列车-曲线桥梁系统耦合振动分析

为进一步研究列车-曲线桥梁系统耦合振动特性,基于车辆-桥梁/轨道系统动力相互作用分析理论,采用模态叠加法建立列车-曲线桥梁系统的空间耦合振动方程.沿轨道中心线建立移动坐标系,借助坐标转换,确定列车通过曲线桥梁时的几何位置关系; 考虑列车曲线运动特点,基于赫兹弹性接触理论和卡尔克(Kalker)蠕滑理论,解决列车曲线运动时的轮轨接触耦合关系,并对广义力向量进行修正; 采用龙格库塔积分法求解列车-曲线桥梁的动力响应.依据以上理论,研究了曲率半径、曲线超高以及车速对列车-曲线桥梁耦合振动响应的影响规律.分析结果表明:桥梁和列车的振动响应随车速的增大而增大,随着曲线半径的增大而减小.桥梁的振动响应不随曲线超高的增大而变化,列车的振动响应在平衡超高和过超高时较小.     

沙尘暴环境下的高速列车运行安全分析

基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学提出了一种计算沙尘暴环境下高速列车运行安全的半耦合求解方法。首先,利用流固耦合联合仿真方法计算横风下高速列车的平衡状态;然后,获取沙尘暴作用下的平衡状态;最后,计算气动力作用下的车辆-轨道耦合动力学响应。这种方法兼顾了计算效率和流固耦合效应2个方面。基于此方法研究了不同沙尘暴环境下高速列车的动力学性能,结果表明:列车安全性指标均随着车速的增大而变差,随着沙尘暴强度的增大而变差;轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率出现了超过规定限值的现象,而轮轨垂向力相对较难超标。     

轨道科研试验线的轮轨力、脱轨系数及减载率研究

为了对同济大学轨道交通科研试验线进行脱轨安全性评定,采用测力钢轨法测试轨道交通科研试验线列车通过时的轮轨力,包括轮轨垂直力及横向力,由轮轨力计算脱轨系数及轮重减载率。结果表明,列车以速度20、30及40 km/h驶过时,南侧钢轨的轮轨垂直力平均值在54.91~56.14 k N范围内,北侧钢轨的轮轨垂直力平均值在72.91~76.62 k N范围内;南侧钢轨的轮轨横向力平均值在5.77~7.86 k N范围内,北侧钢轨的轮轨横向力平均值在6.48~7.11 k N范围内;脱轨系数分别为0.096、0.104及0.113,轮重减载率分别为0.141、0.152及0.154,脱轨系数及轮重减载率都远小于限界值,都具有很大的安全余量,轨道交通科研试验线在脱轨安全性评定方面完全符合要求。     

高速铁路随机振动轨道动力响应的概率分析

视车辆、轨道为一个系统,利用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的"对号入座"法则建立该系统的竖向振动方程,考虑轨道随机不平顺,得到列车5种运行速度下轨道的随机动力响应.列车每种速度下每次得到的轨道动力响应最大值视为随机变量的一次观察值.计算结果表明:列车每种速度下钢轨和轨道板的位移最大值、加速度最大值、车轮加速度最大值以及轮轨力最大值等随机变量均服从正态分布;随着列车运行速度增加,轮轨力最大值随机变量的均值和轨道动力响应最大值随机变量的均值亦增加.     

轨道刚度不平顺对高速车-轨-桥系统振动的影响

轨道刚度不平顺从轨面上难以区分,当列车通过时则会产生巨大的轮轨冲击或轨道变形,严重影响系统的安全平稳运营。针对该问题,首先解析推导了轨道刚度不平顺的数学表达式,并基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论建立了高速列车-板式轨道-轨桥耦合动力学模型;在此基础上从时域和频域角度研究了常规型轨道刚度不平顺对系统的影响;并以扣件失效为例,研究了缺陷型轨道刚度不平顺对系统动态特性的影响规律。结果表明:轨道刚度不平顺对系统振动有明显影响;轮轨力、轮对加速度及构架沉浮加速度等列车振动响应明显,表现出扣件间距及轨道板长度的周期性影响;在所考察的指标中,构架点头加速度对轨道刚度不平顺最为敏感;当考虑结构弹性后,轨道板边缘位置处的振动较板中位置处的振动大,两位置处钢轨加速度幅值比为1.17,而轨道板的加速度比值则达到了2.2;常规型轨道刚度不平顺主要引起结构周期振动,可能导致系统共振,加速结构损伤;缺陷型轨道刚度不平顺会造成轮轨冲击,严重时导致轮轨垂向力和轮重减载率超标,威胁行车安全;列车在250~350 km/h之间速度运行时,失效扣件的数量最多为1个。     

