磁浮道岔梁自振特性及瞬态响应分析

建立了磁浮道岔五跨钢结构连续梁的梁单元和板单元有限元模型,分析了道岔梁的自振特性,计算了磁浮道岔梁的瞬态响应。模态分析表明道岔梁板单元模型的前5阶扭转频率在14．2Hz至16．1Hz之间,与其现场实测值14．9Hz极为接近,道岔梁梁单元模型的扭转频率计算值明显高于实测值,道岔梁板单元模型能更为准确的反映其振动特性。瞬态响应分析表明磁浮车辆通过时道岔梁第三跨跨中挠度最大,车速240km／h时其最大值约为1．29mm。     

常导电磁悬浮动态特性研究

以常导磁浮车辆的悬浮导向基本单元为对象，对采用两级串联悬浮控制的单磁铁悬浮系统进行悬浮刚度和阻尼特性的理论与数值分析．分析结果表明：电磁悬浮刚度与间隙反馈系数成正比，悬浮阻尼与间隙变化速率反馈控制系数成正比；车体二系悬挂频率、轨道基频和控制系统特征频率任意两者互相接近时，容易发生车轨共振．     

高速磁浮悬浮架柔性特征对曲线通过性能的影响

为研究高速磁浮悬浮架小曲线通过动力学性能,考虑高速磁浮悬浮架柔性振动,建立悬浮架有限元模型,并计算其弹性模态,建立高速磁浮整车车辆动力学模型;应用同济大学磁浮试验线线路条件、试验速度曲线及拟合的轨道不平顺,分析了悬浮架柔性振动对悬浮、导向电磁铁间隙、电磁力的影响;同时,建立了刚性悬浮架动力学模型与之对比. 研究结果表明:R400小曲线通过时,电磁铁动力学性能受悬浮架柔性振动的影响较大,两种模型的导向力相差约12.5 kN,悬浮力相差约6.0 kN;通过试验仿真比较,考虑悬浮架柔性的计算结果更接近于实测结果;悬浮架垂向和横向振动的主频分别为10.4 Hz和13.2 Hz,分别与前后悬浮框相对点头、反相摇头模态频率相近;在研究控制参数优化、悬挂参数优化、运行稳定性等高速磁浮关键问题时应考虑悬浮架的柔性振动.      

考虑梁弯扭耦合对钢轨横向振动特性的影响

为准确预测弹性波在钢轨中的传播，且探究考虑Timoshenko梁弯扭耦合的必要性，基于波谱-辛混合法建立了考虑梁弯扭耦合的钢轨-扣件空间无限长模型.在模型验证的基础上，分析考虑Timoshenko梁弯扭耦合对钢轨横向固有频率与速度导纳的影响，进一步从理论和试验方面分析了扣件胶垫垂向预压特性对钢轨横向弯曲振动特性的影响.研究结果表明：考虑梁弯扭耦合使得钢轨横向弯曲共振频率增大了约29.6 Hz，且在钢轨横向弯曲振动中同时出现弯曲和扭转pinned-pinned模态；扣件胶垫垂向预压特性主要影响钢轨横向中低频振动，随着预压的增大，钢轨横向弯曲共振频率增大；当预压从30 kN增加到50 kN时，实测的横向弯曲共振频率增加了13.7 Hz，考虑和不考虑梁弯扭耦合时其分别增加了12.5 Hz和21.7 Hz；不同预压下考虑梁弯扭耦合的钢轨横向弯曲共振频率变化规律与实测的结果更为接近.     

