 检修线主要频率为20~40 Hz; 试车线荷载振源强度大于检修线, 约为6 dB; 试车线振动衰减率约为1.07 dB·m-1, 检修线振动衰减率约为1.69 dB·m-1, 说明检修线引起地面振动强度的衰减速度比试车线更快; 与非一致激励相比, 一致激励对上盖建筑物楼板10 Hz以下振动影响显著, 各层加速度级在2.5 Hz处存在明显峰值, 这与建筑物楼板的固有频率有关; 试车线荷载激励下, 底层楼板振动主要频率范围为40~60 Hz, 顶层出现在20~40 Hz, 峰值中心频率集中在40.0 Hz处; 检修线荷载激励下, 各层楼板振动主要频率范围为0~40 Hz, 峰值中心频率集中在31.5 Hz处; 对比单一振源激励, 双振源激励使建筑物楼板Z振级增加了0~3.5 dB, 这在地铁车辆段上盖建筑物的环境振动评价中应充分重视。      

负载波动激扰的机车牵引齿轮振动特性

针对负载波动激扰的机车牵引齿轮振动问题,建立了机车牵引齿轮的动力学方程,利用平均法得到了齿轮振动频率与振幅,分析了振幅变化趋势与参数变化对齿轮振动稳定后振幅的影响规律,并进行了仿真试验。分析结果表明:负载力矩是振动速度的函数;振动频率为一个定值,当蠕滑速度分别为0.8、0.2m·s~(-1)时,齿轮的振动频率均为335.0 Hz,非常接近理论值334.8 Hz;根据不同的情况,振幅逐渐减小至0或逐渐增大至一个稳定的值;当蠕滑速度为0.8m·s~(-1)时,齿轮振动稳定后的振幅随着齿轮啮合刚度和啮合阻尼的增大而减小,随着小齿轮上的等效转动惯量和机车轴重的增大而增大,因此,增大齿轮啮合刚度和啮合阻尼、减小小齿轮上的等效转动惯量和机车轴重有助于降低齿轮的振幅。     

城市轨道交通直壁式声屏障车致振动噪声研究

为了探究城市轨道交通声屏障的车致振动噪声问题,基于列车-轨道-桥梁相互作用理论,建立了列车-橡胶浮置板减振轨道-箱梁桥-声屏障耦合动力学模型,采用声学边界元法对列车通过城市轨道交通高架线路时的直壁式声屏障车致振动低频噪声问题进行了研究.研究结果表明:声屏障的车致振动主要集中在低频段,其中水平局部横向振动特性表现的十分显著,远强于垂向振动;声屏障的车致振动噪声主要集中在120 Hz以下的低频段,其中在声屏障正上方和正下方垂向声场区域的辐射噪声最小;列车经过时引起的声屏障水平局部振动特性是声屏障辐射噪声的主要原因,尤其是通透隔声板;声屏障局部振动不仅影响其辐射噪声的大小,同样对其辐射规律影响较大,即在具有较强局部振动特性的声辐射频段,声屏障具有规则的声辐射规律.     

扣件胶垫黏弹性对铁路箱梁振动与结构噪声的影响

以高速铁路WJ-7B型扣件胶垫为研究对象，通过动态力学性能试验测试了扣件胶垫在不同温度下的动力性能；结合温频等效原理、Williams-Landel-Ferry方程和高阶分数导数FVMP模型表征了扣件胶垫的黏弹性力学特性；将该模型代入建立的桥梁振动与结构噪声预测有限元-边界元模型，并与Kelvin-Vogit模型对比来分析扣件胶垫黏弹性对箱梁振动和结构噪声的影响。研究结果表明:扣件胶垫黏弹性表现为动参数的温频变特性，刚度与频率正相关，与温度负相关，阻尼与频率和温度均负相关，阻尼在1~100 Hz内变化明显，在100 Hz以上变化较小；扣件动参数测试值与高阶分数导数FVMP模型拟合值吻合良好，采用高阶分数导数FVMP模型可以准确描述扣件在宽温宽频下的动态黏弹性力学行为；仅考虑扣件胶垫频变特性时，桥梁在25~63 Hz振动加剧，在80~200 Hz振动减弱，在峰值频率63 Hz处顶板、腹板和底板的加速度振级分别增大5.62、0.91和2.94 dB，桥梁横桥向各板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射明显增大；同时考虑扣件胶垫温变与频变特性时，随着温度的降低，桥梁在31.5~50.0 Hz振动不断减小，在63~200 Hz振动不断增大，桥梁横桥向在顶板斜上方、腹板和底板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射减小，温度从20 ℃降到-20 ℃时，总体声压级最大降低了2 dB左右；忽略扣件胶垫黏弹性会导致桥梁振动和结构噪声预测产生偏差，仿真分析时应考虑扣件胶垫的黏弹性，以提高预测的准确性。