高速列车转向架载荷谱长期跟踪试验研究

为了建立高速列车转向架载荷谱,对武广客运专线高速列车运营全工况下的转向架载荷进行了跟踪测试,得到了动车转向架的轴箱弹簧垂向载荷和转臂横向载荷在一个镟轮周期内的变化规律,分析了高速直线和曲线工况下镟轮对轴箱弹簧垂向载荷和转臂横向载荷的影响,并基于上述载荷编制了构架浮沉、侧滚、扭转与横向载荷系谱,进行了镟轮前后各载荷谱的比较.研究结果表明,与镟轮前相比,镟轮后轴箱弹簧垂向载荷、转臂横向载荷以及构架各载荷系的幅值均减小,其中转臂横向载荷变化最明显,在高速直线和曲线工况下幅值分别减小了50%和40%,镟轮改善了构架的受力状态.      

高速列车轴箱弹簧载荷特性与疲劳损伤

以某型高速列车轴箱弹簧为研究对象, 通过载荷标定方法制作了弹簧载荷测试传感器, 安装于动力转向架, 通过在线路测试得到了轴箱弹簧载荷时间历程; 结合车载陀螺仪信号, 分析了启动牵引、制动停车、高低速直线、进出坡道、曲线通过等典型工况下的轴箱弹簧载荷特性; 根据轴箱弹簧载荷的变化特点, 将测试载荷分解为趋势载荷和动态载荷, 并在统计基础上给出轴箱弹簧一定运用里程下的载荷谱, 确定了载荷幅值与载荷作用频次的对应关系, 根据损伤一致性准则, 分析了载荷谱各级载荷造成的损伤比重与轴箱弹簧疲劳损伤随列车运行速度增大的变化规律。分析结果表明: 轴箱弹簧载荷与应变呈线性关系, 其传递系数为9.45×10-5 kN-1; 与非动力侧轴箱弹簧相比, 动力侧轴箱弹簧载荷幅值变化受电机扭矩载荷的影响较大, 在列车启动阶段, 电机输出扭矩达到最大值, 动力侧与非动力侧轴箱弹簧的载荷分别为-7.42、1.26 kN; 列车速度由240 km·h-1增大至350 km·h-1时, 轴箱弹簧趋势载荷由-0.6 kN变化至-2.0 kN, 最大动态载荷由1.53 kN增大至1.86 kN, 增大了22%;动力侧轴箱弹簧在列车低速、高速运行时所产生的疲劳损伤比重分别为0.79、0.75;列车运行速度提高会使轴箱弹簧高幅值载荷产生的疲劳损伤比重略有降低, 这与非动力侧疲劳损伤比重分布特点相吻合; 动力侧和非动力侧轴箱弹簧疲劳损伤随着列车运行速度增大均呈现出先减小后增大的变化趋势, 在列车速度为300 km·h-1附近时达到最小疲劳损伤, 动力侧与非动力侧轴箱弹簧的疲劳损伤分别为0.110、0.004。      

基于谱载荷的高速列车转向架构架的疲劳强度

为了有效地预测高速列车转向架构架的疲劳强度或寿命，提出了一种基于试验谱载荷的疲劳强度预测方法．这种方法是用雨流计数法对UIC515-4和UIC615-4规定的构架疲劳强度试验载荷和载荷循环次数进行分级，用有限元法确定构架在每级载荷作用下的应力分布，将多轴应力转化为单轴应力，根据palmgren-Miner线性累积损伤准则计算构架的等效应力，利用S-N疲劳曲线预测构架的疲劳强度或寿命．算例表明，采用该预测方法计算的高速列车转向架构架的疲劳强度与现有文献的结果一致．     

基于谱载荷的高速列车转向架的疲劳强度

为了有效地预测高速列车转向架构架的疲劳强度或寿命,提出了一种基于试验谱载荷的疲劳强度预测方法.这种方法是用雨流计数法对UIC515-4和UIC615-4规定的构架疲劳强度试验载荷和载荷循环次数进行分级,用有限元法确定构架在每级载荷作用下的应力分布,将多轴应力转化为单轴应力,根据Palmgren-Miner线性累积损伤准则计算构架的等效应力,利用S-N疲劳曲线预测构架的疲劳强度或寿命.算例表明,采用该预测方法计算的高速列车转向架构架的疲劳强度与现有文献的结果一致.     