磁悬浮车轨耦合振动的小比例相似模型

将磁悬浮车轨耦合振动系统简化为单磁铁-Bernoulli-Euler梁模型, 设计了5种状态变量的反馈控制器, 分别在时、频域上研究了系统的动力学特性。依据相似理论建立了单磁铁车轨耦合系统的小比例模型, 推导了动力学系统的相似关系, 分析了小比例模型的相似特性。研究结果表明: 提出的磁悬浮控制方法利用轨道梁低阶模态与电磁铁振动信息得出控制器输出, 方法有效; 利用所设计的控制器, 系统能够在0.27s达到稳定状态, 最大超调量为2%;在单磁铁的车轨耦合振动系统中, 取其3阶模态即可较精确地反映其振动特性, 而当轨道梁各阶频率相差较大时, 对系统的低频特性分析, 在仅取第1阶模态时也可得出较精确的结果; 通过相似理论得到的小比例磁悬浮车轨耦合振动模型的动力学特性与原模型一致。     

横梁效应对车-桥耦合振动的影响研究

提出了由横梁效应引起的附加不平整度的简化计算模型,给出了考虑横梁效应的车-桥耦合振动问题求解方法,解决了模态综合法因采用截断模态无法反映桥梁结构如横梁、桥面板等局部构件振动情况的问题,并通过算例对横梁效应考虑与否进行了对比分析,同时引入描述横梁效应桥面系刚度变化幅度的无量纲参数γ,研究了其对考虑车-桥耦合振动的影响。研究结果表明:横梁效应与车-桥振动系统存在耦合关系,其效应值随参数γ增加而增加,呈高次变化规律。     

车辆与桥上道岔的耦合动力学分析

为深入研究快速及高速行车条件下车辆一道岔．桥梁的动态相互作用,将车辆、道岔区轨道和桥梁作为一个整体,建立了车辆一道岔-桥梁耦合系统动力分析模型,用数值模拟的方法探讨了高速行车条件下道岔区轨道与桥梁结构的动力特性及行车安全性和舒适性．采用竖、横向挠跨比作为衡量桥梁刚度的指标,以高速铁路中最常用的6种标准跨度连续梁桥为对象进行计算和分析,通过获得各种工况下的车体振动加速度、减载率、脱轨系数、桥梁振幅和振动加速度等动力响应,确定车辆一道岔．桥梁动力耦合条件下24,32,40和48m跨度连续梁桥的合理刚度分别为1／20000,1／9000,1／5000和1／3000．研究结果表明,除静力分析应满足有关规定外,还应根据具体的道岔结构、运营条件和桥梁结构进行耦合动力分析,以保证高速行车条件下列车通过桥上道岔时的安全性和舒适性．     

中低速磁浮车辆研究综述

基于电磁悬浮型中低速磁浮列车的工作原理,阐述了中低速磁浮各核心子系统(悬浮导向系统、牵引电机、走行机构、制动系统、轨道-桥梁结构等)的技术特征,综合分析了各子系统存在的技术问题和解决方案;梳理了日本Linimo列车、韩国EcoBee列车、长沙磁浮快线、北京磁浮S1线和西南交通大学自主研发的(悬挂)中置式磁浮列车的发展历程及技术特点,总结了中低速磁浮列车的技术重点和难点。研究结果表明：车-轨耦合振动应综合考虑悬浮控制、车辆结构参数、桥梁结构参数、空气动力效应、直线电机等因素的影响,建立完备的车-轨耦合振动研究模型;悬浮冗余匮乏可综合利用机械冗余和电气冗余的技术特点,对中低速磁浮的冗余设计方案进行改进;磁浮靴轨受流应与地铁靴轨受流区分,充分考虑磁浮列车的耦合作用特性,探索无缝供电轨技术在中低速磁浮中的工程实用性;悬浮控制由于控制器主频较低,程序运行周期过长,应提高控制算法和悬浮系统故障诊断技术的精确性和稳定性;车辆轻量化设计应在保证结构强度的基础上,综合考虑车体、走行机构等多因素的结构特点,以提高中低速磁浮列车运载能力;应综合不同磁浮线路要求,建立统一的线路标准,提高中低速磁浮工程化应用能力。     

移动荷载下简支梁桥3种车桥耦合模型研究

依据振动理论和欧拉-贝努利梁假设,推导了简支梁在移动车轮加簧上质量模型、四分之一车模型和二分之一车模型3种不同车辆模型与桥梁系统竖向振动微分方程.采用模态叠加的离散化方法,将偏微分方程转化为变系数常微分方程,并将微分方程数值积分的Runge-kuntta方法引入到该时变系统的振动响应中来.结果表明,3种车辆模型都可以反映出移动荷载作用下车桥耦合振动的总体规律,但考虑车体刚度的影响更能体现车桥耦合振动的真实性.     