气隙调衡式混合励磁直线同步电机特性

针对直线电机无绳提升系统中因气隙不均匀引起的轮轨间振动、噪声和磨损等问题,设计新型的混合励磁直线电机. 通过改变次级励磁电流来调节双边气隙磁场和法向电磁力,进而调节双边气隙平衡,有效地降低轮轨间压力. 介绍新型电机的拓扑结构及气隙磁场调节原理,分析主要结构参数对电机性能的影响,确定样机的基本参数. 研究不同负载工况下次级励磁电流对法向电磁力的调节特性,分析次级励磁电流对直线电机空载反电势和电磁推力的影响. 研究结果表明,次级直流励磁电流对电机法向电磁力具有良好的调节能力,对电机推力输出基本没有影响. 在相同的负载工况下,法向电磁力随次级直流励磁电流基本呈线性变化. 当电机负载增大时,直流励磁电流对法向电磁力的调节能力略有降低. 实验结果与有限元分析结果基本吻合,验证了本文理论分析的正确性.     

高速列车车轮多边形化对车辆动力学性能的影响

采用车轮圆周轮廓法建立比传统等效轨道激扰法更准确的车轮多边形化模型,假设车轮型面不发生变化,车轮半径沿圆周方向发生改变.只考虑车轮周期性多边形不圆顺,且同一轮对上的2个多边形车轮不存在幅值和相位的差异,建立车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算高速运营状态下周期性多边形的车轮振动响应、轮轨垂向力等动力学指标.结果表明:车轮多边形化会使车体振动响应增大,影响乘坐舒适性;车轮多边形化还会引起较大的轮轨垂向力,甚至当不圆顺幅值为0.5mm时,会出现轮轨相互瞬时脱离的现象,且同等条件下幅值对车辆系统动力学性能的影响比谐波阶数更为显著;针对高速列车车轮多边形化的动态特征,提出轮轨垂向力来划定其安全区域.在京津实测线路上,得到不同车速下,1、2、3和4阶车轮多边形化的幅值限制值分别为1.0、0.4、0.4和0.3mm.     

武汉轻轨系统轨道结构随机振动研究

利用模态分析法,建立了车辆-轨道垂向耦合动力计算模型。在模型中,车辆为附有二系弹簧的整车模型,钢轨被离散为双层弹性基础上的欧拉梁。以随机振动理论为基础,分析了列车荷载作用下武汉轻轨系统轨道结构的垂向动力响应特征,得到了车辆、钢轨、轨枕、道床的响应功率谱密度函数以及轮轨之间的动作用力功率谱密度函数。结果表明,钢轨的垂向振动能量主要集中在高频段区域,由轨面垂向短波不平顺激发。     

反曲线铁路桥梁空间车桥耦合动力分析

借助ANSYS和UM分析软件,分别建立完整的桥梁和列车三维空间模型。分析了3种车辆在不同车速条件下通过连盐铁路反曲线桥梁时的车桥耦合振动情况。通过对桥梁的纵、横向位移,加速度以及车辆加速度,Sperling舒适性指标,脱轨系数,减载率等动力性指标计算结果的分析可以得到:在CRH2和准高速列车车速小于160 km/h、C70货车车速小于80 km/h的条件下,该反曲线铁路桥梁具有较大的纵、横向刚度,满足列车运行的安全性及舒适性要求。     

横风对高速动车组直线运行动力学性能的影响

通过建立高速动车组动力学仿真模型,分析了高速动车组在所受气动升力、侧力和倾覆力矩作用下的运行安全性.以某350 km/h动车组为原型,采用动拖动的编组方式,建立了列车动力学模型.动车转向架采用转臂式轴箱定位结构,二系悬挂由空气弹簧与横向减振器、抗蛇行减振器组成.研究常速横风及阵风对动车组各车的影响.仿真结果表明:横向风对脱轨系数、轮重减载率及轮轨横向力均有很大的影响,尤其是轮重减载率,在所计算的工况下,几乎所有的轮重减载率均超出了标准要求,因此在横向阵风的作用下,动车必须限速运行,否则会有脱轨的危险;另外,阵风对动车组的影响要大于常值侧风,并且横风对头车的影响比其他车辆要大很多.     

