车辆轨道系统的P2共振频率研究

将车辆轨道系统的P2共振转化为车辆簧下质量和轨道耦合系统的固有频率问题,讨论了其振型函数和频率特征方程。利用频率特征方程,分别分析了简支端欧拉梁钢轨模型长度、车辆簧下质量、轨道结构质量、轮轨接触刚度、钢轨弯曲刚度、钢轨支撑刚度以及车速对系统固有频率的影响,尤其对P2共振频率的影响做了仔细分析。通过分析可知,当轨道长度高于25 m时,轨道模型的简支边界效应对系统的第1、2阶振动固有频率的影响可忽略不计;轮轨线性化接触刚度的增大可使P2共振频率(第一阶共振频率)略有提高,但对第2阶固有频率无影响;轨道质量和车辆簧下质量对车辆轨道系统的P2共振频率有显著影响,P2共振频率显著低于轨道系统自身的固有振动频率;当不考虑轨道结构质量影响时,车辆轨道系统P2共振呈现单自由度振系特征。随着轨道刚度的增大,P2共振频率显著提高,轨道参振质量和钢轨抗弯刚度对P2共振频率略有影响,车辆行驶速度对P2共振频率影响较小。对于实际轨道结构,提出了通过轨道自振特性反推钢轨基础弹性系数和P2共振频率的计算方法,并进行了试验验证。     

扣件支撑长度对车轮-轨道耦合振动的影响

根据轨道结构的链式特征,提出考虑扣件支撑长度的车轮-轨道系统振动的传递矩阵分析方法。对轨道系统的垂向固有振动特性、簧下质量作用时的轮轨垂向振动特性及扣件支撑长度的影响机理进行了分析,结果表明,轨道系统的第1、2固有振动模态分别为钢轨和轨枕的同相和反相共振,其频响特征由钢轨抗弯刚度和分布质量、轨枕质量及扣件和道床的刚度和阻尼决定,不受扣件支撑长度的影响。扣件支撑长度对钢轨pinned-pinned共振和反共振影响显著,随着扣件支撑长度的增加,钢轨的pinned-pinned共振和反共振效应逐渐削弱。簧下质量作用时,轮轨系统的振动主要以P2共振的形式出现,其频率明显低于轨道系统的第1固有频率,轨道系统的振动在pinned-pinned共振区受扣件支撑长度的影响显著。轮轨冲击响应分析表明,轮轨撞击过程中体现了明显的P2共振特征,在撞击初始阶段存在高频P1力波动,显著的轮轨冲击会引起以P2共振频率为基频的高频振动。扣件支撑长度的增加可显著降低pinned-pinned共振区轮轨加速度,但对车轮和轨枕的位移影响不显著。     

地铁线路先锋扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响

基于轮轨摩擦自激振动诱发钢轨波磨的观点,研究地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响。根据现场调研建立车辆-轨道的多体动力学模型,验证列车通过地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道时轮轨间的蠕滑力饱和情况;基于动力学模型建立相应的导向轮对-钢轨有限元模型,利用复特征值法分析轮轨系统的摩擦自激振动特性。预测得到的轮轨系统不稳定振动频率与诱导钢轨波磨的振动频率相符,验证了建立的导向轮对-钢轨有限元模型的正确性。利用控制变量法研究扣件结构参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律,发现轮轨摩擦自激振动发生的可能性随着扣件垂向刚度的增大而轻微增加,随着垂向阻尼的增大而明显降低;随着扣件横向刚度和横向阻尼的增大,轮轨摩擦自激振动发生的可能性降低。因此,增大先锋扣件垂向阻尼、横向刚度和横向阻尼,有助于抑制地铁线路先锋扣件支撑曲线轨道的波磨。     

山地地铁浮置板轨道支撑结构钢轨波磨机制研究

基于轮轨系统摩擦自激振动的观点,研究山地地铁线路长大坡道圆曲线段处出现的典型钢轨波磨现象。利用SIMPACK建立山地地铁车辆-轨道动力学模型,验证了列车通过长大坡道圆曲线段外侧轮轨间的蠕滑力处于饱和状态;建立相应区段上由导向轮对-钢轨-道床所组成的轮轨系统有限元模型,采用复特征值分析法从频域角度研究轮轨系统的稳定性;采用控制变量法研究浮置板结构中隔振器的垂向刚度和垂向阻尼、扣件的垂向刚度和垂向阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。结果表明：在长大坡道圆曲线段上,外侧轮轨间饱和蠕滑力引起的轮轨摩擦自激振动是导致该区段外轨处钢轨波磨产生的主要原因,诱导频率为459.63 Hz。参数化分析表明,轮轨系统摩擦自激振动随隔振器的垂向阻尼和垂向刚度的增大呈增大趋势,随扣件的垂向阻尼的增大呈降低趋势,而随扣件垂向刚度的增加呈先减小后增大的趋势;当扣件的垂向支撑刚度为40 MN/m时,钢轨波磨最不容易发生。     

