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。     

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.     

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。     

科隆蛋扣件钢轨波磨演化对车轨系统的影响

通过多体动力学软件UM,建立了基于柔性轨道的车辆-轨道耦合动力学模型,并基于摩擦功理论的波磨叠加模型,研究减振型科隆蛋扣件轨道的钢轨波磨演化的频率特性及其对车轨系统垂向振动的影响.结果表明:不同速度下波磨的特征频率保持一致,体现了波磨的固定频率特性.在波磨演化过程中,随着速度的增加,在中高频段,车体垂向振动的差异影响逐...     

轨道激励频率对转向架摇枕动应力的影响

采用C80B型敞车弹性体整车模型,以轨道垂向不平顺作为轮轨激扰进行车辆动力学仿真计算,在获得摇枕动态载荷与轨道垂向不平顺激励频率的对应关系的基础上,计算分析了轨道垂向不平顺激励频率对摇枕动应力的影响。研究结果表明,9.25~16.67 m之间的轨道波长对摇枕关键部位最大动应力的影响比较大。     

铰接车与非铰接车车-桥耦合系统振动特性的对比分析

运用多体动力学软件UM软件直接建立和三维模型导入UM软件相结合的方式,分别建立了三节铰接车、非铰接车与简支箱梁桥的车-桥耦合系统动力学模型,对铰接车与非铰接车的车-桥耦合振动特性及铰接车有无纵向减振器时的车-桥耦合振动特性进行对比分析。结果表明,端部车的垂向振动强于中间车的垂向振动;铰接车中间车的舒适性一般好于非铰接车中间车;纵向减振器能有效抑制铰接车中间车车体的振动,对端部车体的振动抑制作用不太明显;车体间耦合作用的强弱对桥梁的垂向振动影响较小。     

考虑车轨垂向耦合福州地铁振源加速度研究

为了研究福州地铁振源系统加速度,进而可以直观准确地分析土层传播规律和衰减特性,笔者建立了车轨垂向耦合振动模型,应用了福州地铁列车和轨道参数,计算了在一定车速下,振源系统各部的垂向加速度,并分析了车速的影响。结果表明,车体振动反映了自身的自振频率;转向架、轮对、支承块和道床有一定的主频集中区,且轮对和支承块在高频区还分别存在一个高频赫兹接触运动引起的第二主频。振源系统的轨道扣件和块下橡胶垫具有较好的减振能力,随着车速的增加,垂向加速度逐渐增大,同时减振效果趋于稳定。     

高原机车悬挂方案对车辆振动特性的影响

针对青藏铁路冻土带路基下沉问题,为了实现高原机车转向架低动力作用,基于车辆多体系统动力学理论,建立了两种不同悬挂方案的高原机车动力学模型,研究了不同一、二系悬挂刚度比μ对车体、构架以及轮轨垂向振动的影响。发现一、二系悬挂刚度比在0.5~3范围内变化时,轮轨垂向力和构架垂向振动加速度增大了11.24%和12.2%,车体平稳性指标和垂向加速度分别减小了11.3%和15%,并分析了高原线路上两种悬挂方案机车动力学特性。计算结果表明,选择刚度较大的二系悬挂,虽然一定程度上恶化车体平稳性指标,但较小的一系刚度在中低速范围内,能够降低由轨道不平顺引起轮轨垂向冲击,显著抑制了对轨下部分损伤较大的低频振动,减小运行过程中机车对轨下部分的损害。     

人-车-桥耦合系统振动分析及乘客舒适度评价

基于8自由度人椅动力学模型和31自由度车辆模型建立人-车-桥耦合系统,车辆与轨道桥梁通过轮轨接触力及位移协调条件耦合,建立人-车-桥耦合振动方程,采用Newmark-β法对方程组进行求解。对国产300 km/h动力分散式列车的过桥行走过程进行分析,采用乘坐舒适度指标对人体振动舒适性进行评价,并讨论了轨道不平顺等级、车速、乘客数量以及乘客位置对人体舒适程度的影响。     

