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。      

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。      

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。      

高速条件下隧道出入口行驶速度特性

为明确山区隧道出入口区段的车辆运行特性和驾驶行为，揭示隧道洞口交通事故的发生机制，在高速公路和城市快速路各选择3座隧道，采集了小客车和货车在隧道出入口区段的断面速度，高速公路单个断面观测样本大于500 veh，快速路隧道单个断面样本大于1 100 veh，基于断面数据分析了车辆行驶速度的变化规律和影响因素，并建立了运行速度预测模型。分析结果表明:驾驶人临近隧道洞口时会减速，小客车速度降幅为12~21 km·h-1，货车速度降幅为2~10 km·h-1，货车速度降幅低于小客车；洞口位置小客车运行速度大于80 km·h-1，货车运行速度大于70 km·h-1；高速公路隧道出入口段的车速范围为75~110 km·h-1，快速路隧道出入口段的车速范围为60~88 km·h-1，高速公路隧道出入口段的车速普遍高于城市快速路隧道; 驾驶人进入隧道洞内适应环境之后会加速行驶，驶出隧道时有加速行为，但当隧道出口前方有小半径弯道和互通立交时，驾驶人会减速以适应前方的道路条件；隧道入口前100 m至洞口范围内的车辆减速度最大，货车减速度范围为0.23~0.58 m·s-2，小客车减速度范围为0.47~ 0.70 m·s-2；同一断面的速度观测值存在较强的离散性，表明车辆之间存在明显的纵向干涉，容易发生追尾事故。      

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。      

环境风对高速铁路接触线波动速度的影响

基于空气动力学理论分别推导了作用在接触线上的空气阻尼和脉动风气动载荷, 并将空气动力项添加至接触线波动速度公式中进行修正; 通过风洞试验和CFD绕流仿真得到了横风环境下的气动阻力系数, 分析了不同空气阻尼下接触线波动速度的变化规律; 基于AR模型和接触网的结构特性, 建立了具有时间和空间相关性的接触网脉动风场, 通过仿真计算分析了脉动风速和风攻角对接触线波动速度的影响。研究结果表明: 静风载荷引起的接触线空气阻尼很小, 当平均风速达到30 m·s-1时, 接触线空气阻尼仅为0.3, 接触线波动速度为549.1 km·h-1左右, 因此, 空气阻尼不会对接触线波动速度产生较大影响; 当来流风攻角为60°, 平均风速不大于10 m·s-1时, 脉动风下接触线波动速度标准差和最值差分别小于1和6 km·h-1, 此时接触线波动速度相对无风情况变化较小, 脉动风载荷对接触线波动速度的影响不明显; 当风速达到40 m·s-1时, 接触线平均波动速度较无风情况下降39.39 km·h-1, 且其标准差和最值差分别达到11.84和75.98 km·h-1, 此时接触线波动速度出现大幅下降与振荡, 最小波动速度低至474.16 km·h-1, 因此, 脉动风下风速越大, 接触线波动速度受脉动风载荷影响越显著; 当风速保持30 m·s-1, 来流风攻角为0°~30°时, 接触线波动速度标准差和最值差分别小于1和5 km·h-1, 此时脉动风载荷对接触线波动速度的影响较小; 当风攻角为90°时, 接触线波动速度标准差和最值差分别达到12.38和73.19 km·h-1, 此时接触线波动速度出现大幅下降与振荡, 最小波动速度低至472.91 km·h-1, 因此, 脉动风下来流风越偏于水平方向, 对接触线波动速度的影响越小。      

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。      

基于二系垂向作动器与压电作动器的动车组车体振动控制

为了减小高速动车组车体刚性与弹性振动, 提出了一种基于二系垂向作动器与车体压电作动器的高速动车组车体振动主动控制方法; 基于某型高速动车组, 设计了一种在车辆二系安装垂向作动器, 在车体底架布置压电作动器, 运用H_∞鲁棒最优控制器进行车辆协调控制的主动减振方法; 建立了基于车辆动力学参数的刚柔耦合减振力学模型, 采用H₂及H_∞准则优化压电作动器与压电传感器布置位置, 运用鲁棒最优控制方法设计了H_∞反馈控制器; 利用MATLAB仿真了减振装置与主动控制方法对车辆动力学性能的影响, 比较了被动悬挂车辆、仅安装二系垂向作动器车辆与采用主动控制车辆的动力学性能差异。研究结果表明: 压电作动器与压电传感器布置在距车体左端距离为7.15、12.25、17.35m处车体一阶及二阶弹性模态归一化H₂及H_∞范数最大, 可以作为压电作动器与传感器的布置位置; 基于二系垂向作动器与车体压电作动器的鲁棒最优控制方法能够有效地抑制车体的振动, 一阶垂弯振动频率处车体中部和转向架上方的加速度功率谱分别减小为被动悬挂车辆的5%、10%;速度越大, 振动加速度抑制效果越明显, 当车辆的运行速度为200km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小10%, 当车辆的运行速度为350km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小18%;相对于被动悬挂, 二系垂向作动器输出力功率谱在车体浮沉与点头振动频率处的量级为106 N2·Hz-1, 对车体刚性振动有较大抑制作用, 压电作动器电压功率谱在车体一阶垂弯振动频率处达到峰值4 000V2·Hz-1, 对车体弹性振动有较大抑制作用。      

