考虑传动系统扭转振动的单节列车动力学特性分析

为对传动系统扭振特性给单节列车动力学性能造成的影响进行分析,把列车的传动系统简化为轴段与圆盘串联的系统,建立传动系统的扭振模型,同时计算由扭转振动产生的附加力矩。建立某高速列车的多体动力学模型,以附加力矩作为主要考虑指标,通过联合仿真,对比分析了考虑与不考虑动力传动系统扭振特性时单节列车在牵引工况下的动力学特性。结果表明,传动系统扭振对车身在横向、垂向上的振动加速度影响较大,在纵向上影响较小。但其给构架、轮对在纵向上会造成较大影响。因此,在对高速列车进行动力学分析时,考虑传动系统扭转振动特性,更符合列车的实际运行状态。     

高速列车传动系统动态特性分析

以国内现有高速车型为研究对象,综合考虑驱动系统齿轮传动刚度时变特性,实际列车牵引特性和基本阻力特性,通过建立高速列车三维动车动力学模型开展高速列车传动系统与车辆动力学相互作用的研究。齿轮啮合刚度时变特性使得齿轮传动内部产生激励,在刚度激励和啮入冲击激励作用下轮对垂向振动响应较大,但不影响轮对其它运动形态;由于轮轨接触的负斜率特性,仿真分析了轮对出现失稳振动后传动系统的响应,发现相对轮对旋转振动而言轮对纵向振动对列车驱动系统的影响更大,但这两种振动形态往往通过轮轨切向力耦合在一起。     

线路参数对列车垂向振动特征影响的仿真分析

针对线路曲线过渡段与变坡点的距离、垂向轨道不平顺等参数对列车垂向振动的影响规律进行了研究.分析了线路过渡段和变坡点的距离对车辆垂向振动加速度的影响,以及左、右轨道短波不平顺存在差异等因素对车体垂向振动加速度的影响.提出了在线路设计中应合理考虑线路曲线过渡段与变坡点之间的距离,避免二者过于接近;控制轨道短波不平顺,有益于降低车体垂向加速度高频峰值.     

联合仿真下谐波转矩对高速列车的动力学分析

牵引电机的谐波转矩是高速列车重要的外部激励来源,为了对异步电机谐波转矩在高速列车动力学特性中的影响进行分析,建立某高速列车的多体动力学模型,根据矢量控制理论对异步电机仿真模型进行搭建,通过联合仿真分析牵引电机谐波转矩在动力学方面对高速列车的影响。仿真结果表明:在高速工况下,异步电机谐波转矩使得车身横向加速度最大峰值增大约30%,车身垂向加速度最大峰值增大约25.8%。在纵向上车身与电机的纵向加速度最大峰值则与不考虑谐波情况的加速度幅值最大值相比增大了数倍。因此建议在对高速列车进行动力学分析时,将电机的谐波转矩考虑进去更符合列车的实际运行状态。     

高速列车转向架-车体-座椅垂向耦合振动机理及悬挂参数联合优化

针对高速列车中的垂向悬挂系统参数匹配问题,应用系统工程方法,将列车转向架系统、车体及座椅系统纳入一个统一的整体大系统,建立高速列车转向架-车体-座椅耦合系统垂向动力学模型,并探讨各系统间的相互耦合作用关系;在此基础上,以人体振动舒适性最佳为目标,对轨道随机不平顺激励下的高速列车垂向悬挂系统进行多目标、多参数优化,建立高速列车转向架-车体-座椅耦合系统垂向悬挂参数联合优化方法。分析比较优化后的结果可知,悬挂系统参数优化后高速列车的乘坐舒适性显著提高,不同位置处的座椅垂向振动加权加速度方均根值降低了18.52%以上,表明所建立的高速列车转向架-车体-座椅耦合系统垂向悬挂参数联合优化方法是可行的。该研究为高速列车垂向悬挂系统参数的选取提供了有效借鉴。     

