基于空间状态辨识理论的高速铁路车体垂向加速度预测模型

轨道不平顺是引起车辆振动的主要激励源。深入分析轨道高低不平顺与车体垂向加速度关联关系动态,掌握轨道结构传递特性,对科学评价车辆、轨道的服役状态及精准指导线路养护维修具有重要意义。基于系统辨识理论,以我国高速综合检测列车车载检测系统在一高速铁路上的实测轨道不平顺及车体垂向加速度样本数据为基础,通过平均周期图谱法计算检测数据功率谱密度及其相干函数,用状态空间方法构建长波轨道高低不平顺与车体垂向加速度之间的传递模型,并用关联模型传递函数及实测数据对所建模型进行验证。结果表明:模型预测的车体垂向加速度与相应实测数据有较强的线性相关性;利用合理阶数的状态空间模型,能够有效辨识长波轨道高低不平顺与车体垂向加速度之间的传递关系。     

长波高低不平顺与车体垂向加速度关联模型研究

轨道不平顺是车辆振动的主要激励源,随着车辆运营速度的增加,引起车辆振动加剧的不利波长也在变化。本文利用谱分析方法对0号高速综合检测列车实测数据进行分析,得到高速条件下长波高低不平顺和车体垂向加速度在空间频域上的分布规律,分别采用非参数模型和ARX模型构建长波高低不平顺与车体垂向加速度之间的关联关系,并利用系统辨识技术对两种模型的传递函数进行估计。通过将两种关联模型分别与长波高低不平顺结合,实现车体垂向加速度的预测;并与实测车体垂向加速度进行相关性和相干性分析。结果表明,两种模型均能较好反映长波高低不平顺与车体垂向加速度之间的传递关系。通过比较,ARX模型比非参数模型更精确。     

高速铁路路基沉降对车体振动影响研究

某开通时间较短的高速铁路线路受连续降雨影响,路基沉降快速发展,导致部分区段轨道结构发生变形,使轨道不平顺幅值明显增加,引起车体振动加剧,对列车运行的安全性和稳定性造成影响。为了研究路基沉降引起的轨道不平顺对车体振动的影响,选取典型路基沉降区段连续4次动态检测数据进行时频特征分析,结合建立的车辆-有砟轨道空间耦合动力学仿真模型,研究路基沉降区段轨道不平顺和车体振动加速度之间的映射关系,获得了路基沉降不平顺波长和状态演变对车辆动力响应的影响规律。研究结果表明：降雨导致的路基沉降对高低不平顺和车体垂向加速度的影响显著,对轨向不平顺和车体横向加速度的影响较小;路基沉降区段的高低不平顺与车体垂向加速度幅值变化趋势和振动频率基本相同,42～70 m波长高低不平顺的幅值增加是造成车体垂向振动加剧的主要原因;依据仿真结果,路基沉降引起的高低不平顺幅值急剧增加会造成行车过程中局部轮轨垂向力显著减小,导致轮重减载率显著增加;对于速度等级250 km/h的线路,建议雨后重点盯控路基沉降点长波高低不平顺的变化,针对车体垂向振动加速度不良区段的养护维修作业,应着重调整42～70 m波长高低不平顺幅值,以保障车辆...     

基于EEMD的轨道-车辆系统垂向动力学的时频分析

应用白噪声聚类经验模型分解方法(EEMD,Ensemble EMD),进行轨道—车辆系统的时频分析,分析钢轨不平顺的波长—幅值分布及短波不平顺的分布特点。通过理论推导,得到垂向钢轨不平顺与车体垂向加速度之间的转移函数,并由简化模型仿真结果与实验数据对比分析得出二者的相关系数在0.8以上,表明仿真结果与实验数据非常吻合。利用简化模型进行数值仿真,所需复数乘法次数为N(2logN 1),满足实时仿真的需要。实例所测钢轨不平顺和车体加速度的相关性分析结果表明,对加速度数据进行EEMD处理,所得结果能反映钢轨不平顺幅值变化及所在的空间位置等信息。     

时速400 km高铁最小曲线半径地段列车动力学性能研究

为了研究时速400 km高铁列车经过最小曲线半径地段时的动力响应特性,建立曲线地段CRH380B列车-轨道耦合动力学模型,从时域、频域对比仿真数据与综合检测列车实测数据,验证仿真模型的正确性。模拟列车以400 km/h速度通过7 000 m半径曲线路段下的各种轨道不平顺工况,以各动力响应峰值为控制指标,并结合相干性分析,得出长波高低与轨向不平顺最大敏感波长分别为150 m和200 m。曲线地段的车体垂向加速度峰值、车体横向加速度峰值、脱轨系数峰值、轮重减载率峰值、轮轴横向力峰值分别是直线地段的1.21倍、7.58倍、4.8倍、1.17倍、3.25倍,表明线路条件改变对车体垂向加速度、轮重减载率的影响较小,对车体横向加速度、脱轨系数、轮轴横向力的影响显著。研究结论可为运营期的行车舒适性和安全性评价、轨道平顺性评价提供理论依据。     