轨道随机不平顺下磁浮车辆非线性动力学特性

基于柔性轨道研究了随机不平顺下磁浮车辆的动力学特性, 在将轨道受力分解为分段链式结构的基础上, 提出了一种磁浮车辆垂向悬浮稳定性分析方法, 定义了不同悬浮力作用于各自悬浮点时柔性轨道的振动固有频率和模态矩阵; 建立了轨道分段链式结构的离散形式和轨道结构的运动方程, 采用虚拟激励法将轨道不平顺产生的随机激励转化为系统输入激励, 并将轨道随机高低不平顺作为振动激励源进行车轨振动控制; 在不同反馈控制参数下采用电压反馈双环PID控制器数值仿真车辆的悬浮状态, 并分析了轨道随机不平顺激励下反馈控制参数对磁浮系统稳定性的影响。研究结果表明: 当磁浮车辆速度为50~80 km·h^-1, 位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为140 000、50、500时, 车辆可以从起始间隙16 mm快速定位到平衡位置间隙9 mm, 在2.2 s时即可稳定悬浮, 系统的超调量和稳态误差分别为1.50和0.13 mm, 且系统振动频率趋近于0;当位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为15 000、50、400时, 磁浮车辆在轨道随机不平顺作用下的悬浮稳定性变差, 系统在9 s左右逐渐趋于稳定, 但仍旧在平衡位置上下浮动, 且系统振动频率和振动幅值分别为7 Hz和0.5 mm; 当磁浮车辆的速度超出50~80 km·h^-1时, 第1组反馈控制参数不再适用, 磁浮系统在1.7 s左右发散, 车辆失稳, 表明在不同车辆速度和反馈控制参数的作用下, 轨道随机不平顺能显著影响磁浮车辆的悬浮稳定性。     

高速道岔弹性铁垫板刚度劣化规律及对提速的影响

对高速道岔弹性铁垫板的伤损发展及刚度演变过程进行了跟踪试验;基于实测数据,建立了车辆-道岔耦合动力学计算模型,分析了弹性铁垫板刚度劣化对车辆-道岔动力性能的影响,研究了刚度劣化状态下高速道岔对进一步提升运营速度的适应性。研究结果表明：随着高速道岔弹性铁垫板的长期使用,出现橡胶老化、开裂、分离、脱落,铁件锈蚀等伤损;有砟、无砟道岔铁垫板动静刚度比变化均较小,但静刚度均有所增大,有砟道岔铁垫板静刚度初期即有明显变化,上道3年增幅可超60%;普通地带无砟道岔铁垫板静刚度最大可增加30%,刚度变化小于有砟道岔;高寒、多风沙地带无砟道岔铁垫板静刚度变化较快;高速道岔弹性铁垫板刚度的逐渐劣化会对动力性能产生影响;刚度劣化状态下岔区钢轨变形减小,轮轨动力冲击作用增大,安全性参数均有提高;车辆和轮对的运动轨迹基本不变,但轮对振动加剧,车体振动也有加剧的趋势;高速道岔弹性铁垫板刚度劣化状态下,运营速度的提升会导致车辆-道岔系统动力性能进一步劣化,安全和疲劳性能裕量进一步减小,刚度劣化会使高速道岔对提速的适应性下降。扩大提速范围须重点关注道岔区弹性铁垫板刚度劣化情况,对弹性铁垫板进行适当更换,确保行车安全平稳。     

