基于动力学理论的轨道车辆设备安装弹性元件参数设计及应用

基于动力学理论分析技术研究设备安装悬挂元件参数,减弱设备的振动及传递,提高车辆运行平稳性和舒适性.以采用弹性设备吊挂方式的高速动车组作为研究对象,首先应用隔振理论和动力吸振器理论,初步设计橡胶减振器的垂向刚度参数,结合车体结构振动品质给出车下橡胶减振器的优选刚度;将车体视为柔性、橡胶减振器采用优选的刚度参数进行整车刚-柔耦合动力学分析,结果表明:优选参数后的车辆运行平稳性满足标准要求;对车下设备弹性吊挂车体整备模态分析,结果表明:与刚性吊挂相比,采用设计后的弹性吊挂可使车体一阶垂弯频率提高26%,验证后安装弹性元件参数为产品设计提供理论参考.     

高速列车整备车体谐振分析

针对高速列车车体与设备和悬挂之间的谐振问题,利用ANSYS对某高速列车整备车体及其车下吊挂设备进行仿真分析,结合该车体在线路试验中测得的悬挂系统的振动加速度,以此来识别车体和悬挂系统的模态参数,进而判断车体和车下设备及悬挂之间是否有谐振产生.针对该车车体仿真计算结果,为了提高车体整备状态一阶垂弯频率,质量较大的车下设备...     

车下设备对车体振动的影响

为了考虑车体的弹性振动, 将车体等效成欧拉伯努利梁, 建立了车体与设备垂向耦合振动模型, 研究了车下设备刚性悬挂与弹性悬挂对车体振动幅频特性的影响。基于模态叠加法原理建立了考虑车体弹性振动和车下设备的高速动车组三维刚柔耦合动力学模型, 分析了车下设备悬挂方式、重心偏载与弹性悬挂参数对车体振动响应的影响规律。采用欧拉伯努利梁模型的数值分析结果表明:基于动力吸振器原理, 当车下设备采用合理的弹性悬挂参数时能够有效抑制车体的弹性振动, 并提高车体的垂向弯曲频率。采用三维刚柔耦合动力学模型仿真结果表明:车辆运行速度越高弹性悬挂的优点越明显, 车下设备横向偏载主要影响车体的横向振动特性, 纵向偏载主要影响车体的垂向振动特性;当车下设备的悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时能够降低车体的整体振动水平, 当车下设备的悬挂频率低于车体的垂向弯曲频率时, 提高车下设备弹性悬挂系统的阻尼能够在一定程度上抑制车体的弹性振动。     

动车组车下设备安装刚度对车体模态影响研究

建立了包括车下设备在内的动车组车体有限单元模型,用有限单元法计算了整备车体模态,计算了车下设备吊悬刚度为静刚度、动刚度及全部刚性吊悬时的车体模态,计算分析了车下设备采用弹性吊悬时吊悬刚度改变对车体前3阶模态频率的影响.研究结果表明,采用静刚度计算得到的车体模态频率最大,动刚度时车体模态频率最低,全部刚性吊悬时车体模态频率小于静刚度大于动刚度;总体来看,随着吊悬刚度增加,车体前3阶模态随着之率增加,但在静刚度值车体模态频率出现峰值.     

动车组车下吊挂设备吊装装置的橡胶减振器研究

针对动车组高速运行下车下吊挂设备受力情况严重,这一问题以减振理论为基础,经车辆一轨道耦合动力学模型及车体模态计算,选择了车下吊挂设备自振频率范围,并结合橡胶的特性及其安装空间,确定了合理的橡胶刚度和阻尼参数,为车下吊挂设备吊装装置的橡胶减振器设计提供了依据．     

基于自适应响应面法的动车组牵引变压器弹性吊挂设计

针对某型动车组原始吊挂刚度下车体地板振动较大导致乘坐不舒适的现象,对动车组牵引变压器吊挂刚度进行优化设计。在优化设计过程中,采用拉丁超立方设计方法进行采样,根据所得的样本数据,引入自适应响应面法对变压器吊挂刚度进行优化设计,避免了传统响应面法完全依赖于最初样本点的问题。对优化设计后牵引变压器吊挂刚度的减振效果进行验证,车体地板垂向振动加速度得到大幅度降低;计算得到吊挂频率为9.0 Hz,远小于刚性吊挂时车体一阶垂弯频率;并且模态分析后一阶垂弯模态频率保持在10 Hz以上,符合动车组模态匹配要求。     

高速动车组车体模态分析建模方法及试验验证

基于"刚度等效"原则,建立某自主研发的高速动车组车体刚结构有限元模型,车体一阶垂向弯曲和一阶扭转的振动频率的数值解与模态试验值的误差分别为2.75%和7.90%;在此基础上,以整备状态车体有限元模型重心与实际重心一致为质量分布原则,创建五种整备状态车体模态分析模型.模态分析结果表明:与实际重心最接近的模型5的计算结果与试验结果最为接近,误差分别为0.03%和6.85%;建议车体方案设计阶段采用模型2的建模方法估算整备状态车体模态.     

