横风作用下高速列车同向并行运行安全性数值研究

采用流体力学数值计算软件FLUENT对我国某新型动车组横风条件下的空气动力学性能进行了数值仿真.研究了不同横风风速下,直线上两列高速列车同向并行运行时的空气动力性能,并与单车运行时情况进行了对比.计算结果表明三种情况下,双车并行运行时的迎风侧车身受到的纵向气动阻力最大,背风侧车体受到的纵向气动阻力最小;相同列车速度和横风速度下,单车运行时横向气动力最大,双车并行运行时,背风侧车体受到的气动力最小.     

横风条件下重载货车直线区段运行安全性研究

针对直线区段横风载荷对重载货车动力学性能影响规律开展研究.基于车辆动力学理论,建立了考虑横风载荷的三连挂重载货车单元三维仿真模型,计算分析空载和满载两种状态下车辆运行速度与横风风速对轮轨相互作用的影响.研究结果表明:货车轮轨力和各项安全性指标均随车辆运行速度和风速的增大而增大,轮轨横向相互作用受横风载荷影响尤为显著;空...     

转向架群配置高速货运动车组车辆曲线通过动态特性研究

为了揭示我国最新研发的转向架群配置高速货运动车组车辆动力学特性,本文综合考虑车辆三系悬挂与转向架群配置的结构和功能特点,基于多体系统动力学理论,建立了转向架群配置的高速货运动车组车辆系统动力学模型。仿真分析了空、重车情况下车辆以不同速度通过曲线的轮轨动态相互作用、车辆运行安全性、车辆运行平稳性等动态性能指标。研究结果表明:①无论空车或重车在本文仿真计算的曲线工况下其各项动力学指标均在限值之内;②轮轨动态相互作用和车辆运行安全性随着速度的增加基本都呈现先减小后增大的趋势,最小值基本都在车速325km/h左右出现;③重车轮轨动态相互作用以及倾覆系数均大于空车,而脱轨系数则是空车大于重车;④车体垂向加速度以及垂向平稳性指标随车辆运行速度变化较小,横向加速度随车速增大而增大,横向平稳性指标则有先增大后减小再增大的趋势,垂向或横向平稳性指标都为优。     

横风条件下高速列车不同速度下空气动力性能数值仿真

采用流体力学数值计算软件FLUENT对我国某新型动车组横风条件下的空气动力学性能进行了数值仿真.研究了不同横风风速下,明线上高速列车在不同速度运行时的空气动力性能.根据计算得到的数据,分析了不同横风速度和车速时相应的车体纵、横向气动力变化的规律及成因,得到了相应的结论,为今后列车在横风作用下的运行安全性提供一定的依据.     

横风环境下明线运行列车气动特性分析

为研究在横风环境下列车的气动特性,以3辆编组列车作为研究对象,首先结合风洞试验验证Fluent软件数值模拟的可行性,其次对车速为300 km/h下五种横风速度工况进行数值模拟研究。分析结果表明：在车速一定时,随着横风速度的增大,头车受到的侧向力上升且其值最大;中间车侧向力和阻力均有所上升,升力先增大后减小;尾车的侧向力和阻力始终上升,升力先升后降;同时在列车背风侧则会有漩涡不断生成、脱离、融合。     

高速列车车轮多边形磨耗对轮轨力和转向架振动行为的影响

列车车轮多边形磨耗会显著加大轮轨相互作用力和转向架关键部件振动幅度,恶化车辆系统和轨道部件的工作环境,严重时将会威胁到行车安全。基于三维车辆-轨道耦合动力学模型,用谐波叠加法模拟车轮多边形磨耗,作为车辆轨道耦合动态行为分析时的激励输入,计算车轮多边形磨耗阶次、车辆运行速度和运行里程对轮轨力的影响,并分析车轮多边形磨耗与轮轨力之间的相位关系;建立转向架系统高频振动全有限元模型,以时域轮轨力作为模型输入,分析车轮多边形磨耗参数对转向架轴箱、构架振动响应的影响。计算结果显示,随着列车运行速度、车轮多边形磨耗幅值和阶数的提高,轮轨垂向作用力波动范围和转向架振动响应均会显著增大。所得的结果可为高速列车车轮多边形形成的机理和抑制措施的进一步研究提供参考和指导。     

