多边形激励下动车组动态响应研究

首先基于刚柔耦合理论,考虑了轮对、轴箱和构架的柔性,建立了动车组车辆刚柔耦合动力学模型;然后又通过模态叠加法建立了轨道的动力学模型,从而发展成车线-刚柔耦合动力学模型。随后,在车轮上施加20阶理想多边形,研究了300 km/h下轴箱垂向加速度、轮轨垂向力和轮轴弯曲应力的响应,结果表明:轴箱垂向加速度和轮轨垂向力以577 Hz的多边形通过频率波动,而轮轴弯曲应力主频为28.8Hz的车轮转频,在此基础上,叠加了多边形的通过频率,因此多边形的通过频率577 Hz会分岔为548 Hz和605 Hz两个频率。通过对不同速度和不同多边形幅值下车辆响应的研究可以得到以下结论:随着速度和多边形幅值的增大,轮轨力最大值总体上呈现增大趋势。从轮轨力最小值上看:速度越大,多边形幅值越大,则更容易发生轮轨分离。当车轮多边形通过频率与轮轨耦合共振频率耦合,会引起轮轨垂向力的增大。当与轴箱自身模态频率耦合时会导致轴箱加速度的变大。轮轴应力则主要受到轮轨耦合共振模态以及轮轴自身的弯曲模态影响。     

多边形磨耗对轮轨力和轴箱加速度的影响研究

针对高速动车组车轮多边形磨耗会加剧轮轨间的相互作用,导致轮轨间异常伤损的问题,建立了车辆轮对的有限元模型,并利用Lancos法对车轮进行了模态分析。建立了考虑轮对柔性的车辆刚柔耦合动力学模型,研究了车轮多边形磨耗对轮轨力和轴箱加速度的影响,分析了不同速度级下的不同幅值、阶次的车轮多边形磨耗的动力学响应。仿真及研究结果表明:随着车轮多边形磨耗的幅值增加,轮轨垂向力和轴箱垂向加速度均有增加,在18、23多边形阶次下,车轮多边形磨耗引发的激扰频率区间为300 Hz～350 Hz、500 Hz～550 Hz和680 Hz～750 Hz,该频率区间与柔性轮对系统模态接近引起谐振,导致在上述区间段轮轨力与振动加速度幅值显著增加。     

车轮多边形磨耗参数对地铁车辆动力学性能影响分析

针对车轮多边形磨耗不同状态下对车辆动力学影响展开研究,建立轮轨柔性某地铁B型车辆刚柔耦合动力学模型,计算车轮多边形阶数和谐波幅值变化对轮轨垂向力、轮轨振动、运行平稳性等车辆动力学性能的影响。结果表明：阶数和谐波幅值在速度增大时轮轨垂向力逐渐增大;阶数14阶、18阶是轮对和轴箱振动加速度随谐波幅值变化产生振动的主要诱因;动力学指标中轮重减载率在18阶、0.04 mm时对其影响最大;车轮多边形使钢轨垂向动位移和振动加速度增大,谐波幅值对钢轨振动特性更有影响。建议考虑制造轮轨柔性,18阶、0.04 mm时对轮轨璇修打磨,以提高动力学性能和行车安全性。     

高速列车车轮多边形对齿轮箱疲劳寿命的影响

车轮多边形是高速列车运行过程中常见的磨耗现象,该现象使轮轨作用力增大,齿轮箱持续异常振动,并会影响其疲劳寿命。为研究高速列车车轮多边形对齿轮箱疲劳寿命的影响,建立了含有齿轮箱支撑轴承的驱动系统和柔性齿轮箱的刚柔耦合整车动力学模型,采用数值仿真分析方法,通过分析不同车轮多边形幅值下轮轨垂向力和齿轮箱垂向振动加速度确定极端工况,对该工况下的齿轮箱进行应力分析并确定危险点,进而分析这些点的疲劳寿命。研究发现:列车在350 km/h三阶0.1 mm车轮多边形极端工况时,轮轨垂向力及齿轮箱垂向加速度明显增大,齿轮箱剧烈振动,此时齿轮箱多处出现应力集中,存在多个危险点。其中齿轮箱输出轴轴承端支撑筋处应力最大,该危险点疲劳寿命只能达到256万km,远小于1200万km的正常寿命。因此,在高速列车实际运营中要高度重视车轮多边形对齿轮箱疲劳寿命带来的影响,可通过车轮镟修来降低车轮多边形对齿轮箱疲劳寿命的影响。     