重载车辆-道岔耦合动力特性及岔区加强研究

为了保障车辆过岔的安全性并延长道岔使用寿命,基于刚柔耦合方法建立了精细化的车辆-道岔动力分析模型,研究了过岔方式、行车速度对车岔系统动力特性的影响规律,并对岔区设置轨距拉杆、改变岔区轨底坡、加宽尖轨及心轨断面3种措施的效果进行了评估.研究表明:设置轨距拉杆最大可以降低43.0%的轮轨横向力及5.1%的轮轨垂向力;当岔区轨底坡从1:40增加至1:20,直股线路 可降低10.7%的轮轨横向力及4.0%的轮轨垂向力,侧股线路轨可降低16.7%的轮轨横向力及14.8%的轮轨垂向力;尖轨、心轨断面宽度增加2 mm时引起的轮轨相互作用增幅最大为8.3%,但可降低18.8%的钢轨动弯应力.      

基于电机动力吸振的高速列车蛇行运动控制

复兴号CR400BF高速动车组动力转向架的牵引电机采用特有的四点弹性架悬方式, 在电机和构架之间安装有横向液压减振器和横向止挡, 首次采用牵引电机作为动力吸振器来控制转向架蛇行运动稳定性和蛇行频率, 从而避免引起车体弹性模态共振; 考虑悬挂参数和轮轨接触非线性, 建立了复兴号动车组非线性多刚体动力学仿真模型, 通过悬挂模态计算和动力学时域仿真, 分析了关键参数对动车蛇行运动的影响规律; 基于将电机作为动力吸振器的原理, 优化了电机节点横向刚度和横向减振器阻尼; 考虑动车组运营中的轮轨匹配随机因素, 组合400种轮轨随机匹配状态, 仿真分析了动车的动力学性能; 开展动车组长期线路动力学跟踪试验, 研究了动力转向架蛇行运动演变规律。仿真与试验结果表明: 牵引电机弹性架悬下的构架横向加速度频谱图从以蛇行频率为主频的单峰值变化为主频在蛇行频率两侧的双峰值, 说明电机起到了动力吸振器的作用; 将电机作为动力吸振器能够提高动车蛇行运动稳定性, 具有不同等效锥度的典型轮轨匹配下非线性临界速度超过500 km·h^-1; 动车蛇行运动最高频率被控制在6 Hz附近, 远离车体中部菱形弹性模态频率8.5 Hz, 避免了转向架蛇行运动激起车体弹性共振; 动车组在轨道随机不平顺激扰下, 构架端部横向加速度小于0.5g, 平稳性指标小于2.5, 轮轴横向力和脱轨系数等运行安全性指标满足要求。     

磁浮列车单铁悬浮车桥耦合振动分析

为研究单铁悬浮车桥耦合振动, 将悬浮控制系统、车辆结构、弹性轨道梁及桥梁安装系统作为整体系统, 建立整体系统的磁浮列车的悬浮控制-弹性桥梁-机械结构垂向耦合振动模型, 以不同频率的外力激扰模拟磁浮列车不同的速度下对桥梁的作用, 分析了不同梁型在整体系统耦合条件下的跨中挠度与振动加速度的变化。研究结果表明: 单铁悬浮稳定后, 简支梁跨中挠度约为两跨连续梁悬浮处挠度的2.5倍; 以200km·h^-1车速通过桥梁时其挠度略小于400km·h^-1车速通过工况, 但前者再次达到稳定状态所需时间约为后者的1/3;车辆以相同速度通过桥梁时, 连续梁悬浮处跨中挠度约为简支梁的40%, 且前者振动加速度小于后者; 仿真过程中桥梁安装临界刚度范围为(5.5~6.5)×10⁷ N·m^-1; 两跨连续梁动力学性能较简支梁更为优秀。     

