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...     

轨道不平顺影响下高速列车齿轮传动系统的振动特性分析

为了分析高速列车齿轮传动系统在轨道不平顺激励影响下的振动特性变化规律,利用动力学软件SIMPACK建立包含齿轮传动系统的整车动力学模型,分别在大、小齿轮内部布置测点,进行无轨道不平顺和有轨道不平顺工况下的动力学仿真实验,获得高速列车时速250 km/h时大、小齿轮的振动加速度。对大、小齿轮横向、纵向和垂向振动加速度幅值进行频域分析,并对比分析了齿轮传动系统在有、无轨道不平顺工况的振动幅值、频谱分布。结果表明,由于轨道不平顺激励的影响,高速列车齿轮传动系统的横向、纵向和垂向振动加强,振动加速度均增幅明显,其中,垂向振动加速度变化幅值最大。齿轮传动系统的振动频率主要集中在0~400 Hz,小齿轮和大齿轮横向振动受轨道不平顺的影响规律一致,但小齿轮受到纵向振动的影响略小于大齿轮,小齿轮受到垂向振动的影响略大于大齿轮。     

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.     

基于Hilbert-Huang变换的轨道车辆轴箱加速度信号分析

轨道不平顺是影响列车快速、安全运行的重要原因,同时轨道不平顺所引起的列车轴箱加速度变化能够反映轨道不平顺的状态信息。通过希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)对采集到的列车轴箱垂向加速度进行分析,利用HHT能够准确地描述非线性、非平稳信号的时变特征,分析轨道不平顺引起轴箱加速度变化的主要特征频率分布。对轴箱垂向加速度信号EMD分解后时频分析,能够有效地对轨道存在的不平顺位置进行定位,实现轨道区段内一定程度的短波不平顺检测。     

基于高频轮轨接触模型的轨道短波不平顺敏感波长特性分析

轨道短波不平顺是引起轨道-车辆系统高频振动的主要根源,造成轮轨之间剧烈的相互作用力。利用ABAQUS计算软件显式模块建立的轮轨接触有限元模型,用于求解车辆高速运行时轨道短波不平顺作用条件下的高频轮轨接触力。该模型采用轮轨的真实形状建模,并且可引入任意形状的轨道短波不平顺及轨道状态参数。以某高铁线路上实测轨道短波不平顺作为输入,接触模型仿真输出的轮轨垂向力与高速综合检测列车在对应区段上实测轮轨垂向力数据之间的相关系数为0.82,验证了所建模型的正确性。利用高频轮轨模型计算不同速度条件下不同参数的余弦型轨道短波不平顺引起的动态轮轨垂向力,对比分析计算结果表明:动态轮轨垂向力不仅与轨道短波不平顺的幅值有关,还车辆与轨道短波不平顺波长敏感程度有关,在车辆运行速度不低于200 km/h的条件下,车辆对轨道短波不平顺的敏感波长分布在100～200 mm。     

基于BP神经网络优化的卡尔曼滤波算法在轨道垂向不平顺估计中的应用

轨道不平顺是引起车辆和轨道振动的主要原因，也是影响列车平稳性和舒适性的关键因素。本文根据卡尔曼滤波（KF）最优估计原理，建立了车辆系统模型，通过观测车辆系统中车体、前后构架的多个惯性量，采用BP神经网络优化卡尔曼滤波（BP-KF），实现了轨道垂向不平顺的估计。结果表明，优化后的轨道垂向不平顺估计值，无论是在趋势上还是幅值上与原始值都具有较高的一致性，为轨道不平顺的间接估计提供了新的技术手段。     

HHT在车辆-轨道系统垂向振动时频分析中的应用

应用希尔伯特黄变换方法(Hilbert-Huang transform,简称HHT)对车辆-轨道系统中高低不平顺与车辆垂向振动加速度关系进行分析。首先,利用经验模态分解法(empirical mode decomposition,简称EMD）对实测的高低不平顺与车辆垂向振动加速度信号进行分解,得到两者的本征模函数;然后,通过比较分析两者本征模函数的时域波形与Hilbert能量谱,说明高低不平顺本征模函数与车辆垂向振动加速度本征模函数之间的确定性的对应关系,可以利用车辆垂向振动加速度来识别轨道高低不平顺的不良区段;最后,对京广提速干线铁路轨检车实测样本进行回归分析,得到在波长为1.5～50m范围内直线和曲线段高低不平顺与车辆垂向振动加速度的定量关系。     

地铁线路钢轨焊接区轮轨动力学问题

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了地铁车辆-整体道床轨道垂向耦合模型,以实际测量得到的地铁线路钢轨焊接接头不平顺作为轮轨界面不平顺激扰输入,分析了接头不平顺引起的轮轨动力响应特征,以及行车速度、不平顺波长、不平顺波深、轨下胶垫刚度以及轨道结构形式等对焊接接头不平顺激扰下轮轨动力响应的影响。分析结果表明,不平顺波长的减小以及不平顺波深的增大会恶化焊接区轮轨动力响应,轨道结构弹性的提高有助于改善车辆-轨道耦合系统动力学性能。     