轮轨综合磨耗下对高速列车动力学性能的影响

高速铁路长时间运营,经常发生车轮多边形磨耗,并伴随钢轨波磨,两种损伤形式对列车运行特性的综合影响有待深入研究。采用简谐函数法建立车轮多边形模型,设计余弦函数描述钢轨不平顺磨耗,建立列车刚柔耦合动力学模型,分析不同车轮多边形及钢轨波磨综合磨耗情况下,列车的动力学性能的影响,并提出轮轨综合磨耗的安全限值。结果表明：在轮轨综合磨耗激扰下对列车的动力学性能的影响更为剧烈;列车运行速度为300 km/h下,轮轨垂向力增长幅值最大达到30%,车轮与25阶振型模态产生共振;车轮多边形比钢轨波磨对垂向力的影响更大;不同多边形阶次、幅值下,轮轨综合磨耗工况对轴箱、轮对以及钢轨垂向振动加速度影响更大。车轮多边形安全限值更小,多边形幅值限值平均降低了25.9%,在轮轨综合磨耗作用下更易超出限值;当速度为300 km/h,提出了钢轨波磨和车轮多边形阶次在一定范围内的安全限值。     

高阶车轮多边形对车辆动力学性能的影响

为研究高速列车高阶车轮多边形对车辆系统动力学性能的影响,对轮对进行模态缩减,建立完整的车辆系统刚柔耦合动力学模型,模型中仅把轮对考虑为弹性体,其余部件视为刚体。通过修改轮对的外形来模拟车轮多边形,进行仿真计算研究车轮多边形波深、谐波数以及列车运行速度对车辆动力学性能的影响。结果表明:将轮对考虑为弹性体将会更加准确地模拟出车轮多边形化对轮轨力的影响,车轮多边形对车辆临界速度和轮轨垂向力有较大的影响,而且当多边形阶数达到一定值时车辆会出现跳轨现象;车轮多边形对车辆平稳性指标影响很小。     

车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度影响研究

车轮多边形是铁道车辆一种常见的非圆化病害,对轮对振动和车辆运行安全有明显的影响。在建立刚柔耦合拖车和动车车辆系统动力学模型基础上,将车轮多边形简化为简谐波并将其考虑为车轮轮径的变化,研究20阶车轮多边形对拖车和动车车轴疲劳强度的影响。结果表明,等效应力幅比值与速度呈非线性关系,且拖车和动车峰值出现位置有所不同,拖车峰值位置出现在速度为225 km/h,对应多边形激励频率432.7 Hz;动车不同截面分别在300 km/h、375 km/h时存在峰值,对应多边形激励频率分别为576.5Hz、721.2Hz。在各峰值位置处,多边形幅值的变化对拖车和动车部分截面的等效应力幅比值均有显著影响。拖车和动车车轴等效应力最大值均位于C截面,并且随着车轮多边形幅值的增加,其等效应力显著增大,超过车轴疲劳强度限值,降低车轴使用寿命。研究结果有助于改善20阶车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度及弹性振动的影响。     

高速铁路列车车轮多边形化对道岔区动力学性能的影响

为表征车轮多边形化对车辆通过道岔的动力学性能的影响,以高速动车组和客运专线12号道岔为研究对象,建立高速车辆-道岔耦合动力学模型。多边形车轮采用简谐波与实测多边形两种形式模拟,综合考虑多边形车轮经过道岔的状态、左右侧车轮分布方式、多边形阶数和幅值等影响因素,计算车轮多边形化车辆通过道岔的动力响应。结果表明,多边形车轮半径偏差变化率最大点经过心轨处的响应最大。随着多边形阶数增加,动力响应呈先增大后减小的趋势,15、16阶时响应达到最大;左右侧车轮多边形同相位分布比反相位分布的响应大。多边形幅值越大,轮轨垂向力和轮对垂向加速度越大,当幅值达到0.20 mm,轮轨垂向力超过安全限值,且幅值超过0.16 mm,响应会明显增强。多边形车轮对车辆通过道岔的平稳性影响较小。     

高速列车车轮多边形磨耗对轮轨力和转向架振动行为的影响

列车车轮多边形磨耗会显著加大轮轨相互作用力和转向架关键部件振动幅度,恶化车辆系统和轨道部件的工作环境,严重时将会威胁到行车安全。基于三维车辆-轨道耦合动力学模型,用谐波叠加法模拟车轮多边形磨耗,作为车辆轨道耦合动态行为分析时的激励输入,计算车轮多边形磨耗阶次、车辆运行速度和运行里程对轮轨力的影响,并分析车轮多边形磨耗与轮轨力之间的相位关系;建立转向架系统高频振动全有限元模型,以时域轮轨力作为模型输入,分析车轮多边形磨耗参数对转向架轴箱、构架振动响应的影响。计算结果显示,随着列车运行速度、车轮多边形磨耗幅值和阶数的提高,轮轨垂向作用力波动范围和转向架振动响应均会显著增大。所得的结果可为高速列车车轮多边形形成的机理和抑制措施的进一步研究提供参考和指导。     

