高速铁路缓和曲线行车动力性能对比分析

针对三次抛物线、半波正弦和一波正弦3种线型的铁路缓和曲线,以不同的列车运行速度变化规律建立了3种不同的分析工况,理论计算了车体横向加速度时变率。利用铁道车辆系统动力学数值仿真软件,建立了具有93个自由度的单节高速车模型,同时考虑轨道不平顺的影响,仿真计算了车体横向加速度时变率,对比分析了3种不同工况下缓和曲线上车体横向加速度时变率的变化情况。结果表明,在未考虑轨道不平顺时,列车以变化的速度运行,半波正弦更具优势,在车站两端加减速地段可以考虑采用半波正弦型缓和曲线,以提高旅客乘坐舒适度：轨道不平顺对高速行车的安全性和平稳性影响很大,应严格控制轨道平顺性。     

基于二系垂向作动器与压电作动器的动车组车体振动控制

为了减小高速动车组车体刚性与弹性振动, 提出了一种基于二系垂向作动器与车体压电作动器的高速动车组车体振动主动控制方法; 基于某型高速动车组, 设计了一种在车辆二系安装垂向作动器, 在车体底架布置压电作动器, 运用H_∞鲁棒最优控制器进行车辆协调控制的主动减振方法; 建立了基于车辆动力学参数的刚柔耦合减振力学模型, 采用H₂及H_∞准则优化压电作动器与压电传感器布置位置, 运用鲁棒最优控制方法设计了H_∞反馈控制器; 利用MATLAB仿真了减振装置与主动控制方法对车辆动力学性能的影响, 比较了被动悬挂车辆、仅安装二系垂向作动器车辆与采用主动控制车辆的动力学性能差异。研究结果表明: 压电作动器与压电传感器布置在距车体左端距离为7.15、12.25、17.35m处车体一阶及二阶弹性模态归一化H₂及H_∞范数最大, 可以作为压电作动器与传感器的布置位置; 基于二系垂向作动器与车体压电作动器的鲁棒最优控制方法能够有效地抑制车体的振动, 一阶垂弯振动频率处车体中部和转向架上方的加速度功率谱分别减小为被动悬挂车辆的5%、10%;速度越大, 振动加速度抑制效果越明显, 当车辆的运行速度为200km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小10%, 当车辆的运行速度为350km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小18%;相对于被动悬挂, 二系垂向作动器输出力功率谱在车体浮沉与点头振动频率处的量级为106 N2·Hz-1, 对车体刚性振动有较大抑制作用, 压电作动器电压功率谱在车体一阶垂弯振动频率处达到峰值4 000V2·Hz-1, 对车体弹性振动有较大抑制作用。      

高速列车--轨道动态耦合振动响应分析*

利用多体系统运动学理论以及多体动力学软件 SIMPACK精确的建立国内某主型动车与轨道系统的耦合动力学模型,通过在 SIMPACK软件中仿真车辆在不同速度下的运动状态,对该型车的垂动加速度,横向振动加速度、轮轨垂向力、轮轨横向力、车体垂向位移、车体横向位移等数据进行分析,得到振动响应随速度的变化。进一步分析根轨迹值得出自然阻尼与振动频率的分布曲线图,判断车辆振动与速度的关系以及在该速度下车辆是否失稳,为轨道、车辆结构设计提供一定的参考。     

牵引杆附加刚度效应对地铁车辆垂向动力学性能的影响

为了解决地铁车辆踏面过度磨耗、剥离、失圆及产生的车体垂向动力学性能超标问题,通过车辆结构理论分析及动力学仿真,研究了牵引杆的附加刚度效应.结果表明:车辆制动系统不是导致上述问题发生的主要原因,短牵引杆及其两端大的连接刚度引起的附加刚度效应是导致车体对垂向振动冲击敏感的根源;在车辆制动或通过曲线轨道时,牵引杆装置的附加刚度效应可降低二系悬挂系统的隔振能力;考虑牵引杆的附加刚度效应时,车辆对垂向振动的冲击响应显著增大;将牵引杆的连接刚度减小到现有刚度的25％时,可以降低车体对垂向冲击的响应,改善车辆的垂向动力学性能.     

