铁道车辆柔性转向架蛇行频率分析方法

推导了与轮对纵向、横向移动速度和摇头速度相关的三个一阶微分方程,并将其作为轮对蛇行运动的激励,代入考虑转向架纵向、横向和摇头运动的柔性转向架二阶微分方程中.使用该模型计算三种动车组在轮对初始横移量3 mm下的构架和轮对蛇行频率及在构架1～8 mm横移量下的构架蛇行频率,计算结果表明:CRH2和CRH5型车的蛇行频率较为接近且低于CRH3型车的蛇行频率.使用推导的动力学微分方程对国内某型时速350 km动车组进行仿真计算,结果表明:当运行速度为350 km/h,轮对初始横移量为3 mm,等效锥度为0.14时的构架蛇行频率为3.0 Hz,说明该型动车组实测构架端部加速度出现的2.9 Hz振动频率为构架蛇行频率.研究结果表明:该二阶微分方程能够反映车辆在实际车轮踏面锥度的下蛇行运动规律.     

基于电机架悬的转向架稳定性与控制策略

实时调整架悬电机参数,以提高转向架的蛇行运动稳定性;建立了电机架悬转向架动力学模型,包含2个轮对、1个构架和2个电机,轮对和构架间考虑了一系悬挂装置,构架和车体间的二系悬挂装置考虑了空气弹簧和抗蛇行减振器,将2个电机考虑为一个整体并与构架弹性连接;基于高速转向架系统模型的最小阻尼比来寻找电机最优横移频率,分析了转向架参数对电机最优横移频率的影响,并针对该型转向架提出了一种能够提升蛇行运动稳定性的电机主动架悬反馈控制策略;通过开展电机主动架悬的高维车辆SIMPACK/SIMULINK联合仿真,对电机架悬控制策略进行了验证。研究结果表明：电机最优横移频率会随轮轨等效锥度的增大而增大,当轮轨等效锥度由0.3增大至0.6时,电机最优横移频率会由4.5 Hz增大到7.0 Hz;不同的等效锥度、电机质量和一系纵向刚度下,电机最优横移频率和转向架蛇行频率的差值均为1.0～1.5 Hz,因此,可通过检测转向架的蛇行频率再减去1.0～1.5 Hz获得电机最优横移频率,用电机和构架的相对位移和速度作为反馈信号,使电机能够实时获得最优架悬参数,成为理想的动力吸振器;高维数值仿真显示,电机主动架悬相比电机被动...     

基于电机动力吸振的高速列车蛇行运动控制

复兴号CR400BF高速动车组动力转向架的牵引电机采用特有的四点弹性架悬方式, 在电机和构架之间安装有横向液压减振器和横向止挡, 首次采用牵引电机作为动力吸振器来控制转向架蛇行运动稳定性和蛇行频率, 从而避免引起车体弹性模态共振; 考虑悬挂参数和轮轨接触非线性, 建立了复兴号动车组非线性多刚体动力学仿真模型, 通过悬挂模态计算和动力学时域仿真, 分析了关键参数对动车蛇行运动的影响规律; 基于将电机作为动力吸振器的原理, 优化了电机节点横向刚度和横向减振器阻尼; 考虑动车组运营中的轮轨匹配随机因素, 组合400种轮轨随机匹配状态, 仿真分析了动车的动力学性能; 开展动车组长期线路动力学跟踪试验, 研究了动力转向架蛇行运动演变规律。仿真与试验结果表明: 牵引电机弹性架悬下的构架横向加速度频谱图从以蛇行频率为主频的单峰值变化为主频在蛇行频率两侧的双峰值, 说明电机起到了动力吸振器的作用; 将电机作为动力吸振器能够提高动车蛇行运动稳定性, 具有不同等效锥度的典型轮轨匹配下非线性临界速度超过500 km·h^-1; 动车蛇行运动最高频率被控制在6 Hz附近, 远离车体中部菱形弹性模态频率8.5 Hz, 避免了转向架蛇行运动激起车体弹性共振; 动车组在轨道随机不平顺激扰下, 构架端部横向加速度小于0.5g, 平稳性指标小于2.5, 轮轴横向力和脱轨系数等运行安全性指标满足要求。     

基于抗蛇行减振器失效工况的高速转向架稳定性分析

对于CRH3动车组转向架来讲,车轮踏面选用S1002CN,轮轨接触锥度趋高,因而采用了抗蛇行减振器冗余设计(每架4个).针对后位转向架的一个抗蛇行减振器失效工况.线性稳定性分析表明:由于电机弹性架悬,动车转向架将以后位电机吊架横向振动形式失稳,而拖车转向架则以后位转向架的快速蛇行振荡形式失稳.非线性临界状态和动态行为评...     

