高速列车动车转向架气动噪声数值分析

为研究高速列车动车转向架气动噪声特性,建立了动车转向架空气动力学模型,采用定常RNGk-湍流模型与宽频带噪声源模型对其气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常LES大涡模拟与Lighthill声学比拟理论进行了远场气动噪声分析。研究结果表明:动车转向架气动噪声源为轮对、构架、牵引电机1、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等结构的迎风侧凸起部位,且构架对动车转向架远场气动噪声的贡献最大,其次为轮对和抗侧滚扭杆,然后为垂向减振器和枕梁,牵引电机1、牵引电机2、空气弹簧和横向减振器对远场气动噪声的贡献较小。动车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有衰减特性、幅值特性和气动噪声指向性。在低频部分能量较大,中心频率为25、50Hz,且分布规律不随运行速度的改变而变化。      

高速列车表面气动噪声偶极子声源分布数值分析

以Lighthill方程为基础,采用边界元法并与计算流体动力学相结合,对高速列车表面气动噪声偶极子声源进行数值分析,以获得高速列车表面气动噪声偶极子声源分布.探讨了不同车速工况下列车车身表面气动偶极子声源的强弱及其分布特征,在此基础上对基于表面气动偶极子声源的列车外部气动声场进行了数值分析.研究表明:列车运行速度为270 km/h、频率为2.5 kHz时,声压级在90 dB以上的气动偶极子声源主要分布在车底转向架附近,其最大声源声压级约97 dB,是高速列车主要的气动噪声源区.     

高速列车气动噪声仿真与试验对比分析

通过Actran建立某高速列车1∶8缩尺比例的三辆编组的列车气动噪声CFD/CAA混合数值分析模型,模拟列车在250 km/h运行速度下外气动湍流噪声,分析结果表明,车外气动噪声在车头、受电弓、转向架处较大,且主要集中在500~2 000 Hz频率范围内.并将仿真分析结果与相应1∶8缩尺比例的列车模型在声学风洞中的气动噪声试验结果数据进行对比分析,仿真数据与试验数据基本吻合,仿真分析结果可以为新车型设计与改进提供可靠的数据.     

高速列车动车和拖车转向架区域风雪流特征

为研究冬季高速列车在积雪轨道运行时动车和拖车转向架区域的雪粒运动特性差异，采用欧拉-拉格朗日气固两相流方法，分别建立了动车和拖车转向架的风雪流计算模型，分析了转向架区域的雪粒运动特征和雪粒与壁面的撞击特性。研究结果表明:动车和拖车转向架区域的气流路径相似，气流主要由轮对后部卷入转向架区域，并绕两轮对旋转，拖车转向架区域回流引起的正压要大于动车转向架区域回流引起的正压；牵引电机通风时，转向架区域前后轮对周围回转气流比不通风时明显增多；牵引电机的排风使动车转向架区域的雪粒逗留时间由不排风时1.10 s增加到1.13 s，不利于雪粒流出转向架区域；雪粒更易进入拖车转向架区域上部空间，在相同时间内拖车转向架捕获的雪粒比动车转向架多42.8%；动车转向架区域除轴箱外，其后部部件捕获的雪粒少于前部部件，拖车转向架区域除轮对外，其后部部件捕获的雪粒多于前部部件；牵引电机出风口处的气流会增加转向架前部区域部件上的撞击雪粒，减少转向架中部区域部件上的撞击雪粒；牵引电机排出的部分气流会形成绕车轮的旋转气流，使转向架底部更多的雪粒卷入转向架区域，导致撞击到前部轴箱和制动部件上的雪粒分别增加了20%和17%；转向架的雪粒入射区域主要分布在受到车底来流直接冲击的部位和受到转向架后部回流冲击的部位。      

高速列车气动噪声仿真与试验对比分析

通过Actran建立某高速列车1∶8缩尺比例的三辆编组的列车气动噪声CFD/CAA混合数值分析模型,模拟列车在250 km/h运行速度下外气动湍流噪声,分析结果表明,车外气动噪声在车头、受电弓、转向架处较大,且主要集中在500~2 000 Hz频率范围内。并将仿真分析结果与相应1:8缩尺比例的列车模型在声学风洞中的气动噪声试验结果数据进行对比分析,仿真数据与试验数据基本吻合,仿真分析结果可以为新车型设计与改进提供可靠的数据,具有较高的参考价值.     