高速综合检测列车车体与车下设备耦合振动分析

针对时速400km高速检测列车,建立了刚柔耦合的车辆非线性系统动力学模型,探讨了车下弹性悬挂系统的振动特性．通过仿真和理论分析,研究了检测列车整备状态车体结构模态参数与车下悬挂设备模态参数间的匹配关系,给出整备状态车体与车下有源设备最佳模态参数匹配原则,确定了车体与车下设备悬挂件最佳匹配参数．研究结果表明：该方法可以根据车下悬挂系统的动态响应,有效确定时速400km高速检测列车的最佳车下悬挂方案．     

动车组车体车门设计及模态性能改进

车体模态频率是影响车体性能的重要动力学参数,车体模态计算和分析是设计过程中的重要内容.建立了城际动车组铝合金车体有限单元模型,用有限单元法计算了车体模态,分析了车门位置、车门高度、车门宽度、中间车门与窗口之间的距离对车体模态频率的影响.研究表明:车门位置、高度均对车体模态有较大影响,两端车门向车体两端移动可以提高车体一阶垂弯模态频率,降低中间车门高度可以明显提高车体一阶扭转模态频率.通过重新布置车门位置、修改车门尺寸及门框结构,在保证车体重量不变的情况下使车体模态频率得到了较大提高.     

动车组车体车门设计及模态性能改进

车体模态频率是影响车体性能的重要动力学参数,车体模态计算和分析是设计过程中的重要内容.建立了城际动车组铝合金车体有限单元模型,用有限单元法计算了车体模态,分析了车门位置、车门高度、车门宽度、中间车门与窗口之间的距离对车体模态频率的影响.研究表明:车门位置、高度均对车体模态有较大影响,两端车门向车体两端移动可以提高车体一阶垂弯模态频率,降低中间车门高度可以明显提高车体一阶扭转模态频率.通过重新布置车门位置、修改车门尺寸及门框结构,在保证车体重量不变的情况下使车体模态频率得到了较大提高.     

基于动车组车体结构改进的低阶模态分析

车体前三阶模态特别是一阶垂向弯曲模态是车体设计中需要控制的一个重要参数.车体结构的改进设计,必然会使引起车体的振动模态数改变.因此分析出车体各大部件的结构变化对于车体低阶模态的影响因素及其规律,为车体创新性设计提供了一个可参考的设计原则.     

动车组车下吊装设备用橡胶减振器的研制

根据吸振器原理和隔振原理,结合动车组的相关参数计算出车下设备(变压器)的总刚度要求;建立车下设备吊装框架有限元模型,计算出各吊点吊装载荷,并按载荷比例将总刚度分配到各吊点;利用有限元手段对车下设备用橡胶减振器进行仿真,并结合橡胶件研发经验设计研制出橡胶减振器.试验证明,研发的减振器在吊装刚度,强度和动态减振方面均符合设计要求.     

高速动车组弹性车体和设备耦合振动特性

为研究车体和车下设备之间的耦合振动关系,建立了高速动车组的车辆刚柔耦合系统动力学模型;考虑车体弹性模态振动,采用扫频激励法,仿真分析设备质量、刚度、阻尼和安装位置对系统振动的影响;研究了不同参数相互作用下的振动特性.研究结果表明:与设备采用固接方式相比,弹性联接可显著降低车体弹性振动,设备质量越大且越靠近车体中部安装,对抑制弹性振动效用越显著;设备质量小于1.0 t或者距离车体中心6 m以上时,降低弹性振动的效果较小,阻尼比为5%~30%时,效果较好.利用机车车辆滚动振动试验台进行设备悬挂振动特性测试,表明设备采用弹性联接可显著改善高速动车组的乘坐平稳性,运行速度等级越高,效果越显著,最大可改善约15%.      

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.     

CRH2G高速列车车体振动性能分析

对新型高寒抗风沙动车组CRH2G七车车体,利用ANSYS软件进行建模和仿真计算,获取车体前4阶整车模态参数,并与运行模态试验测试结果作对比,验证了有限元模型的正确性.根据模态仿真分析结果,得到车体振动频率和振型等固有参数,同时也验证了CRH2G型车体最重要的一阶垂向弯曲振型对应的固有频率大于10 Hz,符合设计标准要求,为车体振动性能改进及优化设计提供参考依据.     

高速动车组制动风缸吊装结构振动特性分析

为了解制动风缸吊装结构的振动特性,应用有限元分析软件ANSYS对两种吊装结构的风缸单元进行模态分析和瞬时振动加速度下的结构响应分析,获得了吊装结构的各阶固有频率和振型以及不同载荷工况下吊装结构的应力分布.仿真结果表明,方案一吊装结构的横向承载能力比纵向、垂向承载能力弱,横向刚度相对较低;吊装结构的最大应力出现在吊座与吊带的连接处,该位置结构强度相对较弱;方案二吊装结构的各阶固有频率和刚度均有所提高且最大应力幅值大幅降低.对比分析表明,方案二吊装结构的振动特性优于方案一.     

