转K7型转向架轮对径向装置抗剪刚度设计

针对转K7型副构架式自导向径向转向架,通过相关结构受力与刚度串并联关系分析,明确了决定其轮对径向装置抗剪刚度的几何和刚度参数,构建了抗剪刚度的数学计算公式.基于车辆系统动力学分析技术,确定了转K7型转向架轮对径向装置所需抗剪刚度为11 MN·m-1.考虑转向架结构实际受限条件,对轮对径向装置各组成件的几何和刚度参数进行匹配设计.首先设计确定出对角斜撑角和连接杆轴向拉压刚度分别为42.和150 MN·m-1,然后使用抗剪刚度数学计算公式导出所需的副构架结构横向刚度应不小于23.6 MN·m-1,进而按该参数要求对副构架结构进行相应设计.考虑部件间接触配合关系,建立了轮对径向装置的高仿真非线性有限元装配体分析模型.计算结果表明:结构横向刚度为24 MN·m-1,达到了轮对径向装置抗剪刚度的设计要求;抗剪刚度为所需设计值11 MN·m-1,验证了抗剪刚度数学计算公式和设计方法的可靠性.     

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%。      

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。     

高速动车组轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响

为分析钢轨波磨、车轮多边形等轮轨短波不平顺条件下轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响,分别从仿真计算、现场试验和台架试验3个方面进行综合分析,通过建立车辆-轨道刚柔耦合系统动力学仿真模型,分析了钢轨波磨和车轮多边形对轮轨耦合振动的影响,并在武广高铁进行了钢轨波磨条件下新、旧轴箱转臂节点对轴箱振动响应的影响试验,在滚动试验台上进行了高阶车轮多边形条件下新、旧轴箱转臂节点对转向架振动响应的影响试验;对已服役运用120万公里的A、B型轴箱转臂节点进行了1 000万次疲劳耐久性试验,论证了服役轴箱转臂节点疲劳可靠性的安全裕量。研究结果表明:在钢轨波长为120 mm,车轮多边形为20阶,钢轨波磨和车轮多边形波深均为0.04 mm的条件下,当轴箱转臂节点径向刚度由40 MN·m-1增加到200 MN·m-1时,钢轨振动加速度、轴箱振动加速度和轮轨垂向力基本不变,在钢轨波磨和车轮多边形等短波激励下,轴箱转臂节点刚度变化不会对轮轨耦合振动产生明显影响;随着疲劳试验次数的增加,轴箱转臂节点径向和轴向刚度均逐渐下降,退役轴箱转臂节点在经历1 000万次疲劳耐久性试验后外观状态基本无改变,芯轴与橡胶粘接部分出现轻微开胶和裂纹,开胶和裂纹深度不大于5 mm,橡胶本体均无裂纹,各项性能满足《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》(TB/T 2843—2015)中的规定。      

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.     

地铁隧道橡胶浮置板轨道纵向连接理论研究

建立了地铁列车-橡胶浮置板轨道-隧道耦合动力学模型,用MATLAB编制了相应的耦合动力仿真程序,并用ANSYS软件对耦合动力仿真程序计算结果进行了验证.运用耦合动力仿真程序,以地铁B型列车以80 km· h-1分别运行在地铁隧道3种浮置板长度、5种橡胶刚度的橡胶浮置板线路上为例,计算了橡胶浮置板纵向连接方式对耦合系统动力特性的影响.计算结果表明:浮置板纵向铰接对车辆各部件动力特性、最大轮轨力、钢轨动力特性、橡胶垫动力特性、隧道动力特性影响较小,影响在10％以内.浮置板纵向铰接后,浮置板振动加速度有较大幅度的降低,但浮置板最大正弯曲应力有一定幅度的增加.当浮置板较长并且橡胶减振垫刚度较低时,浮置板纵向铰接后,2块相邻浮置板连接处扣件最大拉力有较大幅度的降低,降低幅度可超过80％.浮置板长度为1.25 m时,浮置板轨道不需要纵连铰接;浮置板长度为5.00 m时,橡胶减振垫刚度小于0.01 N· mm-3,浮置板轨道需要纵连铰接;浮置板长度为31.25 m时,橡胶减振垫刚度小于0.02 N·mm-3,浮置板轨道需要纵连铰接.     