城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声试验

为探明城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声对沿线环境的影响,以某城市轨道交通高架钢轨波磨地段为研究对象,开展了列车以不同速度通过时的振动与噪声现场测试;基于测试结果分析了车速对城市轨道交通高架振动与噪声的影响,研究了城市轨道交通高架噪声的空间分布特性,解释了城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动与噪声峰值产生的原因。研究结果表明:当列车分别以20、40、60、80、100和110 km·h-1的速度通过城市轨道交通高架钢轨波磨地段时,距线路中心线7.5 m、高于轨面1.2 m处的声压时程峰值分别约为0.6、0.9、1.3、1.9、2.3和3.3 Pa;轨面以上区域主要受轮轨噪声的影响,而梁体下方区域则主要受桥梁结构噪声的影响;轮轨噪声与车速之间存在着很强的线性相关性,而桥梁结构噪声与车速之间的线性相关性则略低,车速每增大10 km·h-1,轮轨噪声和桥梁结构噪声分别约增大1.7和1.1 dB;不同车速下城市轨道交通高架噪声随距离的衰减规律基本一致,测点与线路中心线的距离每增大1倍,测得的噪声约减小4.33 dB;钢轨波磨对城市轨道交通高架轮轨噪声的影响较为显著,钢轨波磨的波长决定了列车以不同速度过桥时钢轨振动加速度的峰值频率,进而影响轮轨噪声的峰值频率;城市轨道交通高架结构噪声的峰值频率主要与其自身的振动特性有关,与车速和钢轨波磨的关系并不大。      

高速列车气动噪声贡献量分析

建立了3节编组的CRH380B高速列车气动噪声计算模型,包括6个转向架、2个风挡、3个空调机组和1个DSA380型受电弓等细微结构,采用基于Lighthill声学理论的宽频带噪声源模型对高速列车气动噪声源进行识别,基于高阶有限差分法的大涡模拟对高速列车近场非定常流动进行分析,并采用Ffowcs Williams-Hawkings声学比拟理论对高速列车气动噪声进行预测。计算结果表明:远场噪声计算结果与风洞试验结果的最大差值为1.45dBA,因此,高速列车气动噪声计算模型是准确的;对气动噪声贡献量由大到小依次为转向架系统(6个转向架)、车端连接处(2个风挡)、受电弓与空调机组,数值分别为83.58、79.31、74.08、59.71dBA;以受电弓开口方式运行的整车气动噪声贡献量小于闭口方式,最大声压级和平均声压级分别小于0.40、0.31dBA;头车一位端转向架对转向架系统气动噪声贡献量最大,为79.73dBA;对受电弓气动噪声贡献量由大到小依次为:碳滑板、平衡臂、弓头支架、底架、绝缘子、下臂杆、铰接结构、上臂杆、拉杆与平衡杆,数值分别为97.95、93.02、86.63、82.07、79.46、76.85、72.43、66.63、62.02、54.22dBA;在速度为350km·h-1时,受电弓气动噪声存在主频为305、608、913 Hz,且此3阶单频噪声频率是由弓头部位涡流脱落所导致的气动噪声贡献。     

受电弓区域气动激励特性及其对车内噪声的影响

基于三维可压缩黏性流体模型对350 km·h-1速度下受电弓区域的非定常流场进行模拟,分析了受电弓底板上的脉动压力特征;利用波数滤波方法,对底板区域的脉动压力进行分离,得到了对流压力和声学压力,分析了2种压力在波数和频率域的特性;基于统计能量分析方法建立了简化的受电弓区域车内噪声预测模型,分析了2种激励对车内噪声的影响。研究结果表明:受电弓底板上的脉动压力具有显著的低频特性,随着频率升高,受电弓底板上脉动压力的幅值迅速减小;受电弓底架和绝缘子尾涡是影响受电弓底板上脉动压力幅值的主要因素;对350 km·h-1的高速列车气动噪声问题,波数滤波方法能够较好地将2种激励分离;受电弓底板上的声学压力幅值远小于对流压力,主要的差异频段为800~3 500 Hz,最大差异接近20 dB, 随着频率增加,二者差异变小;虽然声学压力的幅值远小于对流压力,但其对车内噪声的影响却大于对流压力,当频率高于2 500 Hz后,声学压力激励导致的车内声压级响应比对流压力高约10~20 dB,这是由于2种激励在波数空间内的能量分布差异,使得声学压力具有更高的透射效率,特别是当频率高于结构的吻合频率后,声压的贡献占绝对优势,对车内噪声的影响不可忽视。      