动车组抗侧滚扭杆载荷特性

为获得抗侧滚扭杆在动车组运行时所受载荷的变化情况,结合陀螺仪和速度信号,研究了抗侧滚扭杆载荷随列车运行速度、曲线半径和曲线超高的变化规律;统计了不同速度级下抗侧滚扭杆载荷最值,并编制测试载荷谱、趋势载荷谱和动态载荷谱,计算趋势载荷与动态载荷在整个测试载荷中贡献的损伤比. 研究结果表明:直线工况下,抗侧滚扭杆动态载荷幅值随列车运行速度的增加而增加,当运行速度由250 km/h增大到350 km/h时,抗侧滚扭杆载荷幅值最大值增大了30%;在一定的过超高条件下,抗侧滚扭杆趋势载荷幅值随曲线半径减小而减小,240 km/h运行速度下最大载荷幅值由6.61 kN减小为3.54 kN;在曲线半径一定的条件下,抗侧滚扭杆趋势载荷幅值随曲线超高的增大而增大,240 km/h运行速度下最大载荷幅值由3.36 kN增大为5.80 kN.      

CRH2-300型动车转向架构架垂向斜对称载荷识别

采用准静态法对CRH2-300动车组动车转向架构架垂向斜对称动载荷进行识别,通过ANSYS有限元软件,分析计算载荷识别敏感部位以确定其识别点,进而建立载荷识别方程.根据京津客运专线实测数据,得出垂向斜对称动载荷最大值,并编制了载荷谱.为准确评价动车组转向架疲劳强度提供依据.     

高速列车齿轮箱应力响应与疲劳损伤评估

进行了高速列车线路试验, 研究了GPS信号与齿轮箱结构的受力特点, 获取了扭矩载荷和振动载荷作用下齿轮箱的应力时间历程曲线, 分析了在扭矩载荷、振动载荷作用下齿轮箱的应力响应特性, 并编制了应力谱, 利用疲劳损伤影响参数来反映扭矩载荷和振动载荷对齿轮箱疲劳损伤的影响程度。研究结果表明: 在扭矩载荷作用下, 列车牵引与制动的交替变化会使齿轮箱产生较大的应力响应, 最大应力幅值为25.80MPa; 在制动工况下, 齿轮箱应力呈阶梯形变化; 列车低速运行时齿轮箱吊杆座端部的高应力幅值频次大于高速阶段, 结构疲劳损伤影响参数由0.20减小到0.08, 减小了60.0%。在振动载荷作用下, 列车运行速度由350km·h-1减小到200km·h-1时, 齿轮箱吊杆座端部的应力响应强度由2.08MPa减小到0.97MPa, 降低了53.4%;在同一速度等级下, 列车头部齿轮箱的应力幅值低于列车尾部; 列车由牵引状态转变为惰性运行时, 齿轮箱的应力响应强度由3.4MPa减小到1.0MPa, 降低了70.6%;列车由低速运行转为高速运行时, 齿轮箱端部疲劳损伤影响参数由0.009增大到0.260, 增大了27.9倍。      

转K7型转向架副构架疲劳强度分析

在ANSYS11．0有限元软件中建立转K7转向架副构架三维模型,结合其受力特点分析计算副构架的应力分布情况,依据线路实测的转K7转向架副构架交叉拉杆载荷谱及B＋级铸钢在不同铸造缺陷系数下的S-N曲线,采用有限寿命设计理论,预测了副构架的疲劳寿命,结果表明,副构架具有较高的疲劳寿命储备,能满足运用要求．     

基于实测数据的动车组轴箱横向载荷特性

研究了轴箱横向载荷高精度测试方法，将经过标定的轴箱安装于运用车辆，获得了载荷-时间历程，结合车辆运行状态分析了在高速线路典型服役条件下的载荷特性，编制了对应于进出站工况、低速运行、高速运行的恒幅载荷谱。研究结果表明:轴箱横向载荷影响因素主要为列车运行速度、曲线半径、道岔、轨道不平顺；运行中普遍存在着相对固定且与车辆运行速度无关的2 Hz的低载荷主频；对于大于5 Hz的频率，载荷主频与列车的运行速度直接相关，曲线通过时内轨侧轴箱载荷变化幅值稍大于外轨侧，且载荷均值以及最大载荷幅值均随列车运行速度的增大而增大；曲线半径增大的同时横向载荷均值逐渐接近于0，最大载荷幅值也逐渐减小；进出站道岔会造成横向载荷出现约10 s的一次波动，同时包含短时间冲击载荷；横向轨道不平顺会造成轴箱横向载荷在通过相应区间时出现多个大幅波动，随着运行速度的增加，波动周期缩短，峰值减小；进出隧道对横向载荷影响不明显；对于不同运行工况下的载荷谱，进出站工况载荷幅值最大，作用频次占很少部分；低速运行载荷幅值次之，作用频次占比约为1/3，高速运行载荷幅值最小，作用频次占比达到60%以上。      

