气动激扰下车体与悬吊设备耦合振动行为研究

基于Simiu风谱的功率谱密度函数,建立自相关模型(AR模型),模拟随高速列车移动的点的随机脉动风速时程,分析得到随机风作用在高速列车车体上的气动激扰。建立考虑车体弹性振动和多个车下悬吊设备的刚柔耦合动力学模型,分析不同环境风速下气动激扰对车体和悬吊设备振动行为的影响。研究表明,气动激扰对车体和悬吊设备的横向和垂向振动特性明显,随着风速的增大,车体和设备振动加剧,但是对于车体横向振动来说,车辆运行速度低于150 km/h,各风速下的差异不明显;合理选取车下悬吊系统的悬挂参数可以有效地降低车体和设备的振动,当环境平均风速5 m/s时,车体横向采用8 Hz的悬挂频率比1 Hz的降低约26.5%的振动;考虑气动激扰的车下悬吊系统振动行为研究可以更加真实地反映车体和悬吊设备的耦合振动关系,为设计更优异性能的车下悬吊系统提供参考价值。     

CHN60/UIC60钢轨廓型下高速列车车轮踏面磨耗对比分析

为了研究不同轮轨廓型匹配时高速列车车轮踏面磨耗情况,运用多体动力学软件UM建立某高速列车单车车辆/轨道耦合动力学模型,利用轮轨滚动接触理论和车轮磨耗预测模型,对比分析列车CHN60和UIC60钢轨廓型与LMA车轮廓型匹配时车轮踏面磨耗规律。研究表明:在运营里程低于26. 5万km时,LMA/CHN60和LMA/UIC60车轮踏面磨耗相差不大,在运营里程超过26. 5万km以后,LMA/UIC60磨耗显著增大;相比LMA/CHN60,车轮踏面磨耗对LMA/UIC60轮轨接触点的分布状态影响更大,前者的轮轨接触状态要优于后者;在车辆运营里程低于13. 5万km时,LMA/CHN60和LMA/UIC60的车轮磨耗功最大值相差不大,在车辆运营里程超过13. 5万km后,LMA/UIC60轮轨匹配下的车轮磨耗功最大值逐渐大于LMA/CHN60轮轨匹配; 2种轮轨廓型在运行中的车轮磨耗功率最大值都逐渐减小,但LMA/UIC60轮轨匹配下的磨耗功率最大值普遍较大。     

高速客车车下设备最优悬吊刚度研究

建立了考虑构架及弹性车体的车辆系统简化模型,分析了车下设备采用弹性悬吊和刚性悬吊两种方式对车体振动的影响。研究表明:车下设备弹性悬吊方式能够在一定的频率范围内有效降低车体的弹性振动。采用传递函数理论,推导了车下设备最优悬吊刚度的数学表达式,分析表明,车下设备最优悬吊刚度对应的频率应接近车体的一阶弯曲频率。结合有限元和Simpack软件建立了高速试验列车的三维刚柔耦合动力学模型,并对试验车辆进行了滚动台试验测试,仿真结果与试验结果能够很好的吻合。     

CRH1型动车组车轮偏磨与动力学性能分析

为了研究车轮异常磨耗对车辆动力学性能影响的规律,本文对某CRH1型动车组进行了持续跟踪测试,得出了车轮外形及磨耗数据,并分析了其轮缘、踏面厚度、等效锥度与车体振动加速度等主要参数。结果表明:各车轮均存在明显的轮缘偏磨现象,且磨耗速度与运行里程成正增长趋势,车轮偏磨直接影响了车辆的横向稳定性。     

高速列车二系横向阻尼改变对轮轨磨耗影响研究

当列车偏离设定运行速度时,车体横向振动变差,被动悬挂系统阻尼值预先设定,难于满足要求。采用迭代寻优控制算法,车体横向平稳性提高,乘客舒适性得到较好改善;但导致轮轨磨耗加剧,严重影响行车安全性,同时增加旋修带来的经济损失。进一步分析二系横向阻尼改变对车体平稳性和轮轨磨耗的影响,同时考虑车体横向振动和轮轨磨耗,100km/h速度时,建议二系横向阻尼的调节范围为(15~30)k N.s/m;300km/h速度时,建议其范围为(30~45)k N.s/m。为列车参数优化、安全运行提供理论指导。     