车轮多边形磨耗统计规律及关键影响因素分析

针对列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于轨道交通运输领域,会导致车辆/轨道系统产生高频的振动冲击,严重影响车辆和轨道系统零部件的使用寿命,危及行车安全这一问题,调查了大量车轮的多边形磨耗情况并进行统计分析,掌握了高速列车车轮多边形磨耗问题的现状和特点。以18～20阶多边形磨耗车辆为例,通过理论研究和试验分析(试验分析包括车辆系统振动特性测试和转向架模态特性测试),对车轮多边形磨耗的根本原因及诱导因素进行研究。研究发现,轮轨系统在580 Hz频率附近存在固有模态是导致车辆发生18～20阶多边形磨耗的根本原因,轮轨表面的各种不平顺能激发或者加剧轮轨系统在580 Hz频率附近的模态共振,从而诱发车轮多边形磨耗的产生。该结果可为高速列车车轮多边形磨耗问题的防止和进一步研究提供参考。     

接触刚度对高速列车轮轨接触动力学时变特性的影响及其机制

以CRH3型高速列车头车与标准CHN60型轨道为研究对象,利用动力学软件RecurDyn建立车辆-轨道耦合动力学模型;采用弹簧阻尼模型定义轮轨接触关系,跟踪检测服役列车不同运行里程下的车轮粗糙度,根据相关文献的轮轨接触刚度计算结果,对高速轮轨滚动接触动力学性能进行研究,并取该头车的后转向架二位轮对处结果进行数据分析。计算结果表明:随着高速列车运行里程的增加,车轮表面粗糙度减小,使得轮轨接触刚度增大;轮轨横向力随着运行里程的增加先减小后增大,其频率主要分布在10 Hz以下的低频段;轮轨垂向力随着运行里程的增加而增加,并在5、10、28 Hz附近有比较明显的主频率段;轮轨纵向力主要由切向蠕滑力的纵向分量构成,与轮轨垂向力在时域分布和频域分布上均非常相似。     

轮对扁疤对高速列车转向架振动特性的影响

为准确预测高速列车轮对擦伤对车辆性能的影响,基于车轨耦合动力学和非赫兹接触理论,对新旧两种轮对扁疤的几何外形进行数值描述,建立了考虑轮对扁疤的高速列车动力学模型,分析了轮对扁疤激扰对车辆走行部的影响。结果表明,旧扁疤对走行部冲击要大于新扁疤,随着扁疤尺寸的增大,走行部各部件受到的冲击载荷与振动加速度逐渐增大;随着速度增大,轮轨间垂向冲击先增大、后减少;当扁疤长度为10mm,速度为100km/h 时,轮轨垂向力达到最大值;随着速度增加,走行部簧下部件与簧上部件的振动特性差异不断加大。以轮轨垂向力为判断标准时,轮对扁疤尺寸应限制在30mm以内。     

高速轨道结构振动及传递特性

高速列车的快速发展使板式无砟轨道得以广泛应用。利用有限元分析软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立车辆-弹性轨道耦合动力学模型,分析车辆运行的安全性和平稳性,研究轨道系统的位移、加速度、加速度功率谱密度、载荷特性,以及不同速度对轨道系统的振动影响,并对系统振动的主要影响因素进行初步探究。结果表明,轨道结构的垂向振动位移、加速度及载荷在由上至下传递过程中呈递减趋势,且钢轨到轨道板的衰减幅度大于轨道板到底座;轨道系统的振动能量主要集中在0~150 Hz范围内,大于300 Hz的钢轨振动能量经扣件衰减后基本未被向下传递,且速度升高,功率谱密度峰值出现的位置向右移动;速度为300 km/h时,钢轨垂向加速度功率谱密度小于100 Hz的峰值频率主要与钢轨固有模态有关,大于100 Hz的峰值频率呈倍频关系,且与轨道系统固有属性相关。联合仿真提高了研究效率,揭示了车辆-轨道系统的垂向振动特性及传递规律,为工程应用提供了参考依据。     

轮轴弯曲刚度对轮轨垂向动态载荷影响分析

以国内某型地铁车辆为例,研究轮轴弯曲刚度对轮轨垂向动态载荷和轮对垂向振动的影响。在常规多刚体动力学模型的基础上,结合BM3000轮对和北京地铁轮对两种不同的弹性轮对模型,对比分别采用刚性轮对模型和弹性轮对模型时的轮对垂向振动加速度和轮轨垂向力。结果表明,对BM3000弹性轮对模型来说,由于其弯曲刚度相对较小,随着运行速度的增大,轮对垂向振动加速度和轮轨力与刚性轮对的差距不断加大,而对于轮轴弯曲刚度较大的北京地铁轮对来说,其弹性轮对模型和刚性轮对模型的结果比较接近,在计算的速度下轮对的振动峰值及频率均有明显的降低。因而,通过加大轮轴弯曲刚度可明显改善轮对的垂向振动和轮轨垂向力,实现改善轮轨动态接触状态的目的。     