高速动车组晃车机理试验研究

对运营中的高速动车组进行振动在线测试,分析高速动车组车内振动的时频特性,同时对车轮踏面形状进行同步测试,研究车轮等效锥度特征,分析比较晃车车轮和正常车轮等效锥度的差异以及对晃车现象的影响.测试结果表明,车体出现晃动时平稳性指标明显大于2.5,晃动主频为1.5 Hz左右,主要表现为车体侧滚和摇头的耦合振型;轮轨匹配等效锥度偏小以及抗侧滚扭杆、抗蛇行减振器性能衰减是造成车体晃动的主要原因,因此控制轮轨匹配的等效锥度和保证转向架悬挂系统正常对车辆运营具有重要意义.     

高速车辆横向振动耦合机制形成的主要因素

与快铁运用模式不同,高铁运用模式更加强调安全冗余.因而降低蛇行振荡参振质量应当作为高速转向架设计的基本原则.横向振动耦合机制是高铁车辆振动行为的基本规律,其形成具有以下2个主要因素:即轮对(强)迫导向定位形式和抗蛇行高频阻抗作用,两者导致车体摇头大阻尼特征,造成车体对后位转向架接口的横向高频扰动增强,进而构成了横向振动传递媒介.同时这2个因素也是参振质量降低的必要技术条件.降低纵向定位刚度或最小等效锥度,将违背高速转向架的降低参振质量基本原则.因而在350 km/h标准动车组及其技改中,必须实施抗蛇行宽频带吸能机制原始技术创新.     

基于能量法的轮对蛇行运动稳定性

为了分析轮对蛇行运动的形成机理与能量传递机制, 基于车辆系统动力学理论推导了轮对蛇行运动的能量表达式; 借助轮对运动参数的相位关系和能量表达式, 确定了轮对蛇行运动过程中各部分所做的功及其对应的能量传递路线; 通过数值仿真计算不同参数条件下的输入能量, 对比了踏面等效锥度、轮对质量、一系悬挂刚度与重力刚度等参数对轮对稳定性的影响规律。研究结果表明: 蠕滑力和锥形踏面的协同作用是轮对产生蛇行运动的根本原因, 蠕滑力中的刚度项通过调节纵、横向蠕滑率向轮对系统横向运动输入能量, 蠕滑力中的阻尼项耗散轮对系统的能量; 当输入能量大于耗散能量时, 轮对蛇行运动发散, 当输入能量小于耗散能量时, 蛇行运动收敛, 当输入能量等于耗散能量时, 轮对做等幅周期运动; 增大轮对质量和车轮踏面等效锥度不利于轮对的稳定性, 增大一系悬挂纵、横向刚度对轮对稳定性有利; 踏面等效锥度对轮对稳定性的影响最大, 当锥度由0.15增大到0.20时, 输入能量增大了约9.5倍; 一系悬挂刚度的影响次之, 刚度由75kN·m^-1增大到100kN·m^-1时, 输入能量减小了约60%;轮对质量影响最小, 轮对质量由1 000kg增大到2 100kg时, 输入能量增长了约1.1倍; 在锥形踏面下, 重力刚度对轮对稳定性的影响可以忽略。     

3E轴构架转向架的通用动力学要求

为了更好地实现铁路货运的重载快捷发展目标,以双层集装箱车辆作为应用研究对象,利用刚柔耦合仿真分析手段进行了3E轴构架转向架100~135 km/h动力学性能分析.6轴双层集装箱车辆刚柔耦合分析表明：空载承载鞍滑动现象和重载中轴轮对稳定性将是其高速运营的主要性能问题.因而,确保空载轮对定位刚度、确保重载中轴轮对轮轨关系稳定和降低车体结构耦合振动响应水平应作为3轴构架转向架的通用动力学要求.为此,提出了如下三项技术对策：①1、3轴承载鞍应以45°倒面作为承载摩擦面,满足摩擦系数μe≥0.42,而中轴小承载鞍则以磨耗板进行减磨处理μ〈0.2;②以中轴轮对车轮轮缘减薄9 mm的LM修正踏面优化来提高轮轨匹配的等效锥度控制中轴轮对横移,进而降低转向架蛇行运动程度;③中轴轴箱增设斜楔摩擦减振以降低落下孔车体中部结构振动耦合响应.与原设计对比,该技术对策可以使车辆动态性能得到改善.     

