高速列车齿轮箱载荷特性分析

以某型动车组齿轮箱为研究对象,建立齿轮箱隔振橡胶的有限元模型,分析载荷频率、振幅及预载荷对橡胶非线性刚度的影响规律。通过吊杆力传感器获得齿轮箱载荷时间历程,分析列车在启动牵引、制动停车、高低速直线运行及坡道运行等典型工况下齿轮箱载荷的时程曲线及载荷变化规律。在数据统计基础上得到齿轮箱趋势载荷对动态载荷及动态载荷谱的影响规律,同时定义疲劳损伤影响参数来分析不同载荷对结构整体损伤的影响程度。研究结果表明,在一定作用频率范围内,橡胶非线性刚度受频率影响较小,随着预载荷的增大而增大;趋势载荷的增大使齿轮箱动载荷幅值呈现出明显的增大趋势;趋势载荷和动态载荷单独作用下的疲劳损伤影响参数值分别为0.04、0.69,载荷谱中舍弃趋势载荷会导致结构疲劳损伤值降低31%。该研究结果在高速列车齿轮箱的仿真分析及国产化研究等方面具有一定参考价值。     

高速列车转向架构架载荷特征及疲劳损伤评估

利用载荷标定方法制作轴箱弹簧力传感器和一系减振器力传感器,线路测试得到动车转向架构架的垂向载荷时间历程。结合车载GPS信号和陀螺仪信号,分析列车起动加速、高低速直线运行、线路曲线通过、电机扭矩波动、制动停车等典型工况下构架载荷的变化特征。采用有限元仿真分析的方法确定构架端部的疲劳危险区域及载荷与应力的传递关系,进而编制构架在轴箱弹簧载荷、一系减振器载荷和耦合载荷作用时的应力幅值谱,最后依据疲劳损伤线性累计准则计算得到构架的疲劳损伤分布。研究结果表明,与构架非动力侧相比,构架动力侧轴箱弹簧载荷受电机输出扭矩的影响较大,尤其在列车起动、制动、电机扭矩波动等工况载荷变化明显。在轴箱弹簧载荷和一系减振器载荷单独作用时,构架端部的应力较大位置分布基本一致,最大载荷-应力传递系数为6.56 MPa/kN。在耦合载荷作用下,构架端部各测点处的疲劳损伤值均高于轴箱弹簧载荷、一系减振器载荷的单独作用。列车由速度200km/h增大至350km/h时,构架一位侧疲劳危险点的累计损伤值由0.078增大至0.435,增大了约4.6倍。在同一速度级下,一系减振器载荷产生的疲劳损伤影响参数大于轴箱弹簧载荷。研究结果可为焊接构架的优化设计及仿真分析提供一定理论参考。     

基于运用条件和频域特征的动车组转向架构架疲劳损伤规律研究

转向架作为动车组车辆的关键部件,担负着承载与走行等多种任务,传递不同形式的动态载荷,有必要对其疲劳问题进行研究。以某型城际车动车和拖车转向架构架为研究对象,在对构架疲劳关键点动应力进行线路实测基础上,依据速度、航向角以及部分线路参数,提取到直线、不同半径曲线、启动牵引、混合制动以及低速过站等不同工况下各测点的动应力数据,分析和比较各测点在不同运用条件下的疲劳损伤特点。通过时-频变换方法,得到不同速度下动车和拖车各主要测点动应力幅频特征,进而分析各测点动应力峰值频率所对应的系统固有频率和外界激励频率,探讨不同频率成分的动应力对各关键点损伤的贡献情况。研究发现,相同速度和曲线半径下,多数动车疲劳关键点的等效应力大于拖车。在车辆接近停止时,抗蛇行减振器座和横侧梁连接处的动应力会存在一个大幅值循环,这与车体惯性力对抗蛇行减振器的作用有关。中低速过道岔时,各测点的动应力变化范围均有一定程度的增大,以横侧梁连接处和抗蛇行减振器座处变化最为明显,其他疲劳关键位置的动应力变化相对较小。达到相同损伤占比时,绝大多数动车构架测点的动应力频带比同速度下拖车构架更宽。     