转向架构架载荷谱频域校准与建立方法

分析了时域内准静态载荷-应力传递关系, 以载荷间互谱密度的参数作为载荷耦合作用的表征量, 基于多轴频域疲劳基本理论推导了频域内等效应力的表达式; 得到了与多轴加载等效的分立载荷系的表达式; 为保证载荷谱计算损伤可以覆盖线路实测损伤, 以应力信号自功率谱密度的0阶谱矩作为表征损伤的参量, 约束载荷对测点损伤的贡献占比, 根据损伤一致性原则, 采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法进行载荷校准; 对国内某型地铁转向架构架进行线路测试, 获得了载荷和应力数据, 并进行了数据分析。研究结果表明: 载荷系中构架横向载荷的线路实测方差最大, 为5.08, 电机横向载荷方差最小, 为0.02;频域内考虑载荷耦合效应的损伤校准精度为1.08×10-5, 而采用时域分立谱的损伤校准精度为2.91×10-3, 频域法比时域法的校准精度提高了99.63%;频域内考虑耦合作用的载荷校准系数的综合调整倍数为31.81, 相比时域内采用分立谱校准系数的调整倍数下降了41.71%, 频域法的系数调整最大倍数为6.99, 时域法为15.68, 前者比后者降低了55.42%。可见: 频域内考虑载荷耦合作用的校准方法在误差精度上要优于时域内采用分立谱的校准方法; 频域法的系数调整比例的分散度低于时域法, 校准载荷更接近实测载荷, 校准结果可信度高; 由于校准过程中考虑了载荷间的关联性, 研究得到的载荷系可同时应用于试验台多轴加载以及仿真独立加载, 实现了2种加载方式的统一, 为构架载荷谱的建立方式提出了新思路。      

牵引电机悬挂参数对高速列车牵引传动部件振动特性的影响

基于车辆系统动力学理论建立包括柔性齿轮箱体与柔性轮对在内的刚柔耦合动力学模型，应用直接转矩控制理论建立了牵引电机控制模型，利用Simpack与Simulink联合仿真平台建立了机电耦合模型；考虑轮轨激励、车辆结构振动与谐波转矩等因素耦合作用，通过机电联合仿真对牵引传动部件振动特性进行了频谱分析，对牵引电机悬挂节点径向刚度、轴向刚度及阻尼在不同量级区间内的取值进行了研究。分析结果表明：在牵引电机谐波转矩和车轮多边形作用下，高速列车牵引传动部件出现较为明显的高频振动，牵引电机悬挂节点径向刚度为20～30 MN·m^-1时，牵引电机垂向振动达到极小值，齿轮箱体与牵引电机在6倍基波频率及车轮转频处振动加速度较小，且径向刚度较小时车辆安全性指标较优；牵引电机悬挂节点轴向刚度为4～6 MN·m^-1时，齿轮箱体与牵引电机受电机谐波转矩及车轮多边形高频激励的影响较小；牵引电机悬挂节点阻尼为0.1～40.0 kN·s·m^-1时，转向架部件振动有效值较小，阻尼的变化对车辆动力学指标的影响甚微，且车辆安全性及平稳性指标较优。     

铁道车辆转向架构架多轴疲劳强度有限元分析方法

铁道车辆转向架构架在服役过程中承受复杂的多轴疲劳载荷,为构架结构的设计和分析带来困难.本文以某车辆转向架构架为研究对象,为获得构架在复杂多轴载荷作用状态下的应力分布状态,分别建立构架板壳有限元模型和实体有限元模型,并参照UIC 615-4、TB/T 2368-2005和TB/T1335-1996标准,确定计算工况,对该转向架构架强度进行分析计算,并根据ORE B12/RP17提供的钢材Goodman疲劳曲线图,编写后处理程序对构架进行疲劳强度评估.结果表明：两种有限元模型计算分析结果趋于一致;构架结构的应力分布状态呈现面内应力分布占优的状态;采用最大主应力对其进行疲劳强度评估是合理的;两种建模方法获得的构架静强度、疲劳强度评估结果的一致性说明：采用板壳模型代替实体模型对构架进行有限元强度分析是可行合理的,可节省计算资源.     

