考虑弹性的高速旋转轮对振动特性研究

轮对弹性变形和旋转振动对轮轨系统运行安全性影响需要从理论上进行深入研究。利用ANSYS有限元分析软件对轮对弹性化处理后,在SIMPACK多体动力学软件中建立了包含高速旋转弹性体轮对的车辆系统动力学模型。采用数值方法,得到了轮轴弹性弯曲变形量以及不同轨道不平顺激扰下轮对垂向振动加速度响应等。结果表明,考虑弹性和旋转振动后,轮对车轴发生弯曲变形效应明显且中部变形量最大,车辆运行速度对车轴弯曲变形量和轮轨附加动力有一定的影响,轮对垂向振动加速度频谱出现与旋转速度相关的频率特征。本文方法和结果对揭示轮对真实运动特征和研究高速轮轨安全性具有良好的指导意义。     

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。     

考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究

在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。     

某型弹性高速车辆系统振动传递特性研究

列车高速化和轻量化导致轮轨激扰频率增大、车辆系统高频振动成分增多,深入研究弹性车辆系统振动传递特性对认识高速列车振动内在机理和确保优良的动力学性能具有重要意义。建立了动力学参数完全相同的高速弹性和刚性车辆系统两种动力学模型,弹性模型中车体、构架和轮对均处理为弹性体。从时域和频域研究了弹性车辆系统振动特性,对比分析了刚柔两种车辆系统在振动加速度幅值、频率分布、频率传递及振动能量等方面的特征。结果表明,车辆系统的刚柔处理方式对振动有重要的影响,且全弹性体处理方式可以获得更为丰富和准确的研究结果。车辆系统在从轮对到构架以及车体这一自下而上的振动传递过程中,三者对应的振动加速度幅值、振动频率分布和功率谱密度值大致呈一个数量级的递减趋势;频域上,轮对旋转频率对应的功率谱密度在弹性振动频率中得到明显加强。     

一种逆结构滤波法的轨道车辆轮轨力识别

轮轨动态接触力对车辆运行安全性和稳定性至关重要,考虑到在实际运行条件下,轮轨力很难测量的难题,基于离散时间和动力学状态空间方程,提出了一种逆结构滤波的时域载荷识别方法。该方法以结构响应参数为输入,可实现对非最小相、非并置结构的载荷预测,解决了由于非并置逆系统的不稳定性带来的载荷识别困难。以某轨道车辆为研究对象,以轴箱位置加速度为输入条件,分别建立了10自由度的垂向振动模型和17自由度的横向振动模型,对车辆的轮轨垂向载荷和横向载荷进行了识别。识别结果与具有完全相同动力学参数的SIMPACK仿真模型结果对比,结果表明:反演模型识别出的轮轨垂向力和横向力与SIMPACK仿真结果趋势一致,且均有较强的相关性,识别精度较高;通过滚动振动试验台试验,利用一组测得的垂向加速度响应和垂向位移响应对车辆轴箱的加速度响应进行了识别,并与测得的结果进行对比,相关系数达到0.9756,为极强相关,方法能够用于运行列车轮轨力的监测和安全评估。     

车轮状态变化对重载货车轮轨作用力影响

重载货车在实际的生产及服役条件下,轮轨之间的相互作用不仅受各种轨道不平顺激励的影响,也会受到车轮状态变化的激励作用。从车轮运行状态的角度研究重载货车轮轨间相互作用,分别以车轮磨耗前后踏面形状、车轮多边形化、车轮质量偏心和轮对结构变形四种车轮运行状态来模拟分析车轮各状态参数与轮轨垂向作用力的关系,并总结其影响规律。研究表明：车轮踏面形状主要影响轮轨接触斑面积以及接触应力分布,磨耗后车轮比新轮的接触应力分布范围更广泛;在不同速度下,车轮多边形化的波深、相位差及谐波阶数对轮轨垂向力产生不同程度的影响;车轮质量偏心对轮轨产生周期性垂向冲击,但振动幅度并不大;轮对挠度的动态变化对轮轨动态接触载荷影响比较显著,尤其是轮对结构弯曲振动加剧了轮轨垂向动作用力。     

轮对结构弯曲及型面磨耗对高速列车振动性能的影响

高速列车服役过程中,轮对结构弯曲及高速列车服役中改变最大的轮对磨耗因素均会对车辆性能造成很大影响。本文考虑高速轮对的三阶弯曲模态的影响,根据某型高速动车组分别建立考虑不同轮对弯曲变形的动力学模型,依次分析轮对各阶弯曲模态在整个服役周期内不同磨耗状态下车辆稳定性及各向振动的变化,并得出如下结论。轮对一阶弯曲对车辆稳定性和振动性能影响最大,临界速度下降约10%,振动加速度上升明显,而二三阶弯曲对临界速度影响不大。通过不同工况下车辆整备频率的分析可知,考虑轮对一阶弯曲后,车辆整备频率的变化及轮对弯曲频率是造成上述变化的主要原因。     

