轨道随机激励下弹性约束轮对的首次穿越失效问题分析

考虑轨道激扰和自身结构参数随机因素建立弹性约束轮对的随机动力学模型,利用奇异性边界理论分析系统的随机全局稳定性,得到系统发生首次穿越失效的条件,同时建立系统可靠性函数和首次穿越时间的概率密度函数所满足的后向Kolmogorov方程和广义Pontryagin方程,结合初始条件和边界条件给出首次穿越问题的提法。结果表明:系统能量在接近安全工作域边界时降低得较快,能量初值远离安全域边界可降低损坏概率密度峰值并将对应的时刻延迟;系统失稳后在某一时刻最危险,而不是我们常认为的时间越长系统越危险;随着轨道随机激励强度的增加会使系统可靠性下降加快,平均首次穿越时间提前。     

磁浮列车随机稳定性及首次穿越问题研究

磁浮列车的失稳常受导轨随机不平顺、气动荷载、磁浮架质量、磁浮车质量等激励的影响.为了高效获取磁浮列车临界失稳的解析表达式和首次穿越时间,建立参激和外激作用下磁浮车-架两自由度系统简化力学模型,在哈密顿理论和有限差分法框架下进行磁浮列车系统左边临界特征值和首次穿越分析,提出系统的稳定区域和首次穿越时间的概念.研究结果表明,当考虑导轨随机不平顺和气动荷载时,外激功率谱与磁浮列车的失稳密切相关.系统只要考虑外激功率谱,平凡解概率不稳定;不考虑外激励功率谱,存在参数激励强度,系统则存在临界稳定域.在一定的参数组合之下,系统的左边临界特征值为1,超过则失稳.左边临界特征值相对应的控制、阻尼、质量、参激等参数组合区域为稳定域.悬挂线性阻尼、等效磁动阻尼越大,越有益于稳定;磁浮架质量、磁浮车质量及激励强度减小,方益于稳定.该结果对磁浮列车设计中如何避免在参数匹配不合理时产生振幅过大现象以及避免外激功率谱过大使得进入首次穿越失效时间过短有实际意义.     

列车-轨道(桥梁)系统横向振动稳定性分析

论证列车脱轨力学机理是列车-轨道(桥梁)系统横向振动丧失稳定。基于系统运动稳定性能量增量分析方法,提出列车-轨道(桥梁)系统横向振动稳定性分析的能量增量判别准则:当列车-轨道(桥梁)系统横向振动极限抗力做功增量大于系统横向振动最大输入能量增量时,横向振动状态稳定;反之,系统横向振动状态不稳定;二者相等时,横向振动状态处于失稳临界状态。基于上述准则,提出系统横向振动失稳临界车速与容许极限车速分析方法,并结合实例证明方法的可行性。采用上述方法得到高速铁路板式无砟轨道列车失稳临界车速为607.5km/h,容许极限车速为486km/h,证明我国高速铁路运行安全度较高。     

基于相似原理的磁浮车桥耦合振动研究

为研究磁浮车辆-悬浮控制-桥梁系统垂向耦合振动,基于相似原理建立磁浮车辆-悬浮控制-弹性桥梁垂向耦合动力学模型。结合磁浮车辆及桥梁参数,确定系统各参数的相似比例系数,最终通过系统仿真比较分析原型桥梁与比例桥梁的振动频率及车辆运行时桥梁的动态响应。研究结果表明：基于相似原理的原型桥梁与比例桥梁对车辆运行激扰的动态响应基本一致,两者的一阶振动频率工程意义上基本保持一致。由于比例桥梁的抗弯刚度相对于原型桥梁较小,故其跨中加速度较大约为原型桥梁的5倍。比例桥梁振动加速度最大值出现在车辆进出桥梁阶段。     

