气动载荷作用下高速列车横向振动虚拟惯性阻尼半主动控制研究

高速列车在会车气动载荷作用下,车体横向振动加剧,传统的基于天棚阻尼原理的半主动控制对此横向振动控制效果并不理想。针对这一问题,利用系统动力学仿真分析软件UM,建立CRH某型高速列车三维模型,分析气动载荷作用下车体横向振动的特征;提出了用工程中的可控阻尼实现阻尼力与加速度成正比而方向相反的虚拟惯性阻尼控制算法,在轨道不平顺及气动载荷激励下对车体横向振动进行半主动控制。结果表明:虚拟惯性阻尼控制方法不仅能抑制轨道不平顺引起的横向振动,还能很好地衰减气动载荷带来的横向振动,提高列车横向平稳性;能对人体头部和内脏较敏感频率范围的横向振动也有较好抑制,提高旅客舒适性。     

弹性车轮地铁车辆过曲线性能分析

为研究弹性车轮地铁车辆曲线通过性能的影响,建立刚柔耦合地铁车辆系统动力学模型。以实验测得橡胶径向和轴向刚度,求得弹性模量,通过有限元模态分析,在软件UM中建立考虑弹性车轮为柔性和考虑标准车轮为柔性的刚柔耦合地铁车辆模型。研究弹性车轮柔性对地铁车辆动态曲线通过的安全性及平稳性,对比分析不同工况下考虑弹性车轮结构柔性的刚柔耦合地铁车辆模型和考虑标准车轮结构柔性的刚柔耦合地铁车辆模型动态曲线通过时的动力学响应。通过对脱轨系数、轮轴横向力、轮轨接触角、车体横向振动加速度、车体垂向振动加速度、垂向平稳性、横向平稳性和轴箱横向振动加速度对比分析,得出结论如下：弹性车轮地铁车辆模型的脱轨系数、轮轴横向力、轮轨接触角、轴箱横向振动加速度、车体垂向振动加速度和垂向平稳性较标准柔性车轮均有不同程度的降低。弹性车轮地铁车辆模型的轮重减载率、车体横向振动加速度和横向平稳性较标准柔性车轮均有不同程度的微幅上升。     

轨道交通减振扣件对列车稳定性影响对比测试

为研究GH-1轨道交通新型减振扣件对列车稳定性的影响,进行轨道行车稳定性试验,测试列车通过不同轨道减振扣件区时转向架及车厢的横向和垂向振动加速度,与现行国际规范及国家标准规定的列车运行安全性和平稳性指标进行对比,并比较分析列车在不同扣件区的振动加速度响应。结果表明,列车通过GH-1新型轨道减振扣件区时,列车安全性和平稳性能够满足标准规定的限值,且车体的横向和垂向振动响应以及转向架的横向振动响应相对于列车通过国内常用的DT系列某型号扣件区时更小,列车稳定性更好。该结果对GH-1轨道交通新型减振扣件的使用安全具有参考价值。     

城市轨道车辆车体横向振动的仿真

为了研究某城市轨道车辆在轨道不平顺激励下的车体横向振动响应,并对车体振动情况做出评价。先对城轨车辆模型进行了简化并建立计算模型;然后对轨道不平顺进行了描述并将轨道不平顺的空间域功率谱转换为时频域功率谱;再利用PROE软件建立了车体的三维模型,用动力学仿真软件SIMPACK建立轮轨模型与车辆仿真模型。将轨道不平顺作为激扰函数,输入到轨道车体振动系统仿真模型中,从而得出车体的横向振动响应,并对车体的横向振动特性做出评价。     