基于线路实测载荷的转向架构架台架试验方法研究

以高速列车转向架构架为研究对象，线路试验获取了转向架轴箱弹簧载荷和一系减振器载荷时程曲线，分析列车进出站、不同速度等级、载荷作用频率对弹簧载荷和一系减振器载荷的影响规律及载荷差异性。采用准静态加载台架试验得到弹簧载荷、一系减振器载荷与构架端部疲劳关键区域应力之间的传递关系，结合线路实测载荷计算得到应力响应曲线，进而获取构架在弹簧载荷、一系减振器载荷及两种载荷耦合作用下的疲劳损伤值。据疲劳损伤一致性理论计算车辆设计寿命里程下构架的弹簧等效载荷和一系减振器等效载荷，并建立基于等效载荷的疲劳损伤计算公式，确定弹簧等效载荷和一系减振器等效载荷的幅值大小及相位关系，最后形成了基于线路实测载荷的构架台架试验方法。研究表明，列车进出站时轴箱弹簧载荷出现较大的载荷波动，最大波动范围为17.48 kN，一系减振器载荷对低频位移响应不敏感；在相同线路条件下，随着列车运营速度的增大，轴箱弹簧载荷和一系减振器载荷均呈现增大趋势，其载荷作用频率主要分布在0～60 Hz范围内；同时在该频带内，随着载荷作用频率的增大，两种载荷间相位差不断减小，该变化规律与减振器动态特性有关。计算得到构架端部在弹簧载荷、一系减振器载...     

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。     

高速列车车体加速寿命试验载荷谱编制及分析

铝合金车体是高速列车的关键核心部件,设计中需要满足超长疲劳寿命要求。工程中,为避免实际运行中发生疲劳失效,同时降低试验成本,常采用加速寿命试验方法。采用车辆系统动力学方法计算获得车体随机载荷谱,对载荷谱进行处理,得到载荷频次图;基于FKM标准,编制三种载荷比下1×10⁷次循环对应的车体加速载荷谱;采用有限元法,分别施加三种载荷比条件下的载荷谱,得到对应的加速系数;分别采用线性及非线性损伤累积理论,分析载荷块谱的加载顺序对车体损伤累积的影响。得出结论：在原始载荷谱和加速载荷谱作用下,车体结构各点疲劳损伤均小于1,满足设计要求;分别提高载荷比至P=1/3和P=2/3,对应的加速系数为12.75和218.65;载荷谱加载顺序对车体疲劳累积损伤有影响：以P=2/3为例,高-低顺序载荷谱循环632次时,损伤值累积达1,而对应相同的损伤值,低-高顺序载荷谱仅需要循环614次。结果表明车体承受载荷存在低应力幅占优的特点,即低-高加载顺序具有更好的加速效果。对车体加速寿命试验载荷谱的编制及分析方法研究,为车体台架疲劳试验提供理论依据及科学指导。     

高速列车转向架区域气动特性及流场规律研究

为研究高速列车转向架区域的气动性能及流场规律,建立列车空气动力学模型,基于SST k-?两方程模型对运行速度分别为250 km/h、300 km/h和350 km/h的高速列车气动性能进行了数值模拟,分析动车及拖车转向架各部件对列车气动性能的影响。计算结果表明:列车运行速度对转向架阻力的影响是显著的,其中对头车转向架影响最大;头车转向架的阻力占总转向架阻力的54.9%,其中构架和轮对分别占35.6%和46.5%,部分部件由于前后压差形成负阻力;拖车转向架的流场结构比动车转向架更加复杂,闸片等部件对转向架区域的流场结构有显著影响;转向架区域外形和设备舱隔墙倾角也会影响其流场结构,斜角入口比直角入口的流场结构更加复杂。     

高速列车齿轮箱动应力分布特性研究

通过在标准动车组齿轮箱关键部位布置应变传感器获得齿轮箱动应力时间历程曲线，结合GPS信号分析高、低速直线运行，牵引状态变化和转矩波动工况下齿轮箱动应力的变化规律。利用雨流计数法统计齿轮箱动应力幅值，并采用核密度估计函数和威布尔分布函数对其进行拟合分析。在此基础上提出组合分布函数来推断动应力最大值并编制动应力扩展谱，最后根据Miner线性累积损伤理论得到不同应力等级对齿轮箱疲劳损伤的贡献量。结果表明，列车运行速度、电机输出转矩对齿轮箱动应力幅值均有不同程度的影响；依据基于核密度函数和威布尔分布函数提出的组合分布函数，求解得到齿轮箱端部动应力最大值为25.43 MPa；根据采用组合分布概率密度函数编制的齿轮箱动应力扩展谱，得到齿轮箱端部在9～17 MPa的应力所产生的疲劳损伤比重约占全部损伤的71.3%，因此在齿轮箱疲劳损伤评估时应关注结构中作用频次高的应力幅值，避免齿轮箱结构的早期疲劳失效。     

基于变幅小载荷下的曲轴疲劳寿命预测分析

通过ABAQUS对曲轴模型进行有限元分析,得到局部最大时间应力载荷谱.运用雨流计数法对载荷谱进行处理,得到各应力幅值下的循环数.采用修正Corten-Dolan累积损伤理论,结合变幅载荷的应力幅值对曲轴进行疲劳寿命预测.通过分析,低于疲劳极限的应力会对曲轴产生强化作用,影响曲轴的疲劳寿命.     