3E轴构架转向架的通用动力学要求

为了更好地实现铁路货运的重载快捷发展目标,以双层集装箱车辆作为应用研究对象,利用刚柔耦合仿真分析手段进行了3E轴构架转向架100~135 km/h动力学性能分析.6轴双层集装箱车辆刚柔耦合分析表明:空载承载鞍滑动现象和重载中轴轮对稳定性将是其高速运营的主要性能问题.因而,确保空载轮对定位刚度、确保重载中轴轮对轮轨关系稳定和降低车体结构耦合振动响应水平应作为3轴构架转向架的通用动力学要求.为此,提出了如下三项技术对策:①1、3轴承载鞍应以45°倒面作为承载摩擦面,满足摩擦系数μe≥0.42,而中轴小承载鞍则以磨耗板进行减磨处理μ0.2;②以中轴轮对车轮轮缘减薄9 mm的LM修正踏面优化来提高轮轨匹配的等效锥度控制中轴轮对横移,进而降低转向架蛇行运动程度;③中轴轴箱增设斜楔摩擦减振以降低落下孔车体中部结构振动耦合响应.与原设计对比,该技术对策可以使车辆动态性能得到改善.     

动车组踏面凹型磨耗对车辆稳定性的影响

针对某型高速动车组在运行过程中出现构架横向报警的问题,建立考虑踏面凹型磨耗的动车组动力学模型.通过仿真分析和现场试验相结合的方法,研究不同运行里程凹型磨耗踏面与钢轨的轮轨关系以及凹磨踏面对车辆稳定性的影响.研究结果表明:镟修踏面与钢轨匹配时轮轨接触点呈现均匀分布,凹型磨耗踏面轮轨接触点主要分布在凹磨区域两侧;随着轮对横...     

轮对等效锥度与车辆动态特性关系分析

为了分析轮对等效锥度对车辆动力学性能的影响,采用设计不同等效锥度磨耗型踏面和锥形踏面的方法,通过轮轨接触和车辆动力学计算,分析了等效锥度对车辆临界速度和曲线通过性能的影响.结果表明,车辆临界速度并不严格地与等效锥度平方根成反比,而是存在临界速度较高的小等效锥度区域,太小、太大的等效锥度均会导致临界速度迅速降低.等效锥度随轮对横移的增大而增大有利于提高曲线通过性能,并可缓解轮缘磨耗.因此,在轮对小幅横移时等效锥度可以取较小值,并随轮对横移量的增大而增大,可兼顾车辆临界速度与曲线通过性能的要求.     

地铁车辆轮轨型面匹配分析

为了分析地铁车辆常用的LM型踏面、内侧距1 358 mm和1 360 mm的S1002型车轮踏面分别与60 kg/m钢轨匹配特性.进行了轮轨接触几何、非赫兹滚动接触、车辆轨道耦合动力学计算.轮轨接触分析表明,LM轮轨接触点能够均匀分布于钢轨型面,轮对等效锥度随轮对横移呈增大关系,接触斑面积偏小、最大等效接触应力偏大、磨...     

高速列车动力学性能研究进展

为更深入全面了解高速列车系统动力学研究现状,综述了高速列车动力学性能对车辆运行稳定性、安全性和平稳性的影响,总结了列车安全评价方法和动力学试验方法在车辆动力学中的应用,基于轮轨间作用力,分析了轮轨磨耗对列车动力学性能的影响,概括了车-桥耦合模型、弓网系统以及列车空气动力模型在车辆系统动力学中的研究内容。分析结果表明：车轮异常磨耗会导致舒适性下降,合理的车轮镟修能有效降低车轮非圆化和车辆系统关键部件的振动,降低车内振动噪声,增加列车运行稳定性、安全性和平稳性;合适的轮对定位刚度和抗蛇行减振器的刚度和阻尼有利于提高列车蛇行运动稳定性和转向架运动临界速度;钢轨波磨严重时会导致钢轨扣件松动,缩短车辆构架和钢轨的使用寿命;通过合理的钢轨廓型打磨可消除曲线波磨,改善轮轨关系;行波效应对车辆安全性影响很大,与相同激励下的各项参数相比,车速为350 km·h^-1、行波速度为300 m·s^-1时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力都有所降低;横风作用下受电弓气动抬升力增大,影响接触网安全,增大弓头阻尼和弓头刚度可改善弓网受流特性。     

