轮胎式轨道交通车辆动力学研究现状与挑战

总结了几种典型轮胎式轨道交通车辆动力学问题的研究现状，包括跨坐式单轨车辆、悬挂式单轨车辆、胶轮路轨车辆、胶轮有轨电车和虚拟轨道车辆，探讨了轮胎式轨道交通车辆动力学未来的研究内容。研究结果表明:跨坐式单轨车辆动力学研究集中于抗侧倾稳定性、曲线通过性能和车-桥耦合振动，根据跨坐式单轨车辆抗侧倾稳定性变化规律提出的临界侧滚角理论阐明了稳定轮和导向轮预压力的设置原则，给出了稳定轮和导向轮预压力与运行舒适度、曲线限速之间的联系，跨坐式单轨车辆提速的关键是开发性能更优的轮胎，并控制由于运行速度提高所引起的振动恶化；悬挂式单轨车辆动力学研究集中于车辆运行性能和车-桥耦合振动，其倾摆特性和横风引起的倾摆稳定性是悬挂式单轨车辆的特有动力学问题，由于车-桥耦合振动引起的钢质轨道梁低频噪声是有待研究的问题；胶轮路轨车辆在国内的研究刚刚起步，现阶段的主要问题是改善车辆的横向平稳性；胶轮有轨电车动力学研究集中于车辆运行性能和导向轮/轨关系，研究难点在于阐明其导向稳定性的机理和影响因素；作为一种新型轨道交通车辆，虚拟轨道车辆提出了许多新的动力学研究问题，包括循迹控制、机械架构与循迹控制策略的匹配性、纵向力分配、分布式驱动等，或将成为轮胎式轨道交通车辆动力学研究的新热点。      

单轴转向架跨座式单轨车辆的主动控制研究

为提高单轴转向架跨座式单轨车辆的运行品质,以某型单轴转向架跨座式单轨车辆为研究对象,建立了15自由度单轴单轨车辆的主动控制动力学模型.在此基础上,设计了一种自适应神经模糊推理系统PID(ANFIS-PID)控制器,以抑制车体的横向振动和垂向振动,并与原始单轨和PID控制单轨进行了对比.研究结果表明:相比于原始单轨,PID控制单轨和ANFIS-PID控制单轨的横向加速度均方根值分别降低了48.37％和89.06％,垂向加速度均方根值分别降低了19.41％和34.32％;横向加速度峰值分别降低了53.00％和90.30％,垂向加速度峰值分别降低了21.72％和37.60％.ANFIS-PID控制单轨优于PID控制单轨,能显著提高单轨车辆的运行品质.     

基于柔性多体动力学的地铁车辆半主动控制

为了对地铁车辆的运行性能实现更准确的评估和更有效的优化,借助有限元理论和子结构理论建立了车体和转向架构架等关键零部件的柔性动力学模型;基于天棚半主动控制算法和柔性多体动力学理论,建立了考虑半主动控制悬挂的地铁车辆刚柔耦合动力学模型;考虑轨道随机不平顺的影响,研究了半主动控制悬挂以及结构柔性对地铁车辆运行稳定性和乘坐舒适性的影响。研究结果表明:相对于传统的悬挂装置,天棚半主动控制极大降低了车辆的振动加速度,并使其变化趋势更加平缓,对车辆的低频振动有明显的抑制作用;采用本文的研究参数,天棚半主动控制在直线段可使车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度均方根(RMS)分别降低26.8%和7.5%,使车体横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低8.8%和4.9%,而在曲线段,天棚半主动控制可使车辆垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS分别降低25.1%和5.7%,使横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低15.6%和8.3%,车辆的乘坐舒适性和运行稳定性大幅提升;考虑结构柔性时,车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS相比于未考虑结构柔性时分别增大了4.3%和6.8%,横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别增大了3.0%和3.4%。可见,车体和构架的结构柔性对车辆的动态特性有较大影响,在对车辆运行稳定性和乘坐舒适性进行计算和评估时不可忽略。      

铁道车辆振动响应特性

为改善车辆的乘坐舒适性,研究了车辆的振动响应特性,建立了车辆系统动力学模型,计算了转向架蛇行运动模态和车体固有振动模态的频域模态参数与车辆在不同速度下的时域平稳性指标。计算结果表明:转向架蛇行运动频率和轨道激扰主频率随着车辆运行速度的增大而增大,而车体的固有振动频率是不随速度而变化的;在某一速度下,转向架的蛇行运动频率和轨道激扰主频率必然与车体相关振动的固有频率接近而发生共振,共振会严重恶化车辆的平稳性,因此,应采取适当措施使共振速度区远离车辆的常用运行速度,以保证车辆运行平稳。     