新型全自动轨道巡检车动力学性能

为准确评估某新型全自动智能轨道巡检车的动力学性能,开展了轨道巡检车动力学数值仿真;轮轨接触采用非椭圆多点接触Kik-Piotrowski算法模拟,车辆系统建模过程中考虑悬挂力元非线性与轮轨接触几何非线性特性等因素,同时考虑车载设备参振影响;针对车轮踏面表面包裹高硬度聚氨酯的特殊结构,利用有限元软件ABAQUS建立了轮轨局部接触模型,采用Mooney-Rivlin橡胶模型模拟了聚氨酯特殊性质,计算了轮轨等效接触刚度;根据有限元计算结果修正了Kik-Piotrowski算法中的相关参数;基于Craig-Bampton模态综合法和多体动力学软件UM建立了车辆-轨道刚柔耦合模型;为验证仿真模型的准确性,开展了实车动力学试验;重点分析了直线和300 m小半径曲线,运行速度10~30 km·h-1工况下巡检车的振动响应。研究结果表明:车辆正常运行时,中间视觉模块垂向最大加速度大于左侧视觉模块垂向最大加速度,横向最大加速度小于左侧视觉模块横向最大加速度,车架最大加速度大于视觉模块最大加速度;车架中部易产生垂向弯曲变形,和视觉模块安装位置有胶垫减振有关;轨道巡检车在直线和300 m小半径区间运行性能整体良好,其中车辆在300 m小半径曲线段内30 km·h-1运行时,轮重减载率最大可达0.92,车架部位振动响应较大,为保证车载设备的安全性和避免车辆脱轨的风险,建议曲线段内检测速度控制在20 km·h-1左右。      

快捷货车抗蛇行减振器性能参数对动力学性能影响分析

基于车辆系统动力学理论,建立160 km/h快捷货车动力学模型,仿真分析了抗蛇行减振器的节点刚度、阻尼系数和卸荷速度对快捷货车动力学性能的影响.研究结果表明,适当增大减振器的阻尼系数可显著提高快捷货车的临界速度,并改善快捷货车的横向平稳性;随着减振器节点刚度的增加,快捷货车的临界速度先增大后减小,在节点刚度约为12 MN/m时,临界速度达到最大值;快捷货车的临界速度随减振器卸荷速度的增加而降低;抗蛇行减振器性能参数对轮轨相互作用的影响是有限的.     

基于涡激振动的动车组隧道内列尾横向晃动机理

针对时速160 km动车组在单线隧道内列尾横向晃动问题,提出列尾气流涡脱效应引起车体涡激振动而导致列尾横向晃动的机理,研究了车辆悬挂参数改进等相关抑制措施;根据某动力车结构参数,建立车辆横向动力学模型,结合半经验非线性涡激振子模型,实现涡激振动时车辆流固耦合横向动力学计算。计算结果表明:单线隧道内动车组列尾较大的横向涡激力以及涡激频率与车体蛇行频率共振是引起晃车的主要原因;减小横向涡激力、提高车辆蛇行运动稳定性是减小晃车幅值的有效措施;针对该动力车,需避免较低等效锥度的轮轨接触,以防车辆一次蛇行导致涡激振动加剧;当转向架抗蛇行减振器阻尼由800 kN·s·m-1减小到400 kN·s·m-1,涡激共振时车体后端横向振动加速度幅值减小40%;车辆二系横向悬挂采用天棚阻尼半主动控制时,可以有效减小涡激共振区车体横向振动幅值,并能兼顾车体前后端横向平稳性。      

机械式半主动控制橡胶节点的计算机仿真

橡胶节点的研究是为了有效解决车辆稳定性与曲线通过性能之间的矛盾,而可控的轴箱纵向定位刚度是解决这个问题的关键.为了解决这一问题,根据自导向径向转向架的设计要求,提出一种新型机械式半主动控制橡胶节点,它能够在保证车辆在具有较高稳定性的前提下,提升车辆的曲线通过能力,降低轮轨磨耗.对新型机械式半主动控制橡胶节点的基本结构及其工作原理进行了详细的介绍,并用SIMPACK对其在不同工况下的动力学性能进行仿真分析,证实了该设计方案为解决车辆稳定性和曲线通过性能之间的矛盾提供了新的方法,而其应用的可行性和可靠性还有待在实践中做进一步的论证.     

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。      

高速列车运动稳定性设计方法研究

从车辆结构特征和系统参数对高速列车运动稳定性影响的关系出发,提出了合理的遏制车辆蛇行失稳控制策略,并利用灵敏度分析对控制策略进行了验证.针对系统参数的非线性影响、工程应用以及服役特性,探讨了临界失稳速度设计目标值的确定原则;从车体质量、二系悬挂刚度及阻尼、轴箱纵横向定位刚度等悬挂参数的工程应用角度,给出了参数的选择范围;从列车运动稳定性对参数灵敏度和参数对动力学性能的影响,提出了基于灵敏度的优化原则和性能均衡原则,并引入了运动稳定性的可靠度设计理念.      