地铁钢轨短波长波磨形成原因分析

国内某地铁线路运营后曲线轨道出现了短波长钢轨波磨现象,通过力锤敲击法对不同扣件轨道动态特性进行了测试。利用ABAQUS建立了轮轨三维实体有限元模型,分析了轮轨耦合模态特性以及白噪声激励时轨道频响特性。结合试验和仿真结果,分析了轮轨结构动态特性与短波长钢轨波磨之间的相关性。研究结果表明：普通扣件和减振扣件轨道钢轨波磨主波长分别为30~63 mm和40~50 mm;白噪声激励下,两种轨道分别在450~920 Hz和570~720 Hz范围内的敏感共振频率与列车通过钢轨波磨频率(454~954 Hz和572~715 Hz)相吻合;线路轨道短波长波磨的产生主要与轨道结构高频固有特性相关,轨道短波长波磨通过频率与轮轨耦合模态频率相近,其模态振型表现为轮对弯曲扭转的同时,伴随钢轨相对轨道板的垂向弯曲振动,轮轨耦合高频模态特征加剧短波长波磨的发展。     

机电集成电磁蜗杆传动系统参数振动响应

针对机电集成电磁蜗杆传动系统中啮合磁极数的周期性变化规律,推导了电磁啮合刚度傅里叶级数形式的表达式,建立了该机电耦合系统参数振动模型及其相应的线性时变微分方程。采用多尺度法推导了该系统自由振动近似解析解,给出了系统包含固有频率及固有频率与啮合频率的组合频率成分的自由振动、主共振、组合共振时域及频域响应曲线。结果表明：系统发生组合共振时的主导频率为系统的固有频率,系统的组合共振振幅随谐波次数增大而递减。     

[轮轨磨耗及预测]地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究

基于车辆轨道耦合动力学模型和钢轨材料摩擦磨损计算模型,分析了不同轨道结构参数和车辆运营速度对地铁直线轨道钢轨波磨发生和发展的影响。结果发现,对于不同的变量参数,轮轨接触斑内摩擦功率随时间的变化都具有一定的波动性,且摩擦功率整体波动幅度较为均匀。同时,摩擦功率1/3倍频程图分析结果表明,摩擦功率的特征频率主要集中在中低频范围。在主要特征频率处,扣件纵向刚度、纵向阻尼、横向阻尼和垂向阻尼对钢轨波磨的影响较小,扣件横向刚度、垂向刚度、扣件间距、轮轨摩擦因数和车辆运行速度对钢轨波磨的影响较大。扣件垂向刚度和扣件间距的变化会导致摩擦功率的特征频率发生偏移,主要特征频率从80 Hz偏移至100 Hz,从而导致对应波长的钢轨波磨,说明扣件垂向刚度和扣件间距对特定频率处钢轨波磨的产生和发展具有重要的影响。其余变量的增大并未导致摩擦功率的特征频率发生改变,表明其余变量不影响钢轨波磨的特征频率。     

高速铁路扣件动刚度频变和温变特性研究

以我国高速无砟轨道常用的3种扣件（WJ?7B,WJ?8和Vossloh 300）为研究对象,基于轮轨宽频激励的特点,提出了一个确定扣件系统动刚度的试验方法和理论模型。根据该试验方法,采用力锤激励,在装配情况下测试了3种扣件在100~800 Hz频率范围内、不同温度（-50~10℃）条件下的动态响应,结合理论模型确定了3种扣件的动刚度。研究结果表明：WJ?8和Vossloh 300扣件的动刚度对温度的变化比较敏感,WJ?8扣件在-50℃时的动刚度比10℃时最大增加了23倍,而Vossloh 300扣件在-50℃时的动刚度比10℃时最高增加了67倍;WJ?7B扣件的动刚度则受频率的影响更大,800 Hz时的动刚度是100 Hz时的12~17倍;WJ?8和Vossloh 300扣件的阻尼比均随着温度降低而增大,在玻璃化转变温度时达到极值,此后随着温度继续降低而开始下降。该结果可为极端低温环境下的扣件设计和选择提供参考。     