基于SIMPACK仿真的某型高速动车组运行平稳性分析

基于多体动力学理论及某型动车组的拓扑结构关系,利用SIMPACK建立了17体、50自由度的某型动车组单节车模型,仿真分析了一系垂向减振器阻尼、二系垂向减振器阻尼和抗蛇行减振器失效对其运行平稳性的影响。研究结果表明,随着一系垂向减振器阻尼的增大,其垂向平稳性逐渐变好,达到最优值后再逐渐变差,即优化一系垂向阻尼可以改善运行平稳性;随着二系垂向减振器阻尼的增大,其垂向平稳性变差,二系垂向阻尼显著影响运行平稳性。为了使单节车运行舒适性指标达到2级,在3个抗蛇行减振器失效工况下动车组可以在200km/h速度范围内平稳运行,在2个抗蛇行减振器失效工况下动车组可以在250 km/h速度范围内平稳运行。     

基于Simpack的车辆侧风安全性仿真计算方法

考虑车辆在侧风条件下运行时所受到的侧向力、升力、侧滚力矩、点头力矩、摇头力矩五种侧风载荷,并基于多体动力学仿真计算软件Simpack,介绍了考虑侧风作用的车辆动力学仿真计算方法。通过此方法,分析了侧风载荷随着环境风速和车辆运行速度变化而变化的规律,以及某动车组车辆在侧风工况下通过曲线线路时的安全性指标的变化规律。     

车轮多边形对高速动车组动力学性能影响

随着动车组运行速度的不断提高,车轮在运行过程中的磨耗加剧,在增加维修成本的同时,恶化了列车的服役环境,严重时将会威胁行车安全。针对车轮运行磨耗引起的多边形问题,以某型线上服役高速动车组为研究对象,采用Simpack建立其动力学模型,分析车轮多边形(阶数为1～11,波深为0.1 mm～0.5 mm)对高速轮轨系统垂向振动响应的影响。为了直观观察相关变化规律,引入决定系数,对其变化规律进行曲线拟合。结果表明,车轮多边形波深的取值大小对垂向振动响应的影响更为显著,所得拟合曲线的变化规律为高速动车组的检测维修以及安全评估提供参考。     

高速列车车头形状对横风气动效应的影响

列车在高速运行时,如果受到强横风作用,空气动力学性能显著改变。为探讨高速列车车头形状对横风气动效应的影响,基于Navier-Stokes方程和标准k-ε两方程模型,采用有限体积法,计算了CRH2、CRH3、CRH380A和德国ICE型高速列车在不同列车运行速度、不同横风速度25种工况下的侧向力、侧翻力矩及其系数。计算结果表明CRH3型高速列车横风气动特性最优,CRH380A型高速列车其次,两者气动特性相差不大,要优于CRH2和ICE型高速列车,并且受电弓两侧加侧挡板会使安装的那节车厢的侧向力和侧翻力矩大幅增加,并会给后面车厢的横风气动效应带来不利影响。     

[表面强化及损伤机理]高速铁路钢轨打磨偏差对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路存在的两种典型的钢轨打磨偏差,建立了我国某型动车组车辆多体动力学模型,仿真分析了轨肩过度打磨和轨头过度打磨对轮轨接触匹配关系、车辆稳定性及车辆运行品质的影响。结果表明：当轨肩过度打磨时,轮轨接触点位置会偏向于踏面外端和轨头部分,导致等效锥度变小,容易诱发一次蛇行（即“晃车”）现象,在一次蛇行对应的速度区间,车辆横向加速度增大,平稳性更差;而当轨头过度打磨时,轮轨接触点位置会集中在踏面喉根圆部分和轨肩部分,引起等效锥度异常增大,引发车辆二次蛇行失稳,容易触发动车组构架横向加速度“报警”。因此,为了提高动车组稳定性,改善运营品质,在钢轨打磨过程中,应该严格控制打磨精度,以标准廓形为目标廓形。     

