高速动车组柔性转向架蛇行运动频谱分析

为分析高速动车组在不同运行速度下的转向架蛇行运动频谱,推导了自由轮对蛇行运动模型,建立了与纵向、横向速度和摇头角速度相关的3个一阶微分方程;建立了柔性转向架蛇行运动模型,给出了与轮对和构架的横移和摇头自由度相关的9自由度蛇行运动方程;结合车辆悬挂和实测轮轨接触关系等参数,联立自由轮对蛇行运动方程,求解不同轮对初始横移下的构架蛇行波长和频率;以某型动车组一个车轮镟修周期内实测的车轮踏面廓形为例,分析不同车轮镟后里程下的构架蛇行波长及频率的变化规律。分析结果表明：部分测点出现明显的2.9、14.9和33.6Hz振动频率,且这些频率随着车速的增加呈线性增长趋势;33.6 Hz来源于车辆通过CRTS Ⅱ型轨道板时频率;14.9 Hz来源于350 km·h^-1运行时的车轮转动频率;当轮对初始横移为3 mm的等效锥度为0.14时计算的构架蛇行频率为3.0 Hz,与实测构架横向振动频率2.9 Hz接近,从而验证了微分方程的准确性;随着车轮镟后里程的增加,相同轮对横移下的等效锥度不断增大,构架蛇行波长不断减小,蛇行频率也随之增高;车轮镟修后20.6万公里,轮对横移1 mm时蛇行频率最大接近8 Hz。     

车辆稳定性控制策略之比较

讨论了近年来车辆稳定性控制策略的研究发展趋势;分析了多种控制方法和理论在解决非线性车辆稳定性控制策略上各自的特点及局限性;总结了滑模变结构控制理论的应用前景。     

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。     

体悬电机变轨距转向架动车动力学性能及参数优化

建立了一种适用于1 435/1 000 mm轨距变换、电机体悬的高速动车组变轨距转向架动车的动力学模型;重点计算在2种轨距线路上动车采用不同的轮轨匹配关系、不同磨耗状态下的运行稳定性分岔特性,并计算了轨距、轮轨游间对运行稳定性的影响;计算了车辆运行垂向和横向平稳性以及在不同曲线工况条件下车辆的曲线通过性能,结合相关动力学标准对各项动力学性能指标进行了评定,并对造成各项动力学指标差异的原因进行了简要分析;以电机体悬式变轨距转向架动车的12个悬挂参数为因子,以车辆蛇行失稳速度、轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率和脱轨系数5个动力学指标为响应,采用最优拉丁超立方设计方法进行试验设计;建立径向基神经网络代理模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对动车主要的悬挂参数进行多目标优化。计算结果表明：在设计工况条件下,所设计的高速动车组变轨距转向架动车在2种轨距线路上运行稳定性、平稳性和曲线通过性能均能满足设计要求;在1 000 mm轨距上运行的稳定性优于1 435 mm轨距情况,但运行平稳性和曲线通过性能劣于1 435 mm轨距情况;优化后的悬挂参数可以兼顾车辆的运行稳定性、平稳性和曲线通过性能,使车辆具有更好的动力学性能,在2种轨距线路运行上所有计算性能指标均满足相关标准。     

车辆稳定性控制策略研究

以滑模控制、线性二次型最优控制以及PID控制三种控制理论为基础,运用不同的控制策略,基于直接横摆力矩控制方法,设计了车辆稳定性控制器,并进行了控制效果的仿真分析和比较。就控制策略而言,单独控制质心侧偏角、以及对质心侧偏角和横摆角速度进行联合控制,在车辆运行的大多数工况下,控制效果要优于单独控制横摆角速度;就控制理论而言,滑模控制具有较强的鲁棒性和应用性。由于稳定性控制器应重点对低附着系数路面上的车辆进行控制,针对研究对象的运行工况,滑模控制下的质心侧偏角控制和联合控制策略具有明显的优越性。     