轮对扁疤对高速列车转向架振动特性的影响

为准确预测高速列车轮对擦伤对车辆性能的影响,基于车轨耦合动力学和非赫兹接触理论,对新旧两种轮对扁疤的几何外形进行数值描述,建立了考虑轮对扁疤的高速列车动力学模型,分析了轮对扁疤激扰对车辆走行部的影响。结果表明,旧扁疤对走行部冲击要大于新扁疤,随着扁疤尺寸的增大,走行部各部件受到的冲击载荷与振动加速度逐渐增大;随着速度增大,轮轨间垂向冲击先增大、后减少;当扁疤长度为10mm,速度为100km/h 时,轮轨垂向力达到最大值;随着速度增加,走行部簧下部件与簧上部件的振动特性差异不断加大。以轮轨垂向力为判断标准时,轮对扁疤尺寸应限制在30mm以内。     

山地地铁小半径曲线路段车辆/轨道参数对钢轨波磨的影响

针对山地地铁小半径曲线轨道钢轨波磨频发问题,根据现场调研建立车辆-轨道系统的动力学模型,探究车辆通过小半径曲线时轮轨间的接触特性。根据动力学分析结果建立半车车体-转向架-轨道系统的有限元模型,采用复特征值分析法研究半车车体-转向架-轨道系统摩擦自激振动特性,并研究车辆悬挂参数和轨道扣件参数对整体系统摩擦自激振动的影响规律。采用神经网络结合遗传算法对影响整体系统摩擦自激振动的关键参数进行多参数拟合,并求得车辆/轨道结构关键参数的优化解。结果表明：小半径曲线路段轮轨间的饱和蠕滑力导致半车车体-转向架-轨道系统的摩擦自激振动,从而引起钢轨波磨;车辆结构参数中一系悬挂横向刚度以及轨道结构参数中扣件垂向刚度、扣件横向刚度、扣件垂向阻尼对整个系统的摩擦自激振动具有明显影响。设置一系悬挂横向刚度为5.34 MN/m,扣件垂向刚度为25.45 MN/m,扣件横向刚度为6.9 MN/m,扣件垂向阻尼为6.06 kN·s/m时,能够有效抑制山地地铁小半径曲线轨道上钢轨波磨的产生。     

Investigation into the vibration of metro bogies induced by rail corrugation

The current research of rail corrugation mainly focuses on the mechanisms of its formation and development. Compared with the root causes and development mechanisms, the wheel–rail impacts, the fatigue failure of vehicle-track parts, and the loss of ride comfort due to rail corrugation should also be taken into account. However, the influences of rail corrugation on vehicle and track vibration, and failure of vehicle and track structural parts are barely discussed in the literature. This paper presents an experimental and numerical investigation of the structural vibration of metro bogies caused by rail corrugation. Extensive experiments are conducted to investigate the effects of short-pitch rail corrugation on the vibration accelerations of metro bogies. A dynamic model of a metro vehicle coupled with a concrete track is established to study the influence of rail corrugation on the structural vibration of metro bogies. The field test results indicate that the short-pitch rail corrugation generates strong vibrations on the axle-boxes and the bogie frames, therefore, accelerates the fatigue failure of the bogie components. The numerical results show that short-pitch rail corrugation may largely reduce the fatigue life of the coil spring, and improving the damping value of the primary vertical dampers is likely to reduce the strong vibration induced by short-pitch rail corrugation. This research systematically studies the effect of rail corrugation on the vibration of metro bogies and proposes some remedies for mitigating strong vibrations of metro bogies and reducing the incidence of failure in primary coil springs, which would be helpful in developing new metro bogies and track maintenance procedures.     

接触刚度对高速列车轮轨接触动力学时变特性的影响及其机制

以CRH3型高速列车头车与标准CHN60型轨道为研究对象,利用动力学软件RecurDyn建立车辆-轨道耦合动力学模型;采用弹簧阻尼模型定义轮轨接触关系,跟踪检测服役列车不同运行里程下的车轮粗糙度,根据相关文献的轮轨接触刚度计算结果,对高速轮轨滚动接触动力学性能进行研究,并取该头车的后转向架二位轮对处结果进行数据分析。计算结果表明:随着高速列车运行里程的增加,车轮表面粗糙度减小,使得轮轨接触刚度增大;轮轨横向力随着运行里程的增加先减小后增大,其频率主要分布在10 Hz以下的低频段;轮轨垂向力随着运行里程的增加而增加,并在5、10、28 Hz附近有比较明显的主频率段;轮轨纵向力主要由切向蠕滑力的纵向分量构成,与轮轨垂向力在时域分布和频域分布上均非常相似。     