钢轨打磨对焊接接头区的不平顺及其动力学响应的影响

利用钢轨焊接接头不平顺测量仪Railprof,测量并分析国内某高铁线路钢轨的焊接接头区在打磨前后几何不平顺的变化,发现钢轨打磨能够减小焊接接头的不平顺幅值。基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立高铁车辆-轨道耦合动力学模型,以实际测得的钢轨焊接接头不平顺作为轮轨界面不平顺激励输入,分析焊接接头不平顺引起的轮轨动力学响应的特征,并讨论行车速度对焊接接头不平顺激扰下轮轨动力学响应的影响。结果表明,轮轨垂向力随着车辆通过速度的增加而增加,打磨后的轮轨垂向力以及轮重减载率相比于打磨前明显降低;钢轨打磨改善了焊接接头的不平顺性,并使轮轨的动力学性能(安全性)相应地得到改善。     

横风作用下的高速磁浮列车曲线通过性能研究

针对横风对高速磁浮列车曲线通过性能的影响问题,以我国高速磁浮列车为原型,建立了 204自由度的车辆轨道垂横耦合模型,施加横风载荷和轨道方向不平顺激励,对列车满载通过曲线线路的工况进行数值模拟.仿真计算和对比分析结果表明:横风作用时,风力引起的迎风侧磁场间隙变小是影响列车安全运行的重要因素.横风效应使列车在单侧压力下的动力学性能呈现相当强的非对称性,迎风侧和背风侧的系统结构振动响应相差很大.曲线通过时,风向从外侧向内比从内侧向外,运行平稳性更差.横风风速小于10 m/s时,各项动力学性能指标变化不大.在风速大于15 m/s后,横风风速对车辆系统动力学的影响超过超高情况、车速和轨道方向不平顺,起主导作用.     

特征谱下高速客车动力学性能分析

为了考查特征谱下高速客车的动力学性能,首先应用美国的MCAT(Minimally Compliant Analytical Track)规定的各种不平顺输入制作了美国6级~9级直线线路轨道不平顺特征谱,然后把轨道不平顺特征谱作为轨道激励输入模型,仿真计算了某高速客车在轨道不平顺激励下的动力学性能,并应用美国VTI(Vehicle-Track Interaction)标准对其进行了动力学性能评定。     

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。     

轨道不平顺激励下高速磁浮列车垂向动力学仿真

为了分析高速磁浮列车直线行驶过程中各项因素的影响,基于多体动力学软件Simpack建立了高速磁浮列车的垂向动力学模型,施加轨道谐波高低不平顺激励,研究了行驶速度、轨道不平顺波长和幅值、车重和悬浮架重以及一二系悬挂参数对于平稳性的影响.对全高速域的仿真结果表明:该型高速磁浮列车满载通过直线线路时,不同车速对应于不同的敏感波长范围.随着列车速度的增加,引起车体主频响应的波长增长,敏感波长范围扩大.并且随高低不平顺幅值的增大,垂向Sperling指标非线性上升,且上升速率逐渐减小.另外,车体重量的增加,悬浮架重的减小,会改善平稳性.在高速磁浮列车的工程应用参数范围内,适当减小一系悬挂刚度、二系悬挂刚度和阻尼,增大一系悬挂阻尼,有助于改善平稳性.其中二系悬挂对车辆平稳性的贡献最大.     

摩托车随机振动响应分析

研究了摩托车受到不平路面激励而产生的垂向随机振动。摩托车采用四自由度垂向振动模型,构建了摩托车振动分析有限元模型。运用路面不平度随机振动的功率谱密度分析方法,拟合了不同路面等级、不同车速下三种行驶情况的路面时间频率功率谱密度作为路面激励,得出了摩托车整车的模态特性以及对应的加速度响应功率谱密度。结果表明:路面不平度和摩托车行驶速度对结构随机振动响应影响较大,而当结构某阶固有频率与瞬时的空间频率一致时发生共振。此分析方法可用于研究摩托车的舒适性和平顺性,具有较强的工程实用价值。     

牵引与桥梁上拱激励下城轨列车动力学性能研究

城轨列车的实时变速工况是极为普遍的运行状态,若仅以匀速工况替代,无法得到贴近实际的研究结论。为此,提出一种新的考虑内外耦合激励的动力学模型。建立单节车体模型及编组城轨列车模型,综合考虑牵引工况以及城轨列车通过高架线路时的桥梁徐变上拱长波不平顺,研究在该内外耦合激励下的车辆动力学性能。基于微元法思想,计算得到城轨列车牵引工况下的电机转矩及基本阻力转矩与运行时间的关系,得到合理的综合工况下的运行状态。研究结果表明,在变速工况下车辆的轮对磨耗数、垂向平稳性指标及轮重减载率均有所上升;在桥梁长波不平顺激励下,车辆垂向平稳性指标有所下降、轮重减载率升高,而对车辆横向平稳性指标影响较小。     

