车辆动力学与控制研究进展

从车辆纵、横、垂向动力学三个方面,结合电动汽车、智能网联等热点问题,介绍了目前车辆动力学与控制领域的研究成果.车辆纵向动力学方面包括车辆传动系统换挡控制、制动系统的设计与控制以及车辆状态的参数估计;车辆横向动力学方面涉及车辆转向系统设计与横向稳定性控制;车辆垂向动力学方面包括悬架系统的优化设计与半/主动控制.专刊研究成果涉及车辆动力学与控制方向的多种问题,可为今后开展相关研究提供参考.     

车辆平顺性的虚拟现实仿真技术

探讨了基于虚拟现实的车辆平顺性振动仿真原理，利用软件编程的方法实现了汽车在虚拟道路上的行驶运动。汽车行驶时，能够表现车箱(包括驾驶员)的垂向运动、横向运动和俯仰运动，驾驶员的垂向运动、横向运动和俯仰运动，汽车轮胎的旋转运动。其运动规律皆由车辆平顺性动力学分析数据来确定。从而实现了车辆平顺性振动运动在计算机屏幕上的虚拟显示，以图形图像运动来直观的表现车辆的平顺性。     

刚柔耦合特种车辆越障行驶动力学分析及悬架优化

考虑炮管柔性,建立了某轮式特种车辆的刚柔耦合整车动力学模型,并与刚性车辆模型进行对比,分析了刚柔耦合建模对炮管响应的影响;然后计算了该车通过垂直凸台障碍路面的极限高度,分析了刚柔耦合特种车辆通过凸台障碍路面时的动力学特性.以车辆质心垂向加速度为优化目标,悬架刚度和阻尼为优化参数,对悬架进行优化.结果表明,炮管的弹性变形对炮口垂向和水平方向线位移、线速度和角速度的影响显著,建模中有必要考虑炮管柔性,以更准确地计算车辆响应;低速行驶、小的凸台高度,对减小车辆振动有利,在各种工况参数下炮管的垂向振动都比车体振动剧烈;单侧轮通过障碍可以减小路面对整车的冲击,双侧轮通过障碍可以提高车辆稳定性并减小炮管振动;悬架优化后整车和炮管的垂向加速度都明显降低,车辆平顺性得到有效改善.     

刚柔耦合重型汽车建模及通过连续减速带的平顺性分析

建立了考虑车架柔性的刚柔耦合重型汽车整车模型,通过与刚性车对比,验证了所建刚柔耦合车辆模型的正确性.依据实际需求建立了三组连续减速带模型,以车身垂向加速度和各轮垂向轮胎力为评价指标,分析车辆行驶速度、减速带高度和宽度对汽车行驶平顺性的影响.研究表明,减速带的高度与车身垂向加速度和垂向轮胎力成正比,减速带宽度与车身垂向加速度和垂向轮胎力成反比,对于限速60 km/h的道路,宽度为600 mm,高度为8 mm的减速带能起到良好的限速效果,同时还能保证车辆行驶的平顺性.     

基于格林函数的浮置板参数对高架桥梁垂向振动的影响

根据城市轨道交通高架桥梁轻型浮置板线路的结构特点,建立车辆-轻型浮置板轨道-高架桥梁垂向耦合振动模型,利用格林函数得到浮置板轨道与桥梁垂向振动响应的解析表达式,分析在轨道不平顺振动载荷激励下浮置板参数对轨道系统振动的影响。结果表明:浮置板参数的变化对高架桥梁垂向振动的影响主要集中在70 Hz以下的低频段;减小钢弹簧刚度对降低桥梁垂向振动功率、增大振动传播的衰减有利;浮置板厚度对桥梁垂向振动的影响较为复杂,需要根据情况区别对待。     