轮轴弯曲刚度对轮轨垂向动态载荷影响分析

以国内某型地铁车辆为例,研究轮轴弯曲刚度对轮轨垂向动态载荷和轮对垂向振动的影响。在常规多刚体动力学模型的基础上,结合BM3000轮对和北京地铁轮对两种不同的弹性轮对模型,对比分别采用刚性轮对模型和弹性轮对模型时的轮对垂向振动加速度和轮轨垂向力。结果表明,对BM3000弹性轮对模型来说,由于其弯曲刚度相对较小,随着运行速度的增大,轮对垂向振动加速度和轮轨力与刚性轮对的差距不断加大,而对于轮轴弯曲刚度较大的北京地铁轮对来说,其弹性轮对模型和刚性轮对模型的结果比较接近,在计算的速度下轮对的振动峰值及频率均有明显的降低。因而,通过加大轮轴弯曲刚度可明显改善轮对的垂向振动和轮轨垂向力,实现改善轮轨动态接触状态的目的。     

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。     

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0～150Hz范围内,大于300Hz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300km/h时,钢轨垂向加速度功率谱密度小于100Hz的峰值频率主要与钢轨固有模态有关,大于100Hz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。     

An investigation into the effect of train curving on wear and contact stresses of wheel and rail

Some important papers concerning the studies on rail wear and wheel/rail contact stresses are briefly reviewed. The present paper utilizes a numerical method to analyze the effect of railway vehicle curving on the wear and contact stresses of wheel/rail. The numerical method considers a combination of Kalker's non-Hertzian rolling contact theory, a material wear model and a vertical and lateral coupling dynamics model of the vehicle/track. In the analysis, the important factors influencing on the wear and the contact stresses are, respectively, the curving speed, the curved track super-elevation and the rail cant. Compared to the present model, some concerned models and results in the published papers are in detail discussed. Through the detailed numerical analysis, it is found that the difference between the normal loads of the left and right of the wheelset increases linearly with increasing the vehicle curving speed. The material wear volume per length along the rail running surface has a tendency to grow. However, the variation of the maximum normal contact stress has a large fluctuation as the curving speed increases. The increase of the maximum contact stress depends greatly on not only the normal load but also the profiles of the wheel/rail. Increasing the track super elevation efficiently lowers the normal load difference of the left and right of the front wheelset, and the contact stresses and the wear. The rail cant has a great influence on the low rail wear of the curve track. An increase in rail cant results in a great increase in the low rail wear of the curved track, and a decrease in the outside rail wear. These conclusions are very useful in the maintenance of the track.     

单轨车辆耦合动力学模型与振动响应特性

为了研究单轨车辆在设计车速范围内的振动响应特性,进而评价单轨车辆运行平稳性与舒适性能,分析了单轨车辆走行轮、导向轮、稳定轮和转向架中央牵引装置及车体间的拓扑关系,利用Hamilton方程构建了包含走行轮与轨道梁顶部,导向轮、稳定轮与轨道梁侧部等三向轮轨接触对的单轨车辆空间耦合系统动力学模型,并对单轨的PC轨道梁走行面及轨道梁左、右两侧部轨面的不平度进行了数值模拟。基于空间耦合动力学模型,以轨道不平度为激励源,设定车辆以某一恒定速度在直线轨道上运行,获取了单轨车辆的振动响应特性,并与实车测试结果对比分析,验证了单轨空间耦合动力学模型的正确性。在此基础之上,获取了单轨车辆不同设计车速下的振动响应特性,对单轨车辆的运行平稳性和舒适性进行了评价。结果表明,单轨车辆的舒适性能优良,运行平稳性能处于优秀等级。     

Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of rail corrugation

The effect of a scratch formed on the running surface of a curved rail, due to the slide of a locomotive wheel, on the formation and evolution of rail corrugation is investigated in detail with numerical methods when a wheelset is steadily and repeatedly curving. In the calculation we consider a combination of Kalker’s rolling contact theory with non-Hertzian to be modified, a linear frictional work model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. Also the influence of different speeds of wheelset curving through the scratch on the development of the corrugation is taken into account. The numerical results indicate that a scratch causes strong contact vibration between the wheel and rail, and initiation and development of rail corrugation under the condition of steady creepage occurring between the wheel and curved rail. The wave-length of the corrugation depends on the speed of wheelset curving and the natural frequencies of the track.