谐波转矩对高速列车齿轮箱体与牵引电机振动特性的影响

为研究机电耦合作用下齿轮箱体和牵引电机的振动幅值、频谱分布及其随高速列车行驶速度的变化趋势, 分析了三相逆变器输出电压谐波频率分布与牵引电机谐波转矩, 建立了传动系统扭振模型; 基于直接转矩控制理论与车辆系统动力学理论, 搭建了牵引电机控制模型和高速列车多体动力学模型; 通过Simulink和SIMPACK联合仿真平台对比了恒力矩输入与含有谐波转矩的力矩输入模型, 分析了不同速度下牵引电机谐波转矩对高速列车齿轮箱体和牵引电机振动特性的影响。分析结果表明: 当高速列车以250 km·h-1的速度匀速运行时, 齿轮箱体大齿轮上方纵向振动、小齿轮上方纵向与垂向振动受牵引电机谐波转矩影响显著, 在700 Hz主频处振动加速度幅值显著增大, 该频率恰为牵引电机输出转矩基波频率的6倍; 在谐波转矩的影响下, 牵引电机在52 Hz主频处横向振动加速度幅值增加52.78%, 在49 Hz主频处垂向振动加速度幅值增加18.95%;随着高速列车速度的增加, 齿轮箱体纵向与牵引电机各向振动加速度逐渐增加, 牵引电机谐波转矩对齿轮箱体纵向振动加速度均方根的影响逐渐减小, 在6倍基波频率处, 齿轮箱体小齿轮上方和牵引电机纵向与垂向振动加速度均先增大后减小, 在速度为250 km·h-1时达到极大值, 且齿轮箱体和牵引电机的垂向振动受6倍基波频率谐波转矩的影响比纵向振动更为明显, 而其横向振动特性几乎不受谐波转矩的影响。      

重载铁路复合不平顺的仿真计算及安全限值研究

铁路轨道几何形位不平顺是车辆振动及轮轨动力作用增大的重要激振源,而其中水平和轨向反向复合不平顺对轨道动力响应和行车安全有着极不利影响。针对重载铁路C80型铝合金敞车,用Simpack多体动力学仿真软件,建立车辆-轨道耦合模型,取水平、轨向最不利波长条件下,对复合不平顺各种幅值组合的工况进行仿真,分析各动力响应指标与列车速度、不平顺幅值的关系,并提出其安全限值,供工务管理参考。     

高速列车齿轮箱箱体动应力影响规律

通过线路测试研究了列车运行速度、线路条件与车轮镟修对齿轮箱箱体动应力的影响规律, 结合轴箱振动加速度分析了箱体动应力的变化规律。研究结果表明: 齿轮箱箱体动应力与轴箱垂向加速度的幅值谱基本一致, 主频均为570 Hz, 反映了箱体动应力水平与轮轨相互作用产生的高频激励密切相关; 列车运行速度由200 km·h-1增大到300 km·h-1时, 齿轮箱箱体的应力幅值呈现增大趋势, 尤其在箱体开裂的齿面检查孔位置, 其等效应力由5.56 MPa增大至16.67 MPa, 增大约2倍; 轨道磨耗造成的不平顺对列车轴箱和齿轮箱箱体的振动具有较大的影响, 列车由磨耗线路运营至打磨线路时, 轴箱高频阶段振动幅值水平明显降低, 箱体关键点的等效应力由16.26 MPa减小到10.16 MPa, 减小38%;车轮高阶多边形在列车高速运行时(300 km·h-1) 产生的高频(550~650 Hz) 激扰造成箱体高频振动和动应力、等效应力大幅提升, 箱体关键点的等效应力在镟轮前后由17.45 MPa减小到8.56 MPa, 减小51%。可见, 轨道打磨与车轮镟修均改善了齿轮箱箱体的受力状态, 因此, 选择合理的轨道打磨和轮对镟修周期可有效延长齿轮箱箱体的疲劳寿命。      