车下设备弹性悬挂对高速客车平稳性的影响

为了分析车下设备弹性悬挂参数对高速客车平稳性的影响,通过对CRH3型高速动车组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建立高速动车组单车刚柔耦合系统动力学模型,研究车下设备悬挂参数对车体振动的影响规律。通过对比分析刚性与弹性两种不同的车下设备联接方式,结果表明弹性联接方式能够对车体的弯曲振动起到一定的抑制作用,能够降低车下设备对车体振动的影响。当车下设备的垂向悬挂频率介于8~12Hz之间时,车体中部的垂向平稳性指标值最小,而车下设备垂向悬挂频率的改变对车体前端和后端的平稳性指标影响不大。这表明当车下设备的垂向悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时,只能在一定程度上降低车体中部的垂向振动。同样,车下设备横向悬挂刚度的改变对车体前端和后端的平稳性指标影响也不大,主要影响车体中部的横向平稳性指标,最终优化的车下设备横向悬挂刚度要大于1.2倍的垂向悬挂刚度。车下设备质量越重、离车体中部越近,车体中部的平稳性指标值越小即车辆的平稳性越好。     

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。     

高速动车组车下设备对车体振动传递与模态频率的影响机理研究

提出包含车下设备的高速动车组整备状态车体模态频率数值计算方法,并通过有限元分析及模态试验,验证该方法的准确性。理论研究车下设备对车体振动传递特性的影响,定义车体的名义垂向一阶弯曲模态频率,并结合数值计算、振动传递分析与模态试验分析,分析车下设备悬挂参数对车体模态频率的影响机理。研究表明,采用弹性吊挂的车下设备将与车体形成耦合振动系统,且耦合振动系统在原车体垂向一阶弯曲模态频率附近产生一个新的低频振动分量和一个新的高频振动分量;低频振动振型为车下设备垂向振动与车体垂向一阶弯曲振动同相,高频振动振型为二者反相振动;随着车下设备悬挂刚度的变化,车体的名义垂向一阶弯曲频率将会发生"频率跳变"现象。     

动车组车体异常振动问题分析及治理研究

对某型高速动车组车辆进行长期跟踪测试,发现当车轮镟修后车辆运行18万km以上时,车体异常抖振现象时有发生,且抖振时,车体横向及垂向振动在10 Hz频率附近均出现异常放大现象.结合车轮踏面测试分析、车体和构架振动测试分析以及车体试验模态分析,对车体异常抖振机理进行研究.结果表明,当车轮镟修后车辆运行18万km以上时,车轮等效锥度增加至0.501以上,且车轮踏面出现凹磨,轮轨接触位置较分散,存在跳跃现象;当车辆运行过程中受到较大的线路横向激扰时,车轮产生较大横移量,轮轨接触位置发生突变,并导致转向架蛇行运动频率陡升至与车体菱形模态频率接近而引发二者同步运动,致使菱形模态振动放大,是车体发生异常抖振的原因.为治理该问题,以提高车辆运行稳定性及运行平稳性为目标,提出基于正交试验的多目标车辆系统悬挂参数优化方法,对一系横向、纵向定位刚度和抗蛇行减振器节点刚度及阻尼系数进行同步优化,仿真计算结果表明,悬挂参数优化后,车辆在不同踏面磨耗状态下的临界速度、运行安全性及运行平稳性均得到明显提高.对悬挂参数优化方案进行在线试验验证,结果表明,采用优化的悬挂参数后,车体抖振处能量明显下降,抖振问题得到明显改善.     