齿轮箱吊杆节点刚度对轴箱内置式高速列车驱动系统动态特性影响研究

为探明齿轮箱吊杆节点刚度对驱动系统悬挂节点力和驱动系统振动加速度的影响规律,以某型轴箱内置式高速动车为研究对象,基于多体动力学理论,建立了考虑驱动系统和齿轮啮合的车辆系统动力学模型,研究了齿轮箱吊杆节点刚度对齿轮箱吊杆节点力、电机吊点力、齿轮箱车轴铰接力、车辆平稳性和驱动系统振动加速度的影响.研究结果表明：由于1、2位驱动系统的齿轮啮合力方向不同,1位驱动系统悬挂节点的垂向力比2位驱动系统悬挂节点的垂向力大.齿轮箱吊杆节点刚度在1~30 MN/m增大时,1位齿轮箱吊杆节点力增大,1位电机吊点力减小,1位齿轮箱车轴铰接纵向力增大、横向力减小;2位齿轮箱吊杆节点力增大,2位电机吊点垂向力增大,纵向力和横向力减小,2位齿轮箱车轴铰接纵向力减小,横向力增大.齿轮箱吊杆节点刚度在30~100MN/m增大时,各悬挂节点力变化不明显.此外,车体的平稳性指标、电机和齿轮箱的振动加速度受齿轮箱吊杆节点刚度变化的影响较小.     

三轴重载车辆半主动控制研究

建立了三轴重载车辆半主动悬架的整车动力学模型,并对该车辆模型平顺性的优化控制进行了研究.应用总成分解法计算整车的转动惯量,建立半主动悬架系统的三轴重载车辆整车动力学模型,采用整体式平衡悬架,并考虑车辆的驾驶室模型以更符合实际;针对半主动悬架系统,以车体垂向速度﹑俯仰角速度和侧倾角速度及其变化率,为输入设计了三个模糊控制器;利用MATLAB/Simulink软件对所建半主动悬架整车车辆模型应用相应控制策略进行模拟仿真,并与被动悬架系统车辆模型的仿真结果作比较;结果表明：半主动悬架车辆模型的车体和驾驶室的振动特性都有了明显的改善,有效地提高了该重载车辆模型的平顺性,对提高驾驶员的驾驶舒适性和减少货物破损率提供理论基础.     

三轴重载车辆半主动控制研究

建立了三轴重载车辆半主动悬架的整车动力学模型,并对该车辆模型平顺性的优化控制进行了研究.应用总成分解法计算整车的转动惯量,建立半主动悬架系统的三轴重载车辆整车动力学模型,采用整体式平衡悬架,并考虑车辆的驾驶室模型以更符合实际;针对半主动悬架系统,以车体垂向速度﹑俯仰角速度和侧倾角速度及其变化率,为输入设计了三个模糊控制器;利用MATLAB/Simulink软件对所建半主动悬架整车车辆模型应用相应控制策略进行模拟仿真,并与被动悬架系统车辆模型的仿真结果作比较;结果表明：半主动悬架车辆模型的车体和驾驶室的振动特性都有了明显的改善,有效地提高了该重载车辆模型的平顺性,对提高驾驶员的驾驶舒适性和减少货物破损率提供理论基础.     

三轴重载车辆半主动控制研究

建立了三轴重载车辆半主动悬架的整车动力学模型,并对该车辆模型平顺性的优化控制进行了研究.应用总成分解法计算整车的转动惯量,建立半主动悬架系统的三轴重载车辆整车动力学模型,采用整体式平衡悬架,并考虑车辆的驾驶室模型以更符合实际;针对半主动悬架系统,以车体垂向速度﹑俯仰角速度和侧倾角速度及其变化率,为输入设计了三个模糊控制器;利用MATLAB/Simulink软件对所建半主动悬架整车车辆模型应用相应控制策略进行模拟仿真,并与被动悬架系统车辆模型的仿真结果作比较;结果表明:半主动悬架车辆模型的车体和驾驶室的振动特性都有了明显的改善,有效地提高了该重载车辆模型的平顺性,对提高驾驶员的驾驶舒适性和减少货物破损率提供理论基础.     