基于台架仿真模型的高速列车齿轮箱轴承动载荷获取方法

为获取高速列车齿轮箱轴承在服役振动环境下的动载荷，由动力学软件SIMPACK建立了某型高速列车齿轮箱台架仿真模型；基于谱修正的多点相干随机振动控制算法，通过虚拟激振器施加纵向、横向、垂向的轴箱实测加速度功率谱，再现了齿轮箱受到的多点相干线路激励；通过台架仿真模型获取了齿轮箱输入轴电机侧圆柱滚子轴承在服役振动环境下的轴承径向载荷、轴承中心轨迹和滚子与外圈滚道接触载荷。研究结果表明:通过谱修正控制算法，在优化速度指数为0.3，进行10次迭代后，轴箱的仿真与实测加速度功率谱相对误差趋于稳定，最大相对误差小于10%；不同的电机输入扭矩下，有无线路激励齿轮箱轴承动载荷表明，电机输入扭矩决定了齿轮箱轴承动载荷均值，而线路激励是齿轮箱轴承动载荷波动的主要原因；频谱分析显示，线路激励增大了轴承径向载荷在中低频带与齿轮啮合频率处的能量；同时线路激励增大了滚子与外圈滚道接触载荷，但是接触载荷的接触区和均值无明显变化；当无线路激励时，轴承中心轨迹沿齿轮的压力角振动，与垂直轴夹角为26°；线路激励使轴承中心轨迹波动范围更大、更随机，在方向上没有明显特征。可见，电机输入扭矩和线路激励是高速列车齿轮箱轴承动载荷的主要来源，台架仿真模型可为高速列车齿轮箱轴承动响应评估和载荷谱建立提供有价值的参考。      

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.     

高速列车齿轮箱应力响应与疲劳损伤评估

进行了高速列车线路试验, 研究了GPS信号与齿轮箱结构的受力特点, 获取了扭矩载荷和振动载荷作用下齿轮箱的应力时间历程曲线, 分析了在扭矩载荷、振动载荷作用下齿轮箱的应力响应特性, 并编制了应力谱, 利用疲劳损伤影响参数来反映扭矩载荷和振动载荷对齿轮箱疲劳损伤的影响程度。研究结果表明: 在扭矩载荷作用下, 列车牵引与制动的交替变化会使齿轮箱产生较大的应力响应, 最大应力幅值为25.80MPa; 在制动工况下, 齿轮箱应力呈阶梯形变化; 列车低速运行时齿轮箱吊杆座端部的高应力幅值频次大于高速阶段, 结构疲劳损伤影响参数由0.20减小到0.08, 减小了60.0%。在振动载荷作用下, 列车运行速度由350km·h-1减小到200km·h-1时, 齿轮箱吊杆座端部的应力响应强度由2.08MPa减小到0.97MPa, 降低了53.4%;在同一速度等级下, 列车头部齿轮箱的应力幅值低于列车尾部; 列车由牵引状态转变为惰性运行时, 齿轮箱的应力响应强度由3.4MPa减小到1.0MPa, 降低了70.6%;列车由低速运行转为高速运行时, 齿轮箱端部疲劳损伤影响参数由0.009增大到0.260, 增大了27.9倍。      

不同线路条件及运行速度下高速列车振动性能分析

高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性．为了分析不同线路条件和运行速度对高速列车振动特性的影响,建立了车辆-轨道耦合系统模型,并以德国高速轨道谱和我国干线轨道谱产生的轨道随机不平顺作为耦合系统的激励,通过Newmark数值积分和Matlab仿真,计算了高速车辆在高速线路和提速干线条件下车体、构架、轮对等车辆各部件和轨道部件的振动响应．研究结果表明,随着列车运行速度的提高,高速车辆各部件振动响应均显著增大;线路条件对高速列车轮对及轨道系统振动的影响较对车体系统振动的影响明显．     

高速磁浮悬浮架柔性特征对曲线通过性能的影响

为研究高速磁浮悬浮架小曲线通过动力学性能,考虑高速磁浮悬浮架柔性振动,建立悬浮架有限元模型,并计算其弹性模态,建立高速磁浮整车车辆动力学模型;应用同济大学磁浮试验线线路条件、试验速度曲线及拟合的轨道不平顺,分析了悬浮架柔性振动对悬浮、导向电磁铁间隙、电磁力的影响;同时,建立了刚性悬浮架动力学模型与之对比. 研究结果表明:R400小曲线通过时,电磁铁动力学性能受悬浮架柔性振动的影响较大,两种模型的导向力相差约12.5 kN,悬浮力相差约6.0 kN;通过试验仿真比较,考虑悬浮架柔性的计算结果更接近于实测结果;悬浮架垂向和横向振动的主频分别为10.4 Hz和13.2 Hz,分别与前后悬浮框相对点头、反相摇头模态频率相近;在研究控制参数优化、悬挂参数优化、运行稳定性等高速磁浮关键问题时应考虑悬浮架的柔性振动.      

