基于几何滤波效应的高速列车牵引变压器悬挂参数设计

为了对高速列车牵引变压器悬挂参数进行设计,提出了一种基于几何滤波效应的变压器悬挂参数设计思路。建立车辆-变压器耦合系统模型,推导了车辆振动响应功率谱密度函数,并从轨道不平顺激励函数、车辆设备耦合系统频响函数、车辆系统振动响应谱密度函数的角度出发探讨了滤波效应对车辆系统振动特性的影响,通过将变压器悬挂频率设计为滤波频率来衰减车体的弹性振动。研究结果表明:在低频范围车体极易因为轨道低频激励能量过大引起车体产生强迫振动;两种典型速度下,车体的低阶垂弯模态与轮轨激励共同作用导致车体产生较大振动幅值;车体的高阶垂弯模态因为滤波效应或者激励能量过低导致车体在高阶垂弯模态频率处振幅较小;对于设计时速250 km/h的高速列车,其变压器悬挂频率设计为9.8 Hz能显著衰减车体的弹性振动。研究结果可以为高速列车车下设备悬挂参数设计提供指导意义。     

弹性车体垂向运行平稳性一系最优控制研究

采用基于轨道谱及包括轮轴间时延预瞄的最优控制算法,在一系悬挂中加入主动控制,设计其主动控制规律,从降低轨道至车体振动的传递入手,对铁道车辆弹性车体垂向动力学模型进行仿真分析。结果表明,该最优控制算法对车辆系统的振动有较好的抑制作用;可以改善轨道至弹性车体中部的振动加速度传递率,在控制车体刚体振动的同时,也能抑制整车的弹性振动;最优控制算法对车辆系统的1Hz左右的低频振动、以及包含人体垂向振动敏感频域(4Hz-8Hz)的4Hz~10Hz频率内的振动衰减明显,但对车体高频振动作用不大。并与二系主动悬挂系统比较,发现一系主动悬挂能更有效的控制车体的弹性振动,且抑制的频率范围较宽,车辆运行平稳性更佳,为今后弹性车体减振措施选择提供依据。     

车下设备悬挂参数与车体结构之间的匹配关系研究

本文通过建立等效欧拉梁车体与设备垂向耦合振动模型,研究了车下设备刚性悬挂与弹性悬挂对车体振动的影响。研究结果表明,车下设备采用弹性悬挂的设计方式能够有效抑制车体的弹性振动。为了研究车下设备弹性悬挂参数与车体结构之间的匹配关系,本文基于模态叠加法原理法建立了考虑车体弹性振动和车下设备的高速动车组刚柔耦合动力学模型。通过该三维模型分析了车下设备质量偏心和弹性悬挂参数对车体振动响应的影响规律。仿真结果表明,车下设备横向偏心主要影响车体的横向振动特性,而车下设备纵向偏心主要影响车体的垂向振动特性;当车下设备的悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时能够降低车体的整体振动水平,而当车下设备的悬挂频率低于车体的垂向弯曲频率时,提高车下设备弹性悬挂系统的阻尼能够一定程度上抑制车体的弹性振动。     

轨道车辆运行过程中人体振动仿真研究

在人体振动模型研究基础上,建立了人体轨道车辆运动方程。利用来自二系悬挂的冲击输入以及来自轨道的随机干扰输入,研究在车体上以及人体头部和内脏引起的响应。结果表明:人体的振动与车体的振动有较大的差异,横向人体振动较大,垂向人体振动较小;人体头部的横向振动较内脏的振动大,垂向头部振动较内脏的振动小。     