齿轮偏心对机车车辆传动系统动力学行为的影响

为掌握服役过程中齿轮偏心对机车车辆传动系统动态响应特性的影响,建立了考虑齿轮传动系统的机车车辆动力学模型。齿轮传动系统通过齿轮啮合、悬挂系统与轮轨关系等耦合集成于整车动力学模型,该模型详细考虑了齿侧间隙、时变啮合刚度、轨道几何不平顺及轮轨接触等非线性因素,能够更加真实地反映牵引状态下的车辆动力学行为;基于该模型,系统研究了主动齿轮不同偏心量下的机车车辆齿轮传动系统动力学行为,并通过了线路试验验证。结果表明,齿轮传动系统的动力学性能直接受到偏心影响,其传动平稳性随着偏心量增加而逐渐恶化。此外,在齿轮箱不同监测点中靠近小齿轮端,垂向加速度受齿轮偏心的影响最为显著,该测点可用于齿轮偏心健康监测。研究为机车车辆齿轮传动系统的智能运维提供了理论基础。     

机车牵引齿轮断裂对箱体振动影响分析

为获取机车牵引齿轮断裂状态下箱体的振动特征。首先得到齿轮断裂状态下的时变啮合刚度。然后将变化的齿轮啮合刚度引入斜齿轮动力学模型，建立考虑齿轮传动系统的机车车辆整车动力学模型，考虑轨道不平顺激励和实际运行工况，实现齿轮断裂状态下的箱体动力学性能仿真。仿真结果表明：主动齿轮和从动齿轮发生断裂故障时，箱体的加速度幅值都会明显增加，频域分析表明悬挂频率和啮合频率以及间隔为各自转频的边频为主要发生频率，在运营维护中，可以通过监测箱体的加速度信号来判断断齿故障的发生。     

轨道非平稳不平顺激扰下高速列车半主动控制研究

为改善轨道非平稳随机不平顺对列车动力学性能的影响,基于高速列车线路运行的重复性以及周期性,采用变步长迭代寻优控制算法,建立高速列车抗蛇行减振器半主动变阻尼控制系统,以转向架横向加速度峰值为目标函数,不断迭代寻找最有利于列车动力学性能的减振器阻尼值,改善了传统列车定阻尼值的弊端。多体动力学软件和控制系统仿真软件相结合联合仿真,仿真分析表明,轨道非平稳随机不平顺会使得车体和构架横向加速度、轮对横向力以及轮轨磨耗以倍数增加,严重影响列车动力学性能;通过变阻尼控制之后,构架横向加速度、轮对横向力以及轮对磨耗明显减小,车体横向加速度也略有减小,能够改善列车动力学性能,提高列车运行安全性与平稳性。     

基于IHBM的高速列车齿轮传动系统动力学分析

为了掌握高速列车齿轮传动系统在驱动端、负载端转矩激励下的动力学特性,建立了高速列车齿轮传动系统纯扭转振动模型;利用增量谐波平衡法（Incremental Harmonic Balance Method,IHBM）得到了系统在驱动端、负载端转矩激励下的解析解,与系统数值解进行对比,验证了IHBM的合理性;通过绘制系统的频响曲线,分析了驱动端、负载端转矩激励中主要参数的变化对系统动力学特性的影响。结果表明,在驱动端、负载端转矩激励的参数变化下,系统中出现了多个高阶超谐共振区、幅值跳跃、1个甚至多个多值解区域等非线性特征。研究结果对于深入分析在驱动端、负载端转矩激励下的高速列车齿轮传动系统的动力学特性具有独特的参考价值。     

车轮扁疤对铁道车辆齿轮箱动态特性影响

基于多体动力学和齿轮动力学理论,建立了考虑齿轮传动系统的铁道车辆动力学模型,其详细考虑了传动系统非线性特性,比如齿轮啮合刚度、阻尼力、摩擦力、齿形误差以及齿侧间隙等。然后,研究了轨道几何不平顺、车轮扁疤对齿轮传动系统的影响。以齿轮啮合力、齿轮接触应力、动态传递误差为指标,对传动系统进行评估。研究表明:轨道不平顺激励和车轮扁疤均在高速阶段对传动系统影响较大;而且车轮扁疤长度大于30mm时,传动系统状态恶化严重。分析表明可以通过齿轮传动系统的扭转振动监测车轮扁疤故障。     

