高速动车组抗蛇行减振器参数优化研究

蛇行运动是轨道车辆的固有属性,随着高速铁路的发展,高速动车组稳定性问题越来越突出,抗蛇行减振器对于车辆稳定性具有重要影响,通过优化抗蛇行减振器参数可以有效提升高速动车组运行性能。本文建立高速动车组车辆动力学模型,利用超拉丁采样选取减振器设计参数,并采用 KSM 模型进行动力学响应分析,最后采用 NS?GA?Ⅱ算法对抗蛇行减振器参数进行优化,并对优化前后的动车组动力学性能进行对比。结果表明：优化后参数下,XP55 标准车轮临界速度提高 15.28%,达到 463.8 km/h, XP55 磨耗车轮临界速度提高 13.71%。优化后参数进一步提升了车体的平稳性和舒适度,轮轴横向力减小。同时优化后参数降低了新轮工况和磨耗车轮工况下的车体和转向架横向加速度幅值,抑制了车辆横向振动。分析了减振器参数优化对接触点位置和车轮磨耗指数的影响,优化后参数减小了车轮横向接触点横移,速度为 250 km/h 时,XP55 标准车轮磨耗指数减小 14.65%,XP55 磨耗车轮磨耗指数减小 15.8%。因此,抗蛇行减振器参数优化后可以有效提高车辆稳定性和运行性能。     

高速车辆车轮磨耗与轮轨接触几何关系的研究

根据线路实际测量的高速车辆车轮踏面外形,分析了不同磨耗里程下的S1002G踏面的轮轨接触几何关系的变化规律。研究结果表明S1002G踏面随着运营里程的增加,等效锥度逐渐增大,特别是在轮对横移量2mm以内表现最明显。随着轮对横移量的增加等效锥度呈现先减小后增大的变化趋势,这说明S1002G踏面在京沪线实际运营过程中以凹形磨耗为主。通过建立高速动车组单车动力学模型,采用磨耗前后的轮轨型面,分析了三种不同类型转向架车辆模型的运动稳定性。分析结果表明磨耗导致轮轨匹配关系发生变化从而大大降低了车辆的临界速度;而一系纵向定位刚度无论是磨耗前还是磨耗后都会对车辆稳定性造成重要的影响,相对来说柔性转向架更有利于车辆的运动稳定性。轨道参数对轮轨接触几何关系有着非常重要的影响,因此研究车辆稳定性问题必须要考虑轨道几何参数的作用。     

高速列车转向架技术研究

高速铁路运营对转向架技术提出了更高要求,为能设计出性能更优越的动车组转向架,调查了中国高速动车组的线路条件、动车组的车轮踏面磨耗情况,分析轮轨匹配关系;动力学分析中考虑了转臂节点、抗蛇行减振器、空气弹簧等部件的非线性特性,橡胶、减振器等减振元件高低温变化条件下车辆参数的变化,电机弹性悬挂方式等,在实际轮轨匹配关系基础上建立了车辆系统动力学模型。动力学系统仿真选择了最优悬挂参数,结合部件台架测试对悬挂元件进行了工程化设计;为掌握转向架服役周期内关键部件可靠性,对运用动车组转向架进行了大量的动应力测试,系统分析了中国无砟轨道条件下转向架主要承载区域载荷随车辆运营周期、不同气候条件、不同线路条件下的变化趋势,建立了中国高速列车载荷谱体系。通过结构、悬挂、传动、制动、焊接、降噪、轮轨等系统集成,形成高速列车转向架技术体系。     

驱动工况下高速动车组蛇行失稳非线性度

基于信号的波内调制现象定义信号的非线性指标,并研究高速动车组在驱动工况下(驱动系统在直接转矩控制下)蛇行失稳的非线性特征。首先建立包括高速动车组的车辆动力学Simpack子模型和牵引传动系统的直接转矩控制Matlab/Simulink子模型在内的机械电气耦合联合仿真模型,然后计算动力学响应,最后基于黄变换计算列车在蛇行失稳状态下动力响应的非线性指标变化。仿真结果表明:若列车出现蛇行失稳,转向架和车体横向振动非线性指标会急剧增大;完全失稳情况下,车体横向加速度非线性度大于0.1,转向架横向位移非线性度大于0.3。     