车辆整备状态车体垂弯频率优化方法研究

为提高轨道车辆整备状态车体垂向一阶弯曲频率,提出基于灵敏度分析和车下设备弹性吊挂参数设计方法优化车体垂向一阶弯曲频率。以车身型材骨架厚度为设计变量,用模态灵敏度理论对车体垂弯进行优化设计;结合改进车下设备与车体连接方式,研究了不同吊挂形式及刚度对车体垂向弯曲频率的影响。研究结果表明:采用灵敏度分析调整车体敏感部件厚度后,车体垂向一阶弯曲频率由9.70Hz提升至10.60Hz,但车体质量相应增加0.93 t;而采用基于车下设备弹性吊挂参数设计的方法,设置下吊设备固有频率为7Hz时,整备状态车体的垂向一阶弯曲模态频率提升至10.51Hz,相对而言基于弹性吊挂参数设计的方法更易于实际工程应用且不增加车体结构质量。     

考虑车轨耦合作用的车体动力吸振器减振性能研究

以降低城市轨道交通车辆车体的垂向振动为目的,建立了包含动力吸振器的车辆和轨道垂向振动的耦合模型,获得了耦合模型的垂向振动特性,进一步明确了轨道系统对车体垂向振动特性的影响,讨论了载客量和车速的变化对动力吸振器减振性能的影响,重点研究了考虑轨道系统影响后动力吸振器的设计方法,提出了一种新颖的考虑车速变化以及速度区间运行概率的动力吸振器的减振性能评价指标(DVA减振指标)。结果表明:轨道系统使轨道车体振动的峰值频率发生微小的偏移,改变了轨道车辆振动系统的振动特性,使车体垂向振动加剧;在车轨耦合作用下,动力吸振器的设计要综合考虑动力吸振器质量和设计频率的匹配,设计频率的阈值决定了动力吸振器是否减振,最佳设计频率决定了动力吸振器能否获得较好的减振效果。该项工作对包含动力吸振器的轨道车辆振动性能评价和分析具有重要的参考价值。     

铁道车辆悬挂系统振动特征频率灵敏度分析

摘 要: 针对二阶常微分方程描述的车辆系统动力学数学模型,推导了系统特征参数灵敏度分析表达式。以二系悬挂6自由度铁道车辆悬挂系统为例进行了车辆系统振动特性参数灵敏度分析,讨论了车辆系统刚度矩阵中对车辆沉浮和点头振动影响较大的元素,通过灵敏度分析指明了悬挂参数的修改方向,为车辆悬挂系统的动态设计提供了有效的方法。
     

铁道客车车体弹性振动减振研究

铁道客车高速化和轻量化导致车体产生了严重的垂向弹性振动。为了研究弹性振动的减振方法,在将车体考虑成两端自由等截面欧拉梁的基础上,建立了铁道客车刚柔耦合垂向动力学简化模型。计算了系统各部件的固有模态,并确定了车体弹性振动的计算阶数。进行车体弹性振动幅频特性分析,给出了车辆系统悬挂参数和车体结构参数对弹性振动的影响。提出采用粘弹性约束阻尼层来减小车体的弹性振动。仿真结果表明:弹性车体模型的振动大于刚性车体;车体一阶弯曲振动对弹性振动的贡献最大;为了减小车体的弹性振动,车体垂向弯曲自振频率应该足够大于2倍构架浮沉自振频率,但应小于构架结构振动自振频率。应采用适当的一系、二系垂向阻尼和提高车体结构阻尼来衰减车体弹性振动。约束阻尼处理能够提高车体结构的损耗因子,可以明显地衰减车体弹性振动。     

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。       

缩尺比例车辆-轨道垂向振动实验系统研究

在分析车辆-轨道垂向耦合振动模型基础上提出基于相似性原理的缩尺轨道垂向振动实验台,具体阐述其关键参数的计算方法;基于轨道车辆运行设计沿轨道纵向运行的加载小车,实现车辆载荷移动加载;基于虚拟仪器技术实现实验台控制及数据采集。通过对缩尺实验台动力学模型数值仿真、实验结果表明,该缩尺轨道垂向振动实验系统能模拟车辆-轨道垂向耦合振动的低频振动特性。     

Effects of uncertain suspension parameters on dynamic responses of the railway vehicle system