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。     

嵌入式轨道与扣件轨道曲线啸叫噪声试验分析

嵌入式轨道是一种减振降噪型轨道,可以通过高分子材料的包裹增加轮轨系统阻尼。测试和分析100%低地板有轨电车通过嵌入式轨道和扣件式轨道小半径曲线时产生曲线啸叫噪声,测试曲线半径为50 m,试验速度范围5～15 km/h,测试结果表明,当有轨电车经过扣件式轨道时,导向轮对(第一位轮对)内侧车轮发出的啸叫噪声最为显著,其产生机理是轮轨间的横向蠕滑激励车轮960Hz频率处(0,2)轴向模态振动,从而产生强烈的单频振动并发出啸叫;与扣件式轨道相比,嵌入式轨道对曲线啸叫有一定的抑制效果;建立三维轮轨接触有限元模型,发现耦合模态阻尼受轨道结构阻尼影响较大,改变轨道结构的阻尼能有效的提高轮轨耦合模态阻尼,其中提高轨道结构参数中的横向阻尼是抑制曲线啸叫最有效的方式。     

带的强迫共振与主参数共振实验研究

不考虑轴向运动,采用两端简支的模型以阶次跟踪方法实验研究铜带的强迫共振和主参数共振。从谱阵图中易发现强迫共振频率等于横向激励频率,主参数共振频率为铜带张力波动频率的1/2,并且两种共振振幅峰值频率均大于铜带的固有频率,这与理论分析相符,为后续研究工作提供了实验依据。     

一系悬挂与扣件参数对钢轨波磨的影响分析

基于摩擦自激振动可能导致钢轨波磨的观点,建立了更为完善的小半径曲线上轮轨系统摩擦自激振动模型,应用复特征值分析方法研究了轮轨系统的不稳定振动发生趋势,讨论了一系悬挂与轨道扣件刚度和阻尼参数对轮轨不稳定振动发生趋势的影响。计算结果表明:在饱和蠕滑力作用下,轮轨系统存在较强的不稳定振动发生趋势,即产生钢轨波磨的趋势;转向架一系悬挂刚度和阻尼参数对轮轨系统的自激振动影响较小;相对于一系悬挂,着重改善整体轨道上扣件的刚度和阻尼参数更有利于抑制钢轨波磨,且其中高轨上的扣件参数对钢轨波磨的影响起主要作用。     

地铁浮轨式减振扣件轨道的轮轨接触有限元分析

为了探究浮轨式减振扣件轨道存在的短波长钢轨波磨问题,采用有限元软件ABAQUS建立三维轮轨静态接触的数值模型,探讨轨道扣件系统垂向刚度和支撑方式对轮轨接触时接触斑、接触压力和钢轨位移等接触参数的影响。结果表明:轨下结构(扣件实体、轨道板等)对浮轨式减振扣件轨道的轮轨静态接触参数影响很小;采用轨腰支撑的浮轨式减振扣件的最大接触压力大于DTVI2型扣件,接触面积小于DTVI2型扣件;浮轨式减振扣件轨道钢轨垂向位移为与DTVI2型扣件的5倍左右,横向位移比DTVI2型扣件轨道小5.2%～13.2%,钢轨翻转角比DTVI2型扣件大146.3%～206.1%;浮轨式减振扣件的垂向刚度对轮轨接触压力分布、接触面积、钢轨横向位移及钢轨翻转角基本没有影响,而对钢轨垂向位移影响较大,垂向刚度越大钢轨垂向位移越小。浮轨式减振扣件较大的钢轨垂向位移及翻转角,降低了轮轨接触的稳定性,易导致波动的轮轨力,萌生钢轨波磨现象,因而需改进该类型扣件的设计,以降低钢轨翻转角。     

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。     

轴承刚度对血泵转子系统的模态影响分析

为了研究轴承的支承刚度对轴流式血泵转子系统振动特性的影响,以血泵转子系统为研究对象,利用ANSYS软件,采用有限元法,得出了在不同轴承支承刚度下血泵转子系统的前五阶固有频率和对应的振型。通过研究表明:在不同轴承支承刚度范围内,轴承支承刚度的大小对血泵转子系统的固有频率影响不大,并且血泵转子系统模态振型变形微小;由于该血泵转子系统固有频率较大且远离生活环境中的振源频率,所以在进行血泵转子系统的设计时,不需要考虑共振的影响因素。     