三轴重载车辆半主动控制研究

建立了三轴重载车辆半主动悬架的整车动力学模型,并对该车辆模型平顺性的优化控制进行了研究.应用总成分解法计算整车的转动惯量,建立半主动悬架系统的三轴重载车辆整车动力学模型,采用整体式平衡悬架,并考虑车辆的驾驶室模型以更符合实际;针对半主动悬架系统,以车体垂向速度﹑俯仰角速度和侧倾角速度及其变化率,为输入设计了三个模糊控制器;利用MATLAB/Simulink软件对所建半主动悬架整车车辆模型应用相应控制策略进行模拟仿真,并与被动悬架系统车辆模型的仿真结果作比较;结果表明：半主动悬架车辆模型的车体和驾驶室的振动特性都有了明显的改善,有效地提高了该重载车辆模型的平顺性,对提高驾驶员的驾驶舒适性和减少货物破损率提供理论基础.     

地铁线路扣件刚度对钢轨振动与波磨的影响

为探明整体道床轨道区段波磨发生机理及其对轮轨系统参数的影响规律,建立轮对和整体道床轨道三维有限元模型,分析轮轨共振模态与整体道床钢轨振动特性,探讨钢轨扣件刚度和轮对振动模态对整体道床区段钢轨波磨的影响规律.结果 表明:钢轨扣件刚度主要影响钢轨起跳共振频率,而对钢轨pinned-pinned共振频率影响甚微;较低的扣件刚度将激发钢轨较大的振动,在特定频段上过大的钢轨振动会导致对应波长波磨的加剧,进而加速波磨的发展;钢轨在358 Hz下的横向弯曲变形是地铁整体道床区段线路产生特征波长为40 mm波磨的主要原因,故可采取减振措施抑制轮轨系统在358 Hz处的横向振动响应,从而抑制波磨的产生和发展.     

Effect of tangent track buckle on vehicle derailment

In order to investigate the effect of a tangent track buckle on the dynamic derailment of a railway vehicle, a coupled vehicle/track dynamics model is developed, in which the vehicle is modeled as a 35 D.O.F. multibody system and the track is modeled as a 3-layer discrete elastic support model. Rails are assumed to be Timoshenko beams supported by discrete sleepers, and the effects of vertical and lateral motions and rolling of the rail on the wheel/rail creepages are taken into account. The sleepers are treated as Euler beams on elastic foundation for the vertical vibration, while as lumped masses in the lateral direction. A moving sleeper support model is developed to simulate the effect of the periodical discrete sleepers on the vehicle/track interaction. The vehicle and the track are coupled by wheel/rail contacts whereas the normal forces and the creep forces are calculated using the Hertzian contact theory and the nonlinear creep theory by Shen et al., respectively. The equations of motion of the coupled vehicle/track system are solved by means of an explicit integration method. A tangent track buckle is simulated with a cosine function, which describes the misalignment of the track with different lengths due to its buckling. In the analysis the effects of the buckle wavelength and amplitude and of the vehicle speed on the dynamic behavior of the coupled vehicle/track system are considered. The present paper analyzes in detail the conventional derailment coefficients which include the ratio of the wheel/rail lateral force to the vertical force, the wheel load reduction, and the new criteria indicating the wheel/rail contact point traces and the wheel rise with respect to the rail. These criteria are simultaneously used to evaluate the risk of derailment of the whole vehicle. The numerical results obtained indicate that the track misalignment caused by the buckle and the vehicle speed have a great influence on the whole vehicle running safety when the vehicle passes through the buckled tangent track.     

基于EMD的小波脊线法轨道检测

轨道的波浪弯曲不平顺是引起列车振动的直接因素。针对波浪不平顺提出了一种新的检测方法。基于经验模态分解的小波脊线法,滤去原始信号的高频部分,再对低频分量进行EMD处理,提取包含了故障信息的固有模态函数分量（IMF）的小波脊线。通过分析小波脊线的时频域,检测出突变信号发生的时刻。对列车在某线路的实测数据分析,研究结果表明,基于EMD的小波脊线法能方便而有效地检测出信号的突变成分,从而准确地识别轨道的不平顺位置。     