Due to the manufacture error, design tolerance and time-varying factors, the suspension parameters of railway vehicles are always uncertain. This paper investigates the stochastic vibration of the railway vehicle system with uncertain suspension parameters. The energy method and Hamilton’s principle are adopted to derive the governing equations of the deterministic railway vehicle system, in which the rigid and flexible modes of the railway car body can be considered. Based on the deterministic model, the polynomial chaos expansion (PCE) method is further employed to perform the uncertain analysis of the railway vehicle system. The global sensitivity analysis of the stochastic response of the railway vehicle with uncertain parameters is further carried out based on the PCE method and Sobol indices. The accuracy of the proposed method is validated by comparing the obtained random results with those from the published literature and satisfactory agreements can be observed between them. Furthermore, the effects of uncertain suspension parameters on the stochastic vibration characteristics of the railway vehicle system are discussed, which can be used as the reference for the dynamic design of the railway vehicle system. The numerical results show that the computational efficiency of the PCE method is significantly improved compared with the Monte Carlo method.     

高速列车车下设备模态匹配研究

建立了整备状态车体有限元模型及包含车体弹性的高速列车车辆刚柔耦合动力学模型,分析了车下设备吊挂方式对车体整备状态模态参数的影响,提出车下设备隔振橡胶件参数设计方法,并研究了整备状态下车体与车下设备悬挂模态参数的匹配关系。结果表明,车下设备采用弹性吊挂时,车体整备状态下的模态频率显著提升;合理设置车下设备隔振悬挂参数可有效降低车体弹性振动,算例中,当橡胶件的静挠度设置为8~9 mm时,设备浮沉频率可与车体垂向一阶弯曲频率避开,侧滚频率可与车体菱形变形模态频率避开,有源设备高频振动减振效果理想,车辆可以获得优良的运行平稳性,同时车下设备自身振动亦不剧烈。     

基于Simulink的柔性车体垂向振动特性分析

考虑车体的柔性模态,运用振型叠加法获得车体的垂向振动微分方程,并在MATLAB/Simulink中创建车辆刚柔混合垂向动力学模型,分析车体各阶弹性自振频率、阻尼比及车辆行驶速度对车体垂向振动特性的影响,并基于上述分析提出车辆平稳性共振波长的概念,论证平稳性共振波长是车辆的固有特性,为车辆的设计及线路的维护工作提供参考和评价帮助。     

铁路卧铺客车人体振动舒适性建模与仿真

铁路卧铺客车乘客在卧姿状态下所承受的全身振动是影响其乘用舒适度的主要因素。研究了卧姿人体垂直振动模型,在铁道车辆二系悬挂动力学模型基础上,考虑卧铺的隔振作用与卧姿人体的垂直振动响应特性,建立了14自由度"人-铺-车辆"振动系统空间垂向耦合动力学模型,研究了在轨道随机不平顺激励下的卧姿人体垂直振动响应。应用卧姿人体全身振动舒适性评价标准,建立了铁路卧铺客车人体振动舒适性仿真流程。通过对人体头-臀二部位加速度均方根值先后进行部位计权和频率计权,得到卧铺客车卧姿人体振动舒适性指标。以M atlab为工具编制了卧铺客车人体振动舒适性仿真软件,交互输入车辆与人体的结构和动力学参数后,自动完成卧姿人体振动舒适性仿真计算,进而为铁路卧铺客车人体振动舒适性分析及车辆悬架参数优化提供了有效分析手段。     

车下设备悬挂刚度对车辆平稳性影响

为分析车下设备悬挂刚度对车辆平稳性的影响,通过对某型动车的车体有限元模型进行模态计算,并利用多体动力学软件SIMPACK的接口模块FEMBS建立该动车的刚柔耦合系统动力学模型,研究不同的设备悬挂刚度对车体与设备的耦合振动影响。通过刚性与弹性两种不同的联接方式对的比分析可知,弹性联接方式能够对车体的弯曲振动起到抑制作用,由此大大降低设备对车体振动的影响。刚度优化仿真结果表明：车下设备悬挂刚度的不同对车辆的平稳性指标有着重要的影响。     

