轨道不平顺概率模型

为了高效选取轨道不平顺随机样本, 以满足车辆-轨道系统随机动力与可靠度分析中的激振源遍历性要求, 依据轨道随机不平顺的弱平稳与谱相似特征, 提出了一种轨道不平顺概率模型; 采用离散概率积分和统计方法, 在时域中将大量轨道不平顺检测信号分成若干个时程序列, 对每个序列采用谱分析法计算其统计功率谱密度分布; 采用矩阵法对轨道不平顺功率谱密度函数进行集合表征, 视每条谱线在不同频率点的功率谱密度概率具有累加性, 采用单一频率下的功率谱密度概率分布推知整条谱线的出现概率; 采用通用随机模拟方法选取代表性轨道谱, 并反演随机不平顺序列; 实测了某高速铁路约269km的轨道高低和方向不平顺, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 从轨道不平顺模拟幅值与车辆-轨道系统动力响应的概率密度分布出发, 对比了轨道不平顺概率模型与轨道不平顺随机模型的计算结果, 以验证轨道不平顺概率模型的正确性和高效性。计算结果表明: 以2种模型生成的轨道随机不平顺为激振源, 获得的车辆-轨道系统动力响应分布熵差异小于2%, 2种模型均能准确表达不平顺激扰特性; 为保证模拟与实测不平顺的概率密度分布一致, 采用随机模型和概率模型分别需要生成131和33个随机样本, 概率模型具有更高的分析效率; 在给定计算工况下, 轮轨力和车体加速度的幅值分别为38~152kN和-0.042g~0.043g (g为重力加速度), 均未超过《高速铁路设计规范》 (TB 10621—2014) 中的限值(轮轨力为170kN, 车体加速度为0.25g), 表明此高速铁路轨道不平顺状态较优, 行车安全性和舒适性可以得到保证。     

车辆——轨道耦合系统随机振动分析

将轨道高低不平顺视为平稳各态历经随机过程,利用车辆－轨道耦合动力有限元计算模型,对车辆－轨道系统垂向随机动做了计算,在时域和频域内对系统响应作了分析。     

机车对轨道横向随机不平顺的响应

本文用谱分析方法，分析和计算了机车在直线轨道上匀速运行时对轨道横向随机不平顺输入的动力响应，计及了轨道的横向弹性及轮轨间的非线性几何关系。在计算中采用统计线性化方法和迭化法，将结果与线性情况作了比较。     

轨距不平顺激励下高速列车动力响应研究

为分析轨距不平顺对车辆动力响应的影响,建立了直线和曲线上不同工况的轨距不平顺,仿真计算了列车以不同速度通过轨距不平顺下动力响应,并对各项指标进行了对比分析。     

气隙对直线电机地铁系统动力响应的影响

应用概率统计和频域分析理论, 分析了广州地铁4号线列车行驶过程中直线电机与感应板间动态气隙的实测数据; 建立了车辆-轨道垂横向耦合动力学模型, 研究了受气隙影响的垂向电磁力对车体和轨道系统的动力影响, 并与轨道随机不平顺对系统的动力影响进行了对比。研究结果表明: 92.2%的气隙在9¹2mm的标准范围内, 且服从均值为10.5mm、标准差为1mm的正态分布; 感应板上表面与钢轨顶面的高度差是峰值气隙的决定因素, 通过气隙静态测量可确定线路的最不利气隙位置; 气隙的频域成分以小于0.1m^-1的空间频率为主, 并存在0.2m^-1的频率尖峰, 即气隙存在约为5m的周期成分; 垂向电磁力对车体加速度影响较小; 垂向电磁力可使轨道结构产生上升位移, 在同时存在轨道不平顺的情况下, 钢轨最大位移可达0.8mm, 轨道板最大位移可达1.0mm; 轨道不平顺是轨道结构持续振动的主要诱因, 垂向电磁力只会在开始作用于轨道结构的瞬间产生较大加速度, 垂向电磁力引起的轨道结构最大加速度大于轨道不平顺引起的最大加速度, 轨道不平顺和垂向电磁力的共同作用效果远大于单一因素的影响, 钢轨加速度可达2 200m·s^-2, 轨道板加速度可达1 500m·s^-2; 垂向电磁力对轮轨垂向力的最大影响在9kN以内; 可采用动态和静态检测相结合的方法测量气隙, 先应用列车上的动态检测设备测量出线路感应板超限点的大体位置, 然后进行人工精确测量, 维护后再次使用动态检测法进行气隙合格检验, 实现快速、精确、有效维护线路感应板的目的, 减小气隙对轨道结构垂向振动的影响。     

轨道不平顺非线性预测模型

分析了轨道高低不平顺非线性预测理论, 根据广深线运量和轨、车检测数据, 采用多元回归分析得到广深线轨道高低不平顺非线性预测模型, 将该模型用于预测未来轨道不平顺的发展情况, 并与实际检测值进行对比和误差分析。结果表明, 两者图形趋势较为一致, 说明用该模型预测轨道高低不平顺发展趋势是可行的。     