面向车辆平稳性的抗蛇行减振器结构参数多目标优化

高速动车组在运营过程中依赖抗蛇行减振器维持车体横向振动的平稳性,为提高不同工况下车辆运行平稳性,需要对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化.首先建立包含抗蛇行减振器液压数值模型与CRH3车辆动力学模型的UM-SIMULINK联合仿真模型,分析抗蛇行减振器结构参数对车辆平稳性的影响,随后基于车轮磨耗对轮轨接触几何的影响设计...     

高速列车半主动悬挂可变刚度和阻尼减振器适应性研究

针对中国高速列车运行速度高、运营里程长、轮轨磨耗加剧,被动悬挂式抗蛇行减振器适应性较差,导致转向架抗蛇行稳定性能不足的情况,开展半主动悬挂抗蛇行减振器研究。首先,基于高速列车悬挂系统非线性和轮轨接触非线性特征,建立了高速列车模型、磁流变阻尼器模型、可变刚度和阻尼抗蛇行减振器模型;然后分析了抗蛇行刚度和阻尼参数对新轮轨和磨耗轮轨的车辆动力学性能的影响,并针对磨耗轮轨接触提出了半主动悬挂控制策略;最后,对比分析了被动悬挂和半主动悬挂车辆运行性能的差异。结果表明:通过采用半主动悬挂调整抗蛇行减振器的刚度和阻尼参数可大幅改善磨耗轮轨接触的车辆运行性能,保证构架不发生蛇行失稳,与采用被动悬挂抗蛇行减振器的车辆相比,车体横向加速度和构架横向加速度分别降低22.4%和16.0%。     

服役条件下提速地铁车辆的横向运动稳定性研究EI北大核心CSCD

地铁提速是未来轨道交通发展的必然趋势,服役条件下的车轮磨损会导致车轮半径减小和等效锥度增大,容易造成车辆蛇行失稳。为了保持服役条件下提速地铁车辆的横向运动稳定性,通过调研获取了上海某线路地铁车辆的车轮磨损情况,建立了含抗蛇行减振器的地铁横向动力学模型,研究了车轮磨损对于地铁车辆横向运动稳定性的影响,对比服役条件下有无抗蛇行减振器的车辆临界速度,指明了安装抗蛇行减振器对于服役地铁提速的必要性。结果表明,服役条件下的地铁车辆车轮半径减小以及等效锥度增大会降低车辆的临界速度,增大蛇行运动幅值。通过安装抗蛇行减振器,能有效地解决地铁车辆车轮磨损以及提速带来的横向运动稳定性裕量不足的问题,同时也能避免地铁车辆在异常参数匹配下发生一次蛇行运动。论文工作对探究服役地铁车辆进一步提速以及车轮和钢轨的维护保养具有一定的参考价值。     

高速列车抗蛇行减振器作用机制与频变刚度应用研究EI北大核心CSCD

为了研究高速列车抗蛇行减振器作用机制进而对最优减振器参数选配提供理论指导,分析了减振器的频变特性和最优能量耗散条件,基于两类典型高速列车横向动力学模型对抗蛇行减振器参数进行多目标优化,及整车线性稳定性和模态能量分析,总结了抗蛇行减振器作用机制。得出结论如下:抗蛇行减振器不仅其阻尼对车辆蛇行能量起耗散作用,其刚度特性对车辆横向稳定性的影响更为显著,减振器刚度需随蛇行频率增加而增大;利用车体与转向架蛇行模态能量占比及其牵连作用说明抗蛇行减振器等效刚度作用机制,并根据最优能量耗散理论实现抗蛇行减振器串联刚度与阻尼的匹配。提出了应用频变刚度抗蛇行减振器的思路和结构方案,针对频变刚度曲线进行优化和车辆横向稳定性分析,结果表明,采用频变刚度抗蛇行减振器可显著改善极端轮轨接触状态下车辆横向稳定性,降低高速列车出现低频晃车和高频抖车现象的风险,对实现不同车轮踏面磨耗阶段车辆自适应稳定性起到积极作用。     