我国重载货车转向架曲线性能对比仿真

为比较我国研制的27 t轴重侧架交叉支撑转向架和副构架径向转向架的低动力作用性能,基于车辆-轨道耦合动力学理论和两种转向架的具体结构,分别建立了车辆-轨道耦合动力学模型,应用车辆与线路最佳匹配设计方法,对两种转向架的曲线通过性能进行了仿真计算,并以轮对摇头角、轮轨横向力和轮轨磨耗功等参数与传统转向架进行了对比分析. 仿真结果表明:在曲线半径小于800 m 线路上,相对传统转向架,两种转向架能有效降低轮轨动力作用,且副构架径向转向架降低轮轨磨耗更具优势;但随曲线半径增大和受线路不平顺影响,径向转向架的径向作用会逐渐弱化;当曲线半径超过1 000 m后,两者的轮轨磨耗基本相当,即利用径向转向架来降低轮轨磨耗的效果不明显.      

基于抗蛇行减振器失效工况的高速转向架稳定性分析

对于CRH3动车组转向架来讲,车轮踏面选用S1002CN,轮轨接触锥度趋高,因而采用了抗蛇行减振器冗余设计(每架4个).针对后位转向架的一个抗蛇行减振器失效工况.线性稳定性分析表明:由于电机弹性架悬,动车转向架将以后位电机吊架横向振动形式失稳,而拖车转向架则以后位转向架的快速蛇行振荡形式失稳.非线性临界状态和动态行为评...     

基于物理参数的转向架定位橡胶节点动力学建模

针对高速列车转向架悬挂系统中的弹性橡胶件, 开展了基于物理参数的橡胶件非线性动力学建模方法研究; 为准确模拟其非线性刚度与阻尼的硬度相关性、结构尺寸相关性、激励频率相关性和激励位移幅值相关性, 采用有限元软件ABAQUS中的Mooney-Rivlin橡胶本构模型表征橡胶件的刚度与其结构尺寸和胶料硬度之间的相关性, 采用包括分数导数阻尼力元、摩擦力元和弹簧力元的动力学模型表征橡胶件刚度和阻尼的频变、幅变特性, 采用最小二乘法实现基于台架试验的模型参数识别; 对橡胶垫和定位橡胶节点的非线性特性进行仿真和台架试验, 验证了动力学模型的有效性; 在SIMPACK软件中定义自编力元, 进行车辆动力学性能分析, 有限元模型为动力学模型提供了基础的模型参数。分析结果表明: 橡胶垫和定位橡胶节点的刚度与胶料邵氏硬度基本呈正比关系, 硬度80 HA对应的刚度约为60 HA时的2倍; 载荷作用方向的胶料越少其对应方向的刚度越大; 橡胶垫的轴向和径向刚度解耦, 分别受高度和内外径尺寸影响, 橡胶垫轴向刚度随高度的下降率为0.2~0.6 MN·m^-1·mm^-1; 定位橡胶节点的芯轴尺寸改变引起其轴向和径向刚度同时变化, 定位橡胶节点径向刚度随内径的增长率为3.1~5.2 MN·m^-1·mm^-1; 采用非线性橡胶件动力学模型的车辆动力学仿真结果与传统等效力元模型结果差异为20%, 说明橡胶垫和定位橡胶节点动态参数的非线性对车辆动力学性能有显著影响。     

基于灵敏度的新型宽轮距转向架构架结构优化

针对新型宽轮距跨座式单轨转向架构架端梁刚度不足﹑模态频率低的问题,建立了构架的有限元模型,进行自由/约束模态的灵敏性分析;提出在构架端梁中增加减重孔和采用铝合金材料这两种优化方案,并进行自由/约束模态灵敏性分析;最后对优化后的构架端梁进行静强度和疲劳强度分析.研究结果显示:在静强度工况下,优化后的构架端梁最大应力位于构架齿轮箱体上,且小于材料的屈服极限强度;在疲劳强度工况下,与原有的构架端梁相比,优化后的危险节点循环次数较低,但仍满足工程要求.     