直齿圆锥齿轮的振动分析

建立了直齿圆锥齿轮传动系统的振动模型，该模型考虑了齿轮刚体在各个方向的振动，以及包括输入、输出质量的整个系统的扭振。并分析了齿轮系统的激励因素及其特性，作者采用Ｆｏｕｒｉｅｒ级数方法求解了系统的参变运动微分方程组，得到了系统的振动响应和动态特性，为直齿圆锥齿轮的动态设计提供了依据。     

Vibration from a shaft-bearing-plate system due to an axial excitation of helical gears

In this paper, a simplified model is studied to predict analytically the vibration from the helical gear system due to an axial excitation of helical gears. The simplified model describes gear, shaft, bearing, and housing. In order to obtain the axial force of helical gears, the mesh stiffness is calculated in the load deflection relation. The axial force is obtained from the solution of the equation of motion, using the mesh stiffness. It is used as a longitudinal excitation of the shaft, which in turn drives the gear housing through the bearing. In this study, the shaft is modeled as a rod, while the bearing is modeled as a parallel spring and damper only supporting longitudinal forces. The gear housing is modeled as a clamped circular plate with viscous damping. For the modeling of this system, transfer matrices for the rod and bearing are used, using a spectral method with four pole parameters. The model is validated by finite element analysis. Using the model, parameter studies are carried out. As a result, the linearized dynamic shaft force due to the gear excitation in the frequency domain was proposed. Out-of-plan displacement from the forced vibrating circular plate and the renewed mode normalization constant of the circular plate were also proposed. In order to control the axial vibration of the helical gear system, the plate was more important than the shaft and the bearing. Finally, the effect of the dominant design parameters for the gear system can be investigated by this model.     

高速重载齿轮传动系统动态响应优化设计

以振动加速度最小为目标函数，以动应力和动位移为约束条件，对高速重栽齿轮传动系统进行动力响应优化设计，降低了齿轮传动系统的振动幅值和静态变形，并分析了高速重栽齿轮传动系统响应优化设计结果。     

地铁运行时轨道-隧道-地层振动实测与分析

以上海地铁9号线某曲线段隧道为背景,通过在隧道内部、周围土层和地表布置加速度度传感器,对地铁运行引起的轨道-隧道-地层整个空间内的振动进行了现场测试。通过统计各测点的加速度平均峰值、加速度振级以及振动主频,分析了地铁振动在整个空间内的传播规律。实测结果表明:隧道内部及近处地层以垂向振动为主,但曲线段的地表水平振动可大于竖向振动;地铁振动从钢轨传至隧道壁时会有大幅衰减,从隧道壁传递到地表正上方时,振级反而有所增大;地铁振动在传播过程中振动主频范围也在不断减少。整体振动测试有助于全面认识地铁振动传播规律,对地铁线路设计、轨道结构减振具有较好的指导意义。     

考虑齿轮传动影响的高速动车组电机吊架载荷及动应力研究

针对CRH3型高速动车组电机吊架焊接结构,结合有限元法和刚柔耦合多体动力学法建立考虑齿轮传动系统的啮合振动的高速列车动车整车动力学模型,仿真计算得到电机吊架在列车加速和匀速运行工况下的动载荷;利用准静态应力法计算两种工况下电机吊架上危险节点的动应力,通过对比吊架上危险节点动应力的模拟计算结果和线路实测结果研究齿轮传动系统的啮合振动对车辆运行中电机吊架所受载荷及其上危险位置动应力的影响。结果表明:在齿轮传动系统啮合振动的影响下,电机吊架的动载荷及其结构危险节点的动应力显著增大,垂向振动加剧,而且动应力仿真结果与线路实测结果更接近。因此,在对高速列车结构件进行动应力仿真时,为了更准确地仿真结构振动对动应力仿真结果的影响,应该在结构件弹性化的基础上,同时考虑齿轮传动系统啮合振动的影响。     