山地城市地铁线路曲线段异常波磨现象的产生机理及抑制方法

针对山地城市地铁线路钢轨波磨通常发生在长大坡道大半径曲线外轨处的异常波磨现象,根据现场调研建立了波磨高发区段的车辆-轨道系统动力学模型,研究了As地铁车辆通过波磨高发区段时导向轮对-钢轨系统的动态特性。基于轮轨摩擦自激振动观点建立了相应区间弹性长轨枕支承轮轨系统的有限元模型,采用复特征值分析研究了波磨高发区段轮轨系统的摩擦自激振动特性。综合动力学分析和摩擦自激振动分析,研究了轮轨蠕滑特性、轮轨摩擦自激振动与波磨病害的关联性,从而揭示此类异常波磨病害的产生机理。进一步地,分别研究了车辆动力学参数和轨道支承结构参数对该区段轮轨摩擦自激振动的影响,并提出抑制波磨的相关方法。分析结果表明,在山地城市地铁线路波磨高发区段的缓和曲线到圆曲线处导向轮对外轮与外轨间的蠕滑力趋于饱和,轮轨间饱和蠕滑力易于诱导轮轨摩擦自激振动的产生,从而可能导致曲线外轨处产生波长为50~60 mm的异常波磨。在抑制方法的研究中发现车辆动力学参数的改变对轮轨摩擦自激振动特性的影响不大。同时,在一定范围内减小扣件垂向刚度和垂向阻尼有助于抑制该区段轮轨摩擦自激振动的发生,当扣件的垂向刚度为5 MN/m,垂向阻尼为10 000 N·s/m时,轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小。以上均为山地城市异常波磨病害的抑制提供参考。     

强地震下高速铁路桥上行车精细化模拟及行车安全性分析

近年来我国高速铁路线路发展迅猛,深入至中西部强地震频发地区,研究强地震下高速铁路桥上行车安全性具有重要的实际意义。该文首先基于多体动力学软件Simpack和地震仿真开源软件OpenSees编制了车辆-轨道-桥梁系统联合仿真程序(SOTTB),该程序发挥了多体动力学软件Simpack和有限元软件OpenSees各自的优势。继而,基于单跨简支梁桥的时程分析,验证了基于OpenSees与Simpack联合仿真思路的正确性和可行性。利用SOTTB程序建立地震作用下高速列车-轨道-桥梁系统精细计算模型,研究在横向地震和轨道不平顺激励下列车的运行安全性。高速列车空间振动模型采用德国ICE动车组,轮轨力计算基于非线性Hertz接触理论和简化Kaller蠕滑理论。结果表明:车辆运行安全性指标和车体的加速度随着地震强度和运行速度的提高有较为明显的增大趋势,横向轮轨力和车体横向加速度受横向地震强度和运行速度影响显著,并且随着地震强度的增大而显著提高。列车的轮重减载率和竖向加速度受地震强度的影响较小,列车的运行速度是影响轮重减载率的主要因素。     

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.     

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。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

短轨枕区间钢轨波磨的现场测试和数值研究

基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的观点,综合采用现场测试和数值仿真的方法共同研究了短轨枕整体道床支撑小半径曲线轨道上的钢轨波磨。在现场测试中,测试了车辆通过该区段时的振动信号。在数值仿真中,建立了短轨枕整体道床支撑小半径曲线轨道上导向轮对的弹性振动模型。综合采用瞬时动态分析和复特征值分析计算了轮对通过该路段时的动态响应和不稳定振动模态。现场测试和数值仿真结果的一致进一步证明了在小半径曲线轨道上,轮轨间的饱和蠕滑力能够导致轮轨系统发生摩擦自激振动,从而产生钢轨波磨。同时,当轮对通过相应测点时,可以发现其垂向振动加速度具有明显波动,这意味着摩擦自激振动的产生。并且,在里轨表面垂向振动加速度的振幅明显大于在外轨表面垂向振动加速度的振幅。因此,由摩擦自激振动导致的钢轨波磨主要发生在里轨上,且通过数值仿真预测得到摩擦自激振动导致波磨的波长与现场实测结果近乎一致。     