钢弹簧故障状态的车辆动力学性能

考虑了车辆导向轮对一侧轴箱钢簧出现失效的四种工况:钢簧内外圈均断裂、外圈断裂、内圈断裂和钢簧"冻死",建立了钢簧失效工况下的车辆系统动力学模型,分析了钢簧失效对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明:钢簧失效后,轮对的平衡位置偏离轨道中心线,全断裂工况下偏离最大,约为3mm;车辆的临界速度降低,全断裂工况下降低最大,约为30km·h-1;失效弹簧所在轮对的轮载差变化较大,全断裂工况下轮载差最大,约为50kN;转向架断裂弹簧处及其斜对角轴箱悬挂垂向力将减小,另一对角处的轴箱悬挂垂向力将增大,从而使转向架承受较大的扭曲载荷;钢簧失效很容易使脱轨系数和轮重减载率等安全性指标超过限定值,增加了车辆运行安全的隐患,在直线上200~300km·h-1速度范围内和曲线(半径为7 000m)上100~300km·h-1速度范围内,全断裂工况下的减载率都超过0.8;钢簧失效对车辆横向平稳性影响不大,但钢簧"冻死"会使垂向平稳性变差,相对于正常工况,在300km·h-1时增加约0.1。     

高速动车组设备舱支架结构抗疲劳性能研究

应用有限元分析软件ANSYS对两种设备舱支架结构进行静力仿真分析,获得了不同气动载荷工况下的支架结构应力响应情况,仿真结果表明：裙板气动载荷对支架结构的应力影响大于底板气动载荷;方案二支架结构改进处焊缝的应力情况得到明显改善.在时速330 km/h的情况下,测试了两种支架结构焊缝关键部位的动应力.采用雨流计数法编制了各测点的八级应力谱,并采用Goodman公式进行了对称化修正.结合材料的S-N曲线和Miner线性疲劳累计损伤理论计算了各测点的等效应力幅.对比计算结果表明,方案二支架结构的抗疲劳性能优于方案一.     

车辆系统空气弹簧失气安全性分析

建立了具有刚度衰变特性的空气弹簧失气模型和非线性粘滑接触模型,结合车辆系统动力学,模拟空气弹簧失气动态过程与失气后的应急状态,分析了空气弹簧失气后车辆系统的稳定性与空气弹簧突然失气对车辆动力学性能的影响,研究了不同失气过程时长、运行速度与曲线通过工况下空气弹簧失气车辆的安全性。计算结果表明:空气弹簧失气后车辆临界速度由623km.h-1大幅降低为351km.h-1。空气弹簧突然失气导致轮轨垂向力减小,轮重减载率增大,且失气过程越短,轮重减载率越大,失气过程为0.2s时轮重减载率达到0.651。车辆运行速度低于300km.h-1时,车速对轮重减载率和轮轨力影响不明显,当大于300km.h-1时,减载率随车速增大迅速增大。车辆通过曲线时,在圆曲线上失气最危险,轮重减载率最大为0.652。     

高速动车组轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响

为分析钢轨波磨、车轮多边形等轮轨短波不平顺条件下轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响,分别从仿真计算、现场试验和台架试验3个方面进行综合分析,通过建立车辆-轨道刚柔耦合系统动力学仿真模型,分析了钢轨波磨和车轮多边形对轮轨耦合振动的影响,并在武广高铁进行了钢轨波磨条件下新、旧轴箱转臂节点对轴箱振动响应的影响试验,在滚动试验台上进行了高阶车轮多边形条件下新、旧轴箱转臂节点对转向架振动响应的影响试验;对已服役运用120万公里的A、B型轴箱转臂节点进行了1 000万次疲劳耐久性试验,论证了服役轴箱转臂节点疲劳可靠性的安全裕量。研究结果表明:在钢轨波长为120 mm,车轮多边形为20阶,钢轨波磨和车轮多边形波深均为0.04 mm的条件下,当轴箱转臂节点径向刚度由40 MN·m-1增加到200 MN·m-1时,钢轨振动加速度、轴箱振动加速度和轮轨垂向力基本不变,在钢轨波磨和车轮多边形等短波激励下,轴箱转臂节点刚度变化不会对轮轨耦合振动产生明显影响;随着疲劳试验次数的增加,轴箱转臂节点径向和轴向刚度均逐渐下降,退役轴箱转臂节点在经历1 000万次疲劳耐久性试验后外观状态基本无改变,芯轴与橡胶粘接部分出现轻微开胶和裂纹,开胶和裂纹深度不大于5 mm,橡胶本体均无裂纹,各项性能满足《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》(TB/T 2843—2015)中的规定。      