动车组轴箱轴承基于实测载荷的寿命预测方法*

针对动车组轴箱轴承所受载荷的复杂随机性,在轴箱弹簧和转臂载荷测试技术基础上,对某型动车组动力转向架轴箱进行线路实测,获取典型线路段弹簧和转臂的载荷时间历程以及列车运行速度信息,以ISO 281：2007标准方法为基础,研究结合损伤的轴承寿命预测方法。同时也分析动车组轴箱轴承复杂的受载特性,给出将所测弹簧和转臂载荷近似转化为轴承的径向和轴向载荷的方法;计算轴箱轴承在实际运行的复杂载荷下不同可靠度的预测寿命,并与传统ISO标准方法计算结果进行对比,结果表明该预测方法相对保守,偏于安全;另外,计算低速进出库路段轴承疲劳寿命,其寿命比正常高速运行小很多,从损伤角度来看,动车组轴箱轴承低速进出库比正线高速运行的每公里损伤值更大;结合不同工况百分占比,给出轴承预测寿命,结果表明该寿命预测方法合理,可用于指导高铁轴箱轴承设计以及相关理论研究。     

改进的小生境遗传算法在铁道车辆优化设计中的应用

选取合适的优化方法对铁道车辆转向架悬挂参数进行优化,能有效提高车辆的动力学性能。遗传算法是一种多参数多目标优化方法,提出了采用改进的小生境遗传算法,以某铁道车辆转向架悬挂参数为设计变量,针对车辆的稳定性进行了优化设计。结果显示,通过改进的遗传算法优化出的悬挂参数能有效提高车辆的稳定性,优化后车辆的临界速度到达了600 km/h,而通过基本遗传算法和单目标优化方法得到的临界速度分别仅为500 km/h和520 km/h。研究表明,改进的小生境遗传算法能很好的实现悬挂参数间的合理匹配,优化出良好的动力学性能。     

构架结构振动与动态应力仿真研究

首先利用有限单元法,建立了详细的构架有限元模型并求解其各阶振动模态,在此基础上建立了完整的刚—弹性体车辆系统动力学模型;通过动力学模拟计算得到了构架在车辆曲线通过和随机激扰下的结构振动响应;最后,将构架的动力学计算结果返回到有限元中,得到了构架的动态应力时间历程与分布特性。该种研究方式不仅完成了多体系统动力学研究中刚体与弹性体的有机结合,而且为转向架在结构设计阶段通过模拟计算就可获得车辆运行过程中构架的动态应力分布,为评估其疲劳寿命奠定了基础。该仿真技术同样实用于其他相关研究领域,如航空航天、工程机械和公路车辆等。     

变轨距高速列车的动力学

高速列车通过改变轮对的内侧距实现在不同轨距线路上联运,而轮轴装配间隙及轨距、轨底坡、钢轨廓形等参数变化将引起轮轨接触关系改变,进而引起车辆动力学性能变化。分析我国两种高速踏面在准轨和宽轨线路上的轮轨接触关系发现,轨底坡由1/40变为1/20时,LMA踏面等效锥度降低约30%,LMB10踏面可兼容两种轨底坡,磨耗后的踏面对轨底坡变化更敏感。理论公式推导表明准轨和宽轨线路上自由轮对、刚性和柔性定位转向架的蛇行频率相同,但含轮轴间隙的变轨距高速列车动力学模型仿真表明,间隙导致宽轨线路上的车辆稳定性略差,间隙达到0.6mm时发生低速小幅蛇行;间隙对车辆运行安全性和平稳性影响仅9%。因宽轨线路的欠超高量大和车辆稳定性差,其运行安全性和横向平稳性比准轨差15%和38%。间隙横向力与轮轨横向力幅值相同但反向,造成轮对内侧距动态变化;左右侧旋转间隙扭矩的幅值相同但反向,在纵向蠕滑力作用下间隙压死-分离状态反复。研究成果有助于掌握变轨距转向架的轮对内侧距动态变化、间隙载荷和车辆动力学性能。     

新型独立转向架的研制及其在改善轮轨关系方面的应用

从轮轨接触的形式、轮轨磨损成因及降低轮轨磨耗的对策分析出发,通过对独立旋转车轮工矿车辆转向架的研制和运行验证后,对该转向架的优点做了总结,结果表明该转向架在降低轮轨磨耗、提高曲线通过能力、提高适应线路扭曲的能力、改善车辆运行品质等方面均有明显效果,这对铁路干线车辆转向架具有借鉴意义。     