基于最优控制理论的高速列车车下悬吊系统半主动悬挂

针对高速列车服役环境的复杂性,造成车体振动幅值增大和旅客乘坐舒适性降低等问题。基于LQR算法的最优控制理论,提出车下悬吊系统安装半主动悬挂的思路,并建立考虑车体弹性和车下悬吊设备的高速列车垂向耦合振动模型,分析LQR算法的加权系数R对车体减振的影响规律,并对比分析被动悬挂和半主动悬挂的车体振动控制效果。研究结果表明,以降低车体弹性振动为控制目标,减小加权系数R有利于降低车体的弹性振动,而且当加权系数减小至1×10^-5时,车体弹性振动会出现明显的降低,但是不会对车体的刚性振动产生影响;半主动悬挂对车体振动控制的效果与车体弹性振动能量密切相关,车体弹性振动能量越大,半主动悬挂的控制效果越好;当车体出现弹性振动时,半主动悬挂的车体减振效果明显优于被动悬挂,在车体弹性振动最明显的速度级下,半主动悬挂下的车体振动RMS值降低了约一半。通过半主动悬挂对车体减振效果的研究,为工程化应用提供了理论支撑。     

货运动车组车体-集装箱耦合振动特性研究

目前我国货运动车组正在研制中,货运列车速度的提升将对车辆振动产生重要影响,既有不考虑车-货间耦合作用的研究方式将不再能准确反映高速货运动车组的振动特性。考虑车辆与其所承载集装箱的耦合关系,建立货运动车组动力学模型,研究不同速度等级下车体和集装箱的响应特征,对比车体与集装箱体间是否采用耦合关系的情况下系统振动特征的异同点,获得车体及集装箱在两种模型处理方式下车体端部和中部集装箱、车体、构架横向加速度和摇头角加速度等的时频域特性。结果表明,研究车速200 km/h以上的货运动车组的动力学特性时需要考虑车体-集装箱之间耦合振动关系;考虑车体-集装箱耦合振动关系后,可反映集装箱的振动引起车体和构架在某些频段内振动幅值增大、振动能量增加及车体端部集装箱的横向振动大于中部集装箱等特征。     

高速列车车轮型面多目标优化研究

对于动车组车轮磨耗引起的动力学性能降低问题,车轮型面优化是一个很好的解决方案。采用旋转压缩微调法（Rotary-scaling fine-tuning method,RSFT）进行型面生成;建立某型动车组车辆动力学模型,采用该模型计算相应的优化目标和约束条件;利用径向基神经网络-粒子群（Radial-based neural network-particle swarm optimization,RBF-PSO）算法优化出最优廓形。通过对比优化前后车轮型面的动力学性能和磨耗性能,可以发现：优化后车轮型面临界速度为424.6 km/h,增大10.2%;横向平稳性和垂向平稳性指标整体减小,同时提高了曲线通过时的安全性指标,脱轨系数、倾覆系数和轮轴横向力都进一步减小。优化后车轮型面接触点分布相对更加均匀,等效锥度减小。同时优化后车轮型面有效减小车轮磨耗深度,并减小了轮缘根部磨耗,车轮最大磨耗深度减小9.8%。     

组合轮径差对地铁车辆动力学性能的影响

为了研究各种轮径差组合形式对地铁车辆动力学性能的影响,基于车辆系统动力学和赫兹非线性接触理论,建立地铁动车非线性动力学模型,分析各种轮径差组合工况下地铁车辆的临界速度、平稳性、安全性和磨耗功率及其变化规律。结果表明:在多种轮径差组合工况下,轮径差增大会使地铁车辆的临界速度有较大幅度降低,会使地铁车辆的横向平稳性和磨耗功率明显增大;轮径差对地铁车辆的垂向平稳性、轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数和轮重减载率影响较小;通过左、右曲线时,轮径差对磨耗功率增幅的影响存在差异,但变化规律一致。     

Carbody hunting investigation of a high speed passenger car

This paper describes the low frequency carbody hunting problem of a high speed passenger car emerged in the process of tests and service operations. It causes a significant deterioration of lateral comfort. First, the vehicle model is established as a multiple rigid body system. Using root locus analysis, the effect of system parameters on the carbody hunting stability has been studied. It shows that carbody hunting instability has something to do with suspension parameters and wheel/rail conditions. To find the causes of this carbody hunting problem, component tests have been carried out. Based on the theoretical hunting stability analysis and component tests, solutions are proposed and then validated in the field test.     

