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。      

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.     

提速客车转向架安全吊座疲劳失效机理与改进方法

分析了提速客车转向架安全吊座孔附近产生的疲劳裂纹特征, 提出共振现象造成的结构振动疲劳是该部位产生裂纹最主要原因的假设; 通过有限元仿真得到安全吊杆的前110阶模态振型, 分析了各阶模态频率; 进行线路实测加速度与动应力试验, 得到等效应力、加速度及其主频, 并与有限元仿真结果进行对比分析; 在掌握了安全吊座失效机理的基础上, 通过结构改进与调整连接方式优化安全吊杆结构及其固定方式; 对新结构进行线路实测试验, 并对其安全性与经济性进行评估。研究结果表明: 受普通客车运行线路条件影响, 安全吊杆振动频率(加速度主频为91.78 Hz, 动应力主频为91.00Hz) 与有限元计算的第4阶模态频率(95.79Hz) 相近而产生共振; 安全吊杆的纵向加速度功率谱密度远大于其横向值与垂向值, 这与列车的运行方向相吻合, 因此, 振动疲劳使得安全吊座孔边产生裂纹; 在螺栓孔两侧增加5mm厚垫片, 并且将安全吊杆由钢板折弯结构更改为钢丝绳柔性结构能够最大程度降低螺栓孔处等效应力幅值, 减少疲劳损伤累积; 改进后的安全吊杆满足1 200万公里的使用要求, 取得较好的经济效果。      

高速列车转向架载荷谱长期跟踪试验研究

为了建立高速列车转向架载荷谱,对武广客运专线高速列车运营全工况下的转向架载荷进行了跟踪测试,得到了动车转向架的轴箱弹簧垂向载荷和转臂横向载荷在一个镟轮周期内的变化规律,分析了高速直线和曲线工况下镟轮对轴箱弹簧垂向载荷和转臂横向载荷的影响,并基于上述载荷编制了构架浮沉、侧滚、扭转与横向载荷系谱,进行了镟轮前后各载荷谱的比较.研究结果表明,与镟轮前相比,镟轮后轴箱弹簧垂向载荷、转臂横向载荷以及构架各载荷系的幅值均减小,其中转臂横向载荷变化最明显,在高速直线和曲线工况下幅值分别减小了50%和40%,镟轮改善了构架的受力状态.      

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...     

高速列车过桥诱发地面振动特性研究

为研究高速列车过桥引起的环境振动问题,以沪昆客运专线某铁路桥梁为工程背景,采用现场实测和有限元法获取地面振动特性。将计算值与实测值对比分析,结果表明：高速列车过桥引起的地面横向振动加速度稍大于垂向振动加速度,频谱曲线的主峰频率点可视为周期载荷诱发的共振频率;横垂向卓越频率分布区间为10～80 Hz,频带内各单频加速度幅值随距离增加呈波动衰减趋势;当不同频率的振动波波峰相遇时,相遇点的振动叠加出现放大现象;横垂向加速度最大振级对应的频带为25～63 Hz,大部分出现在31.5 Hz;实测值和计算值在幅值大小及变化趋势吻合较好,加速度Z振级最大误差为1.4 dB。可见,有限元模型满足精度要求,证明该方法能够有效预测环境振动响应。     