转向架构架的广义斜对称载荷

结构对称的二轴转向架构上理应均匀分布的垂向支承力会重新分布，这附加的载荷即斜对称载荷，本文依据斜对称载荷的计算原理找出了多轴转向架构架上垂向载荷转移的规律以及附加载荷的具体计算方法。     

基于小滚轮高频激励的高速列车齿轮箱箱体振动试验

为探究高速列车齿轮箱箱体振动特性和疲劳损伤, 应用小滚轮高频激励台架试验, 将滚轮表面加工成径跳量幅值为0.05 mm的13阶多边形, 可等效成20阶车轮多边形, 研究了某型齿轮箱箱体在不同垂向载荷与速度工况下的振动特性; 通过雨流计数法及Miner线性损伤法则, 分析了齿轮箱箱体单位时间应力累计损伤。研究结果表明: 受齿轮箱箱体共振影响, 不同垂向载荷与速度工况下, 高速列车运行速度为200 km·h-1时, 齿轮箱箱体各测点的垂、横向加速度均方根值均为最小; 当垂向载荷为23 t时, 大部分测点的垂、横向加速度均方根值均为最大; 齿轮箱箱体存在573 Hz的局部固有频率被激发共振, 其原因是试验速度为100 km·h-1时试验台发生共振, 以及试验速度为300 km·h-1时, 受到20阶多边形车轮转频约580 Hz的主频激扰; 车轮初始速度从0加速到200 km·h-1及从300 km·h-1减速至0的速度等级之间时, 齿轮箱箱体各测点的单位时间应力累计损伤波动较大, 其余速度等级段各测点的单位时间应力累计损伤波动很小; 单位时间应力损伤最大值出现在大齿轮箱齿面观察孔, 为3.72×10-10, 损伤最小值位于小齿轮箱轴承正上方, 仅为8.29×10-18。可见, 箱体共振、试验台减速运行、速度等级对齿轮箱箱体振动加速度影响较大; 非共振、试验台不减速运行、相同速度等级下, 垂向载荷对单位时间应力累计损伤影响甚微。      

制动工况下机车车辆转向架颤振机理

为了消除低速制动工况下轻量化设计的机车车辆有颤振现象与颤振振动对车体、转向架和悬挂系统产生较大的破坏作用,提高车辆的运行平稳性,减小铁道沿线的噪音污染,分析了制动工况下机车车辆转向架发生颤振现象的机理及其影响因素,推导了列车制动块的运动方程。分析结果表明,颤振是车辆系统在低速运行时的自激振动产生的,与转向架构架结构和悬挂系统有关,可通过改进构架设计或调整转向架参数予以避免。     

铁路高速货车及其相关技术研究

提高货车运行速度是全面增加铁路运输的运能和效率的有效方式，高速货车的关键技术是转向架和制动系统，介绍了国外高速货车转向架及制动系统的发展过程，基本结构和中国货车的基本现状，提出了研制和开发中国高速货车的基本模式，指出发展中国高速货车转向架和制动系统应突破现有货车的基本框架，借鉴国外货车转向架及制动系统技术，发展具有中国特色的高速货车。     

北京地铁10号线制动热响应分析与评估

针对城轨列车转向架基础制动方式,对踏面制动热流密度进行推导,建立了车轮制动过程瞬态温度场和应力场三维有限元模型,重点分析了城轨列车在两次紧急制动和全程往返制动两种极端情况下,车轮踏面温度和热应力变化规律.车轮踏面所受的应力是垂直载荷、横向载荷和热应力综合作用的结果,适用于Hertz接触理论,机械载荷对车轮踏面的作用效果采用Hertz接触应力来衡量,根据温度和热应力模拟结果,评估了城轨列车车轮的服役安全性,为发展城轨列车的制动方式和制动技术提供了比较可信的理论分析方法.