高速动车组振动传递及频率分布规律

运行速度提高后,列车对轮轨激扰的敏感性增强,轮轨激扰频率范围进一步增大,深入研究高速动车组振动及传递规律对全面认识车辆系统振动特性具有重要意义。在车辆上布置加速度和空气压力传感器,获得了武广客运专线高速动车组车辆轴箱、构架以及车体振动加速度和隧道通过车体表面气压变化,给出振动加速度功率谱密度计算方法;对照列车运行速度图,分析典型工况如高速直线、低速直线、道岔通过以及气动压力等工况下,列车系统关键部件振动加速度峰值、幅值、主振频率以及振动频率变化、能量衰减和传递规律;在引入加速度谱的基础上,给出了测试里程内系统振动频次和振动幅值之间对应关系。研究结果表明,与列车运行速度和车轮半径对应的轮轴转动频率在轮对、构架和车体振动中均有明显体现;列车运行速度越高系统振动加速度峰值越大,道岔通过可激起车辆系统振动幅值更大的振动,隧道通过气压变化对车体振动有明显影响;高速列车轮轴系统主振频率一般为400～600 Hz,构架为0～50 Hz、车体主要为0～2 Hz;从轮轴、构架到车体这一振动传递过程中,车辆系统加速度谱密度和幅值一般呈两个和一个数量级衰减趋势。     

高速列车隧道会车时气动载荷的研究

由于高速列车气动载荷是隧道会车时列车行车安全的重要因素之一,而其在实车试验中又难以测量,提出采用基于计算流体力学的数值模拟方法。通过空气动力学仿真获取列车的表面压力分布,对列车压力和粘性力积分合成,得到列车的气动载荷,即阻力、侧向力、升力、侧滚力矩、点头力矩和摇头力矩。全面分析了气动载荷的构成和变化特点,及其在不同速度下的变化特性。结果表明,列车隧道会车时,气动载荷主要是由压力构成;列车在隧道会车时气动载荷出现剧烈波动;气动载荷的幅值与速度呈二次函数的变化规律。研究结果可为列车系统动力学分析提供气动载荷依据。     

高速列车运行仿真设计

以高速列车运行电气仿真软件为对象,从列车顶层指标开始构建仿真的整体框架,并且为其他模块提供相应接口,将设计、验证和展示融为一体。通过对高速列车牵引/制动特性、电气特性以及运行策略进行分析和设计,实现对列车牵引/制动性能设计、电机特性设计、牵引传动系统容量设计以及运行时分仿真等功能。软件仿真结果表明,它能够对于高速列车特性设计、功能验证以及展示起到重要的作用。     

高速列车转向架构架扭转载荷特征研究

以两种结构型式(A/B型)的高速列车转向架构架为研究对象,采用直接测试法识别相同运用条件下两种构架的扭转载荷,对比分析扭转载荷的时域、频域及载荷值分布特征,并对扭转载荷谱的相似性进行评价,基于疲劳损伤仿真计算结果验证两种构架扭转载荷谱互用的可行性.研究结果表明,各典型运用工况下两种构架扭转载荷的时域、频域特征一致;A型构架的扭转载荷值范围大于B型构架,且两者在不同站间具有相对稳定的比值关系;两种构架的扭转载荷值分布特征一致,均大致以y轴为中心呈尖峰对称分布;在两种构架扭转载荷谱长度及形状高度相似的前提下,考虑载荷值比例关系的互换载荷谱,其产生的最大损伤与本型结构载荷谱产生的最大损伤比值为1.3(A型构架)、1.5(B型构架),满足用于构架疲劳评估的要求.     

LY12CZ铝合金拉扭复合载荷下疲劳损伤律实验研究

对LY12CZ铝合金薄壁圆管试样进行多种路径下按高—低和低—高顺序作用的两级变幅载荷下的疲劳损伤累积实验。分析两级变幅循环载荷下各种路径的疲劳累积损伤规律,以及第一级载荷作用循环次数对试件总的疲劳寿命的影响。实验结果表明,在多轴拉扭复合加载的情况下,累积损伤规律呈现出非线性,且损伤程度受第一级载荷作用循环次数影响。     

随机风环境下高速列车运行安全评估研究

研究随机风环境下高速列车的气动特性及运行安全特性,提出一种随机风环境下高速列车运行安全的评估方法。基于Cooper理论和谐波叠加法建立任意风向角下随车移动点的脉动风速数值模拟方法,推导随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算公式;建立高速列车系统动力学模型,研究非定常气动载荷作用下高速列车的运行安全特性,获得随机风环境下高速列车安全运行的平均特征风速曲线及其置信区间。计算结果表明,在随机风环境下,高速列车的非定常气动载荷及轮重减载率具有随机特性,且近似服从正态分布;风向角越接近于90°,非定常气动载荷及轮重减载率的波动幅值越大;在相同的风向角下,MCWC随着列车速度的增加而减小;在相同的车速下,不同风向角下的MCWC由小到大的排序为90°、60°、120°、30°、150°。     