城市轨道交通桥梁-声屏障系统结构噪声特性与预测

针对列车通过城市轨道交通高架时引起的桥梁-声屏障系统结构噪声问题，在某市域铁路箱梁段分别选取无声屏障和直立式声屏障地段，开展噪声现场测试；通过对比无声屏障和直立式声屏障地段的测试结果，分析了箱梁-声屏障系统结构噪声的频谱特性；基于有限元-边界元法，建立了箱梁-声屏障系统振动声辐射数值计算模型，研究了箱梁-声屏障系统结构噪声的空间分布规律，探讨了车速和声屏障高度对箱梁-声屏障系统结构噪声的影响。研究结果表明:当列车以约93 km·h-1的速度通过时，直立式声屏障对高频轮轨噪声起到了很好的降噪作用，但会使低频结构噪声增大；声屏障结构噪声的影响主要集中于160 Hz以下的低频段，箱梁-声屏障系统结构噪声的峰值出现在63 Hz左右；箱梁-声屏障系统结构噪声呈现出近场随距离衰减较快，远场随距离衰减越来越慢的趋势，箱梁正上方和正下方的结构噪声均超过96 dB，距离桥梁中心线120 m处的结构噪声衰减至72 dB；声屏障结构噪声对于梁侧声场的影响较大，与无声屏障地段相比，设置了高度为3.15 m的直立式声屏障之后，梁侧结构噪声增大了2~5 dB；当车速由93 km·h-1增大到120 km·h-1时，箱梁-声屏障系统结构噪声辐射在梁侧最大增加7 dB以上；当声屏障高度由3.15 m增大至6.3 m时，箱梁-声屏障系统结构噪声辐射在梁侧最大增加3 dB以上。      

轨道交通列车不同运行速度下噪声特性对比研究

为了研究轨道交通列车不同运行速度状态下的噪声水平,利用同济大学轨道交通综合试验线对轨道交通列车运行时辐射噪声进行测试与分析,得出各监测点在不同运行速度下的噪声强度和频谱特性。结果表明：在车速小于47 km＆#183;h-1范围内,随着列车速度的增加,各监测点噪声值不断增大,基本呈线性增长;在4种不同车速工况下,距离噪声源越近,高度越高,噪声值越大;相反,距离噪声源越远,高度越低,噪声值越小。在不同运行速度下,各测点的主峰频率都在800 Hz左右,而噪声能量的主要分布范围随车速的提高而有规律地变化,随着行驶速度的提高,噪声能量的主要分布范围逐渐向800 Hz主峰频率趋近。研究结果可为轨道交通噪声措施的制定及噪声预测提供数据基础与科学依据。     

强降雨环境下高速列车空气动力学性能

为研究强降雨对高速列车空气动力学性能的影响, 利用Euler-Lagrange方法建立了强降雨环境下高速列车空气动力学计算模型; 空气建模为连续相, 采用Euler方法描述, 雨滴建模为离散相, 采用Lagrange方法描述, 并采用相间耦合方法对降雨环境进行模拟; 分别开展列车气动性能计算及雨滴降落仿真, 并与试验数据进行对比, 验证计算方法的准确性; 数值仿真了强降雨环境下高速列车的流场结构和气动特性。计算结果表明: 随着降雨强度的增加, 在雨滴的冲击作用下, 流线型头型前端区域的正压逐渐增大, 流线型头型后端区域的负压逐渐减小, 从而导致头车气动阻力增大; 降雨强度对高速列车头车气动阻力系数的影响较为显著, 而对气动升力系数的影响较小; 与无降雨环境相比, 当降雨强度为100~500 mm·h-1时, 200 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.004 0~0.020 4, 气动阻力增加85~432 N, 增大率为2.64%~13.46%;300 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 7~0.013 7, 气动阻力增加129~652 N, 增大率为1.78%~9.05%;400 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 3~0.009 8, 气动阻力增加195~829 N, 增大率为1.52%~6.49%, 因此, 不同车速下, 气动阻力系数随着降雨强度的增加而增大, 且与降雨强度近似呈线性关系; 当车速为300 km·h-1, 降雨强度为100 mm·h-1, 雨滴粒径由2 mm增加为4 mm时, 气动阻力系数由0.152 0增大到0.154 9, 气动阻力增加138 N, 增大率为1.91%, 因此, 高速列车气动阻力系数随着雨滴粒径的增加而增大, 且与雨滴粒径近似呈线性关系。      