轨道左右不对称的车辆-轨道系统动力响应

视车辆、轨道为整个系统,车辆模拟为由弹簧和阻尼器连接的多刚体,具有15个自由度,轨道模拟为两根离散粘弹性基础支承的长梁。运用弹性系统力学总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座”法则,建立车辆．轨道系统的运动方程。研究了左右钢轨不对称不平顺、左右钢轨的不对称支承、车辆移动速度以及钢轨类型对车辆一轨道系统响应的影响。     

轨道随机不平顺下磁浮车辆非线性动力学特性

基于柔性轨道研究了随机不平顺下磁浮车辆的动力学特性, 在将轨道受力分解为分段链式结构的基础上, 提出了一种磁浮车辆垂向悬浮稳定性分析方法, 定义了不同悬浮力作用于各自悬浮点时柔性轨道的振动固有频率和模态矩阵; 建立了轨道分段链式结构的离散形式和轨道结构的运动方程, 采用虚拟激励法将轨道不平顺产生的随机激励转化为系统输入激励, 并将轨道随机高低不平顺作为振动激励源进行车轨振动控制; 在不同反馈控制参数下采用电压反馈双环PID控制器数值仿真车辆的悬浮状态, 并分析了轨道随机不平顺激励下反馈控制参数对磁浮系统稳定性的影响。研究结果表明: 当磁浮车辆速度为50~80 km·h^-1, 位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为140 000、50、500时, 车辆可以从起始间隙16 mm快速定位到平衡位置间隙9 mm, 在2.2 s时即可稳定悬浮, 系统的超调量和稳态误差分别为1.50和0.13 mm, 且系统振动频率趋近于0;当位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为15 000、50、400时, 磁浮车辆在轨道随机不平顺作用下的悬浮稳定性变差, 系统在9 s左右逐渐趋于稳定, 但仍旧在平衡位置上下浮动, 且系统振动频率和振动幅值分别为7 Hz和0.5 mm; 当磁浮车辆的速度超出50~80 km·h^-1时, 第1组反馈控制参数不再适用, 磁浮系统在1.7 s左右发散, 车辆失稳, 表明在不同车辆速度和反馈控制参数的作用下, 轨道随机不平顺能显著影响磁浮车辆的悬浮稳定性。     

轨道不平顺数值模拟方法

为了提高将轨道功率谱密度函数(PSD)通过数值模拟方法转换为时域样本的可靠度,分析了国内外常用的轨道不平顺数值模拟方法的模拟原理和步骤,采用计算机仿真程序模拟出各种方法生成的时域样本,并以此作为车辆垂向动力学模型的输入激励,通过数值仿真得出系统的时间-响应历程。各种模拟方法模拟结果比较表明采用各种方法模拟出的轨道不平顺时域样本是正确的,用三角级数法和逆Fourier变换法模拟出的时域样本的离散度较小,而用白噪声滤波法和二次滤波法模拟的时域样本离散度较大,因此后两种方法模拟出的轨道不平顺时域样本不宜作为研究系统时域响应时的轨道激励。     

轨道扭曲不平顺安全限值的研究

本文用车辆－系统耦合动力学的理论，分析了轨道扭曲不平顺的幅值对车辆动力学性能的影响，并以《铁道车辆动力学性定办法和试验鉴定规范》中规定的第二限度（安全限度）为评定准则，提出了轨道扭曲不平顺的安全限值，并对其临时补修标准作出了评价。     

紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用

为了优化坡道上钢弹簧浮置板轨道的设计, 在考虑轮轨纵向作用关系与钢弹簧浮置板轨道特点的基础上, 运用多体动力学理论和有限元法建立了紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用模型, 利用多体动力学软件UM验证了模型的有效性, 分析了车辆与轨道的动力响应。研究结果表明: UM软件与本文模型计算得到的车体纵向加速度和轮轨纵向力平均相对误差分别为1.3%、2.8%;在紧急制动过程中, 车体始终处于向前点头和纵向振动的状态, 导致前轮增载, 后轮减载; 由于板与板之间不连续, 钢轨和浮置板之间会产生纵向相对错动, 须注意钢轨与浮置板之间不协调的纵向变形; 间隔2组扣件布置一对隔振器方案(方案1) 所得板端钢轨垂向位移比板中大0.2 mm, 间隔2组扣件布置一对隔振器, 再间隔3组扣件布置一对隔振器方案(方案2) 所得板端钢轨垂向位移比板中小0.5 mm; 2种布置方案下, 轨道纵向变形相差不超过5%, 扣件和钢弹簧受到的纵向作用力相差不超过15%;短波轨道不平顺显著加剧了钢轨和浮置板的垂向振动效应, 不平顺状态下钢轨最大垂向加速度可达15g左右; 钢弹簧浮置板轨道可以降低传递到基础底部的垂向振动, 加速度降幅约为0.2 m·s^-2, 但会显著放大低频段钢轨、浮置板的垂向振动, 振动量增幅约为15 dB。     