基于SIMPACK的磁悬浮车辆耦合动力学性能仿真模型

为了有效评价磁悬浮车辆动力学性能,引入SIMPACK仿真软件,根据磁悬浮车辆多体系统动力学拓扑关系图,建立了磁悬浮车辆-轨道-控制系统的耦合动力学模型,分析了试验结果和仿真结果。在模型中,磁悬浮车辆被视为多刚体,并具有两系悬挂系统,轨道被视为弹性欧拉梁,并考虑了磁悬浮车辆的控制系统性能。数值分析结果表明:梁的最大变形的计算值为1.5mm,试验值为1.6mm,车体的垂向加速度仿真结果与试验结果基本一致,利用仿真模型能较准确地预测耦合系统的动力学性能。     

基于柔性多体动力学的地铁车辆半主动控制

为了对地铁车辆的运行性能实现更准确的评估和更有效的优化,借助有限元理论和子结构理论建立了车体和转向架构架等关键零部件的柔性动力学模型;基于天棚半主动控制算法和柔性多体动力学理论,建立了考虑半主动控制悬挂的地铁车辆刚柔耦合动力学模型;考虑轨道随机不平顺的影响,研究了半主动控制悬挂以及结构柔性对地铁车辆运行稳定性和乘坐舒适性的影响。研究结果表明:相对于传统的悬挂装置,天棚半主动控制极大降低了车辆的振动加速度,并使其变化趋势更加平缓,对车辆的低频振动有明显的抑制作用;采用本文的研究参数,天棚半主动控制在直线段可使车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度均方根(RMS)分别降低26.8%和7.5%,使车体横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低8.8%和4.9%,而在曲线段,天棚半主动控制可使车辆垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS分别降低25.1%和5.7%,使横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低15.6%和8.3%,车辆的乘坐舒适性和运行稳定性大幅提升;考虑结构柔性时,车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS相比于未考虑结构柔性时分别增大了4.3%和6.8%,横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别增大了3.0%和3.4%。可见,车体和构架的结构柔性对车辆的动态特性有较大影响,在对车辆运行稳定性和乘坐舒适性进行计算和评估时不可忽略。      

基于多车型CNN-GRU性能预测模型的轨道状态评价

不同车型高速综合检测列车的动力学传递特性不同，使得其对同一线路的车体加速度评价结果存在一定差异.为解决上述问题，本文基于多列动检车的检测数据，将卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）与门控循环单元（gated recurrent unit,GRU)相结合，建立了多车型车辆动力学响应预测模型，通过输入多项实测轨道不平顺和车速预测各车型的车体垂向和横向加速度，并将多车型车体加速度预测值的最大包络作为轨道状态评价依据.结果表明：将高低、轨向不平顺等8项轨道不平顺和车速共同作为输入参数的模型预测性能最优，车体垂向和横向加速度预测的评估指标分别提升了5%～13%和25%～36%;CNN-GRU模型所预测的车体加速度在时域和频域均与实测结果吻合较好，相关系数最大达到0.902；且相比于BP (back propagation)神经网络，各项车体垂向和横向加速度预测的评估指标分别提升了36%～109%和11%～167%；针对某轨道几何状态不良区段应用效果，预测6种车型中有4种车型达到车体垂向加速度Ⅰ级或Ⅱ级超限，有1种车型达到车体横向加速度Ⅰ级超限，提高了轨...     

基于弹性车辆系统和OTPA方法的车辆振动传递特性分析

为了准确分析轨道车辆在较宽频域范围内的振动特性及传递规律,提出了一种基于弹性车辆系统动力学仿真模型的工况传递路径分析(OTPA)方法;建立了包含柔性轮对、构架和车体的弹性车辆系统动力学模型和与之结构参数完全相同的刚体模型,从时域的角度研究了轮对、构架和车体的振动特性,并将仿真结果与实测数据进行了对比,探究了弹性处理方式对车辆振动的影响,得出了振动能量的衰减规律;从频域的角度研究了在实测钢轨垂向不平顺的激励下,弹性车辆系统的振动特性;运用OTPA方法仿真分析了钢轨垂向不平顺结合车轮多边形的复杂工况下,车辆系统从轮对到构架至车体这一自下而上的振动传递过程当中垂向振动的主要传递路径。研究结果表明：车辆系统的弹性处理方式对整车振动有重要影响,弹性模型的轮对、构架和车体的振动加速度相比于刚体模型在中低频范围内更接近实测值,轴箱、构架和车体的最大振动幅值分别为250～450、30～40、3～4 m·s^-2,由轮对至构架到车体,振动幅值呈一个数量级衰减;弹性模型的平稳性指标大于刚体模型,并且速度越大趋势越明显,车辆的弹性振动对运行性能的影响随着速度的提高而增大;车辆系统在复杂工...     