基于递阶神经网络的轨道车辆振动状态预测

车体振动加速度是反映车辆振动状态及轮轨接触性能的重要参数。运用机器学习方法,结合车辆动力学模型,构建了轨道输入参数对车辆振动反映的神经网络预测模型。通过SIMPACK动力学仿真软件获得模型的输入与输出,为提高模型的预测精度,运用遍历法确定了网络的时延阶数、隐节点等模型参数。仿真结果表明,该模型可以准确预测出在不同轨道不平顺激励下的车体振动加速度。     

轨道不平顺对悬挂式货运单轨车辆动力行为影响分析

建立了悬挂式货运单轨车辆60自由度动力学模型。使用模态方法研究了悬挂式货运单轨车辆的主要振动频率和相应的敏感波长,使用非线性积分方法计算了悬挂式货运单轨车辆在轨道不平顺作用下的动态响应。结果显示:在车速15～30km/h范围内,悬挂式货运单轨车辆横向振动主要受波长在13.44～26.88m范围内的不平顺的影响,垂向振动主要受1.46～3.36m范围内的短波不平顺影响。轮轨导向力随横向不平顺幅值的增大而线性增大,然增幅不明显。车体垂向加速度和轮轨垂向力随垂向不平顺幅值的增大而线性增大,其中短波不平顺的影响最明显,短波不平顺幅值从1mm增加到4mm,车体垂向加速度幅值从0.58m/s2增加到2.1m/s2,在工程实际中,应重点对走行面上的短波不平顺进行监测和控制。     

基于状态空间法的轨道不平顺与车体横向加速度关联模型

构建状态空间模型研究我国高速铁路实测轨道不平顺与高速综合检测列车车体横向加速度数据之间传递特性。首先采用谱分析方法分析长波轨向不平顺、水平不平顺等与车体横向加速度在空间频域上相干特性,根据相干分布规律分频段建立轨道不平顺与车体横向加速度之间的多输入单输出状态空间模型;再利用高速综合检测列车实测数据训练状态空间模型的结构参数辨识输入输出之间的传递关系;最后验证所建状态空间模型的残差符合零均值正态分布。利用训练得到的状态空间模型传递函数及实测轨道不平顺数据预测了车体横向加速度输出,并与相应实测车体横向加速度数据进行对比。验证结果表明,在合理的空间频段上搭建的状态空间模型,能够准确地辨识轨道不平顺与车体横向加速度之间的传递关系。     

减振轨道对地铁车辆动力学性能的影响研究

为研究地铁A型车辆在不同等级减振轨道上行车时的动力学特性,基于车辆-轨道耦合动力学理论,以深圳地铁某线路实际铺设的不同等级减振轨道为研究对象,建立考虑不同等级减振轨道的地铁A型车辆-轨道垂向耦合动力学模型,采用数值仿真的方法分析不同等级减振轨道下车辆-轨道耦合系统的动力学特性。结果表明:相对于铺设其他两种等级减振轨道,铺设高等和特殊减振轨道时车体的垂向振动加速度均方根值增幅超过30%,车体垂向Sperling平稳性指标增幅超过5%;钢轨垂向位移增加明显且钢轨垂向位移的标准差增加了约3倍。主要结论为:采用高等级减振轨道会一定程度恶化车辆动力学性能和乘客乘车环境,在实际选取不同等级减振轨道时应综合考虑地铁车辆的行车动力学性能。     

时速300~350 km高速铁路轨道不平顺管理波长研究

应用 Adams/Rail软件建立了 CRH2动车组的动力学仿真模型,采用武广高速铁路预设轨道不平顺的试验数据对仿真模型进行了验证,利用该模型分析轨道不平顺波长对车辆动力学性能的影响,得出高速铁路长波不平顺管理波长.研究结果表明:车辆的垂向和横向加速度敏感波长随车型和速度的变化而变化,随着速度的增加,敏感波长变长;相同速度下,重车的敏感波长要比空车长,横向加速度的敏感波长要大于垂向加速度的敏感波长;运行速度300 km/h和350 km/h时,应管理的高低不平顺波长分别需超过100 m和110 m,应管理的轨向不平顺波长分别需超过180 m和200 m.     