铰接式高速列车运行平稳性

采用面向对象的建模技术,建立了三车铰接编组、带车端悬挂的三辆编组以及单车的垂向及横向非线性动力学模型。运用所建立的模型,采用时域和频域的分析方法对铰接式高速列车、采用车端悬挂及车辆间无耦合装置的高速列车的运行平稳性进行了研究。车组中中间车辆的加速度功率谱分析表明,车辆间设置车端悬挂能明显地抑制车辆的点头及摇头振动。对比分析表明车辆采用铰接,其减振性能比仅采用车辆端悬挂的优越。对自行研制的铰接式高速列车在振动台进行了运行平稳性试验,结果表明在轨道高激扰的条件下,该设计完全能满足车辆高速运行下的舒适性要求。     

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．     

悬挂参数对直线电机跨座式单轨车辆气隙稳定性和运行平稳性影响

胶轮驱动的跨座式单轨车辆在冰雪天运行时走行轮易打滑,影响车辆安全行驶.为解决该问题,设计了直线电机驱动跨座式单轨车辆方案,建立了直线电机跨座式单轨车辆动力学模型,分析了不同悬挂参数下车辆的气隙稳定性和运行平稳性.结果 表明:支撑轮刚度和橡胶弹簧刚度对电机气隙影响很大,但支撑轮刚度和橡胶弹簧刚度对车辆运行平稳性影响很小.     

振动带合理尺寸的研究

现代交通事故的多发引起人们对交通安全的密切关注,交通安全设施的研究方兴未艾。振动带是近年来新兴的一种交通安全设施,其作用机理就是以振动的方式对人进行提醒,进而改善交通安全状况。从车辆模型的计算出发,拟定路面激励的形式,对振动带激起的振动加速度进行计算,并以人感觉到舒适与不舒适加速度作为评价标准,对振动带的合理尺寸进行研究。     

考虑轮胎侧偏特性的跨座式单轨车桥耦合振动模型

为研究跨座式单轨交通车辆-轨道梁系统的耦合振动,以重庆市跨座式单轨交通-预应力混凝土简支梁为研究对象,建立了车辆和轨道梁的耦合振动模型。每节车辆简化为15个自由度的动力系统,并考虑所有轮胎的侧偏特性。车辆运动微分方程由拉格朗日方程导出,轨道梁简化为欧拉梁,用模态综合法建立其运动微分方程。计算了列车以不同车速通过时轨道梁的动力响应,并与实测结果和不考虑轮胎侧偏特性的模型做了比较。计算结果表明:考虑轮胎侧偏特性的模型的计算值及变化规律更接近实测值;研究竖向耦合振动问题时可不考虑轮胎的侧偏特性,研究横向耦合振动问题时应该考虑侧偏特性的影响。     

跨座式单轨车辆运行阻力研究

为了研究跨座式单轨车辆运行中力与加速度的相互关系,即研究单轨车辆的运动方程,基于汽车行驶阻力和列车运行阻力两种计算模式相结合的研究方法,对跨座式单轨车辆运行时的主要阻力进行探究．推导出了跨座式单轨车辆在不同线路中运行阻力的理论公式,基于SIMPACK建立了曲线附件阻力的理论公式,提出了加速附加阻力公式．     

京沪高速南京越江钢斜拉桥车桥耦合振动分析

运用桥梁结构动力不写车辆动力学的研究方法,将车桥作为联合动力体系,以京沪高速铁路南京越江方案我钢斜拉桥为研究对象,进行了高速列车过桥时的车桥空间耦合振动响应分析,着重研究了列车速度变化时对桥梁的挠度,车辆舒适度及脱轨安全度的影响。     

高速铁路桥墩横向刚度的初步研究

应用车桥耦合振动理论,对高速铁路桥墩的横向刚度进行了初步研究。通过计算和比较不同横向刚度的桥墩时车辆和桥梁的振动响应,指出为了确保高速列车运行的安全和平稳,桥墩必须有足够的横向刚度     