基于组合优化策略的动车组悬挂参数优化设计

为快速获得改善车辆横向平稳性的最优悬挂参数,提出基于自适应模拟退火算法和非线性序列二次规划算法的组合优化策略对动车组悬挂参数进行优化设计。建立动车组动力学模型,利用最优拉丁超立方抽样方法选取对横向平稳性影响较大的悬挂参数作为设计变量;以横向平稳性为目标函数构建Kriging代理模型,并利用可决系数检验代理模型精度;采用自适应模拟退火算法对代理模型进行全局范围内初步寻优,在初步最优解的基础上采用非线性序列二次规划算法进行局部空间精确求解。研究结果表明,基于Kriging代理模型和组合优化策略的优化效率明显提高,车辆横向平稳性得到显著改善,并且优化前后运行稳定性均满足要求。     

Optimization of high speed EMU suspension parameters for vibration reduction

Various designs of high speed EMU (electric multiple units) operating at maximum speed of 400 km/h or above are under active development in many countries. Driving at such extreme high speed, the EMUs that are equipped with multiple power units and non articulated bogies normally experience severe level of vibration. Noting one of the primary design issues of the vertical EMU vibration, the present work tries an optimization of vehicle suspension system using ten degree of freedom analytical EMU model. The objective function for the work is consisted of the rail power spectral density (PSD), transfer function of car body, and frequency dependent weighting function which may represent human riding comfort. The transfer function is formulated using an autocorrelation of the model in frequency domain. For the enhanced reliability of the optimization work, both the US FRA (Federal Railway Administration) rail PSD and the actual rail PSD acquired from Kyeong-bu high speed rail in Korea on which the particular EMU will be driven are used. The well proven BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) method is adopted for the optimization. The optimized design is verified using a commercial dynamic system simulation code at various operating conditions.     

Simulation of travelling performance and experimental research on heavy double crawlers on a soft ground

This study analyzes resistances to sinking, steering bulldozer, steering friction, running, climbing, inertia, and wind and considered the offsetting effects of instantaneous center of speed and center of mass based on the sinkage method proposed by Bekker. The purpose of the analysis is to show the calculation method for the driving power of crawlers under different working conditions. The influence of several performance factors were analyzed to calculate the steering performance of a dumping machine with heavy double crawler. The performance factors include steering radius, offset mass, width-to-length ratio, crawler width wider than the interior and lateral, caterpillar gauge in crawler drive, drive power, and steering torque friction. These factors are involved in driving wheels at a crawler speed of 3.33 RPM. The law of operation for heavy crawlers under different working conditions is obtained by performing a real vehicle test. The results of this test are compared with the theoretical calculations to verify correctness. Such a test provides important theoretical basis for theoretical modeling and for analyzing the performance of large crawlers running on soft ground.     

拖车转向架气动噪声数值研究

拖车转向架作为高速列车最主要的气动噪声声源,由于其结构复杂、细小部件多、周围涡流分布紊乱等,对拖车转向架的气动力和气动噪声认识甚少。采用定常RNG k-ε湍流模型与宽频带噪声源模型对拖车转向架的气动阻力、气动升力和气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常大涡模拟与Lighthill声学比拟理论对其进行远场气动噪声分析。计算结果表明:较大漩涡存在于空气弹簧与抗蛇形减振器之间、迎风侧轴箱与构架侧梁外侧的邻近区域;气动阻力、气动升力与运行速度的平方成正比关系,占总气动阻力最大的部件依次为构架(24.02%)、轮对(19.30%)、枕梁(18.08%)、制动闸片、抗侧滚扭杆、制动盘、构架支架和空气弹簧,枕梁的气动升力最大且占总气动升力的157.88%左右;轮对、构架、制动闸片、制动盘、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等凸起部位的迎风侧表面为拖车转向架的气动噪声源,且构架对拖车转向架总噪声的贡献量最多,其次为轮对,然后为盘形制动装置和枕梁,抗侧滚扭杆、垂向减振器、空气弹簧和横向减振器对总噪声的贡献量较少。拖车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有噪声指向性、衰减性和幅值特性等,主要能量集中在28~56 k Hz频率范围内,中心频率为50 Hz、100 Hz、160 Hz在低频部分能量较大且分布规律不随运行速度的改变而变化。