扭曲不平顺对双块式轨道动力特性的影响分析

研究目的:扭曲不平顺作为一种轨道几何形位的不平顺,对行车平稳性、安全性及舒适性造成不利的影响。本文基于车辆动力学有限元方法,以轮轨关系为联系纽带,将机车车辆、轨道作为一个整体大系统,应用计算机数值仿真的方法并借助于通用大型有限元动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA建立包含轨道扭曲不平顺的车辆-双块式无砟轨道垂向全车耦合模型,研究扭曲不平顺幅值对双块式无砟轨道动力特性的影响,初步提出扭曲不平顺安全限值的建议值。研究结论:(1)随着扭曲不平顺幅值的增加,车体、转向架、轮对、钢轨、道床板垂向加速度随之增加;在车辆一系、二系悬挂系统良好的减振效果下,车体加速度幅值不大,并不会对旅客舒适度造成太大影响;(2)从行车安全角度出发,建议将扭曲不平顺幅值限值为2 mm;(3)本文提出的扭曲不平顺限值对双块式无砟轨道设计有一定的参考价值,可对我国轨道几何形位的维修养护提供一定的理论指导。     

EMS型磁浮列车车体响应与轨道不平顺的相干性分析

为探究EMS型磁浮列车车体振动响应的敏感波长,采用PID悬浮控制法建立了中低速磁浮试验车动力学模型,并按照相干性原理构建了不平顺与车体振动的相干函数。通过仿真分析发现:相同速度下,磁浮车前后端车体振动加速度的敏感波长存在一定的差异,前端大于后端;随着速度的增加,磁浮车前后车体振动加速度的敏感波长和相干函数的最大值几乎都在增加;随着速度的增加,车体横向加速度的相干函数大于0.8的波长范围增加。同时确定了引起车体振动的主要激励波长,其中车体的横向振动响应主要是由波长在3~9 m范围的轨道方向不平顺引起的,车体的垂向振动响应是由波长在10 m左右以及波长在2.8 m时的高低不平顺引起的。     

高速铁路(京沪、沪宁、沪杭线)轨道不平顺谱分析

利用改进的Welch周期图法计算了京沪、沪杭、沪宁等高速铁路的轨道不平顺功率谱密度,从波长和幅值2个角度分析其轨道不平顺特征,并对成因进行探析;利用相干理论对轨道不平顺与车体振动加速度进行分析,探讨高速线路轨道不平顺引起的车体不利波长。研究结果表明:京沪、沪杭、沪宁高速铁路普遍存在2.8～2.9,6.45～6.5,24～25和32～33m不利波长范围的周期性轨道不平顺;高速铁路高低不平顺对车体垂向加速度影响显著;各高铁线水平和扭曲不平顺对车体垂、横向振动不利波长主要为2.0～3.5m窄带周期性波长。     

高速铁路轨道不平顺幅值控制研究

研究目的:快速、舒适和安全是高速铁路得以实现的三大要素.由于高速铁路列车与轨道的相互作用很复杂,轨道几何形位难控制,从而造成轨道与设计线形的变化,出现轨道几何不平顺,反过来又会影响列车行驶的安全和舒适度.本文通过建立列车垂向振动整车模型,考虑轨道结构的弹性,以轨道不平顺值作为激励,建立运动方程.用变换矩阵法求解系统的刚度、阻尼、质量矩阵,以Newmark积分法经matlab编程逐步求解.提出车体垂向加速度和轨道高低不平顺幅值.研究结论:通过建立整车模型和对运动方程的求解,探讨了轨道高低不平顺对列车垂向加速度的影响;通过与国内外相关标准的比较,提出在时速300 km/h时应满足的轨道最大高低不平顺幅值,即:当车体垂向加速度满足不平顺舒适度值0.15 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在8 mm以内;满足计划维修目标值0.25 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在14 mm以内;满足安全管理目标值0.35 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在19 mm以内.     