弹性车体垂向运行平稳性一系最优控制研究

采用基于轨道谱及包括轮轴间时延预瞄的最优控制算法,在一系悬挂中加入主动控制,设计其主动控制规律,从降低轨道至车体振动的传递入手,对铁道车辆弹性车体垂向动力学模型进行仿真分析。结果表明,该最优控制算法对车辆系统的振动有较好的抑制作用;可以改善轨道至弹性车体中部的振动加速度传递率,在控制车体刚体振动的同时,也能抑制整车的弹性振动;最优控制算法对车辆系统的1Hz左右的低频振动、以及包含人体垂向振动敏感频域(4Hz-8Hz)的4Hz~10Hz频率内的振动衰减明显,但对车体高频振动作用不大。并与二系主动悬挂系统比较,发现一系主动悬挂能更有效的控制车体的弹性振动,且抑制的频率范围较宽,车辆运行平稳性更佳,为今后弹性车体减振措施选择提供依据。     

车下设备悬挂参数与车体结构之间的匹配关系研究

本文通过建立等效欧拉梁车体与设备垂向耦合振动模型,研究了车下设备刚性悬挂与弹性悬挂对车体振动的影响。研究结果表明,车下设备采用弹性悬挂的设计方式能够有效抑制车体的弹性振动。为了研究车下设备弹性悬挂参数与车体结构之间的匹配关系,本文基于模态叠加法原理法建立了考虑车体弹性振动和车下设备的高速动车组刚柔耦合动力学模型。通过该三维模型分析了车下设备质量偏心和弹性悬挂参数对车体振动响应的影响规律。仿真结果表明,车下设备横向偏心主要影响车体的横向振动特性,而车下设备纵向偏心主要影响车体的垂向振动特性;当车下设备的悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时能够降低车体的整体振动水平,而当车下设备的悬挂频率低于车体的垂向弯曲频率时,提高车下设备弹性悬挂系统的阻尼能够一定程度上抑制车体的弹性振动。     

基于傅里叶幅值检验扩展法的轨道车辆垂向模型全局灵敏度分析

为筛选明显影响轨道车辆垂向振动特性的设计参数,简化车辆模型参数优化设计过程,采用傅里叶幅值灵敏度检验扩展法对典型轨道车辆垂向模型进行参数灵敏度分析。研究结果表明,二系悬挂与一系悬挂阻尼变化对车体沉浮运动影响较一系悬挂刚度大;调整车辆定距也会影响车体点头运动;模型设计参数间存在微弱的交互作用。所用该研究方法及结论对轨道车辆模型的振动特性研究及参数优化设计具有一定参考价值与工程意义。     

考虑车轨耦合作用的车体动力吸振器减振性能研究

以降低城市轨道交通车辆车体的垂向振动为目的,建立了包含动力吸振器的车辆和轨道垂向振动的耦合模型,获得了耦合模型的垂向振动特性,进一步明确了轨道系统对车体垂向振动特性的影响,讨论了载客量和车速的变化对动力吸振器减振性能的影响,重点研究了考虑轨道系统影响后动力吸振器的设计方法,提出了一种新颖的考虑车速变化以及速度区间运行概率的动力吸振器的减振性能评价指标(DVA减振指标)。结果表明:轨道系统使轨道车体振动的峰值频率发生微小的偏移,改变了轨道车辆振动系统的振动特性,使车体垂向振动加剧;在车轨耦合作用下,动力吸振器的设计要综合考虑动力吸振器质量和设计频率的匹配,设计频率的阈值决定了动力吸振器是否减振,最佳设计频率决定了动力吸振器能否获得较好的减振效果。该项工作对包含动力吸振器的轨道车辆振动性能评价和分析具有重要的参考价值。     

高速列车车下设备对车体垂向振动影响规律研究

车下设备因其质量较大,对车体的振动模态特性和车辆乘坐舒适性都有着重要影响。建立了9自由度的车体-设备刚柔耦合数学模型,获得了车体中部、构架上方三个参考点的加速度频率响应函数表达式,研究了车下设备对车辆垂向振动的影响规律。考虑了在几何滤波效应、设备的安装方式(刚性、弹性)、运行速度等因素作用下,车体的三个参考点在垂向弯曲频率下的振动加速度响应特性,最后讨论了设备的质量以及吊挂阻尼比对车体振动水平的影响。研究结果表明,设备弹性悬挂能有效降低车体振动水平,在速度低于150 km/h,几何滤波效应对车辆的振动影响较大,在此速度范围内设备悬挂参数设计应该充分考虑几何滤波效应的影响,合理的选择设备质量和阻尼比能有效控制车体的振动。     