人-车-路相互作用三质量车辆模型分析

基于人-车-路相互作用建立了简化的三质量车辆模型，运用叠加法计算了车辆动载荷的幅频特性与功率谱密度、加速度放大因子与加速度谱，利用所建的简化车辆模型对车辆的振动特性进行了评价，研究了车辆载荷与行驶安全性、加速度与振动舒适性的关系。结果表明，三质量车辆模型更能体现人体的振动舒适程度与路面不平度的响应关系，对于深入分析路面结构的动力响应有重要价值。     

高速列车动力学性能研究进展

为更深入全面了解高速列车系统动力学研究现状，综述了高速列车动力学性能对车辆运行稳定性、安全性和平稳性的影响，总结了列车安全评价方法和动力学试验方法在车辆动力学中的应用，基于轮轨间作用力，分析了轮轨磨耗对列车动力学性能的影响，概括了车-桥耦合模型、弓网系统以及列车空气动力模型在车辆系统动力学中的研究内容。分析结果表明:车轮异常磨耗会导致舒适性下降，合理的车轮镟修能有效降低车轮非圆化和车辆系统关键部件的振动，降低车内振动噪声，增加列车运行稳定性、安全性和平稳性；合适的轮对定位刚度和抗蛇行减振器的刚度和阻尼有利于提高列车蛇行运动稳定性和转向架运动临界速度；钢轨波磨严重时会导致钢轨扣件松动，缩短车辆构架和钢轨的使用寿命；通过合理的钢轨廓型打磨可消除曲线波磨，改善轮轨关系；行波效应对车辆安全性影响很大，与相同激励下的各项参数相比，车速为350 km·h-1、行波速度为300 m·s-1时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力都有所降低；横风作用下受电弓气动抬升力增大，影响接触网安全，增大弓头阻尼和弓头刚度可改善弓网受流特性。      

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。     

山区城市道路减速带的布设分析

结合山区城市道路减速带设置的现状,针对其缺点提出改进建议,可有效改善车辆行驶的不利影响因素,增强车辆行驶的舒适性和安全性.     

天兴洲长江大桥列车走行性分析

运用桥梁结构动力学与车辆动力学的研究方法,将车桥作为联合动力体系,建屯了武汉天兴洲长江大桥主桥的车桥耦合动力分析模型.基于合理的列车走行性评价指标,对货物列车和高速客车通过该桥时的走行安全性与舒适性进行了分析,探讨了大跨度公铁两用斜拉桥用于货物列车和高速客车混行的可行性.     

双向双车道超车行为的智能车队间隙控制优化

建立了双向双车道环境下单车超越车队模型, 分析了影响双向双车道超车危险区域范围的主要因素; 设计了分步式单车超越车队算法, 研究了安全间隙前后车速度、超车车辆入队速度与车队安全间隙范围四者之间的关系, 提出了车辆入队所需最小安全间隙的速度匹配方案; 建立了单车超越车队算法的目标函数, 设定最大允许超车时间内超车车辆与车队行驶距离最大, 超车车辆超越车队车辆数最多, 前、后车形成安全间隙过程中加速度、减速度最小; 提出了基于改进粒子群的分级约束多目标优化方法, 为单车超越车队算法中的三级车速引导提供了优化的速度引导方案。研究结果表明: 双向双车道环境下超车危险区域范围与车队车辆数及对向车辆行驶速度成正相关关系; 改进的粒子群优化算法相比传统算法具有更强的鲁棒性和更快的收敛速度, 平均收敛时间缩短39.2%;在分步式单车超越车队过程中, 车队车辆平均速度提升9.04%, 即在车队间隙生成过程中, 虽然部分车辆速度减小, 但车队整体平均速度得到提升; 超车车辆平均速度提升16.8%, 即在超车过程中, 不仅超车车辆的安全性得到保证, 其运行效率也得到提升。      

基于驾驶员错视觉的振动减速带优化设计

振动减速带是公路上常用的一种强制减速设施,对控制车辆车速,提升行车安全有重要作用．为了合理设置振动减速带,文中根据车辆行驶速度,以车辆竖向振动加速度为评价指标,对减速带外形进行优选;并利用错视觉原理对减速带的尺寸和色彩进行了新的设计．后期利用3D Studio Max软件制作视频,引入SD法（semantic differential method）对方案进行评价,结果表明振动减速带采用抛物线圆弧相切形状比圆弧形的竖向振动更小,行车舒适性更高;同时采用错视觉安全色,具有色彩鲜明、立体感强等特点,视觉减速效果显著优于普通减速带．