六轴弹性架悬高速机车牵引杆布置方式

为了开发中国运行速度为200km.h-1的2C0轴式单杆牵引高速机车转向架,研究了牵引杆布置方式对机车运行安全性的影响。采用多体动力学软件SIMPACK建立了2C0轴式弹性架悬机车整车动力学模型,在惰行、牵引和制动工况下,分析了单牵引杆由转向架向车体端部和中部牵引时,机车的直线运行性能和曲线通过性能。分析结果表明:牵引杆布置方式对机车动力学性能影响不显著,建议采用牵引杆端部牵引的方案,以简化机车车体的设计与制造。采用牵引杆端部牵引的机车可安全通过R400m和R1600m的S形曲线;通过R400m小半径曲线时,机车惰行运行的轮对横向力大于牵引和制动工况的横向力,制动工况的轮重减载率较大;通过R2800m大半径曲线时,机车牵引和惰行的轮对横向力大小相当,大于制动工况的横向力。     

转向架橡胶件动态参数的高低温特性

针对高速列车转向架悬挂系统中的弹性橡胶件, 为掌握其非线性刚度和阻尼系数的频变、幅变和温变特性, 开展动态参数的高低温(-60℃~60℃) 特性试验, 阐述了橡胶件参数动态特性的试验方法, 对轴箱叠层橡胶弹簧和转臂定位橡胶节点进行轴向、径向的静态和动态测试, 根据载荷-挠度滞回曲线计算刚度和阻尼系数。试验结果表明: 常温23℃工况下, 橡胶件的刚度和阻尼系数仅表现出频变、幅变特性, 参数变化量却与环境温度强相关; 相比于常温23℃工况, -60℃极低温环境下的橡胶件刚度和阻尼系数均显著增大, 激振位移为0.50 mm时刚度增加1倍以上, 阻尼系数增加4~6倍, 并且激振频率越高两者增幅越显著; 60℃高温环境下, 相比23℃橡胶件刚度仅降低约5%, 阻尼系数仅降低约25%, 并且高温环境下橡胶件的频变和幅变非线性减弱; 低温引起车辆悬挂系统动态刚度和阻尼系数变化, 进而造成车辆动力学性能指标变化, 相比于常温, -40℃工况下运行安全性指标如脱轨系数增大约5%, 车体振动加速度显著增大约17%。     

结构模式对转向架构架扭转刚度的影响

将客车转向架焊接H形构架简化为由等截面直梁组成的模型,通过考察各梁在扭转载荷下的变形分布,研究降低构架扭转刚度的措施,并采用有限元方法对理论分析结果进行了验证。计算结果表明:侧梁上盖板开槽能使构架扭转刚度降低3%;改变横梁截面形式后,构架扭转刚度将减小19%,构架在超常载荷下的最大von_Mises应力降低3%。分析结果表明:构架侧梁上盖板开槽对其扭转刚度影响不大,并将引起局部区域较强的应力集中;横梁弯曲与扭转刚度对转向架构架扭转刚度有较大影响,将无缝钢管横梁改为箱型梁能够显著降低构架扭转刚度;同时,由于扭转刚度降低,构架在超常载荷下最大von_Mises应力也有所降低,轨道扭曲载荷对构架强度的影响减弱。     

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.     