基于小滚轮高频激励的高速列车齿轮箱箱体振动试验

为探究高速列车齿轮箱箱体振动特性和疲劳损伤, 应用小滚轮高频激励台架试验, 将滚轮表面加工成径跳量幅值为0.05 mm的13阶多边形, 可等效成20阶车轮多边形, 研究了某型齿轮箱箱体在不同垂向载荷与速度工况下的振动特性; 通过雨流计数法及Miner线性损伤法则, 分析了齿轮箱箱体单位时间应力累计损伤。研究结果表明: 受齿轮箱箱体共振影响, 不同垂向载荷与速度工况下, 高速列车运行速度为200 km·h-1时, 齿轮箱箱体各测点的垂、横向加速度均方根值均为最小; 当垂向载荷为23 t时, 大部分测点的垂、横向加速度均方根值均为最大; 齿轮箱箱体存在573 Hz的局部固有频率被激发共振, 其原因是试验速度为100 km·h-1时试验台发生共振, 以及试验速度为300 km·h-1时, 受到20阶多边形车轮转频约580 Hz的主频激扰; 车轮初始速度从0加速到200 km·h-1及从300 km·h-1减速至0的速度等级之间时, 齿轮箱箱体各测点的单位时间应力累计损伤波动较大, 其余速度等级段各测点的单位时间应力累计损伤波动很小; 单位时间应力损伤最大值出现在大齿轮箱齿面观察孔, 为3.72×10-10, 损伤最小值位于小齿轮箱轴承正上方, 仅为8.29×10-18。可见, 箱体共振、试验台减速运行、速度等级对齿轮箱箱体振动加速度影响较大; 非共振、试验台不减速运行、相同速度等级下, 垂向载荷对单位时间应力累计损伤影响甚微。      

多轴转向架焊接构架焊缝应力集中分析与寿命研究

利用美国ASME-2007标准中的结构应力法和有限元数值分析技术,研究某多轴转向架焊接构架焊缝结构应力分布规律,指出在垂向斜对称载荷工况作用下构架应力集中发生部位;以降低焊缝应力集中为出发点,对焊接构架结构进行改进设计.构架改进结构后焊缝结构应力幅值降低,疲劳寿命显著提高.     

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。      

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。      

高速动车组转向架端部悬挂件对构架应力的影响

为了探究高速动车组转向架端部悬挂件对构架应力的影响规律,依据UIC 615-4标准,对转向架构架与端部悬挂件进行了有限元仿真,校核了构架疲劳强度;开展了实际运营条件下的跟踪测试试验,分析了不同位置测点应力的时、频域特征,计算了等效损伤;结合模态计算探讨了转向架端部悬挂件对构架侧梁端部应力状态产生较大影响的成因。分析结果表明:依据标准计算的弹簧帽筒区域的疲劳强度满足要求;远离辅助安装座区域的弹簧帽筒测点,实测最大等效损伤为0.01,靠近辅助安装座区域的弹簧帽筒测点,实测最大等效损伤为0.45,明显高于远离辅助安装座区域的测点;对于靠近辅助安装座区域的弹簧帽筒测点中,弹簧帽筒外侧测点即更靠近辅助安装座区域测点的等效损伤均高于内侧测点,二者等效损伤最大相差84.16%;实测数据存在38 Hz的主频,与辅助安装座和构架连接整体的第4阶模态接近,结合实测数据时频分析结果证明,车辆行驶与轨道不平顺波长共同作用产生的激扰,激起了辅助安装座和构架连接整体的第4阶模态,发生P₂共振导致弹簧帽筒区域产生过大应力。      

高速列车动车和拖车转向架区域风雪流特征

为研究冬季高速列车在积雪轨道运行时动车和拖车转向架区域的雪粒运动特性差异,采用欧拉-拉格朗日气固两相流方法,分别建立了动车和拖车转向架的风雪流计算模型,分析了转向架区域的雪粒运动特征和雪粒与壁面的撞击特性.研究结果表明:动车和拖车转向架区域的气流路径相似,气流主要由轮对后部卷入转向架区域,并绕两轮对旋转,拖车转向架区域...     

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。     

基于等效结构应力法的电机机座焊接结构疲劳寿命预测

采用有限元法对牵引电机机座进行静强度计算,并在此基础上利用美国ASME标准中采用的等效结构应力法对牵引电机机座的主焊缝进行疲劳寿命预测,分析计算了该机座8条主焊缝的应力集中和疲劳寿命.计算结果表明:静强度结果满足没计要求,并且牵引电机机座的主焊缝具有良好的抗疲劳性能.     