地铁车辆直线电机恒隙控制仿真

为了研究直线电机悬挂方式对车辆动力学性能的影响, 以及通过主动悬挂以减小直线电机气隙变化和轮轨冲击力, 建立了基于多体动力学的地铁车辆仿真模型。采用经典电磁场理论建立了直线电机电磁力仿真模型, 以及机电作动器驱动的直线电机恒隙控制系统模型。采用数值仿真研究了直线电机恒隙控制方法及其对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明: 直线电机采用架悬结构并选择大挠度的一系垂向弹簧时, 气隙变化主要是由载荷变化引起的, 变化频率很低, 易实现恒隙控制。恒隙控制可以保证车辆在不同荷载工况下满足气隙要求, 降低轮轨垂向作用力10 kN左右, 减小车体垂向平稳性指标0.1左右。车辆动力学性能较传统直线电机车辆得到改善, 并能提供平稳的牵引力。     

轨道综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺改善效果

根据高速铁路有砟轨道综合作业前后的轨道几何状态检测数据, 分析了以大机作业、人工精调和钢轨打磨为主的综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺的改善情况。分析结果表明: 大机作业、人工精调和钢轨打磨的综合作业可联合改善轨道几何不平顺, 其中, 大机作业对高低、水平、三角坑不平顺的改善率分别为20.95%、12.90%和13.16%, 人工精调对高低、水平、三角坑和轨距不平顺的改善率分别为11.97%、5.56%、7.43%和6.12%, 钢轨打磨对高低和轨向不平顺的改善率分别为4.85%和3.88%, 轨道质量指数在大机作业、人工精调、钢轨打磨后的改善率分别为11.54%、6.91%和1.10%, 因此, 大机作业和人工精调对各个单项不平顺改善效果明显, 大机作业的贡献最大, 而人工精调可在一定程度上改善轨距不平顺, 钢轨打磨对高低不平顺和轨向不平顺进一步改善, 但对水平不平顺、轨距不平顺和三角坑不平顺等改善效果不明显; 经过综合作业, 单项不平顺与轨道质量指数均呈下降趋势, 其中轨道质量指数、高低不平顺、水平不平顺、右轨向不平顺近似呈幂函数趋势降低, 左轨向不平顺近似呈线性函数趋势降低, 三角坑不平顺近似呈对数函数趋势降低, 反映了大机作业对轨道几何状态改善程度高, 人工精调、钢轨打磨进一步改善部分单项不平顺的情况。     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型, 分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响, 考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响, 通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态, 推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式, 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力, 采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程, 通过数值分析计算, 得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明, 如果失效因子从0.8增大到1.0, 即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱, 钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

沪宁城际铁路轨道高低不平顺状态分析

为分析轨道高低不平顺对沪宁城际铁路列车运行动力学性能的影响,建立了车辆轨道耦合模型,计算得到不同轨道谱激扰下的列车动力学性能指标,包括沪宁城际铁路实测轨道不平顺、秦沈有砟、无砟谱和德国高干扰、低干扰谱.经对比分析,结论如下：沪宁城际轨道谱实测不平顺激扰下,列车各项动力学性能指标均为最优值,且满足相应限值要求,反映出沪宁城际轨道良好的平顺性;其他4种轨道谱激扰下列车各项动力学性能指标也均满足相应限值要求,能够保证列车舒适度及行车安全.研究成果可为沪宁城际铁路养护维修中轨道高低不平顺管理提供参考.     

有砟轨道高低不平顺概率分布的时空特征

为研究有砟轨道不同线形区段上高低不平顺标准差所服从的最优概率分布函数及其时空特征, 采用三参数概率分布函数拟合有砟轨道高低不平顺标准差峰值及尾部特性, 选取了5种三参数理论分布函数, 并确定了最优概率分布函数的选择原则; 以既有沪昆线为例, 拟合了有砟轨道上6种不同线形区段上高低不平顺标准差服从的最优概率分布函数; 分析了高低不平顺标准差的时间特征, 采用非线性函数拟合了分布函数参数随时间的变化情况; 分析了高低不平顺标准差的空间特征, 比较了轨道质量状态在空间维度上的不同。分析结果表明: 在高低不平顺标准差大值区域, 三参数Lognormal分布理论值与实际值的相对误差小于5%, 而正态分布理论值与实际值的相对误差则大于50%, 因此, 采用三参数概率分布函数能有效解决两参数概率分布函数理论值在此区域与实际值发生偏离的问题; 在描述线形区段的统计分布特性时, 不同线形区段应选择不同的分布函数, 同一线形区段宜选取同一种分布函数; 既有沪昆线桥隧区段上, Burr分布有5次是最优概率分布, 且P值之差的均值和标准差分别为0.09和0.12;各区段高低不平顺标准差所服从分布的3个参数用非线性函数拟合的优度均大于0.6, 因此, 采用非线性函数可有效拟合3个参数随时间的变化规律; 维修与养护作业前后桥隧区段高低不平顺标准差的超限百分比都小于3%, 圆曲线、缓和曲线和直线区段上高低不平顺标准差的超限百分比为3.5%~12.8%, 而限速区段和道岔区段上均大于25%。确定的最优概率分布函数选择原则可应用于轨道不平顺概率分布特征研究。