基于AR模型的接触网脉动风场与风振响应

基于AR模型和接触网结构特性,建立了具有时间和空间相关的接触网脉动风场,由模拟的风速时程获得作用于接触网的风荷载;建立接触网三维有限元模型,研究了其模态、静态风偏和风振响应,并对位移响应进行了频谱分析.分析结果表明:垂向风速相对顺风向风速较小,采用Davenport风速谱可建立接触网脉动风场;接触网在30 m·S-1的横向平均风和自然风作用时,接触线跨中节点横向位移的最大值分别为109.11 mm和312.49 mm,平均风荷载下计算得到的接触线横向位移减小了186.40％;接触网在横向自然风作用时,接触线横向和垂向振动位移同时产生,接触网第1阶垂向和横向振动频率分别为0.973 Hz和1.384 Hz,在这2阶频率处产生了接触网结构与风荷载的峰值共振;接触网在30 m·S-1的自然风作用时,由风荷载引起的应力分别占接触线和承力索总应力的10.77％和27.40％,因此,需采用脉动风荷载进行接触网的风偏和强度设计.     

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。      

智慧公路设备横梁风振特性研究

针对智慧公路设备横梁大幅振动问题,通过分析等截面直梁受迫振动特性,结合风在横梁处绕流时旋涡脱落频率进行计算,证明横梁振动为风作用下的驻波,对应于横梁的一阶振型,振动频率与旋涡脱落频率相同,振幅与结构固有频率、激励频率和阻尼具有相关关系,固有频率与横梁直径成正比,与跨径平方成反比,随横梁质量增加而减小。当激励频率与固有频率接近时,横梁将发生大幅共振,通过提高结构刚度、增加阻尼或改善断面气动外形可抑制风振。     

计及覆冰和空气阻尼的弓网动态受流特性

为研究覆冰和环境风对弓网受流的影响,基于模态分析法,在充分考虑覆冰对接触网系统质量和刚度影响的基础下,重新推导了覆冰接触网运动微分方程,并引入静风载荷引起的空气阻尼对其进行修正.结合受电弓归算质量模型进行动态仿真计算,研究了不同覆冰厚度、风速、风攻角对弓网接触压力的影响.研究结果表明:无风时覆冰厚度的增加会造成弓网接触性能的变差;在静风环境下,由于线索覆冰改变了接触线阻尼,来流风向是静风载荷影响弓网接触性能的主要因素,来流风向越接近水平,对弓网受流性能的影响越小.      

列车荷载作用下矮塔斜拉桥索梁振动的相关性

为探讨不同列车速度下矮塔斜拉桥斜拉索振动与桥梁整体振动之间的相关性,基于列车-线路-桥梁耦合振动理论与动力学模型,以某主跨115 m+95 m的铁路矮塔斜拉桥为工程背景,考虑斜拉索与桥梁整体结构之间的相互作用,通过数值积分得到梁体、桥塔振动响应以及斜拉索局部振动响应.结果表明:列车荷载作用下索梁振动相关性问题实质上是一个能量传递过程,当拉索端点位移激励频率与其自振频率接近时,能量易于在索梁间传递;当列车以225~350 km/h的设计时速通过桥梁、列车荷载的激励频率与斜拉索自振频率接近时,斜拉索在外激励作用下会产生共振,但共振幅值不大(斜拉索局部振动幅值小于3 mm).      

拼装式薄壁预应力钢筋混凝土空心桥墩自振特性与动力响应测试分析

采用冲击振动测试和列车过桥动载试验,测试了铁路某支线拼装式薄壁预应力钢筋混凝土空心桥墩振动试验下横向振动响应数据,分析了桥墩的自振频率和横向振幅,并对桥墩的运营性能进行了评价.结果表明:桥墩自振频率和正常运营客、货车下的振幅满足《铁路桥梁检定规范》中根据等效刚度法计算的相应限值,并且按这种方法计算的限值来进行桥墩运营性...     