高速列车二系垂向悬挂系统设计解析表达式*

根据1/4车体4自由度垂向振动模型,利用随机振动理论及留数定理,建立轨道高低不平顺激励下的车辆垂向振动响应均方根值解析表达式;通过数值计算对解析表达式的正确性进行了验证,结果表明在一定有效数字范围内解析计算值与数值计算值完全吻合,表明所建立的解析表达式是正确的;通过整车仿真对比对解析计算方法的可靠性进行了验证,可知车体垂向振动加速度均方根值和二系悬挂垂向行程均方根值的解析计算值与整车仿真验证值的最大相对偏差分别仅为12.50%和15.47%,表明所建立的解析计算方法是可靠的。在此基础上,利用黄金分割原理,建立了二系垂向悬挂系统阻尼比优化设计方法,并通过实例对其可行性进行了分析,为高速列车二系垂向悬挂系统参数的初始设计提供了参考。     

修形人字齿轮振动测试试验台可行性验证

为验证封闭功率流式修形人字齿轮振动测试试验台的可行性,首先,搭建封闭功率流式人字齿轮系统振动测量试验台,依据试验台建立了包含陪试齿轮、试验齿轮以及加载扭力轴的24自由度啮合型弯-扭-轴耦合振动模型;然后,选用设计的某人字齿轮齿面三维修形的试验齿轮作为计算实例,分析了不同扭力轴刚度下,陪试齿轮对试验齿轮啮合线向相对振动加速度的影响。结果表明,在给定工况下,陪试标准齿面人字齿轮对修形人字齿轮的齿面相对振动影响为1.35%,远低于修形齿面18.2%的减振率,因此用该试验台进行人字齿轮传动系统齿面三维修形减振测试切实可行。陪试齿轮对试验齿轮振动的影响程度随着扭力轴刚度增加而增加,故试验中在满足系统强度、传动平稳及布置要求的前提下,应将扭力轴扭转刚度设计的尽量低,应最大幅度地降低扭力轴扭转刚度设计值,以减小陪试齿轮对试验齿轮振动测量的影响。     

基于齿背接触刚度的高速斜齿轮瞬态振动特性

为了分析基于齿背接触刚度的高速斜齿轮瞬态振动放大特性,针对高转速瞬态工况下斜齿轮齿面啮合-脱啮-齿背接触的齿面实际承载接触状态,建立了同时考虑啮合时间与齿面振动位移耦合机理的斜齿轮动态啮合刚度。在细化考虑齿背啮合机理、基于齿背实际啮合刚度的模型基础上,进一步建立斜齿轮啮合型瞬态振动模型,并在此基础上展开不同齿侧间隙以及齿背接触对系统瞬态振动特性影响分析研究。搭建封闭功率流式斜齿轮瞬态扭转振动测试试验台,对基于齿背接触刚度的斜齿轮瞬态振动特性进行了验证。该研究具有较好的理论研究意义,有利于斜齿轮传动系统在航空传动、新能源传动系统上的应用推广,进一步提升高转速齿轮系统的瞬态振动噪声品质。     

Experimental study on vibration characteristics of double-helical gearbox with isolators

A power closed double-helical gear test rig with isolators was created to investigate the dynamic response characteristics of the double-helical gearbox. Experimentally, the vibration accelerations of the bearing seat, machine foot, and base were tested under various working conditions. Experiments validated the validity of the generalized finite element theory-based dynamic model of the double-helical gear system. The study found that the unloaded vibration of the gearbox is greatly caused by the shaft frequency excitation due to assembly/manufacturing errors. As the load increases, the assembly/manufacturing errors are compensated by the system deformation. In the acceleration spectrum of the bearing seat, it is found that the tooth surface modification can reduce the amplitude of the mesh frequency, but the bearing outer ring frequency components are increased. That is, the axial movement of double-helical gears is intensified. Furthermore, the closer the excitation frequency is to the natural frequency of the base, the worse the vibration isolation effect is.

     

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。