半主动悬挂系统动力学性能仿真分析

以配装SW—200型转向架的动力学试验车为研究对象,对二系横向阻尼采用天棚半主动悬挂和开关半主动悬挂2种控制模式下的车辆动力学性能进行仿真计算分析。结果表明:半主动悬挂控制模式下的车辆蛇行失稳临界速度比采用被动悬挂控制模式时虽有所下降,但仍能满足运用要求。与被动悬挂控制模式相比,在直线上运行时,天棚半主动悬挂和开关半主动悬挂控制模式下的车体横向平稳性指标分别改善13%～18%和8%～16%,而且车辆运行速度越高,半主动悬挂控制模式对车体振动的控制效果越好;在曲线上运行时,半主动悬挂模式对车体横向振动仍有良好的控制作用;与开关半主动模式相比,系统时滞对天棚半主动悬挂模式控制车体振动的效果影响较大。     

城市轨道交通列车再生制动能量穿越时钢轨电位分布规律仿真分析

当前,城市轨道交通钢轨电位过高引起的钢轨电位限制装置频繁动作、轨旁设备打火、杂散电流泄漏量增大等现象严重,对乘客人身安全及线路杂散电流水平有较大影响,而针对多列车动态运行过程汇总再生制动能量穿越时钢轨电位分布规律尚待进一步研究.对城市轨道交通供电系统动态运行过程中钢轨电位分布规律进行研究,建立系统供电-回流-列车全模型下钢轨电位动态分布模型.分析了多区间多列车并列动态运行情况下再生制动列车回馈至牵引网功率被其他供电区间列车利用情况下钢轨电位的变化情况.研究分析表明,系统多列车动态运行时,再生制动能量穿越情况对钢轨电位影响较大.     

轮轨系统激励下列车-轨道耦合系统的振动分析

运用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的"对号入座"法则,建立了列车-轨道耦合系统的竖向振动方程。分析了车轮偏心和轨道随机不平顺对高速行车影响。研究表明:车轮偏心属于周期性激扰源,它将导致系统的周期性强迫振动;车轮偏心对钢轨和轨道板的竖向振动位移影响较小,而对轮轨之间相互作用以及系统各部件的振动加速度影响较大,且随着偏心距的增大,系统的动力响应将加剧;郑武高速试验段轨道随机不平顺幅值大约为4mm左右,其对系统动力响应影响较小,平顺性较好。     

轴箱垂向单向阻尼对车辆动力学性能的影响

利用SIMPACK仿真软件建立了某型客车的动力学模型,分析比较了车辆通过三角坑、随机不平顺激扰线路时,垂向单向阻尼减振器和双向阻尼减振器对车辆动力学性能的不同影响。分析结果表明,轴箱垂向单向阻尼能一定程度上降低转向架构架的高频振动,降低轮轨动力作用,车辆运行速度越高,效果越明显;但其对转向架和车体垂向振动加速度峰值、车辆运行平稳性指标影响较小。     

车轮不同磨耗状态对铁路罐车动力学性能的影响

针对铁路罐车车轮旋修后的车辆动力学性能变化,对车轮轮缘踏面的外形进行了测量与统计分析。建立了多种车轮磨耗状态的铁路罐车动力学分析模型,从蛇行失稳临界速度、动态曲线通过、运行平稳性等方面探讨了车轮磨耗后的多种典型恶劣型面对车辆动力学性能的影响。     

提速机车横向振动问题分析

随着我国铁路五次大提速的进行,列车的运行速度有了较大的提高,但随之而来的是导致部分提速机车的横向动力学性能的恶化。而在某些速度下,机车的横向振动问题比较严重,已经影响了机车运行速度的进一步提高。为了满足铁路继续提速的要求,进一步改善机车的横向动力学性能已成为当务之急。本文针对SS9型机车在线路试验时出现的问题进行了分析,发现一系横向定位刚度不足是导致机车横向振动剧烈的主要原因。现车所采用的轴箱拉杆不能提供机车提速运行时所必需的横向定位刚度值,对轴箱拉杆进行改进后,机车的非线性稳定性得到提高,直线运行的轮轴横向力和平稳性得到很大改善,并通过线路试验得到验证。同时,由于轮轨动态作用大为改善,对机车长期运用中保持良好稳定的动力学性能、提高悬挂部件的可靠性并延长使用寿命非常有利。     