高速列车作用下简支梁车桥耦合振动随机响应分析

以三跨简支梁为例,进行车桥系统空间非平稳随机分析。将系统在确定性荷载作用下得到的响应作为均值,采用虚拟激励法将轨道高低、方向和左右轨高差不平顺转化为一系列简谐荷载,将系统在虚拟荷载作用下的响应的自功率谱密度积分得到均方差,运用3 准则确定系统响应的最大、最小值,取其绝对值的较大值做为响应的代表值,讨论系统响应在不同车速下的变化趋势。研究表明：车体加速度、桥梁跨中横向响应和轮对受到横向轮轨力的随机性较大,轨道不平顺是其主要影响因素,桥梁跨中垂向响应及垂向轮轨力主要由确定性荷载引起。桥梁响应并不随车速的增加而单调增加,车体响应以及轮轨力随车速的增加而单调增加     

铁路卧铺客车人体振动舒适性建模与仿真

铁路卧铺客车乘客在卧姿状态下所承受的全身振动是影响其乘用舒适度的主要因素。研究了卧姿人体垂直振动模型,在铁道车辆二系悬挂动力学模型基础上,考虑卧铺的隔振作用与卧姿人体的垂直振动响应特性,建立了14自由度"人-铺-车辆"振动系统空间垂向耦合动力学模型,研究了在轨道随机不平顺激励下的卧姿人体垂直振动响应。应用卧姿人体全身振动舒适性评价标准,建立了铁路卧铺客车人体振动舒适性仿真流程。通过对人体头-臀二部位加速度均方根值先后进行部位计权和频率计权,得到卧铺客车卧姿人体振动舒适性指标。以M atlab为工具编制了卧铺客车人体振动舒适性仿真软件,交互输入车辆与人体的结构和动力学参数后,自动完成卧姿人体振动舒适性仿真计算,进而为铁路卧铺客车人体振动舒适性分析及车辆悬架参数优化提供了有效分析手段。     

基于天棚和地棚混合阻尼的高速车辆横向减振器半主动控制

在研究抑制高速轨道车辆横向振动时,传统天棚阻尼控制方法使车体的横向振动降低的同时,却增加了转向架和轮对的横向振动,这样就导致机车高速运行时脱轨的可能性变大,运行安全性降低。针对上述问题,在Adams/Rial中建立了轨道车辆单节拖车的整车模型,利用Matlab/Simulink工具,结合天棚阻尼控制和地棚阻尼控制特点,研究了混合阻尼控制对高速列车横向振动的抑制作用。结果表明,混合天棚阻尼控制综合考虑了高速车辆运行时的舒适性和安全性,使高速车辆具有更好的综合性能。     

列车垂向振动的半主动简谐隔振研究

依据拉格郎日方程,建立六自由度列车半主动隔振系统的垂向振动模型;应用MATLAB/SIMULINK仿真模块构造列车半主动隔振系统仿真模型,对列车进行时域分析。在轨道具有简谐输入的情况下对列车的隔振性能（如隔振位移、隔振传递率等）进行了计算分析,讨论了弹簧刚度、阻尼、车速、激励的波长等对隔振性能的影响。通过研究可得列车系统采用半主动开关阻尼器,确实能够改善系统的隔振性能。     

高速车辆横向减振器模糊天棚半主动控制研究

为了研究减少高速列车运行中车体横向振动,利用ADAMS/Rail与Matlab建立了联合仿真高速列车车辆动力学模型,并利用开关型天棚控制算法和连续型天棚控制算法对高速列车车辆横向减振器进行了半主动控制仿真研究.结果表明：开关型天棚控制算法简单实用,但控制效果逊于连续型天棚控制算法,还有可能发生颤振;连续型天棚控制算法控制效果好,但对系统的实时性和减振器结构的要求较高.针对这2种控制器的优缺点,同样基于上述模型,结合模糊理论和天棚速度阻尼控制,开发了一种新的控制方法,经研究表明,该控制方法具有很好的控制效果,并能弥补上述2种方法的不足.     