组合载荷作用下动车牵引电机转子系统弯扭耦合振动特性

为了研究组合载荷作用下动车组用牵引电机转子弯扭振动机理和识别典型故障特征, 依据动车牵引电机结构特点, 将其转子结构离散化为集总质量盘轴系统, 得到了电机转子系统的10自由度弯扭力学模型; 考虑定转子静动气隙偏心引起的不平衡磁拉力、转子质量偏心引起的机械不平衡力、转子重力以及电机驱动转矩和负载转矩等径向和扭转载荷作用, 利用拉格朗日方程法建立了牵引电机转子系统弯扭耦合运动微分方程; 基于Runge-Kutta法求解和分析了不同组合载荷工况作用下的转子系统弯扭振动特性。分析结果表明: 由转子质量偏心造成的系统弯扭自由度耦合关系, 使得牵引电机转子系统的弯扭振动特性受到转子径向和扭转载荷的共同影响, 且影响规律符合转子质量偏心耦合规律; 在全部径向和扭转载荷作用下, 牵引电机转子的径向振动包含零频、转频、二倍转频、弯振固有频率、二倍供电频、二倍供电频与转频组合、脉动转矩频率与转频组合等频率成分, 其中转频成分对应的弯振幅值最大, 而脉动转矩频率与转频的组合频率的振幅非常小, 说明脉动转矩对牵引电机转子径向振动的贡献并不明显; 在全部载荷作用下牵引电机转子的扭转振动包含转频、二倍转频、弯振固有频率与转频组合、二倍供电频与转频组合、脉动转矩频率等频率成分, 其中脉动转矩频率成分对应的扭振幅值最大, 其次由重力和不平衡磁拉力引起的转频成分对应的扭振幅值也较大, 且基本具有同一数量级, 表明它们对扭振的贡献均不能忽略。      

单个移动荷载激励下桥梁最大位移响应的频域分析

为了更加有效地建立列车运营速度与桥梁最大位移响应之间的关系, 针对单个移动荷载激励下桥梁最大位移响应提出了一种频域分析方法; 采用傅里叶变换推导出单个移动荷载匀速通过梁桥时的移动荷载谱和桥梁振动位移响应谱, 通过分析移动荷载幅值谱获得了导致桥梁自由振动位移出现极值响应的移动荷载速度, 并提出了该移动荷载速度的计算公式; 以一简支梁为例, 通过与相关文献结果的对比, 验证了本文数值计算程序的正确性, 进一步基于该程序, 通过数值分析验证了频域分析方法理论推导的正确性和移动荷载速度计算公式的准确性。研究结果表明: 在频域内得到的移动荷载幅值谱与时域内得到的桥梁自由振动幅值响应规律一致, 因此, 移动荷载幅值谱能有效反映桥梁自由振动位移响应; 导致桥梁发生自由振动最大位移响应的移动荷载速度与移动荷载幅值谱最大值对应的速度相等, 且移动荷载幅值谱的其他极值点与桥梁自由振动位移响应极值点对应的移动荷载速度一致; 在自由振动阶段, 桥梁位移响应极值点对应的单个移动荷载速度仅与桥梁自振频率和跨度有关; 单个移动荷载以共振速度通过桥梁时, 桥梁发生的受迫振动与自由振动位移响应均不是最大响应, 因此, 对于高速铁路桥梁的列车运营速度, 除关注列车共振速度外, 需更加重视使桥梁产生最大位移响应的速度。      

高铁接触网接触线对车厢内乘客电磁辐射研究

为了有效评估高铁接触网接触线在车厢内产生的低频电磁场对车厢内人体健康的安全性,基于有限元软件COMSOL Multiphysics,构建一个集司乘人员、车厢和辐射源为一体的电磁模型,仿真计算了车厢内人体感应电场和感应电流密度大小.研究结果表明,接触网接触线所产生的低频电场在人体躯干中所产生的感应电场和感应电流分布不均匀,其最大值分别为E_(max)=1.276mV/m、J_(max)=8.832 8μA/m~2;在人体头部中枢神经系统中感应电场最大值为E_(max)=1.149 9mV/m,感应电流密度最大值为J_(max)=0.983 7μA/m~2.对比《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)中公众暴露的控制限值,文中计算结果均远远小于GB 8702-2014规定的控制限值.仿真计算结果说明接触网接触线所产生的低频电场对车厢内司乘人员的健康不会构成健康威胁.     

高速接触网整体吊弦预配

为了减小常规方法计算吊弦长度的误差、严格控制接触线高度、提高接触网的弹性均匀度、实现良好的受流质量,在分析常规吊弦长度算法的基础上,提出了一种新的基于索网找形的有限元法.以一个锚段的接触悬挂为分析对象,以接触线高度为控制目标,建立了承力索的有限元模型.考虑到接触网的典型结构和线路状况,结合现场实际,对模型进行了修正.经过实例验证,按该方法计算的吊弦长度安装后,接触线高度误差控制在±7 mm以内,达到了《客运专线铁路电力牵引供电工程施工技术指南》的要求.     