轮轨磨耗状态下悬挂参数失效对车辆动力学性能影响

为了研究悬挂参数失效对车辆系统动力学性能的影响,建立高速车辆系统动力学模型和悬挂参数失效模型,针对新轮轨、磨耗后轮轨进行轮轨接触几何关系和动力学仿真计算,分析当悬挂参数正常工作和失效时,车辆动力学性能的变化。结果表明：与新轮轨相比,轮轨磨耗状态下的等效锥度、滚动圆半径差和左右轮轨接触角度差变大;轮轨磨耗造成蛇行失稳临界速度下降,运行平稳性和曲线通过能力变差;悬挂系统失效方式不同,对车辆系统动力学的性能和车体的动态响应影响程度不同;车辆的悬挂参数优化应考虑轮轨磨耗的影响。     

地铁车轮磨耗对轮轨接触特性及动力学性能的影响

对某地铁线路轮轨磨耗进行测试,分析实测型面与CN60钢轨匹配的轮轨接触几何关系,并利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论对轮轨接触力学特性进行分析。利用UM多体动力学软件建立某B型地铁车辆动力学仿真模型,分析轮轨磨耗对车辆动力学性能及轮轨接触损伤特性的影响。结果表明:该线路车轮踏面磨耗较均匀,存在明显轮缘磨耗现象。不同运行里程下实测车轮踏面外形基本相似,导致车轮磨耗对轮轨接触几何关系、轮轨接触力学特性及车辆动力学性能的影响较小。实测轮轨匹配下的动力学性能略有下降。随着运行里程增大磨耗指数变化不大,表明车轮磨耗稳定。车轮磨耗后表面疲劳指数大于标准型面,出现滚动接触疲劳的可能性增大。     

基于AOSO递进优化方法的车体抖振控制研究

针对某型动车组在运行中出现的车体抖振伴随转向架蛇行运动的整车异常振动现象,对车辆进行在线试验,发现大踏面锥度状态的车辆在较高速度工况运行时,存在稳定性不足,致使转向架的蛇行频率不断上升与车体菱形模态频率接近,继而引发车体的抖振。为了提升车辆运行的稳定性,提出一种融合解析优化和仿真优化的两级递进优化方法（Analytical Optimization and Simulation Optimization,简称为AOSO）,对抗蛇行减振器参数进行优化,并在车辆线路试验中验证优化的效果。结果表明,优化后磨耗轮状态下车辆的临界速度得到显著提升,转向架已无明显的蛇行运动、车体抖振也得到明显改善。     

一种新型改进踏面在某高速动车组上的应用可行性分析

转向架是动车组上最重要的部件之一,其直接承受车辆与线路轨道间相互作用的全部载荷及冲击,而转向架车轮踏面作为与轨道直接接触的部位,其形状对列车动力学性能和车轮的磨耗程度有很大影响;为了提高某高速动车组的动力学性能和延长车轮旋修周期,提高列车乘坐的舒适度,本文提出一种新型改进踏面ZH1踏面,并将其与国内已经成熟运用的踏面做...     

面向车辆平稳性的抗蛇行减振器结构参数多目标优化

高速动车组在运营过程中依赖抗蛇行减振器维持车体横向振动的平稳性,为提高不同工况下车辆运行平稳性,需要对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化。首先建立包含抗蛇行减振器液压数值模型与CRH3 车辆动力学模型的UM-SIMULINK联合仿真模型,分析抗蛇行减振器结构参数对车辆平稳性的影响,随后基于车轮磨耗对轮轨接触几何的影响设计两种工况,基于UM-ISIGHT 联合仿真采用NSGA-II 算法对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化。结果表明：抗蛇行减振器常通孔径、卸荷孔径和活塞杆直径对车辆平稳性有不同程度的影响。车速较低时,增大常通孔径有利于车辆平稳运行;车速较高时,随着直径增大,常通孔、卸荷孔和活塞杆直径分别使车辆平稳性呈现“劣-优-劣”、“优-劣-稳定”和轴对称下降的变化趋势。对抗蛇行减振器常通孔径和卸荷孔径进行多目标优化后,高速、高等效锥度条件下车辆平稳性提高20.72 %,优化效果显著。     