基于参数不确定列车作用下桥梁振动响应的桥梁损伤识别研究

该文提出了当车辆某参数值不确定时基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别方法。基于列车-桥梁耦合振动模型和响应灵敏度方法, 利用桥梁的在线响应进行损伤识别。通过计算损伤识别结果对随机车辆参数的灵敏度并由此得到损伤因子的数学期望及方差, 进一步得到各单元的损伤因子可能分布区间, 并进行了算例研究。结果表明, 当车辆参数的测量不确定度较小时, 基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别灵敏度方法仍然是可行的;车体质量、一系竖向刚度和阻尼对识别结果影响较大, 而转向架和轮对质量、二系竖向刚度和阻尼对识别结果影响较小。     

基于二元件ISD结构隔振机理的车辆被动悬架设计与性能研究

二元件ISD串并联结构是组成被动机械网络的基础单元,通过在单自由度系统中振动响应特性和系统参数影响的讨论,研究二元件ISD结构振动控制的隔振机理,提出二元件串并联结构的理想匹配关系和悬架结构设计的一般方法,由此设计出车辆被动ISD悬架结构,建立四分之一悬架模型,采用多目标遗传算法优化被动机械元件的参数,参照相应标准以加权车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷均方根值为指标,对比研究所设计的被动ISD悬架结构的工作性能。仿真结果表明,所设计的车辆被动ISD悬架结构与传统被动悬架相比,在悬架动行程均方根值基本一致的前提下,其加权车身加速度和轮胎动载荷均方根值能同时得到改善,并且有效降低了低频段车身共振偏频处各项指标的功率谱密度峰值,说明所设计的悬架结构可有效改善车辆的乘适性和安全性。     

车下有源悬吊设备与车体耦合振动研究

通过对我国高速动车组进行线路试验,发现车下有源旋转设备的不平衡质量所引发设备颤振会与车体地板发生耦合振动,影响车辆动力学性能。为研究有源车下设备与车体耦合振动特性,考虑车体的弹性振动,建立车体与车下悬吊设备的刚柔耦合动力学模型,分析有源旋转设备不平衡量对设备和车体振动的影响。结果表明,有源设备在特定频率范围内容易激发车体的低阶模态,随着不平衡量增加,导致车体振动逐渐增大。为减小车下有源设备振动对车辆动力学性能影响,进行有源设备悬挂参数匹配研究,得出最佳悬挂刚度和阻尼;同时提出有源旋转设备的两级隔振方案,研究发现两级隔振方案能够有效降低车体垂向振动,最大可减小约26%。     

Multi-objective optimization of suspension parameters for rail vehicles based on a virtual prototype surrogate model

This research is intended to develop a suspension parameter optimization approach based on a virtual prototype surrogate model of rail vehicles considering the coupling effects of suspension parameters. In order to analyze the effects on the dynamic indexes, which were affected by the suspension parameters, a virtual prototype model of a rail vehicle was established. The indexes of lateral ride quality and motion stability were obtained under different combinations of suspension parameters by design of experiment and simulation of virtual prototype. For constructing objective function of multi-objective optimization model for suspension parameters, the suspension parameters that have significant effects on ride quality and motion stability simultaneously were taken as the design variables, and thereafter Kriging models of lateral ride quality index, derailment coefficient, and reduction ratio of wheel load were obtained. On this basis, the multi-objective optimization model of suspension parameters was established, in which the objective function was combined with the three Kriging models. Then, the Pareto optimal solution set and concrete value of suspension parameters were sought using the NSGA-II algorithm. The dynamic simulation results indicated that both ride quality and motion stability of the rail vehicle had been improved after the multi-objective optimization of suspension parameters.