高速列车底部空气流动特性对转向架区域积雪的影响

针对高速列车转向架区域的积雪问题, 建立了包含精细化转向架的列车空气动力学模型; 采用分离涡模拟方法, 对运行速度为350 km·h-1的高速列车周围空气流场进行了模拟, 分析了空气流场特性对车底与转向架区域雪粒输运的影响; 提取了涡核线, 研究了转向架区域的涡流特征与雪粒输运的关系。研究结果表明: 车底气流主要由前后轮对后部向上翻转进入转向架区域, 绕轮轴形成旋转气流; 转向架底部区域涡量大于1 000 s-1, 涡流基本为纵向; 转向架顶部区域涡量小于200 s-1, 涡流基本为纵向; 转向架轮对与前后端墙的空隙处涡流多为竖向, 且后部轮对处的涡量较前部轮对处大5倍以上; 转向架内部区域涡量小于200 s-1, 涡流走向杂乱; 涡流的尺度、强度与走向特性反映出进入转向架区域的气流具有较强的挟带雪粒的能力, 而流出转向架的气流挟带雪粒的能力较弱; 头车下部区域负压较大, 车底与裙板两侧存在强度较大的涡流, 易卷起轨道积雪形成雪烟; 除头车外, 车底与转向架表面绝大部分区域壁面剪切应力小于1 Pa, 对应的摩擦风速小于0.9 m·s-1, 沉积的雪粒不易被内部气流剪切走。      

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明:在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h-1,以保证列车行车安全。      

高速公路超高过渡段几何线形对小型客车滑水速度的影响

为了揭示高速公路不同超高过渡段线形指标下小型客车滑水速度变化规律,考虑小型客车滑水过程轮胎受力特征,分析了滑水速度与水膜厚度和超高过渡段几何线形的作用关系;应用多元线性回归和流体力学仿真建立了高速公路超高过渡段小型客车滑水速度量化模型,计算了降雨强度、纵坡坡度、超高渐变率等多变量组合下的小型客车临界滑水速度;以典型双向四车道高速公路超高过渡段为例,分析了降雨强度、纵坡坡度、超高渐变率对小型客车滑水速度的影响规律,并给出了超高过渡段小型客车限制速度建议值。研究结果表明:小型客车滑水速度最大值出现在纵坡坡度为0.3%、超高渐变率为1/200、降雨强度为20 mm·h-1组合工况下,为115.5 km·h-1,滑水速度最小值出现在纵坡坡度为3.0%、超高渐变率为1/330、降雨强度为80 mm·h-1组合工况下,为99.3 km·h-1;在降雨强度和超高渐变率一定的情况下,随着纵坡坡度增大,滑水速度逐渐减小,当纵坡坡度由0.3%增加到3.0%时,滑水速度减小2.68%;在降雨强度和纵坡坡度一定条件下,随着超高渐变率增大,滑水速度逐渐增大,当超高渐变率从1/330增加到1/200时,滑水速度上升了2.25%;增加纵坡坡度会降低滑水速度,但当降雨强度增加到一定程度,纵坡坡度、超高渐变率对滑水速度的影响趋于平缓;当降雨强度为20~80 mm·h-1时,双向四车道高速公路限速建议值为95.0~115.0 km·h-1,但不应大于其设计速度。      

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。      

400km·h-1变轨距动车组转向架关键技术综述

针对国内400 km·h-1变轨距动车组转向架的研发和设计问题,在借鉴国外成熟变轨距转向架技术的基础上,重点研究了国内高速变轨距动车组转向架的5个关键问题,即牵引电机布置方式、轮对驱动方式、轴箱轴承、变轨机构、基础制动及撒砂装置,对研究中发现的问题提出了相应的解决措施.研究结果表明:电机架悬和体悬都可以给制动盘的安装让...     

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。