齿轨铁路导入装置动力学特性

利用大型有限元商业软件ABAQUS建立了车辆-齿轨铁路导入装置耦合动力学有限元模型;仿真了齿轨车辆通过齿轨铁路导入装置的过程,分析了车辆与齿轨铁路导入装置的动态相互作用;考虑不同参数的影响,研究了齿轨铁路导入装置振动响应、结构应力、动态接触力等动态特性响应规律.研究结果表明:随着支撑弹簧预紧力的增大,齿轮转速能更快达到...     

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。     

地震作用下铁路双层结合钢桁混合刚构桥行车安全性

针对特殊地区地震作用下大跨度桥梁行车安全性问题，以某铁路某双层结合钢桁混合刚构桥为工程背景，建立了考虑材料非线性、切向摩擦与轮轨赫兹准确接触关系的列车-轨道-桥梁耦合振动分析模型，并基于ABAQUS-Python软件二次开发，实现了钢轨随机不平顺的施加；选取EL Centro地震波为输入波，分析了强震作用下双层结合钢桁混合刚构桥的损伤演化规律，计算了不同地震强度、不同车速下列车脱轨系数、轮重减载率、车体振动加速度等动力响应指标，分析了关键参数对地震作用下桥上行车安全性的影响规律，提出了该混合刚构桥基于行车安全性能的车速限值。研究结果表明:在罕遇地震作用(0.38g)下，桥梁各构件均出现不同程度的塑性损伤，桥墩破坏区域较大，震后桥梁仍具有一定的承载力；震时列车脱轨系数随地震强度增大而显著增大；车体最大振动加速度与地震强度近似呈线性增长；列车轮重减载率是控制行车安全的关键指标，其峰值与车速呈正相关；当车速为200 km·h-1，地震强度大于0.10g时，列车轮重减载率存在超限情况，列车在下桥时会出现长时间轮轨分离现象；从行车安全性的角度，在设计地震作用0.20g时，安全车速为160 km·h-1。      

考虑旋转效应的弹性车轮降噪效果与影响参数研究

以某款弹性车轮及其原型普通车轮为研究对象，在考虑车轮旋转带来的移动荷载效应和陀螺效应的前提下，应用2.5维结构有限元法和2.5维声学边界元法预测车轮在给定轮轨粗糙度激励下的振动和声辐射；针对40、80和120 km·h-1三个运行速度，分析了弹性车轮的降噪机理，研究了弹性车轮橡胶层的材料参数对弹性车轮降噪效果的影响。研究结果表明:车轮旋转使得原本非0节径模态频率处的声功率峰值分叉为2个峰值，其中一个峰值频率比原模态频率高，另一个峰值频率比原模态频率低，2个峰值频率差近似等于车轮的旋转频率乘以2倍的模态节径数；在所考虑的工况下，车轮旋转对车轮声辐射的影响最高达3.2 dB(A)，因此，在预测车轮的声辐射时，必须考虑旋转对预测结果的影响；如果橡胶弹性模量太小，则轮箍容易振动，从而有可能辐射比普通车轮更高的噪声；从车轮声辐射的角度，橡胶弹性模量存在一个最佳值，在这个值下，弹性车轮的声功率最低，且低于原型车轮的声功率10 dB(A)以上；增加橡胶阻尼总是有利于车轮噪声的控制，但增加阻尼产生的降噪效果随橡胶弹性模量的增大而降低；对于同一弹性车轮，随着运行速度的提升，相对原型普通车轮的降噪效果不断降低，速度从40 km·h-1增大到120 km·h-1，降噪效果降低达4 dB(A)以上。      

中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统动力性能试验

为探究中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统的振动特性,对其在上海临港中低速磁浮试验基地开展了现场动力学试验,研究了车速和桥梁结构形式对耦合系统动力响应的影响;试验车辆采用(悬挂)中置式悬浮架,试验桥梁为25 m混凝土简支梁和25 m钢结构简支梁;为明确2种桥梁的固有振动特性,对其进行了模态测试;提取了不同工况下车辆-桥梁耦合系...