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。      

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。      

Complex Mode Frequency Iteration Method for Flutter Analysis of 2-DOF Systems

For a vibration system with 2-DOF of bend and torsion, itscritical flutter wind speed can be calculated by using complex mode frequency iteration (CMFI) method based on MatLab 5.2, the results of which are in agree with those acquired by wind tunnel test. Not only critical flutter wind speed, but also vibration characteristic of a system under different wind speeds can be determined. CMFI method is suitable for both of separated-flow torsional flutter and classic coupling flutter analysis, which is presented by flutter analysis of an ideal thin plate and a bluff bridge deck. Furthermore, it is proved through the investigation of the relationship between flutter derivatives and its critical flutter wind speed that coupling aerodynamic derivatives are necessary for classic coupling flutter to occur.     

极值风速变异系数的计算分析

推导了直接根据不同重现期极值风速计算变异系数的表达式;基于公路桥梁抗风设计规范列出的重现期系数,校准得到极值风速变异系数约为0.13;根据几座大桥桥位和规范提供的不同城市极值风速,采用变异系数表达式计算得到其分布在区间(0.1,0.35)内.分析结果表明,规范提供的重现期系数存在一些矛盾;极值风速变异系数与高度无关;根据不同重现期极值风速计算得到的变异系数的稳定性,可以评估极值风速的精度和可靠性.     

张力对接触网系统风振响应影响的风洞试验研究

接触线和承力索的张力对接触网系统的风振响应有重要的影响,为此进行了气弹模型风洞试验. 以实际铁路工程为背景,根据接触网系统的设计要求,按照气动弹性相似理论制作了接触网系统的5柱4跨模型,并根据接触线、承力索张力的4种组合情况进行了气动弹性模型风洞试验,得到了支柱、腕臂结构及接触线上的加速度和位移响应,研究了在紊流场下结构的风振响应特征. 试验结果表明,接触线与承力索张力越大,接触线自振频率越大,且其风偏越小;腕臂及支柱结构受张力影响较小;接触网系统为风敏感结构,提高接触线、承力索张力可有效控制风偏.      

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。      

高速铁路接触网研究进展

接触网与受电弓之间动态性能是影响列车运行的重要因素之一,高速铁路中接触网的不良状态直接影响牵引供电系统对动车组的供电安全.论文系统地讨论了高速铁路接触网研究的4个方面,即接触网的初始平衡态求解、接触网动力学建模、接触网非接触检测和接触网静态动态评估,并给出了目前高速铁路接触网研究的最新进展:针对接触网的初始平衡态求解精度不高的问题,通过引入多目标约束的结构找形方法和非线性有限元过程进行求解;在接触网动力学建模方面,考虑环境风对接触网影响的问题,通过环境风模拟和风洞实验获得气动力系数,建立沿线风场进行接触网风振特性分析;对于接触网非接触检测算法的精度不高问题,基于深度学习理论的检测技术和实时图像检测算法是今后发展方向;针对目前接触网动态评估方法缺乏的问题,现代谱估计、时频分析和大数据技术及其融合将是今后接触网评估的重要手段.      

风和随机车流下悬索桥伸缩缝纵向变形

为动态仿真与评估运营阶段风和随机车流联合作用下大跨钢桁悬索桥伸缩缝纵向变形, 建立了风-随机车流-钢桁悬索桥分析系统; 基于已有单主梁风-车-桥耦合振动分析系统, 引入弹簧单元模拟伸缩缝, 并从车-桥耦合关系和钢桁梁横断面风荷载精细化加载2个方面将分析系统从单主梁提升为梁格法; 基于监测数据仿真重现了交通流荷载, 采用建立的分析系统计算了一座典型大跨钢桁悬索桥伸缩缝在随机车流作用下的动态位移时程响应, 获取并验证了累计位移与交通流质量的相关关系; 以滑动支承耐磨材料厚度为评估指标确定了伸缩缝累计位移临界值, 评估了伸缩缝的正常工作寿命; 在不同风速和随机车流作用下对伸缩缝纵向变形性能进行了参数敏感性分析。分析结果表明: 伸缩缝在随机车流作用下的时位移极值远小于设计允许伸缩范围-880~880 mm; 伸缩缝累计位移与其对应时段内的交通流荷载具有正相关性; 在风与随机车流联合作用下, 风速小于15 m·s-1时, 影响伸缩缝纵向变形的主要荷载因素为随机车流, 风速大于15 m·s-1时, 主要荷载因素为风荷载; 伸缩缝时位移极值与时累计位移随风速的增大均呈增大趋势; 当风速增大至20 m·s-1时, 风荷载产生的伸缩缝纵向变形近似为车流荷载下的2倍; 建立的风-随机车流-钢桁悬索桥分析系统可为运营荷载下伸缩缝纵向变形的动态仿真与性能评估提供数值分析平台。