进给系统参数对丝杠振动频率的影响

考虑轴承的支承刚度,建立了丝杠在两端弹性支承条件下纵向振动、扭转振动和横向振动的频率方程。对于纵向振动和扭转振动,分析了轴承支承刚度对其振动频率的影响。对于丝杠的横向振动,采用Timoshenko模型,综合考虑了转动惯量、涡动效应和预拉伸力对丝杠振动的影响,分析了轴承支承刚度、旋转速度和预拉伸力对丝杠横向振动频率的影响,分析了丝杠在启动过程中的共振,为回转系统减少或消除共振提供了理论依据。     

一种多层弹性部件轨道系统的动态特性试验研究

为研究多层弹性部件轨道系统的动态特性,提出一种实验室测试方案:首先以锤击法和模态分析为基础,按照实际轨道结构搭建一段25 m长的测试平台,进而在预荷载作用下测试并计算得到轨道系统的固有频率、阻尼比和振动传递率等,最后对比分析道床隔振垫、扣件刚度和预载荷对轨道动态特性影响。结果显示:采用隔振垫能使大于40 Hz的频段具有较好的减振隔振效果,但在小于40 Hz频段会出现较大的振动峰值;随着预载荷增加,20~100 Hz频段的振动传递率急剧增大,并在30 Hz附近形成明显的共振峰值;扣件刚度减小能降低28~100 Hz频段的振动传递率和振动峰值,但同时会增加28 Hz以下频段振动传递率。试验方案和结论为研究减振产品的动态特性和减振效果提供了可靠的试验数据支撑。     

轮对-轨道系统波磨预测模型的建立及预测分析

基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,通过轨下垫板等效替代扣件系统,建立轮轴之间采用过盈配合的轮对-轨道系统的有限元预测模型,采用复特征值分析法预测轮轨系统的摩擦自激振动。通过对比所建模型和采用弹簧阻尼对模拟扣件的模型之间的差异,发现所建模型在预测效果上更接近现场测试结果。通过控制变量法研究摩擦因数、轨下垫片等效弹性模量对波磨预测结果的影响。仿真结果表明：摩擦因数在0.2～0.6范围内时,随着摩擦因数的增大波磨发生的可能性会增加;扣件垂向刚度在50～90 MN/m范围内时,随着扣件刚度的增大即轨下垫板等效弹性模量的增大,系统发生不稳定振动的可能性会降低。仿真预测与实验结果一致,进一步验证了模型的有效性。     

高速移动载荷下的轨道振动特性

考虑高速移动载荷作用下轨道结构的离散轨枕支撑、钢轨剪切变形及转动惯量对轨道振动响应的影响,建立基于Timoshenko梁的双层黏弹性离散支撑轨道振动模型,利用Fourier变换法求解具有周期性支撑的轨道响应,通过与文献中试验结果对比,验证其在固定简谐载荷下计算结果的正确性。研究表明,轨枕的离散支撑使得轨道刚度呈现周期性变化,跨中最小,轨枕上方最大,形成高速轮轨系统的参数激扰;移动载荷作用使轨道系统呈现以速度为变量的共振特性,载荷原点导纳随车速提高先增大后减小,此外,低速时轨道振动响应最大值出现在载荷点位置,随着速度提高,最大轨道振动响应滞后于载荷点;移动载荷使得轨道系统各阶振动主频出现变化：低阶振动主频随速度提高而降低,达到一定速度时降低为0,之后又随速度提高而上升;高阶振动主频也随速度提高而非线性下降;由于移动载荷的多普勒效应,轨枕离散支撑引起pinned-pinned共振和反共振出现上、下分叉,分叉频率偏移量为轨枕通过频率之半。基于Fourier变换法实现高速移动载荷下的轨道振动响应分析,为高速轨道系统设计提供参考。     

机车转子系统的非线性动力学分析

随着机车速度的提高,对其运行安全和稳定性提出更高要求。为研究机车轮对转子系统的动力学特性,在考虑弹性支撑、齿轮时变刚度等复合非线性因素影响下,基于哈密尔顿最小势能原理建立非线性连续-质量转子系统的动力学模型。在此基础上,对系统进行无量纲化,求解系统振形函数及固有振动频率。利用多尺度法求取非线性转子系统的渐进解,分析系统支撑刚度、阻尼及其齿轮时变刚度参数作用下,转子的主共振稳态幅频响应。研究表明:复杂边界条件下,齿轮的位置将直接影响模态幅值。轮轨激励的变化,对系统低频幅值影响较大、高频较小。轮轨激励达到临界值时,系统出现饱和共振,其后轮轨激励的变化,将不再影响系统的幅值。齿轮冲击刚度增加,转子系统位移显著增大。研究结果为机车轮对转子系统的动态特性分析和故障诊断奠定了一定的基础。