常幅循环载荷下纤维薄板增强钢筋砼梁的损伤行为研究

以碳纤维薄板增强钢筋混凝土梁为研究对象,通过对常幅循环载荷作用下增强梁的弯曲试验研究,揭示其疲劳破坏机理,建立描述构件损伤、断裂过程的结构损伤累积模型.试验得到增强梁的疲劳寿命曲线以及跨中挠度、抗弯刚度的演化规律.提出的由构件抗弯刚度表达的非线性结构疲劳损伤演化方程,描述包括混凝土开裂、碳纤维薄板与混凝土界面剥离等破坏模式在内的损伤、破坏过程,并能够对构件疲劳寿命进行预测.     

二维随机载荷作用下疲劳寿命的研究

基于Goodman公式和Miner损伤定则,提出了一种考虑载荷均值影响的二维随机载荷作用下疲劳寿命的计算方法。在此基础上以幅值和均值均符合正态分布的随机载荷为研究对象,推导出了其当量载荷的概率密度函数和等效载荷的数学模型,采用Gauss-Legendre求积公式进行积分运算,对该载荷作用下的疲劳寿命进行了研究。分析了等效载荷随载荷均值和幅值不同分布参数变化而变化的规律,并与不考虑载荷均值的一维随机载荷作用下的等效载荷进行了对比。研究结果表明：载荷均值μm的正负变化对等效载荷产生明显的影响,负的μm导致等效载荷降低,甚至低于一维随机载荷作用下的等效载荷;而正的μm会导致等效载荷迅速增大以至到远大于一维随机载荷作用的等效载荷;当μm=0时,二维随机载荷则略高于一维随机载荷作用的等效载荷。     

剪切激励下盲孔螺栓连接结构的松动行为研究

为研究盲孔螺纹连接的松动机制及螺纹表面的磨损机制,选取高速列车转向架轴端盖7050铝合金与45钢螺栓连接为研究对象,开展剪切激励下螺栓连接结构的松动行为研究。分析预紧力、剪切位移幅值及重复利用次数对螺栓连接结构松动行为的影响规律,利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDX)对试验后7050铝合金内螺纹表面进行损伤形貌及化学成分分析。结果显示:随着初始预紧力的减小、剪切位移幅值和重复使用次数的增大,螺纹表面损伤加剧,螺栓连接结构松动程度增大;螺纹接触表面的主要磨损机制为疲劳磨损和黏着磨损。     

凹坑路面条件下飞机地面牵引载荷的仿真分析

为了保证飞机地面牵引的安全性,运用虚拟样机技术模拟牵引系统经过地面凹坑时飞机牵引载荷的变化,有效的预测飞机经过加油管地沟时拖把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂载荷的变化。基于Catia和Adams软件,建立了拖车-飞机系统模型,结合Boeing737-800的实际数据进行仿真分析实验。仿真实验表明拖把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂的受力载荷一般随着地面凹坑宽度、高度和牵引速度的增大而增大,且经过加油管地沟第二个边缘比第一个边缘时下阻力臂与缓冲支柱连接处的载荷变化较大。     

高速动车组减振器载荷特征研究

减振器的主要功能是提供阻尼力以衰减和抑制车辆系统振动,对高速动车组动力性能有十分重要的影响。既有研究主要将减振器处理为阻尼力以研究车辆系统动力性能,极少从动力学和结构可靠性角度关注减振器自身承受的载荷。制作某型高速动车组转向架抗蛇行减振器、轴箱减振器、二系横向和垂向减振器测力元件,在大同-西安高速线路上测试并获得该型动车组运行过程中四种减振器载荷引起的应变信号。对测试数据进行处理和分析,获得高速动车组运行工况下四种减振器载荷的时间历程,分析减振器载荷的时域和频域特征。采用雨流计数法统计减振器载荷峰谷值和频次,获得不同速度等级下载荷分布。结果表明,高速动车组抗蛇行减振器载荷最大、二系横向减振器载荷最小。轴箱减振器相对速度最大、二系横向减振器相对速度最小。减振器载荷总体上呈正态分布,而且一般有列车运行速度越高减振器载荷越大。列车正线行驶时曲线半径对轴箱减振器、二系垂向减振器以及二系横向减振器载荷影响不明显,列车速度和线路小半径曲线对抗蛇行减振器载荷影响明显。