轮轨接触弹性约束下动力轮对转子系统振动特性分析

轮对柔性、旋转陀螺效应及其约束弹性是准确评估高速运行环境下动力轮对转子系统振动特性的关键。为此，系统开展了轮轨接触弹性约束下典型高速列车动力轮对转子系统的弯曲-扭转-轴向振动特性研究。首先，采用铁木辛柯柔性梁转子有限元理论建立了高速列车动力轮对转子系统的弯扭轴动力学方程，并分别采用刚度影响系数法和能量法推导了一种可以反映等效圆锥车轮踏面与钢轨接触特性的线性化轮轨接触单元；然后，编制了相应的MATLAB计算程序，并与建立的等效ANSYS模型作对比，验证了自编程序的正确性；其次，基于自编程序设计了四种模态模型，即弯曲模型、弯扭模型、弯轴模型和弯扭轴模型，详细对比分析了四种模型振动特性的异同和参数影响规律；最后，讨论了几种典型外部激励下动力轮对转子系统的共振稳定性。结果表明：弯扭轴模型的模态结果能够涵盖其他三种模型的所有模态信息，且模态数据保持一致；由轮轨接触刚度导致的轮对约束弹性(即支承刚度)在纵向和垂向差异显著，使轮对转子系统的1阶和2阶正涡动弯曲模态推迟出现在更高阶固有频率段，且相应的涡动轨迹呈现明显的扁平状；所讨论的典型外部激励中存在较多的能够诱发动力轮对转子系统发生共振的激励频率，...     

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。     

提速条件下万吨重载列车通过曲线的车辆稳定性及轮轨动态相互作用试验研究

为研究重载铁路既有线提速（由80km/h提至90km/h）对列车通过曲线的稳定性及其轮轨动态相互作用的影响,开展车辆动力学及轨道动力学试验。试验结果表明：车辆稳定性测试中,随运行速度提高,万吨重载列车的车体、构架及承载鞍加速度普遍小幅增大,其范围分别为0.02g～0.20g、0.13g～0.33g和5.2g～48.8g,相比重车工况而言,空车工况下构架加速度受列车运行速度变化的影响更为显著;轨道结构测试中,轮轨垂向力及横向力的范围分别为101.91～168.30kN和23.51～86.22kN,重载列车提速引起轮轨横向力小幅波动;钢轨及轨枕的垂向加速度范围分别为20.32g～59.32g、2.75g～7.50g,钢轨及轨枕加速度均随列车速度的增加而增大;测试中,车辆稳定性及轮轨动态相互作用指标均小于安全限值。     

基于格林函数法的车辆-轨道垂向耦合动力学分析

通过直接求解脉冲激励下线性系统的动力学方程得到车辆系统和轨道系统格林函数的显式表达,基于格林函数和轮轨Hertz非线性接触理论,提出了求解车辆-轨道垂向耦合动力学的新方法。利用该方法分析了车辆系统和轨道系统格林函数的特征,计算了轨道随机不平顺和单一谐波两种不平顺激励下的轮轨垂向力以及轮对和钢轨垂向位移响应,并与传统的车辆-轨道耦合动力学计算结果进行对比。研究结果表明:车辆系统的格林函数主要由随时间线性增加的线性项和随时间逐渐衰减的衰减项组成;轨道系统的格林函数随时间波动衰减,0.15 s后初始脉冲激励引起的钢轨振动基本衰减至0;格林函数法与传统方法的计算结果几乎完全吻合,说明了该方法在车辆-轨道耦合动力学计算中的可靠性。     

轮对径向质心偏离对纵向振动的影响

当轮对质心存在径向偏离时,会引发周期性粘着系数的变化,与剧烈的自激扭转振动,从而直接导致轮对产生纵向振动。轮对纵向振动与轮轨黏-滑振动相互耦合,破坏了机车稳定动力学性能。通过某新型机车的建模和数值仿真,计算和分析在不同的质心偏离和速度下,构架、轮对的纵向振动频率与车体垂向共振频率。并计算轮对粘着系数变化规律,分析机车垂向平稳性恶化的机理。结果表明当轮对存在径向偏心时,轮轨蠕滑力饱和产生动力学耦合,引起轮对的扭转振动和纵向振动,由此将通过构架与牵引装置的传递而恶化机车垂向平稳性。     

轨道接头压陷激励下轮轨垂向振动分析

本文基于车辆－轨道耦合大系统的思想，将钢轨简化为弹性点支承有限长的欧拉梁、轮轨接触关系采用弹簧接触，建立了轮轨动力学模型。对车轮匀速行驶过程中，在轨道接头压陷激励下轮轨相互作用产生垂向振动响应作了分析。并得出车速、轨头压陷波深对振动的影响。