风载对高速列车蛇行运动稳定性影响

采用空气动力学和车辆动力学2种分析方法，建立考虑横风作用的高速列车空气动力学模型，分析不同风速及车速条件下列车所受的气动载荷特性变化规律；建立车辆-轨道耦合动力学模型，对高速列车在不同风速横风和轨道不平顺组合作用下头车、尾车和中间车的蛇行失稳临界速度、蛇行振动极限环幅值、蛇行振动频率、蛇行失稳特征等进行对比分析。结果表明：高速列车通过横风区段时产生的气动载荷对其蛇行失稳临界速度有明显影响，头车的蛇行临界速度较无风时明显下降，尾车及中间车的降幅次之；无风与风载工况下车辆的蛇行失稳形式存在本质区别，无风工况下车辆易发生二次蛇行，风载作用下车辆易发生一次蛇行；风载作用下，车辆发生蛇行失稳的最不利工况为较大的等效气动横向力和较大的气动升力共同作用的组合工况；风载和轨道不平顺的持续时间对车辆蛇行运动极限环振动幅值会产生影响，因此在评估高速列车在大风工况下的运行安全性时，有必要考虑实际的风载和轨道不平顺激励的大小和持续时间。     

基于归纳谱的单轴单轨转向架二系悬挂系统特性研究

从车辆动力学和振动传递两方面研究了跨座车二系悬挂系统对于整车垂向平稳性以及减振效果的影响。首先建立了车辆动力学分析模型并进行了仿真计算，研究了沙漏弹簧对于车辆垂向运行平稳性指标的影响，给出了沙漏弹簧最佳刚度和阻尼系数。其次，采用归纳谱的方法对实测车辆振动数据进行了归纳处理，并进行了二系悬挂分层传递率的计算，对二系悬挂系统特性进行了减振综合评价。计算结果表明，二系悬挂系统垂向分层传递率波动较大，高频存在振动放大情况；横向分层传递率较为稳定，横向振动能量得到较好的衰减。     

多柔性因素下轮轨接触动态行为特性的研究

为提高车辆系统振动响应的计算精度,基于刚柔耦合动力学理论,将轮对、构架和轨道均考虑为柔性体,建立了考虑多柔性因素的车辆-轨道耦合动力学模型,对比分析了轮轨间动态作用的振动特性,研究了多柔性因素下的轮轨接触动态性能和运行平稳性能。结果表明:多柔性因素下,车轮振动加速度在垂向上有较大变化,柔性部件的横向运动出现"错位";各项动力学指标均有变化;车体加速度在垂向上最大增幅为36.7%,而横向上却与线路半径有一定的关系;横向上,多柔性因素下车体Sperling指数降低,降幅为9.5%,而垂向上该指数却增高16.6%。     

轨道刚度对列车走行性能的影响

列车运行品质不仅取决于机车车辆本身的动力学性能，而且还受到来自轨道方面因素（如轨道弹性、轨面几何不平顺等）的影响。本文从车辆／轨道相互作用整体系统的角度，动用车辆－轨道耦合动力学理论，首次研究了轨道结构各部件刚度对列车走行性能的影响规律。结果表明：轨道刚度对机车车辆走行部的振动行为有较大影响，但对车体平稳性的影响不明显。     

抗蛇行减振器安装刚度对弹性构架车辆动力学性能影响

基于减振器简化等效模型分析了某动车组车辆系统动力学性能随抗蛇行减振器安装刚度不同的变化情况,并且比较了考虑构架结构弹性振动对这种变化的影响.结果表明,抗蛇行减振器安装刚度对车辆系统动力学性能具有一定影响,尤其是当车辆运行速度达到250 km/h时影响较大;此外,构架的弹性振动也影响着抗蛇行减振器安装刚度的选择.     