风力发电塔系统整体建模与模态分析研究

为了判断风力发电塔系统是否能避开共振,需对其进行模态分析。提出了考虑“桨叶-轮毂-机舱-塔筒”耦合的整体建模的方法,可用于风力发电塔系统模态的计算。分别进行了停机阶段、运行阶段和切出阶段的模态分析,对比其频率和固有振型。对比结果表明：三个阶段的频率基本相同,只须验算停机状态下的频率满足规范即可;塔筒的振动形式主要为侧向弯曲振动、前后弯曲振动和扭转振动;桨叶在前十阶的振动形式主要为挥舞振动和摆振,且三桨叶振动存在一定的规律;相对于停机阶段,运行阶段时振型基本相同,切出阶段时振型有较大差异。     

高速列车弹性车体与转向架耦合振动分析

建立了某高速列车车体有限元模型,采用Guyan缩减进行模态求解,结合SIMPACK多体动力学软件建立包含弹性车体的系统动力学模型。运用模型分析了车体弹性模态对运行平稳性的影响,研究了弹性车体与转向架构架垂向耦合振动。分析结果表明：当车体垂向一阶弯曲频率与车体点头振动空响应点频率接近时,会发生车体的垂向弹性共振;当车体菱...     

磁浮列车静悬浮车轨耦合振动对比分析

为研究二系悬挂中置与端置的两种三悬浮架低速磁浮列车的车轨耦合振动特性,依据牛顿第二定律建立了其垂向车轨耦合动力学模型.首先通过动力学方程分别分析了两种磁浮列车车体和悬浮架之间的耦合关系,然后研究了两种磁浮列车悬浮架均存在0.09°的初始角位移时的动力学特性,最后研究了两种磁浮列车中二系悬挂对悬浮架作功的差异.研究结果表明:与二系悬挂端置的磁浮列车相比,二系悬挂中置的磁浮列车,车体与悬浮架之间的耦合关系更少;当两种磁浮列车悬浮架均存在0.09°的初始角位移时,采用二系悬挂中置的磁浮列车与采用二系悬挂端置的磁浮列车相比,前者具有更小的车体位移、车体垂向振动加速度、轨道梁振动位移和悬浮间隙波动;以上4个参数前者最大值分别为0.005 mm、0.004 m/s²、0.004 mm和0.005 mm;而后者最大值分别为0.023 mm、0.02 m/s²、0.021 mm和0.02 mm;与二系悬挂端置的磁浮列车相比,二系悬挂中置的磁浮列车,其二系空气弹簧对悬浮架作功更小,仅为前者的50%.     

超导EDS磁浮列车多级悬挂方案优化与动力学性能

研究了超导电动悬浮(EDS)磁浮列车悬浮架的悬挂方案,分析了超导EDS磁浮列车的工作原理和既有悬浮架的悬挂系统技术特征,提出了一种多级悬挂系统优化方案,从理论上推导了多级悬挂车辆的动力学微分方程;基于多体动力学软件SIMPACK与数学工具MATLAB/Simulink搭建了超导EDS磁浮列车动力学联合仿真框架,分析了超导EDS系统的磁力特性;将计算得到的电磁力组建成一个查找表,利用SIMPACK分别构建了既有悬挂方案和多级悬挂方案下3车体和4悬浮架的三编组超导EDS磁浮列车机械模型,借助MATLAB/Simulink建立了电磁力查找模型,通过SIMAT模块将查找表与机械动力学模型耦合,并通过联合仿真对比了在轨道随机不平顺条件下不同悬挂方案的超导EDS磁浮列车动力学响应。研究结果表明：与既有方案相比,采用多级悬挂方案时列车悬浮架和车体的振动响应明显减小,二者振动加速度峰值降幅均达到50%以上,车体振动加速度均小于1 m·s^-2,车体各向平稳性指标基本保持在2.5以下的优秀水平,证明采用多级悬挂方案可以改善列车运行时的动力响应,提高车辆整体的乘坐舒适性。研究工作可为超导EDS磁浮列车的悬浮架方案优化设计和动力学研究提供理论依据和参考。