基于力法的动车转向架构架参数化设计

基于结构力学中的力法原理, 对动车转向架构架结构几何尺寸进行参数化设计, 利用Microsoft Visual C⁺⁺6.0实现程序化。根据构架设计的原始参数、UIC 615-4—2003标准规定的计算载荷和载荷工况及制造材料的许用应力, 确定构架的总体尺寸和不同截面的几何尺寸, 分析动车转向架构架在各个载荷工况下的最大名义应力。通过计算应力与许用应力的比较, 检查构架结构尺寸的合理性。计算结果表明: 在构架结构方案设计过程中, 根据UIC 615-4—2003和EN 13749—2005标准的规定, 载荷工况1~13的von-Mises应力小于制造材料16Mn的许用应力230 MPa, 载荷工况14的von-Mises应力小于制造材料16Mn的屈服极限345 MPa, 构架的静强度满足设计的要求, 因此, 应用参数化设计可以快速有效地确定构架的结构几何尺寸, 提高构架的设计效率。     

基于深度强化学习的插电式柴电混合动力汽车多目标优化控制策略

插电式混合动力汽车工作模式切过程中发动机频繁启停引起的发动机排气温度和进气流速波动明显,导致SCR催化器催化效率降低和排放恶化,尤其是低温冷启动阶段更为明显.另一方面,建立精确的SCR催化器瞬态模型较为困难,传统基于模型的混合动力控制策略开发方法效果较差.以某P2构型插电式柴电混合动力汽车为研究对象,建立了包括发动机、电池和SCR后处理系统的整车纵向动力学模型;在此基础上将深度强化学习应用于插电式混合动力汽车的能量管理问题,采用DQN算法对油耗和排放组成的加权目标函数进行求解,得到以需求功率、蓄电池SOC和SCR温度为状态变量、以电机最优功率为输出变量的控制策略;最后将测试结果与DP算法进行对比分析.结果表明,燃油消耗为2.623 L/100 km,SCR催化器出口NOx排放为0.2275 g/km,与DP控制策略相比,分别下降10.12％和25.69％,证明了提出控制策略的有效性.     

基于底盘多子系统协调控制的车辆稳定性控制

针对底盘关键子系统对车辆行驶稳定性影响能力与有效作用区域的差异, 综合考虑轮胎的非线性特性与各子系统间动力学耦合关系, 建立整车14自由度非线性动力学模型, 分别运用非线性H∞控制和模糊控制对转向、悬架和制动子系统进行控制性能研究, 采用多级递阶控制理论设计了组织级、协调级和执行级的车辆稳定性多级协调控制系统。运用滑模控制理论与轮胎逆模型将组织级得到的保持车辆行驶稳定性所需的广义目标控制力和力矩转化为轮胎侧偏角和滑移率, 再基于功能分配原理对各子系统控制功能进行协调, 实现了底盘复杂系统的功能解耦, 并对整车稳定性协调控制系统进行了仿真分析。仿真结果表明: 防抱死制动系统与半主动悬架系统联合控制对车辆稳定性的控制效果相对较差, 主动前轮转向的加入可以明显改善车辆的操纵稳定性。相对于汽车底盘子系统联合控制, 多级递阶协调控制能更好地改善整车行驶稳定性, 使制动距离减小, 保持滑移率基本在目标值0.2附近。     

车辆转向架全域应力推演与实时监控

为了提高疲劳强度评定和疲劳寿命预测的可靠性与精度, 基于结构可测位置应力提出了全域应力推演方法进行任意位置的应力预测。引入了基于无网格计算的径向基函数插值理论, 建立了新的插值域选择规则, 改进了传统Multi-Quadric(M-Q)径向基函数。为了验证改进的M-Q径向基函数的插值性能, 在对转向架构架施加横向载荷为58 kN, 牵引载荷为55 kN, 垂向载荷为85 kN, 选取了应力不可直接测量的8个位置, 分别采用改进的M-Q径向基函数与薄板样条(TPS)径向基函数进行插值精度比较。分析结果表明: 采用改进的M-Q径向基函数预测的应力最大相对误差为0.090 6%, 平均相对误差为0.028 4%, 采用TPS径向基函数预测的应力最大相对误差为1.611 3%, 平均相对误差为0.604 2%, 因此, 采用改进的M-Q径向基函数推演转向架构架应变片不可测位置应力的计算精度远优于采用TPS径向基函数的精度; 结合改进的M-Q径向基函数插值算法, 开发了一套车辆转向架全域应力推演和实时监控系统(TPL Monitoring), 具有良好的交互性、实时性和可扩展性。     