车辆脱轨问题的探讨

车辆脱轨条件和评定指标是衡量车辆安全运行的重要指标 .根据车辆运行状态 ,从单轮脱轨条件和评定指标、轮对脱轨条件和评定指标、由轮重减载引起脱轨的条件、脱轨系数与轮压减少率的关系等 4个方面对车辆的脱轨安全度进行了探讨 ,分析了影响车辆脱轨的因素 ,并指出车辆脱轨评定条件的适用情况 .结果表明 ,采用作用于轮对的侧向力H与作用于脱轨侧车轮的垂直力P1之比检算车辆的脱轨安全度较为合理     

钢轨维修对高速铁路轨道平顺性的影响分析

钢轨维修是高速铁路轨道结构修理的核心作业内容,其对线路平顺性的影响直接关系到维修作业计划的有效制定. 针对某300 km/h高速铁路无砟轨道钢轨维修前后的轨检数据,分析1~42 m和1~120 m波长区间高低及轨向不平顺的时域、频域以及与车辆振动加速度的相干函数,确定钢轨维修对轨道平顺性的影响. 结果表明:钢轨维修仅对1~120 m的轨向不平顺轨道质量指数（Track Quality Index, TQI）有显著改善作用,使其降低约0.7 mm;在轨道不平顺频域分布上,钢轨维修作业对于轨道不平顺波长的组成没有显著作用,仅对于波长3 m以下轨道不平顺有一定的改善作用;钢轨维修作业对改善列车垂向振动有一定的效果.     

Development of a vehicle–track interaction model to predict the vibratory benefits of rail grinding in the time domain

Imperfections in the wheel–rail contact are one of the main sources of generation of railway vibrations. Consequently, it is essential to take expensive corrective maintenance measures, the results of which may be unknown. In order to assess the effectiveness of these measures, this paper develops a vehicle–track interaction model in the time domain of a curved track with presence of rail corrugation on the inner rail. To characterize the behavior of the track, a numerical finite element model is developed using ANSYS software, while the behavior of the vehicle is characterized by a unidirectional model of two masses developed with VAMPIRE PRO software. The overloads obtained with the dynamic model are applied to the numerical model and then, the vibrational response of the track is obtained. Results are validated with real data and used to assess the effectiveness of rail grinding in the reduction of wheel–rail forces and the vibration generation phenomenon.

     

高速滑轨平顺度对撬轨动力响应的影响

为研究音速以上运行的高速滑轨平顺度对撬轨动力响应的影响规律和控制指标,采用车辆动力学、轨道动力学理论,建立了高速试验滑轨系统撬轨动力分析模型,对不同速度、不同激励条件下撬轨动力响应进行了分析计算,定量探讨了高速滑轨平顺度对撬轨系统的动力响应影响.结果表明,单轨滑撬在速度为700 m/s时峰值沉浮加速度高达5.1 m/s2.700 m/s时滑撬振动加速度约为100 m/s时的8倍多.为避免过大振动,高速滑轨不平顺幅值应控制在2 mm以内.     

高速铁路双块式无砟轨道车辆荷载动态传递特征

为研究车辆荷载在无砟轨道中的传递特征,建立车辆-双块式无砟轨道耦合动力学模型,对车辆荷载在无砟轨道主体结构内的动应力和振动加速度传递规律进行研究,并对行车速度、结构尺寸及层间接触状态等影响因素进行分析. 结果表明:车辆荷载的主承载区分布在道床板内,垂向动应力峰值在0.1 m深度之内衰减73%;车辆荷载的主振动区主要分布在道床板内并传递至支承层,垂向加速度峰值在0.1 m深度之内衰减89%;轨道结构动态受力及振动响应均随行车速度的增加而增大;适当减少轨道结构宽度,对其受力和振动特性影响较小. 无砟轨道结构层间插入隔离层,可减小轮轨动力响应及轨道结构动态受力,但结构层间垂向加速度明显增大,插入弹性层,可减小钢轨垂向加速度,但对轮轨动力响应、道床板和支承层动态受力及振动特性影响较小. 所得结论可为无砟轨道设计和优化提供理论参考.     

季节冻土区夏季轨道结构振动反应现场监测

为了研究季节冻土区在无冻土层时列车正常行驶引起的铁路轨道结构振动反应特征与衰减规律,针对哈尔滨-大庆铁路夏季振动反应进行了现场监测.合理定义振动反应加速度特征值,并结合加速度反应时程曲线对钢轨、轨枕、路基和场地振动反应特性取得定量认识,提出用负幂次函数等拟合路基振动反应衰减关系并给出拟合参数;获得列车行驶速度、车辆结构、重载等对钢轨、轨枕、路基的振动反应影响显著,无缝线路列车高速行驶过程中钢轨纵向振动不可忽视且值得深入研究等结论.