基于乘车舒适性的高速铁路轨道高低不平顺谱限值估计方法

应用车辆-轨道耦合动力学理论和平稳随机过程理论,借助车辆-轨道垂向耦合频域分析模型,以轨道高低不平顺谱为输入激励,提出基于车辆垂向舒适性指标(车体加速度和 Sperling 指标)估计高低不平顺谱限值的方法。以我国武广客运专线及德国低干扰轨道高低不平顺谱为例,对350 km/h行车速度时的谱限值进行了估计。通过对比时域、频域模型计算结果,对所估计谱限值进行了校核,校核分析结果表明,频域模型计算结果与时域结果吻合较好,说明了所估计谱限值的合理性。分析方法及研究结果可为高速铁路轨道不平顺管理提供参考。     

钢轨波磨指数与轨道短波不平顺关系研究

采用ABAQUS软件及轮轨真实形状尺寸参数,建立轮轨高频接触有限元模型;以我国某高速铁路钢轨波磨区段实测轨道短波不平顺作为有限元模型输入,在时域和频域上对比轴箱垂向加速度仿真结果与实测数据,验证模型的准确性;仿真计算钢轨波磨区段不同幅值轨道短波不平顺工况下轮轨垂向力、轴箱垂向加速度分布特性,研究钢轨波磨指数与轨道短波不平顺幅值之间的关系。结果表明:在钢轨波磨区段,轮轨垂向力最大值与钢轨波磨指数最大值出现的位置对应良好,在轮轨不脱离接触的前提下,钢轨波磨指数与轨道短波不平顺具有较好的线性相关性;通过曲线拟合可知,在钢轨波磨波长为150 mm时,轨道短波不平顺幅值为0.10和0.12 mm时对应的钢轨波磨指数分别为5.12和6.68。     

竖曲线参数对200km/h速度等级机车动力学性能的影响

文章利用多体动力学软件SIMPACK建立了200 km/h速度等级机车动力学模型,分析了两种形式竖曲线的半径对垂向加速度、轮轨垂向力和轮重减载率的影响,并且根据现行铁道机车车辆动力学性能评定规范加以评价。结果表明:随着竖曲线半径的增大,车体垂向加速度逐渐减小,并趋于平稳,竖曲线半径对轮轨垂向力和轮重减载率影响较小;考虑轨道随机不平顺时,根据车体垂向加速度判断,凸形竖曲线略好于凹形竖曲线;随着半径的变化,机车轮轨垂向力和轮重减载率变化不大,且均属优良范围。     

速度120km/h地铁扣件节点垂向位移的研究实测与分析

为研究120 km/h速度下地铁扣件节点垂向位移的影响因素,通过对广东某城市地铁现场测试结果与多刚体动力学仿真分析结果的对比分析,探讨行车速度及轨道不平顺对地铁扣件节点垂向位移的影响。最后对该地铁在最不利行车情况下扣件处钢轨垂向位移做出预测。研究结论:实测120 km/h速度下地铁扣件节点处钢轨垂向位移值仅比84 km/h速度下的值小5.89%,表明列车速度并非地铁扣件节点垂向位移的主要影响因素;仿真分析表明:轨道不平顺是影响钢轨垂向位移的主要因素之一,定期养护对控制钢轨垂向位移至关重要;最不利行车情况下DZ-Ⅲ型地铁扣件节点垂向位移约为2.051 mm,比试运营实测位移增长约86.27%。     

曲线轨道不平顺对车辆动力响应影响仿真研究

研究目的:本文旨在通过现场实测和仿真计算研究曲线轨道不平顺对车辆动力特性的影响。首先,利用轨检车实测数据对我国提速线路轨道不平顺与车辆振动加速度之间的关系等进行了统计分析及相关分析,对武九线曲线段的轨道谱也进行了初步估计。其次,采用动力学仿真软件Adams/Rail建立车辆-轨道动力学模型,并以实测数据作为验证手段,分析了轨道不平顺类型、幅值和波长对车辆运行平稳性和安全性的影响,提出了对行车运行有不利影响的不平顺波长范围。研究结论:高低不平顺对列车垂向振动影响显著,轨向不平顺对列车垂向、横向振动均有显著影响,当列车以110 km/h运行时,为了避免列车在不平顺激励下产生共振,应该对2.5 m、3.72 m、20 m和28 m波长的轨道不平顺进行控制。     

横向地震作用下车辆−板式无砟轨道系统随机振动分析

地震波本质为非平稳随机过程。为了准确分析地震波对车辆?轨道系统非线性振动行为及动力可靠度的影响,基于车辆?轨道动力相互作用模型、轨道不平顺概率模型和概率密度演化方程,建立考虑轨道随机不平顺作用的横向地震?车辆?轨道系统随机分析及可靠度计算模型。以地震波演化功率谱模型为例,峰值加速度取为1.96 m/s2,对地震和轨道不平顺联合作用下的车辆?轨道系统随机响应进行数值分析。研究结果表明:当考虑轨道不平顺和地震波的联合作用时,车体横向加速度和轮轨横向力较仅考虑地震波作用下的系统响应增大约10.92%和24.97%;轨道随机不平顺与地震随机波的耦合将进一步增大结构动力响应的离散性,故而开展地震和轨道随机不平顺的联合分析是必要的。