中高速重型半挂车适时模式切换的集成控制策略

在中高速工况下, 建立了重型半挂车五自由度简化模型, 提出了适时模式切换的集成控制策略; 集成控制策略由差动制动和挂车主动转向2个控制系统集成, 针对中高速重型半挂车工况变化, 适时切换集成控制策略的控制模式, 实现中高速重型半挂车各工况精准控制; 采用遗传粒子群算法, 设计了集成控制策略各控制模式对应优化函数, 优化了各控制模式的权重系数, 融合与协调了集成控制策略多个单一控制策略, 以实现各控制模式重型半挂车最优控制; 分析了重型半挂车多个控制策略的仿真结果, 并搭建了硬件在环试验台, 验证了集成控制策略的控制效果。研究结果表明: 在普通工况下, 集成控制策略与挂车主动转向控制策略的控制效果类似, 优于差动制动控制策略的控制效果, 而在极限工况下, 控制能力强于挂车主动转向控制策略和差动制动控制策略; 采用集成控制策略增强了中高速普通工况重型半挂车横摆和折叠稳定性, 牵引车质心侧偏角、挂车横摆角速度和挂车质心侧偏角最大值分别改善了27.46%、53.19%和91.60%, 铰接角最大值改善了29.07%;提升了中高速普通工况重型半挂车路径跟随能力, 挂车后端路径最大偏差改善了95.48%;提高了中高速普通工况的重型半挂车侧倾能力, 牵引车侧倾角、挂车侧倾角、挂车侧向加速度最大值分别改善了11.15%、10.34%和4.08%;避免了极限工况重型半挂车侧翻, 且控制牵引车和挂车侧倾角在25°左右的稳定范围内。     

基于不同焊缝结构的单轨车辆转向架构架疲劳分析

针对考虑转向架板件之间焊缝对其力学性能的影响,提高仿真分析结果的准确性和有效性,对基于焊缝结构的转向架构架进行了静强度分析,并采用准静态应力分析法对转向架构架进行疲劳强度分析以及疲劳损伤评估,研究了电机箱处不同焊缝结构形式对构架疲劳寿命的影响.研究结果表明:HV型T型焊缝较单面角T型焊缝而言,电机箱焊缝处的疲劳寿命提高了69.6％,能够有效提高转向架构架整体疲劳强度.     

基于随机价格时间博弈的列车队列稳定性模型验证与控制策略优化

为保证列车队列运行安全并提高队列稳定性,研究了列车队列稳定性模型验证与控制策略优化问题;基于车-车通信的列车队列采用等空间间隔、等时间间隔和变时距3种控制策略,利用随机价格时间博弈自动机,建立了包含领航列车和跟随列车的队列控制模型,分析了模型的队列稳定性;在保证列车运行安全的前提下,以列车的相对位置差、相对速度差和时间间隔差为成本函数,通过队列随机价格时间博弈自动机模型获得控制策略集;利用Q-Learning方法得到队列的最优驾驶策略,验证队列运行的安全性和稳定性;结合列车运行追踪场景,进行队列的稳定性分析。仿真结果表明：通过形式化验证,采用3种控制策略下的队列安全性得到了保证;通过随机价格时间博弈控制、协方差优化控制和Q-Learning方法对比PID控制,等空间间隔策略下的队列稳定性误差最大值分别减小到了0.19%、0.18%和0.11%,等时间间距策略下的队列稳定性误差最大值分别减小到了30.21%、10.34%和9.24%,变时距策略下队列稳定性误差最大值分别为118.27%、56.09%和39.67%,可见,采用Q-Learning方法的随机价格时间博弈理论能在安全前提下提高列车队列稳定性。