国内外高速列车动力学评价标准综述

针对高速列车的动力学性能评价标准中所涉及的评价内容、评价方法、评价指标及限值展开综述,围绕蛇行运动稳定性、脱轨安全性和运行平稳性展开标准分析和对比,包括ISO系列、UIC系列、EN系列、TSI系列、FRA系列、APTA系列和中国国标等法律规范、行业标准、技术规范等,指出不足或改进建议; 对具有代表性的动力学标准进行详细对比,包括新旧版本国标《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599)、国际铁路联盟Testing and Approval of Railway Vehicles from the Point of View of Their Dynamic Behaviour—Safety—Track Fatigue—Running Behaviour (UIC 518)、俄罗斯Railway Multiple Units—Durability and Dynamics Requirements (GOST/R 55495)等; 对北美FRA和APTA系列标准规定的理想轨道激励下动态响应、准静态性能评价方法等进行应用示范。研究结果表明：蛇行运动稳定性均通过构架横向加速度、构架力或轮轨力进行评判,而数值仿真、台架和线路试验需选择对应适用的方法; 结合现阶段中国高速列车的长期服役动力学性能,若列车以400 km·h^-1及以上速度运行时,建议加速度滤波带宽仍采用0.5~10.0 Hz,幅值限值建议7 Hz以内为8 m·s^-2,而7~9 Hz放宽至10 m·s^-2,并持续10次、2 s或100 m; 针对爬轨脱轨安全性评估,现有标准均基于轮轨力和车轮抬升量进行动态和静态评判,但在指标限值、持续作用时间或运行距离上存在差异,建议采用车轮脱轨系数和轮重减载率的联合评判方法; 新版GB/T 5599删除了倾覆系数和轮轨横向力指标,放宽了轮重减载率限值,轮轴横向力限值维持不变; GOST/R 55495评价方法不区分车辆类型,采用构架力而非轮轨力对运行安全性进行评价,横垂向平稳性指标计算时采用相同的频域加权,且低频段加权带宽及幅值显著比GB/T 5599大,不对平稳性指标进行分级评价; 复兴号CR400BF动车组的运行安全性指标和平稳性指标同时满足GB/T 5599和GOST/R 55495标准要求; 采用北美标准对某160 km·h^-1客车进行理想轨道激励下动态响应分析,8类不平顺激扰中的重复高低和单次高低不平顺工况较为恶劣,6个评价指标中的轮重减载率和车体垂向加速度容易超限。     

基于涡激振动的动车组隧道内列尾横向晃动机理

针对时速160 km动车组在单线隧道内列尾横向晃动问题,提出列尾气流涡脱效应引起车体涡激振动而导致列尾横向晃动的机理,研究了车辆悬挂参数改进等相关抑制措施;根据某动力车结构参数,建立车辆横向动力学模型,结合半经验非线性涡激振子模型,实现涡激振动时车辆流固耦合横向动力学计算。计算结果表明：单线隧道内动车组列尾较大的横向涡激力以及涡激频率与车体蛇行频率共振是引起晃车的主要原因;减小横向涡激力、提高车辆蛇行运动稳定性是减小晃车幅值的有效措施;针对该动力车,需避免较低等效锥度的轮轨接触,以防车辆一次蛇行导致涡激振动加剧;当转向架抗蛇行减振器阻尼由800 kN·s·m^-1减小到400 kN·s·m^-1,涡激共振时车体后端横向振动加速度幅值减小40%;车辆二系横向悬挂采用天棚阻尼半主动控制时,可以有效减小涡激共振区车体横向振动幅值,并能兼顾车体前后端横向平稳性。     

高速列车轮轨参数对车轮踏面磨耗的影响

建立了高速列车多体动力学仿真模型和车轮踏面磨耗计算模型, 通过动力学模拟计算了轮轨接触关系和接触力, 用FASTSIM重新计算轮轨接触斑内的滑动速度、轮轨切向力和摩擦功率的分布, 采用基于摩擦功的轮轨磨耗模型计算了车轮滚过一圈时踏面上一个接触斑的磨耗质量, 再通过累积得到运行一定距离后的踏面磨耗深度。采用数值仿真方法研究了不同车轮踏面外形、轮对内侧距、轨底坡和车速对踏面磨耗深度和磨耗分布的影响。计算结果表明: LMA和S1002踏面的磨耗分布比较均匀, LM踏面的磨耗深度最大, LM和XP55踏面的磨耗区域更靠近轮缘; 在LMA踏面标准轮轨匹配参数下, 轮对内侧距增加会增加磨耗, 磨耗深度随着轨底坡减小而增大; 高速列车车轮踏面磨耗与等效锥度密切相关, 较小的等效锥度会减小磨耗, 但等效锥度的选择需要兼顾动力学性能的其他方面。     

后轮对独立回转新型转向架轮轨横向力的分析

从理论上分析了固定轮对转向架、独立车轮转向架和后轮对独立回转新型转向架通过曲线时的受力情况。围绕轮轨横向力这一重要曲线通过性能指标比较了三种转向架曲线通过性能的优劣 ,通过比较发现后轮对独立回转新型转向架的曲线通过性能最好。然后建立了后轮对独立新型转向架车辆的动力学计算模型 ,利用数值仿真结果对理论分析进行了验证 ,发现理论分析和仿真结果基本上是吻合的