基于深度学习的高速磁浮轨道不平顺预估

轨道不平顺是列车振动的主要激扰源,对行车的安全性和乘客舒适性造成直接影响。以实测的轨道不平顺为基础,结合高速磁浮TR08型车辆结构特点以及深度神经网络的基本原理,利用TensorFlow构建神经网络表征轨道不平顺与车辆振动加速度的关系。提出了一种通过测量振动加速度进而构建神经网络实现对不平顺检测的方案。研究结果表明,深度神经网络预测的轨道不平顺值与真实值相对精度超过99%,且能够同时对高低和水平不平顺进行测量,为轨道不平顺测量新方法提供了理论基础。     

抗侧滚扭杆对出防风明洞列车安全性影响研究

针对高速列车驶出兰新第二双线特有防风明洞工程时存在突变气动载荷,探讨了抗侧滚扭杆对国内某型高速列车抗倾覆安全性的影响.采用日本Yu Hibino详细解析式方法,针对国内某型高速列车建立其车辆倾覆受力及倾覆力学模型,对车速、风速和风向角变化时,抗侧滚扭杆对该型高速列车的倾覆系数和侧滚角等的影响进行了计算研究.分析结果表明:抗侧滚扭杆有效改善了该型高速列车的抗倾覆性能.增设抗侧滚扭杆后,车辆倾覆系数降低约10%,侧滚角降低约75%.     

板式轨道动力响应分析方法

为了计算在高速车辆移动荷载作用下板式轨道的动力响应,将轨道板视为线性粘弹性连续支承梁,将钢轨视为线性粘弹性点支承梁,将钢轨和轨道板统一划分为有限单元,基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用弹性系统动力学总势能不变值原理,建立了高速列车-板式轨道的垂向耦合动力学方程,计算了车辆通过板式轨道钢轨焊接区短波不平顺时的轮轨动力学响应。仿真结果表明:与其他成熟仿真方法相比较,响应变化趋势与幅值基本一致,表明该方法可行。     

连续支承条件下轨道位移波的动力特性分析

建立了列车与连续支承轨道耦合振动的动力学模型,通过计算模拟了高速列车作用下所出现的轨道位移波现象。分析了轨面不平顺波长、轨道质量、刚度、阻尼等参数对轨道临界速度及位移波的影响。     

侧风环境下列车高速通过站台的流固耦合振动

为了考察侧风环境下列车能否临靠站台高速安全通过,采用列车空气动力学和列车系统动力学相结合的方法,通过侧风与列车的流固振动分析获得列车姿态的变化;考虑侧风作用下,列车的姿态变化和轨道几何不平顺的影响,分析了侧风环境下,列车临靠站台高速通过时的气动响应.计算结果表明,与无风环境尾车易与站台碰撞不同,在6 m/s侧风环境下,当列车以350 km/h的速度临靠站台通过时,车头前端是离站台最近的位置.     

变速移动列车作用下轨道动力响应的解析解

城市轨道列车在一半以上的线路内处于变速行驶状态.实测分析显示,列车进出站的振动及噪声问题不容忽视.为了研究进出站列车对周围环境的振动影响,基于轨道结构的周期性频域解析模型,从理论上建立了基于频域解析的变速车轨耦合模型,该系统考虑了整车模型、离散支撑轨道模型、轨道不平顺和轮轨赫兹接触等因素,整个求解过程在波数频率域内完成,该模型可以较好的分析轮轨间包括高频在内任意频率带宽的相互作用.同时还编制了完善的变速车轨耦合频域解析模型计算程序,通过计算结果与实测结果的对比,验证了计算程序的正确性,进而对影响变速移动列车作用下轨道动力响应的扣件刚度、列车加速度和列车初速度进行了参数分析.     

轮轨系统车轮的高频振动特性

建立了车辆-轨道-路基耦合系统振动分析模型,考虑轨道不平顺激励及轮轨接触区滤波,模拟了轮轨间随机振动垂向作用力。建立了车轮三维实体有限元模型,考虑了名义接触点、轮缘和车轮外侧3个轮轨接触位置,模拟了车轮系统在随机振动垂向荷栽作用下的高频振动特性。分析结果表明：当列车以200km·h^-1行驶在有砟轨道上时,轮缘的振动加...     