高寒动车组车轮磨耗演变特性及其影响分析

对某线路上运行的高寒动车组车轮磨耗进行长期跟踪测试,得到车轮磨耗演变规律。将实测车轮踏面分别与CHN60轨和60 N轨匹配,分析车轮磨耗对轮轨接触几何关系和接触力学特性的影响。利用多体动力学软件SIMPACK建立车辆动力学仿真模型,研究车轮磨耗过程中车辆动力学性能的演变规律。研究结果表明:车轮踏面磨耗随运行里程呈线性增加趋势,动车和拖车平均磨耗速率分别为0.0434 mm/万千米和0.0398 mm/万千米,且几乎没有轮缘磨耗。等效锥度随运行里程呈前期增长较快后期平缓的非线性特性,且与CHN60匹配时等效锥度明显高于与60 N轨匹配。实测轮轨匹配下的力学特性及动力学性能均略有下降,车辆与60 N轨匹配时体现出更好的服役性能。     

基于可变刚度抗蛇行减振器的车辆动力学性能研究

CRH3系列高速动车组在长期服役过程中偶有发生蛇行运动稳定性裕量不足的问题,车辆装配T60型抗蛇行减振器,在车轮磨耗末期易发生构架横向加速度报警问题,装配T70型抗蛇行减振器,则在新轮或车轮磨耗初期易发生“晃车”的问题。针对晃车和报警问题开展可变刚度抗蛇行减振器的仿真与试验研究,以满足车辆在不同轮轨接触状态下车辆的蛇行运动稳定性需求。动力学仿真表明,可变刚度抗蛇行减振器能有效兼顾解决“晃车”和“报警”问题;进一步分析可变刚度抗蛇行减振器与两种高速踏面的适应性,采用S1002CN踏面时车辆临界速度高于350 km/h,而采用LMB10踏面时仅为220 km/h,且S1002CN踏面对应的平稳性和舒适度指标都优于LMB10踏面。最后通过整车滚振台架试验对变刚度抗蛇行减振器性能进行了试验验证,结果表明该减振器可以兼顾轮轨低锥度和高锥度匹配状态,可使车辆均具有良好的动力学性能。     

考虑研磨子——车轮和轮轨作用的城际动车组车轮磨耗预测

针对站间距短、研磨子频繁作用的城际铁路,建立了集车辆系统动力学、研磨子―车轮接触和车轮磨耗等模型于一体的动车组车轮磨耗预测模型,车轮磨耗采用Archard模型计算,实现了研磨子―车轮和轮轨接触对车轮磨耗贡献的定量预测。以中国南方某城际线路上运行的某型城际动车组为例,模拟了动车组车轮LM廓形在一个车轮镟修周期内的演化,通过对比跟踪测试结果,确定研磨子所致车轮磨耗的磨耗系数取1.45×10-4,并完成了模型验证。上述城际铁路的模拟结果显示,该模型的车轮磨耗预测误差仅为5.00%。以0.30 MPa工作气压下的高硬度研磨子为例,发现其最佳工作模式为“工作20 s—停止工作25 s”的间歇式工作模式。为动车组研磨子系统的优化设计提供有效模拟工具。     

车轮多边形激扰下轨道几何检测数据偏差规律及限值研究

某高速综合检测列车出现因车轮失圆引起的轨道几何检测数据偏差问题，对科学评价轨道平顺状态造成不利影响。为此，在深入分析检测数据异常特征的基础上，建立车轮多边形激扰下的车辆-轨道耦合动力学模型，获取车轮多边形的阶数、幅值等参数对轨道检测数据偏差的影响规律，并提出适用于高速综合检测列车的车轮低阶多边形限值。结果表明，低阶车轮多边形是引起轨道几何检测数据偏差的重要激扰源，会对轨道高低、水平与扭曲不平顺的检测造成干扰，而轨向与轨距不平顺检测所受的影响很小；车轮镟修与磨耗引起的轮径变化对轨道几何检测精度的影响较小，高速综合检测列车车轮的最小允许轮径可与普通运营动车组保持一致；轨道检测系统所在轮对的车轮多边形径跳值不应超过0.10 mm。     