列车脱轨的力学机理与防止脱轨理论

论证了：1)现行脱轨系数Q/P及轮重减栽率△P/Po的限值不能防止脱轨的根本原因是在于它们不能控制列车实际的Q/P与△P/Po不超过规定限值;2)列车脱轨的力学机理是列车桥梁(轨道)时变系统的横向振动丧失稳定,只要此系统横向振动是稳定的．列车车轮就不会脱轨掉道。提出了判别此系统横向振动是否稳定(即列车是否脱轨)的此系统抗力作功增量与输入能量增量准则。深入论述了：1)国内外此系统振动计算理论在计算模型、激振源、随机分析3个方面存在根本问题;2)列车脱轨能量随机分析理论。列出了12例列车是否脱轨的计算结果,所有对应于有实践结果的算例,其计算结果都与实际情况相吻合．     

天兴洲公铁分建40 m简支梁桥客运线上高速列车脱轨控制研究

基于高速列车-桥梁时变系统空间振动分析模型,采用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立此系统空间振动方程。运用列车脱轨能量随机分析理论,对天兴洲公铁分建40 m简支梁桥客运线上高速列车在设计车速以内是否脱轨及在不脱轨条件下高速列车走行舒适性进行分析。研究结果表明:该桥上高速列车在300km/h车速以内运行时不会脱轨;高速列车走行舒适性均在良好标准以上;该桥竖向振动加速度满足要求。     

基于振动能量的新型高速铁路路基压实连续检测控制指标研究

针对现有高速铁路路基连续压实检测指标的不足,通过分析路基压实过程中振动轮与填料间能量的传递特性,提出基于振动信号能量的高速铁路路基连续压实控制指标CEV,并与传统的CMV指标进行对比验证其有效性,主要研究结论有:随压实遍数的增加,填料的密度、刚度呈现出先增大后稳定的趋势,在填料由松散状态变为密实状态过程中,振动信号所携带的能量同样呈现出先增大后稳定的趋势;结合能量守恒定律,以振动轮振动信号所携带能量的变化特性来反映整个压实过程中的能量交换,利用振动信号能量谱的形式对其进行表征,并以此作为连续压实控制指标,判定填料的压实程度。建立CEV指标和动态变形模量Evd间的相关关系,其相关系数均大于CMV指标,表明所提出的CEV能量指标在路基连续压实控制中是可行的。     

高速铁路路基不均匀冻胀变形对轮轨系统的动力影响研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,开展高速铁路无砟轨道路基不均匀冻胀变形对高速轮轨系统的动力学影响研究,分析不同程度的路基不均匀冻胀变形对高速车辆-轨道耦合系统振动响应的影响规律。研究结果表明:路基的不均匀冻胀变形会加剧轮轨动态相互作用,对行车安全性和乘车舒适性产生不良影响,同时易引起较强的轨道结构振动,进而影响轨道结构的长期服役性能;随着路基不均匀冻胀变形波长的减小和冻胀变形幅值的增大,高速车辆-轨道耦合系统的垂向振动动力学指标均出现增大趋势,研究发现应重点关注波长20 m以内的路基不均匀冻胀变形及其幅值的增大;对于路基不均匀冻胀变形较严重地段,可通过适当降低车辆的运行速度,以有效降低轮轨系统的动态相互作用,从而减小路基不均匀冻胀变形对高速行车安全性的影响,但是,限速措施对于改善高速乘车舒适性的效果并不明显。     

大直径泥水平衡盾构穿越砂性地层沉降控制分析

结合武汉轨道交通8号线越江区间隧道建设,为研究大直径泥水平衡式盾构穿越砂性地层引起的地表沉降问题,开展盾构施工扰动下地表沉降现场监测分析,盾构穿越过程中部分地表产生较大隆起,且变形稳定后隆起值较大,通过分析盾构施工参数与现场监测数据,判断注浆压力过大为导致地表产生较大隆起的主要原因;通过数值计算,分析不同注浆压力下变形稳定后的沉降槽曲线,结果表明:采用实际注浆参数的计算结果与实测数据比较吻合;考虑到施工中一些不确定因素的影响,结合数值计算结果,为了将地表隆陷控制在较小的量值范围之内,大直径泥水平衡盾构穿越相似条件地层时合理的注浆压力为0. 55～0. 60 MPa。