多模块铰接式车体小曲线通过性能研究

对多模块铰接式车体的曲线通过进行了仿真分析与试验.分析了多模块铰接式车辆的架构和主要技术参数,利用MSC ADAMS多体系统动力学软件分析车辆在15 m最小平曲线半径、S型曲线及最小缓和曲线半径(R=200 m)爬坡(坡度13%)工况下结构运动自由度及结构部件之间的干涉情况,并计算铰接位置的相对运动转角;利用1:1的模型车进行曲线通过验证,确认车体满足车辆运行需求.将仿真分析与试验结果对比,确认仿真计算与试验情况相符.     

多柔体车辆耦合系统对动力学性能的影响

研究轨道车辆在运行状态下,刚柔耦合建模方式的车辆系统对动力学性能的影响程度.以某型高速动车组拖车为研究对象,基于SIMPACK多体动力学软件分别建立多刚体车辆模型和由柔性轮对、柔性构架以及柔性车体结构耦合的刚柔耦合车辆模型,通过对两者在不同运行速度和不同运行线路工况仿真计算的结果进行对比,从而评价采用刚柔耦合建模方式对动力学性能方面的影响.结果表明:对比多刚体车辆计算结果,刚柔耦合车辆整体上在稳定性、运行品质和曲线通过性能等指标结果表现较差,尤其在高速运行状态下,刚柔耦合车辆在垂向方向上影响更加剧烈.     

基于弹性车体模型的高速客车动态响应

为了在动力学仿真模型中考虑车体的弹性,使仿真计算结果更接近实际,并为车体轻量化提供理论基础,建立了基于车体弹性和刚性的高速客车非线性动力学模型,分析了车体弹性振动对运行平稳性的影响。通过该车的整车滚振试验台试验,对动态响应的仿真计算结果进行了试验验证。车辆一阶垂向弯曲自振频率对车辆心盘和车体中心测点的平稳性指标影响曲线表明：在车体中心点,两个模型的平稳性指标差异较大,客车运行速度的提高使车体弹性对车体响应的影响加大,因此对采用铝合金等轻型材料的高速客车车体,设计中必须提高车体的一阶垂向弯曲频率。     

高速铁路路基不均匀沉降的动力学识别

高速铁路路基不均匀沉降直接影响列车的动力特性.本文建立了车辆轨道路基空间耦合动力学模型,对沉降区车体振动、轮轨力、钢轨加速度和轨道板加速度等动力特性进行了分析.在车辆动力响应和轨道动力响应中,车体垂向振动加速度受路基不均匀沉降影响最为明显,且最有规律可循.将车体垂向振动加速度作为输入量,基于RBF神经网络对路基不均匀沉降的弦长和幅值进行识别,通过网络逼近性能和输出结果的训练不断优化神经网络模型,最后可得预测效果误差小于2％,可用于路基不均匀沉降的识别.     

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.     

紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用

为了优化坡道上钢弹簧浮置板轨道的设计, 在考虑轮轨纵向作用关系与钢弹簧浮置板轨道特点的基础上, 运用多体动力学理论和有限元法建立了紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用模型, 利用多体动力学软件UM验证了模型的有效性, 分析了车辆与轨道的动力响应。研究结果表明: UM软件与本文模型计算得到的车体纵向加速度和轮轨纵向力平均相对误差分别为1.3%、2.8%;在紧急制动过程中, 车体始终处于向前点头和纵向振动的状态, 导致前轮增载, 后轮减载; 由于板与板之间不连续, 钢轨和浮置板之间会产生纵向相对错动, 须注意钢轨与浮置板之间不协调的纵向变形; 间隔2组扣件布置一对隔振器方案(方案1) 所得板端钢轨垂向位移比板中大0.2 mm, 间隔2组扣件布置一对隔振器, 再间隔3组扣件布置一对隔振器方案(方案2) 所得板端钢轨垂向位移比板中小0.5 mm; 2种布置方案下, 轨道纵向变形相差不超过5%, 扣件和钢弹簧受到的纵向作用力相差不超过15%;短波轨道不平顺显著加剧了钢轨和浮置板的垂向振动效应, 不平顺状态下钢轨最大垂向加速度可达15g左右; 钢弹簧浮置板轨道可以降低传递到基础底部的垂向振动, 加速度降幅约为0.2 m·s-2, 但会显著放大低频段钢轨、浮置板的垂向振动, 振动量增幅约为15 dB。      