基于轨道振动理论的梯形轨枕轨道钢轨波磨研究*

研究半径为350 m梯形轨枕曲线轨道上波磨的成因。借助于现场观察和测量,获得波磨的特征参数。调查区段车辆运行速度在35 km/h左右,该波磨的主波长为60~100 mm,其通过频率为110~180 Hz;次波长为30 mm,其通过频率为324 Hz。结合轨道结构振动理论对波磨成因进行预测分析。根据结构特征建立梯形轨枕轨道三维有限元实体模型,利用此模型分析轨道结构的固有特性与波磨通过频率的内在联系,对波磨的成因做出初步解释,利用该模型计算分析白噪声激励下轨道结构的频响特性,进一步揭示波磨形成的机理。将理论计算结果与现场测试数据比较,两者相吻合。研究表明,车辆通过梯形轨枕轨道时,容易引起钢轨相对于轨枕的垂横向弯曲振动,从而加剧轮轨粘滑振动,加速了该轨道曲线段波磨的形成和发展。     

十自由度车-轨耦合仿真分析

文章以十自由度车轨耦合模型为例,探究由轨道不平顺所导致车-轨耦合垂向振动的问题,由功率谱密度计算确定了轨道不平顺并以此作为激励源,计算分析车辆与轨道之间的垂向耦合振动响应。通过MATLAB仿真结果图分析得出,轨下的高底不平顺主要影响的是构架和轮对的振动频率,对车体的影响并不大,因此要减轻车-轨系统的振动主要从一系悬挂和轮轨的接触两个方面考虑。     

Abnormal Vertical Dynamic Performance of Subway Vehicles

A serious wheel out-of-round phenomenon exists in a certain subway vehicle in China. More seriously, the vertical vibration of car body of this subway vehicle will go beyond the restriction of the standard criterion when the wheel out-of-round exceeds 0.2 mm in radial direction. And the wheel out-of-round problem could not be solved by polishing the rail or re-profiling wheels. Aimed at this problem, a further analysis is conducted on the structure and the suspension systems of the subway vehicle. It is thought that the additional stiffness function of the traction bar, caused by the short length and the bigger connection stiffness of the traction bar, leads to the problem that the subway vehicle is sensitive to the vertical impact. By taking into account the stiffness of the traction bar, dynamic simulation models of the subway vehicle are set up to study the influence of the additional stiffness function of the traction bar on the vertical dynamic performance of the subway vehicle through the simulation method. The response of the subway vehicle to vertical impact of a triangle pitch is also simulated. Simulation results indicate that the connection between the car body and the bogie will become rigid and the damping function of the secondary suspension will be decreased due to the additional stiffness of the traction bar in braking condition or running on curve track. Then the vertical response of the car body to vertical impact will be strengthened and the vertical ride index decreased. The vertical dynamic performance of the subway vehicle will be improved through the method of decreasing the connection stiffness of the traction bar, which has been validated by the simulation results. This method of improvement can effectively solve the problem of abnormal dynamic performance of this subway vehicle, and provide a foundation for a new theory about the traction bar system design.     

车速变化对钢轨磨损影响的数值计算与实验研究

用数值计算方法分析静态接触情况下,轮轨接触质点间蠕滑力、黏滑区的分布随横移量和摇头角变化速率的变化,利用模拟试验研究有制动力作用下车速对钢轨试样磨损特性的影响。结果表明:有制动力影响时钢轨磨损量随车速的增大呈非线性减小,在车速小于160 km/h时,钢轨磨损量随车速增加急剧减小,但是当车速超过200 km/h之后,磨损量随车速的增大而下降的趋势相对比较平缓;随着摇头角变化速率和横移量变化速率的增大,轮轨接触斑中最大滑动量逐渐减小,滑移区的面积减小,而黏着区的面积增大。     

钢轨波磨对剪切型减振器段振动影响试验

地铁运营中常会出现钢轨波磨,尤其在剪切型减振器地段较为严重。为揭示钢轨波磨对结构振动的影响,选取地铁直线和曲线部分普通扣件和剪切型减振器典型区段进行了钢轨波磨的测量,并对轨道、隧道、地面等结构的振动加速度进行了现场测试。从时域、频域两个方面对比了结构的振动量值和振动传递特性,分析了剪切型减振器钢轨波磨对加速度振级及其减振效果的影响。结果表明:波磨会增大轮轨间动态冲击,使钢轨-道床-隧道-地面的振动显著增加;减振器区钢轨波磨会导致轨下结构振动大于普通扣件区,其减振效果难以实现;减振器区钢轨波磨比普通扣件区严重,曲线半径小、运量较大、速度较快的线路尤为突出,地铁轨道选型应考虑波磨的不利影响。