A study on the critical speed of worn wheel profile using a scale model

A study was conducted to analyze the influence of wheel profile wear on running stability by using a 1/5 scale bogie model. The critical speed was analyzed by constructing a dynamic model for the bogie model. And the 1/5 scale bogie and a scaled roller rig prototype were manufactured to verify the feasibility of applying the scale model; a critical speed test was conducted for worn wheel profile samples. The test results for the scale model were consistent with the simulation results for the scale model within the range of 5% or less. Also, the variation of the critical speed of the scale model for the wheel profile wear shows a similar trend with the analysis results of the full scale model. Therefore, using the scale model to analyze the influence of wheel profile wear on running stability shows sufficient feasibility as a model to analyze the stability of a full scale bogie.     

WS系列越野车底盘轮边减速器失效分析及改进设计

WS系列越野车底盘轮边减速器设计寿命30万千米,实际使用中的寿命仅为8000～10000km,系未达到设计寿命产生的早期失效.通过对设计、选材、热处理金相、机械性能和制造工艺等方面进行分析,确定了早期失效的原因.根据使用要求,提出了改进设计的方案.     

抗侧滚扭杆对地铁车辆动力学性能影响分析

采用SIMPACK动力学分析软件建立了某80km/h B型地铁车辆的动力学模型,分析比较了该车辆的动力学性能随抗侧滚扭杆刚度的变化情况。计算结果表明:抗侧滚扭杆装置能显著降低车辆柔度系数、轮轴横向力、车体侧滚角和倾覆系数;对车辆非线性临界速度、脱轨系数则影响不大;对车辆运行平稳性、轮重减载率则存在不利影响。     

车轮磨耗计算模型及其数值方法

综述国内外车轮磨耗理论模型及其数值方法,提出基于车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和材料摩擦磨耗模型为一体的车轮磨损计算模型, 并发展相应的数值方法。模型中车辆结构和钢轨下部结构被简化成等效质量、弹簧和阻尼系统, 而钢轨用Euler 梁代替, 并考虑它的垂向、横向弯曲变形和扭转变形。利用修改的KALKER三维弹性体非Hertz 滚动接触理论和相应的数值方法计算轮轨蠕滑力和滑动量等参量;根据Archard材料磨损模型计算车轮的磨耗深度。利用该模型和相应的数值方法分析不同曲线半径情况下车轮的磨损情况,结果表明该模型可以较好地模拟车轮磨损的演化过程。给出列车通过曲线半径为350 m时车轮的磨损情况。数值结果表明,每个转向架下前轮对比后轮对磨耗严重,外轨上的车轮比内轨上的车轮磨耗严重。     

Application of Semi-Hertzian Approach to Predict the Dynamic Behavior of Railway Vehicles Through a Wear Evolution Model

Wear prediction due to the wheel-rail interaction in a railway vehicle has a significant role in the view of running stability (critical speed), dynamic performance and maintenance scheduling. In this article, we have focused on the estimation of wear distribution on the wheel profile through co-simulation between the vehicle and the wear evolution models, built in the multi-body simulation (MBS) software ADAMS (VI-Rail) and MATLAB environments, respectively. As the shape of the contact patches varies from elliptical to non-elliptical depending upon the contact patch location on the rail and the wheel, the contact forces/stresses are calculated by using a combined formulation of semi-Hertzian approach with modified FASTSIM. The wear distribution is obtained using Archard’s wear model. The wheel profiles are updated after calculating the wear depth for a particular distance travelled by the vehicle. The dynamic behavior of the vehicle with the worn wheel profile is utilized to predict additional wear during a further fixed distance of travel and this profile updating and dynamic simulation process is repeated. The vehicle’s dynamic performance and passenger comfort are evaluated for various levels of wheel wear.     

金刚石砂轮切割工程陶瓷时工艺参数对砂轮寿命的影响

研究了金刚石砂轮切割工程陶瓷时各工艺参数对砂轮径向磨损量的影响 ,通过正交试验 ,发现各工艺参数对径向磨损量影响的主次顺序为 :砂轮速度—切割深度—进给速度