一系悬挂参数对车辆动力学性能的影响

运用多体动力学SIMPACK软件建立车辆动力分析模型,仿真模拟车辆模型在高低和方向不平顺复合轨道谱激励下以200 km/h时速行驶时一系悬挂系数对车辆动力学性能的影响,分析一系纵向定位刚度在0.5~1.5 MN/m范围变化时和一系垂向阻尼在15~25 k N·s/m范围变化时,对车辆系统脱轨系数、倾覆系数、轮轨力和车体加速度的影响。     

直线电机地铁车辆电机的隔振优化分析

针对国内某型直线电机地铁车辆簧下结构振动剧烈,亦导致直线电机的橡胶节点老化和损坏的问题。将整个直线电机悬挂看作一个隔振系统,利用传递函数建立3自由度的位移函数矩阵,分析直线电机系统的隔振特性。选取不同的优化因子来对电机悬挂系统各橡胶关节的刚度进行优化分析。计算结果对比发现:取优化因子为0.1来优化均衡梁支承垫和吊杆节点垂向刚度时,传递函数值有了明显降低,系统的垂向隔振性能得到了明显的改善。进一步将优化前后的地铁车辆进行动力学分析发现,在轨道不平顺激励下,优化后的模型电机振动加速度的幅值和频率都有了明显降低,并且能够迅速收敛。优化刚度对地铁车辆直线电机悬挂系统的振动隔离是十分有意义的。     

P2共振型波磨激励下轮轨垂向动力学响应研究

为分析小半径曲线上P2共振型波磨激励下轮轨垂向动力学响应,于时域内建立车辆-轨道耦合动力学模型。在69 Hz的P2共振型波磨激励下,将车辆通过速度、波磨波长、波深等参数的变化考虑在内,模拟线路中不同工况对轮轨垂向动力学响应的影响。结果表明：在波深为0.2 mm时,随着车辆运行速度和波磨波长变化,轮对垂向动力学响应均在69 Hz达到最大值,说明与其他波磨通过频率相比,P2共振型波磨对轮对垂向响应影响最大;与无钢轨波磨工况相比,钢轨波磨工况的轮轨垂向动力响应均明显提高,且响应频率与波磨通过频率吻合;随着波磨波深的增加,轮轨间动力学响应加剧,这与现场实际情况和以往研究结论相符。     

温度力作用下纵连式轨道结构振动特性及稳定性研究

以CRTSⅡ型板式无砟轨道为例,建立纵连式轨道结构垂向振动模型,利用有限单元法求解了有初始上拱时轨道板在纵向温度压力作用下的自振频率,并基于结构稳定性分析的动力准则研究轨道结构在纵向温度压力作用下的垂向稳定性。分析温度梯度、假缝和基础刚度对轨道板自振频率和垂向稳定性的影响。研究表明,纵向温度压力会导致纵连式轨道结构自振频率的下降,当温升接近于其失稳的临界温度时,其低阶自振频率趋近于0 Hz;温度梯度会降低轨道板的自振频率,其中正温度梯度的影响较负温度梯度更为明显;假缝会降低轨道板的自振频率,但影响较小;基础刚度越小轨道板的自振频率越小;温度梯度、假缝和基础刚度对纵连式轨道结构失稳的临界温度均影响有限。     

多悬挂设备对高速列车乘坐舒适性影响分析

为研究悬挂多设备对高速列车舒适度指标影响规律,建立车体-设备的27自由度的刚柔耦合数学模型,获得车体及车下设备悬挂系统的加速度频率响应函数表达式,结合德国垂向不平顺轨道谱和舒适度滤波函数计算车体参考点的舒适度指标。分别研究有无设备、不同悬挂频率、不同悬挂位置对车辆垂向舒适度指标的影响规律。研究结果表明:合理设计车下设备悬挂参数不仅能降低车体中部舒适度指标,还能在一定程度改善车体端部乘坐舒适性,尤其是200~300 km/h时车体端部舒适度指标;通过分析最终确定设备1最优悬挂频率为10.2 Hz;双层悬挂系统中框架最优悬挂频率小于8 Hz,设备2最优悬挂频率为11~12 Hz;设备的空间布置也会对舒适度产生影响,设备1悬挂位置对车体中部和端部舒适度影响不大,而双层悬挂系统悬挂于13.5 m位置处时车体中部和端部都能获得较好舒适性。