牵引电动机无速度传感器带速重投解决方案

为了解决无速度传感器交流牵引传动系统带速重投问题,在分析列车运行状态及牵引电机带速重投问题产生原因的基础上,提出了在列车正常运行中利用再生发电状态取代惰行工况的解决方案,并利用Matlab/Simulink仿真验证了该方法的有效性.以动车组CRH3和电力机车HXD3的参数为例,计算了该方案对列车速度和运行时分的影响.研究结果表明,相对于惰行过电分相,该方法对速度大于200 km/h的动车组造成的速度损失和时间损失均小于2%;对速度大于60 km/h的重载货运列车造成的速度损失和时间损失均小于7%.      

滑差频率对磁浮车辆运行性能的影响

采用二维电磁场理论对直线电机气隙磁场的纵向分量和垂向分量进行求解, 得到了电机牵引力和法向力的解析表达式, 利用直线电机试验台对解析计算方法进行检验, 对比6~18 Hz恒滑差频率下牵引力和法向力随速度的变化; 建立了三悬浮架单节磁浮车辆动力学模型, 仿真对比了车体和悬浮架分别在1、3、5、8 kN冲击力下的振动响应; 计算了单节中低速磁浮车辆牵引特性, 分析了不同滑差频率对车辆牵引性能的影响; 综合考虑电机法向力对悬浮系统的影响和车辆的牵引需求, 提出了变滑差频率控制策略。研究结果表明: 电机牵引特性一般包括恒力区和恒功区, 恒力区初级电流最大值为390 A, 恒功区电压最大值为212 V, 恒力区牵引力变化较小, 恒功区牵引力衰减较快; 滑差频率越小, 电机起动牵引力和法向力越大, 恒力区越短, 反之亦然; 法向冲击力小于8 kN时车辆平稳性指标等级均达到优秀, 但为了减小悬浮系统的负担, 电机法向力应越小越好; 较低的滑差频率使车辆低速段牵引性能更强, 但采用较高的滑差频率有利于提高全速度范围的牵引性能; 在变滑差频率控制策略中起动滑差频率的选择综合考虑车辆的牵引性能和悬浮能力, 速度达到恒功转折点后滑差频率逐渐增大, 该策略使电机恒力区牵引力适中, 恒功区牵引力始终为电机所能发挥的最大值。      

高速列车动车转向架气动噪声数值分析

为研究高速列车动车转向架气动噪声特性,建立了动车转向架空气动力学模型,采用定常RNGk-湍流模型与宽频带噪声源模型对其气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常LES大涡模拟与Lighthill声学比拟理论进行了远场气动噪声分析。研究结果表明:动车转向架气动噪声源为轮对、构架、牵引电机1、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等结构的迎风侧凸起部位,且构架对动车转向架远场气动噪声的贡献最大,其次为轮对和抗侧滚扭杆,然后为垂向减振器和枕梁,牵引电机1、牵引电机2、空气弹簧和横向减振器对远场气动噪声的贡献较小。动车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有衰减特性、幅值特性和气动噪声指向性。在低频部分能量较大,中心频率为25、50Hz,且分布规律不随运行速度的改变而变化。      

SS3B和DF8B机车的整体碾钢轮踏面剥离失效分析

为了查明机车车轮发生踏面剥离故障的原因,分别对SS3B机型的SS3B31024047车轮和DF8B机型的DF8B32774060、DF8B31644017车轮产生踏面剥离的整体碾钢轮取样,按TJZL-01-98规定的理化检验项目进行取样和常规检验,并对剥离区域的宏观形貌、金相组织进行光学显微镜观察、电子扫描分析.检验结果表明: DF8B32774060车轮踏面表面金属主要在接触应力作用下发生塑性变形,属于接触疲劳剥离; DF8B31644017和SS3B31024047车轮由于剥离区存在塑性变形层,属于热疲劳剥离;对接触疲劳剥离,应改善车轮钢的成分、改进车轮热处理和踏面加工工艺,对热疲劳剥离,应改变制动方式和优化牵引运行.