车轮与高速道岔长短心轨的接触分析

针对动车组、机车车轮与高速道岔的磨耗问题,测量运行线路上磨耗后的车轮与道岔的实际几何尺寸,应用有限元方法求解车轮与道岔长短心轨的接触问题。计算了车轮与高速道岔的长短心轨部分在不同位置的接触状态,分析得出了不同工况下车轮与心轨接触斑、等效应力以及接触法向力的分布和变化规律,为道岔结构的合理设计和型面尺寸的优化提供了一定的理论依据。结果表明:JM3型机车车轮与18号高速道岔的心轨型面匹配不合理;动车组和机车车轮与心轨间的最大应力值都超过了轮轨材料的屈服极限,发生塑性变形;车轮在钢轨上的横移量影响轮岔之间的磨耗,向心轨外侧的横移量越大,磨耗越严重。     

均载组合式小轮径货车转向架车轮型面优化设计研究

小轮径转向架技术是驼背运输车辆的关键技术,小轮径低地板驮背车车轮型面磨耗问题严重,对其动力学性能造成严重影响,为了进一步提升其服役性能,对小轮径低地板驮背车车轮型面进行优化设计。首先建立小轮径低地板驮背车动力学模型,然后利用轮径差反向设计方法对车轮型面进行优化,最后利用车辆动力学模型对优化后型面的车辆动力学性能和磨耗特性进行验证分析。结果表明,优化后型面进一步降低了车轮等效锥度,同时减小了轮轨法向接触应力。通过对比优化前后动力学特性,优化后车轮型面有效提升了空重车状态下的临界速度,空车临界速度较LM踏面提高23.3%,重车临界速度较LM踏面增大17.54%。同时优化后型面有效提升了车辆的平稳性和曲线通过性能,最后利用车轮磨耗模型计算了直线段和曲线段的车轮磨耗,优化后曲线外侧车轮磨耗最大深度减小54.8%,曲线内侧车轮磨耗最大深度减小48.13%,型面优化可以有效减小小轮径低地板驮背车直线段和曲线段的车轮磨耗,为抑制车轮磨耗,提升服役性能具有重要作用。     

钢轨件磨耗状态下高速道岔达速运行适应性研究

对实际运营条件下高速道岔钢轨磨耗廓形进行了测试。基于实测数据建立了高速车辆-道岔耦合动力学计算模型,对现行速度条件下岔区钢轨件磨耗对列车过岔动力性能的影响进行了仿真分析,进而对磨耗状态下高速道岔达速运行的适应性进行了探究。结果表明:长期运营条件下,高速道岔尖轨、基本轨、翼轨、心轨均出现了不同程度的磨耗,导致轨头廓形及钢轨件之间的相对位置关系较初始状态发生了较为明显的变化;钢轨磨耗状态下列车进岔时所产生的轮轨冲击作用提前了,转辙器区轮载过渡规律发生了明显的改变,列车通过辙叉区时轮轨的相互作用及安全性参数均增加,列车进岔后轮对蛇行运动趋势增大,导致出岔后发生轮缘接触,轮对及车辆振动也呈加剧的趋势,随着磨耗程度的加深,列车过岔时轮轨磨耗发展速率逐渐减缓,道岔钢轨磨耗发展呈逐渐收敛的趋势;道岔钢轨磨耗状态下,列车过岔速度的提升进一步压缩安全和疲劳性能裕量,并且会改变道岔钢轨件磨耗发展的收敛趋势。磨耗状态下高速道岔虽能适应达速运行条件,但需重点关注钢轨件的进一步磨耗和部件伤损加速的情况。