曲曲连接新型缓和曲线线形动力特性分析

采用边界条件法,提出满足连接圆曲线与圆曲线的新型缓和曲线,建立三种不同的计算工况,利用MATLAB数值计算分析列车以高速通过不同曲曲连接方式对乘车舒适性的影响,采用通用的机械动力学/运动学仿真分析软件Universal Mechanism（简称UM）软件进行动力仿真,通过理论计算与仿真分析得出新型缓和曲线较三次抛物线少了两个连接点（缓直点和直缓点）,对舒适性有较好的改善,为高速铁路缓和曲线的选择提供借鉴。     

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。      

提速线路轨道不平顺波长的动力仿真

基于耦合动力学理论,利用有限元方法建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,输入不同截止波长的不平顺数据进行动力仿真计算,以确定轨道不平顺管理波长范围.高低不平顺主要影响车体的沉浮和点头运动,引起车体垂向加速度增大;轨向不平顺主要影响车体的侧滚和摇头,引起车体横向振动加速度增大.长波不平顺的影响主要体现在车体振动上,因此本文选定车体加速度作为确定不利波长的判定指标,对提速线路200km/h和250km/h速度下轨道不平顺波长管理的范围进行了探讨,并提出了提速线路轨道不平顺波长管理的建议.     

底座板脱空对板式无砟轨道行车动力特性的影响

采用有限元动力学软件ANSYS/LS-DYNA,建立了底座板脱空条件下车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型,以分析底座板脱空对车辆和轨道系统动力性能的影响.计算结果表明:当底座板下纵向脱空长度小于3.125 m(脱空面积10 m2)时,对车辆及轨道系统动力响应的影响较小;当底座板下纵向脱空长度超过3.125 m时,钢轨垂向位移、转向架及车体垂向加速度显著增大,可能危及行车舒适性和安全性,因此建议底座板下纵向脱空长度限值不超过3.125 m.      

液压减振器失效对跨座式单轨车辆动力学性能的影响分析

以某国产跨座式单轨车辆为研究对象,采用动力学仿真软件建立跨座式单轨系统动力学仿真模型,分析液压减振器不同失效工况对车辆动力学性能的影响.重点考察了倾覆系数、水平轮径向力、车体侧滚角和运行平稳性指数.分析结果表明:车辆在曲线轨道运行过程中,液压减振器不同位置失效工况下车辆的倾覆稳定性、抗脱轨稳定性与运行安全性均会变差,且发生工况五或工况六时,动力学性能最差,此时会严重影响到车辆的稳定运行,应减速停车疏散乘客;而车辆在直线轨道以最高运行车速75 km/h运行时,液压减振器不同的失效工况下车辆的横向和垂向平稳性与正常工况运行相比,横向平稳性影响较小,但对车辆的垂向平稳性影响较大.     

地铁车辆直线电机恒隙控制仿真

为了研究直线电机悬挂方式对车辆动力学性能的影响,以及通过主动悬挂以减小直线电机气隙变化和轮轨冲击力,建立了基于多体动力学的地铁车辆仿真模型。采用经典电磁场理论建立了直线电机电磁力仿真模型,以及机电作动器驱动的直线电机恒隙控制系统模型。采用数值仿真研究了直线电机恒隙控制方法及其对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明:直线电机采用架悬结构并选择大挠度的一系垂向弹簧时,气隙变化主要是由载荷变化引起的,变化频率很低,易实现恒隙控制。恒隙控制可以保证车辆在不同荷载工况下满足气隙要求,降低轮轨垂向作用力10kN左右,减小车体垂向平稳性指标0.1左右。车辆动力学性能较传统直线电机车辆得到改善,并能提供平稳的牵引力。