横风下高速列车动力学参数的多目标优化

为改善高速列车横风下运行的动力学性能, 提高运行平稳性和安全性, 以轮轴横向力和轮重减载率为优化目标, 对高速列车动力学模型的悬挂参数进行多目标优化设计; 建立高速列车多体动力学参数化模型, 依照大风限速标准, 加载列车在横风下以不同速度运行的气动力数据, 选取了止挡间隙、一系悬挂纵向和垂向刚度、二系悬挂纵向和垂向刚度、一系垂向减振器刚度、二系横向和垂向减振器刚度、抗蛇形减振器刚度及阻尼11个变量; 搭建高速列车动力学模型优化平台, 对高速列车多体动力学参数化模型的设计参数与轮轴横向力和轮重减载率的相关性进行分析, 得到列车各悬挂参数对轮轴横向力和轮重减载率的影响趋势; 基于相关性结果, 采用NCGA、AMGA和NSGA-Ⅱ遗传算法对高速列车的动力学参数进行优化设计。分析结果表明: 采用NSGA-Ⅱ算法的优化结果最为理想; 与轮轴横向力和轮重减载率相关性最大的参数为抗蛇形减振器刚度, 为反效应; 优化后列车的动力学性能得到明显的改善, 轮重减载率从原始的0.78整体优化到0.63以下, 且最小可以优化到0.49, 最高可降低37.2%;轮轴横向力从原始的16.8 kN整体优化到9.6 kN以下, 且最小可以优化到5.79 kN, 最高可降低65.5%;得到了优化目标的Pareto前沿最优解, 确定了列车各动力学参数设计变量的最优解集, 并对最优解集在其他列车速度和风速组合下的运行工况进行验证, 适用性较好。      

基于能量法的轮对蛇行运动稳定性

为了分析轮对蛇行运动的形成机理与能量传递机制, 基于车辆系统动力学理论推导了轮对蛇行运动的能量表达式; 借助轮对运动参数的相位关系和能量表达式, 确定了轮对蛇行运动过程中各部分所做的功及其对应的能量传递路线; 通过数值仿真计算不同参数条件下的输入能量, 对比了踏面等效锥度、轮对质量、一系悬挂刚度与重力刚度等参数对轮对稳定性的影响规律。研究结果表明: 蠕滑力和锥形踏面的协同作用是轮对产生蛇行运动的根本原因, 蠕滑力中的刚度项通过调节纵、横向蠕滑率向轮对系统横向运动输入能量, 蠕滑力中的阻尼项耗散轮对系统的能量; 当输入能量大于耗散能量时, 轮对蛇行运动发散, 当输入能量小于耗散能量时, 蛇行运动收敛, 当输入能量等于耗散能量时, 轮对做等幅周期运动; 增大轮对质量和车轮踏面等效锥度不利于轮对的稳定性, 增大一系悬挂纵、横向刚度对轮对稳定性有利; 踏面等效锥度对轮对稳定性的影响最大, 当锥度由0.15增大到0.20时, 输入能量增大了约9.5倍; 一系悬挂刚度的影响次之, 刚度由75kN·m-1增大到100kN·m-1时, 输入能量减小了约60%;轮对质量影响最小, 轮对质量由1 000kg增大到2 100kg时, 输入能量增长了约1.1倍; 在锥形踏面下, 重力刚度对轮对稳定性的影响可以忽略。      

半整体式桥台无伸缩缝桥静力分析

为了克服桥梁伸缩缝病害,考虑了桥梁上部结构、下部结构和基地土的共同作用,建立了半整体式桥台无伸缩缝桥的静力计算模型。以一座长100 m PC连续箱梁桥为例,对该桥在重力、车辆和季节性温度变化荷载作用下进行了弹性大变形分析,对相应的有伸缩缝桥和整体式桥台无伸缩缝桥分析结果进行了对比。结果表明:半整体式桥台无伸缩缝桥主梁的弯矩、剪力、挠度和下部结构的轴力与有伸缩缝桥接近,但主梁中出现了轴力,下部结构弯矩和剪力较有伸缩缝桥大,说明半整体式桥台无伸缩缝桥消除了伸缩缝的病害,结构整体刚度大,是一种有应用推广价值的桥型。