基于实测数据的动车组轴箱横向载荷特性

研究了轴箱横向载荷高精度测试方法,将经过标定的轴箱安装于运用车辆,获得了载荷-时间历程,结合车辆运行状态分析了在高速线路典型服役条件下的载荷特性,编制了对应于进出站工况、低速运行、高速运行的恒幅载荷谱。研究结果表明:轴箱横向载荷影响因素主要为列车运行速度、曲线半径、道岔、轨道不平顺;运行中普遍存在着相对固定且与车辆运行速度无关的2 Hz的低载荷主频;对于大于5 Hz的频率,载荷主频与列车的运行速度直接相关,曲线通过时内轨侧轴箱载荷变化幅值稍大于外轨侧,且载荷均值以及最大载荷幅值均随列车运行速度的增大而增大;曲线半径增大的同时横向载荷均值逐渐接近于0,最大载荷幅值也逐渐减小;进出站道岔会造成横向载荷出现约10 s的一次波动,同时包含短时间冲击载荷;横向轨道不平顺会造成轴箱横向载荷在通过相应区间时出现多个大幅波动,随着运行速度的增加,波动周期缩短,峰值减小;进出隧道对横向载荷影响不明显;对于不同运行工况下的载荷谱,进出站工况载荷幅值最大,作用频次占很少部分;低速运行载荷幅值次之,作用频次占比约为1/3,高速运行载荷幅值最小,作用频次占比达到60%以上。      

磁浮列车明线交会横向振动分析

为了研究气动力对磁浮列车运行稳定性的影响,以上海磁浮列车为研究对象,采用动网格技术,通过求解三维可压缩非定常N—S方程对磁悬浮列车在相对速度860km／h交会时的气动力进行数值模拟;同时将车体、悬浮架作为弹性体,悬挂系统作为弹簧一阻尼单元,建立了详细的系统动力学模型,对考虑列车交会瞬态压力冲击作用下的高速磁浮列车进行了横向振动分析。计算结果表明,流场数值计算出的最大压力波幅值与实车试验结果两者差距小于6％;仅考虑轨道不平顺时,磁浮列车的横向振动较小,而在考虑磁浮列车高速运行时产生的交会压力波的情况下,车体却产生了较大的横向振动,底架最大横向加速度达1．5m／s^2,经过二系悬挂的缓冲作用后振动明显减小,悬浮架最大横向振动加速度约为0．7m／s^2。     

基于高铁轨道不平顺的车轮不圆顺识别模型

为获取高速运行车辆的车轮不圆顺幅值,并进一步研究轨道谱,建立一种基于轨道不平顺的车轮不圆顺幅值快速测量模型. 首先分析了车轮不圆顺在轨道不平顺检测数据中的分布规律,提出车轮不圆顺的密集采样方法,进而建立基于稀疏轨道不平顺数据的车轮不圆顺动态识别模型. 通过数值仿真研究发现:车轮不圆顺对基于惯性基准法测得的离散轨道不平顺数据的幅值影响较小,对频域（轨道谱）影响较大;车轮不圆顺会干扰波长小于和等于轮长的轨道不平顺检测数据,且对前者影响更大;车轮不圆顺对波长大于轮长的轨道不平顺数据也有影响,最大影响波长仅与车轮周长和轨道不平顺的采样间距有关;识别模型能有效地从轨道不平顺检测数据中提取车轮不圆顺,误差可控制在0.02 mm以内.      

线路不平顺波长对提速列车横向舒适性影响

为提高列车在提速区段的乘坐舒适性,借助于现场试验测试数据,运用车辆-轨道耦合动力学理论,通过轨道随机不平顺功率谱变换得到不同波长的不平顺,研究了线路不平顺波长对列车运行平稳性及乘坐舒适性的影响及规律。分析结果表明:提速机车以150km.h-1速度在直线轨道上运行时,如果线路不平顺波长为1～20m,则车体振动主频主要集中在2.20～4.00Hz,避开了人体正常敏感频率,平稳性指标属优级;如果线路不平顺波长为20～30m,则车体振动主频降低至1.50Hz左右,正好处于人体敏感频率范围,乘坐舒适性大大降低,平稳性指标值增加了20%多;更长的波长(大于30m)对机车运行平稳性影响较小,指标与1～20m波长的相应值处于相同等级。可见,对于既有提速线路,必须严格控制不平顺的20～30m波长,虽然该波段的不平顺幅值很小,但对列车在提速区段车体横向振动影响甚大。     

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。