车下弹性吊挂设备悬挂刚度选取方法

以车体低阶弹性振动、刚体振动和设备有源振动为输入, 提出了一种能够快速、简便确定弹性设备悬挂刚度的方法;在充分考虑吊挂设备各个方向上可能出现耦合振动、设备安装间隙、允许最大振动位移等因素的前提下, 推导了任意悬挂方式吊挂设备的刚体振动频率计算公式;给出了车下弹性吊挂设备悬挂刚度的选取方法与分析流程;以某动车组为例, 建立了车体与动力包的耦合振动分析模型, 计算得到了动力包的点头、摇头、浮沉、侧滚等刚体振动频率和三向悬挂刚度的取值范围, 并对比了动力包悬挂刚度理论计算结果与有限元结果。研究结果表明:在已知车体或吊挂设备基本参数的前提下, 采用提出的方法无需通过复杂的动力学建模分析即可计算出其点头、摇头、浮沉、侧滚等刚体振动频率, 与有限元计算结果相比, 刚体振动频率的最大相对误差为6.88%;计算所得动力包刚体振动频率与车体对应振动频率的比值均有效避开了耦合区间[0.750, 1.414], 因此, 采用提出的方法可快速、准确地确定吊挂设备的刚度范围, 从而避免设备与车体之间的共振。     

基于结构稳定性的不锈钢点焊车体车顶焊点布置优化

依据结构稳定性理论,研究不锈钢点焊车车顶焊点冗余问题.首先,研究某不锈钢点焊车体的车顶焊点数量对车顶纵向刚度的影响以及车顶各区域发生屈曲的顺序,确定车顶焊点冗余区域为弧顶;然后,对该冗余区域的三种焊点布置方案进行结构稳定性对比分析,确定弧顶区域可减少3 000多焊点的布置方案;最后,将弧顶区域焊点布置映射到整车车体模型中,在EN12663-2010标准的载荷作用下,对车顶焊点优化前后车体性能进行有限元分析.结果表明:超员状态的车体底架边梁下翼缘中心垂向位移变化小于0.2 mm;车顶边梁高度300 k N压缩下,最大应力发生部位不变,应力变化小于2 MPa;车体结构的一阶垂向弯曲、一阶扭转和车顶横向弯曲的振动频率变化均在0.1Hz以内.     

基于约束阻尼层的高速客车车体弯曲振动的抑制

为了降低车体的弹性振动,将车体考虑为两端自由等截面欧拉梁,建立了铁道客车刚柔耦合系统垂向动力学模型,通过幅频特性分析计算了系统各部件固有模态以及车体模态损耗因子对车体弹性振动的影响。对车体表面局部进行约束阻尼处理,通过合理假设推导了含有约束阻尼层的车体模态损耗因子的计算公式。数值分析结果表明:车体一阶弯曲自振频率接近人体振动敏感区域,为减小车体弹性振动,必须首先降低一阶弯曲振动。良好的乘坐舒适性可以通过增加车体结构的损耗因子来实现,车体局部贴附约束阻尼层可以增加车体结构阻尼。为了使车体结构获得最大的损耗因子,阻尼材料应该贴附在弯曲变形最大的位置,并且约束层和粘弹性层贴附长度和厚度有一个最佳值。只要选择合适的阻尼材料,就能获得很好的减振效果,从而达到提高高速客车乘坐舒适性的目的。     

基于目标级联分析法的车下设备悬挂参数优化设计

为改善高速列车运行舒适度和车下悬挂设备的振动水平,建立了车辆-设备系统垂向动力学模型,推导了车辆系统振动加速度频率响应函数;结合轨道不平顺激励谱函数计算了车下悬挂设备振动加速度均方根,联合人体舒适度加权滤波函数计算了车体振动参考点的垂向舒适度指标;引入目标级联分析(ATC)法逐层分解车辆-设备系统振动指标,构建了车辆-设备系统两层指标分解数学模型,采用指数罚函数策略协调两层振动指标之间的耦合问题;提出了以车辆运行舒适度和车下悬挂设备振动加速度为指标的多目标优化方法,建立了以车下设备悬挂刚度和阻尼为设计变量的优化模型;联合车下设备悬挂参数动力吸振器(DVA)设计法对比探讨了ATC法在复杂车辆系统参数优化设计中的应用效果。分析结果表明：与DVA设计法相比,ATC法优化后车辆中部舒适度在300 km·h^-1工况下提高了8.5%,设备振动水平减小了约20%;在全速域区间,ATC法对车体中部的振动衰减是DVA设计法的2倍,且对设备的振动衰减比DVA设计法大4.5 dB;与优化前相比,ATC法优化后车辆中部舒适度指标最大提升了15%,设备振动加速度减小了0.18 m·s^-2。由此可见,ATC法可以运用于复杂轨道车辆结构参数优化设计中,能有效改善车辆系统的振动水平,也可为车下设备悬挂参数优化设计提供指导。