高速列车车下设备模态匹配研究

建立了整备状态车体有限元模型及包含车体弹性的高速列车车辆刚柔耦合动力学模型,分析了车下设备吊挂方式对车体整备状态模态参数的影响,提出车下设备隔振橡胶件参数设计方法,并研究了整备状态下车体与车下设备悬挂模态参数的匹配关系。结果表明,车下设备采用弹性吊挂时,车体整备状态下的模态频率显著提升;合理设置车下设备隔振悬挂参数可有效降低车体弹性振动,算例中,当橡胶件的静挠度设置为8~9 mm时,设备浮沉频率可与车体垂向一阶弯曲频率避开,侧滚频率可与车体菱形变形模态频率避开,有源设备高频振动减振效果理想,车辆可以获得优良的运行平稳性,同时车下设备自身振动亦不剧烈。     

成渝高速铁路某路堤段地面三向振动测试分析

为研究高速铁路路堤段地面振动的传播和衰减规律,选择成渝高速铁路某路堤段进行现场地面三向振动测试。在时域和频域内分析地面三向振动的时程特征和频谱特征,以及垂向振动、水平向振动随距离的传播特性。结果表明,在距离线路纵向中心线同一距离处,横向(Y)、纵向(X)振动加速度最大值及有效值均大于垂向(Z),随距离的增加,加速度最大值及有效值均呈衰减趋势;随着距离的增大,三向振动的频率带宽均越来越窄,远场垂向和纵向振动主频均基本集中在33.6 Hz左右,横向优势频率集中在9.6 Hz。计权后的垂向振级高于水平向振级,未计权的水平向振级均大于垂向振级,未计权三向加速度级和计权三向振级随距离的传播近似符合负指数规律。     

不平顺条件下高速铁路轨道振动的解析研究

为了分析不平顺条件下高速铁路轨道结构振动,推导了移动车辆在轮对处和轨道结构在轮轨接触点处的柔度矩阵,考虑移动轴荷载和轨道不平顺,建立了移动车辆-轨道垂向耦合振动的解析模型.模型中,移动车辆考虑为弹簧和阻尼器连接的多刚体系统;有碴轨道结构模拟为连续弹性3层梁;轮轨间考虑为线性赫兹接触.算例分析了单台TGV高速动车引起的有碴轨道结构振动,得到轨道不平顺引起的动态轮轨力和轨道各部分的最大振动加速度,研究了列车速度、轨道不平顺以及轨下垫板及扣件、道床和路基等轨下基础刚度对轨道振动的影响.计算表明:随着列车速度和轨道不平顺的增加,轨道结构的振动响应不断增大;轨下基础刚度对轨枕和道床的振动影响较大,对钢轨振动的影响较小.     

地震作用下车辆-轨道系统轮轨动态响应试验研究

为研究地震作用下高速铁路地震预警阈值,进行准静态全尺寸车辆-轨道模型振动台试验研究,对车辆轨道模型施加正弦地震波,试验结果显示《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中所规定的轮重减载率限值和脱轨系数限值可能偏于保守,且导致列车脱轨的原因是由于地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动,引起车轮发生水平向晃动,致使车辆发生侧向滚摆运动所造成的;接着对车辆轨道模型施加实测地震波,试验结果表明地震波频谱特性对列车运行安全有一定的影响;对车辆轨道模型同时施加水平向和垂向地震波,发现对车辆轨道系统动力响应影响较大的为水平向地震波,垂向地震波则对其影响较小;根据振动台试验模型建立与之对应的多刚体、多自由度三维车辆-轨道数值模型,研究当考虑轨道不平顺时,地震作用下不同车速对列车轮动动力响应的影响,通过数据分析表明,在一定范围内,地震作用下的列车脱轨与列车速度关系不大,为高速铁路地震预警阈值的研究提供了一定的理论依据。