长春轻轨3号线钢轨轨底坡对列车车轮磨耗的影响

摘要： 为探究小半径曲线钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响规律,建立长春市轻轨3号线70%低地板轻轨列车车轮磨耗预测分析模型,包括独立旋转轮对的车辆 轨道耦合动力学计算模型、轮轨接触模型和Archard材料磨耗模型,并采用这些模型分析轻轨列车通过小半径曲线轨道时轨底坡对车轮磨耗的影响。分析结果表明：轻轨列车通过小半径曲线轨道时,动车轮对的磨耗程度比拖车轮对更严重,动车轮对总磨耗量为拖车轮对总磨耗量的159%;从轮对自身来看,内侧车轮的磨耗均比外侧车轮的磨耗严重,内侧车轮总磨耗量为外侧车轮总磨耗量的165%;钢轨轨底坡对车轮磨耗的影响显著,车轮踏面最大磨耗量出现位置随轨底坡变化的规律较为复杂,车轮轮缘磨耗量在轨底坡为1/20时最小。     

一种火车轮轨相对垂向位移视频检测系统

机车轮轨之间的相对位移是轮轨接触状态最直接的反映,为了监测列车运行的状态 及完善运行安全性机理,传统方法是采用基于传感器的接触式测量。针对其存在动态测量困难、 零漂大和抗干扰能力差等缺点,设计了一种火车轮轨相对垂向位移视频检测系统。该系统将相机 垂直安装在转向架上,激光源也安装在转向架上并使激光照到轨道上,利用相机、激光源和转向 架三者保持相对静止的特点,通过激光点在轨道图像中的纵坐标变化来测量轮轨的相对垂直位 移。最后,在无砟和有砟轨道两种不同条件下实现了机车轮轨相对垂向位移检测、数据显示和存 储。实验结果表明,该系统不仅能显示轮轨相对垂向位移,而且对检测环境有较强的适应性,这 对进一步探索和评价机车运行安全性机理有着重要的意义。     

基于 Hough 变换和 Catmull-Rom 样条曲线的 钢轨检测算法

针对现有的钢轨检测算法中对于钢轨识别准确性不高的问题,提出一种基于 Hough 变换和 Catmull-Rom 样条曲线的钢轨检测算法。首先对图像进行降噪预处理,利用 Canny 边缘 检测算法进行边缘检测,然后利用 Hough 变换检测直轨,根据直轨消失点确定轨道模型,最后 针对弯轨利用等分窗口搜索弯轨特征点,对选取的特征点进行 Catmull-Rom 样条曲线拟合弯轨。 实验表明,该算法不仅能够准确拟合钢轨曲线,而且具有较好的准确性和鲁棒性。     

列车横向振动与轨道不平顺输入关系研究

利用小波变换和互相关函数分析了列车横向振动与轨道不平顺输入之间关系。轨道不平顺输入引起了列车横向振动, 为了抑制横向振动并预测其变换规律, 需要研究两者之间关系。首先利用Simulink软件建立了列车横向系统模型, 模拟列车横移、侧滚和摇头振动信号; 然后利用小波变换和互相关函数分析了上述三种振动与轨道方向、水平不平顺输入之间关系。仿真结果表明, 水平不平顺与横移和摇头振动之间的互相关函数大于方向不平顺, 而方向不平顺与侧滚振动之间的互相关函数大于水平不平顺。结果证实了水平不平顺是引起列车横移和摇头振动的重要因素, 方向不平顺是引起列车侧滚振动的重要因素。     

基于图像识别技术的轨道交通缺陷检测研究

传统人工巡检轨道交通缺陷存在效率低、误差大等缺点,运用综合轨道检查车(CTIV)为检测平台,建立了一种车载式轨道交通图像识别智能巡检系统。利用CTIV采集连续轨道边界框图像建立数据集,在C++中使用应用程序开发框架(QT)设计了可视化数据标注的定制软件工具。通过全卷积网络(FCN)建立了多任务学习扩展网络架构,结合多个...     

Static mechanics analysis of no bumping no vibration welding structure with double-inclined surface for high-speed & heavy-load CWR

It is known from our former theoretical analysis that the single-inclined welding surface which is inclined towards the transverse direction of the rail can only eliminate vertical bumping, and the single-inclined welding surface which is inclined towards the vertical direction of the rail can only eliminate lateral vibration. In this paper, we put forward a welding structure of double-inclined welding surface to eliminate the vertical bumping and lateral vibration at the same time, and analyze the stress s...