基于AOSO递进优化方法的车体抖振控制研究

针对某型动车组在运行中出现的车体抖振伴随转向架蛇行运动的整车异常振动现象,对车辆进行在线试验,发现大踏面锥度状态的车辆在较高速度工况运行时,存在稳定性不足,致使转向架的蛇行频率不断上升与车体菱形模态频率接近,继而引发车体的抖振。为了提升车辆运行的稳定性,提出一种融合解析优化和仿真优化的两级递进优化方法（Analytical Optimization and Simulation Optimization,简称为AOSO）,对抗蛇行减振器参数进行优化,并在车辆线路试验中验证优化的效果。结果表明,优化后磨耗轮状态下车辆的临界速度得到显著提升,转向架已无明显的蛇行运动、车体抖振也得到明显改善。     

城际列车晃车机理试验研究

针对某在线运营的城际列车的晃车现象,实测整车不同位置处的振动信号,对比分析在晃车与非晃车时间段内车辆的运行平稳性、时频特征以及车辆不同部位的信号相干特征,据此初步了解车辆在晃车时的典型特征;进而基于ODS分析理论,掌握车辆晃动时的整体振动情况,并基于构架稳定性分析结果,发现并验证城际列车晃车的机理。结果表明,发生晃车时,车辆横向平稳性指标大于2.5,晃车主频在4 Hz左右,相干性分析表明车体晃动与转向架振动有直接关系;基于ODS分析结果发现晃车时转向架蛇行与车体摇头反相耦合,此时转向架的蛇行稳定性不足,该蛇行频率与基于实测轮轨匹配等效锥度所得的理论计算频率基本一致,因此车辆系统稳定性裕量不足,转向架在较高运行速度工况下接近蛇行失稳状态是晃车的主要原因。     

考虑车下设备的城轨车辆弹性车体垂向振动特性研究

以研究城市轨道车辆弹性车体振动特性与车下设备之间的耦合振动关系为目的,利用模态叠加法原理建立了含有车下设备等效欧拉梁车体的刚柔耦合多体动力学模型。在多种不同工况下分析了城市轨道车辆弹性车体中部与转向架上方的振动响应,讨论了车体的一阶弹性模态频率对弹性共振速度的敏感性,从全车长角度分析了车体与车下设备之间的耦合振动关系,并分析了全车振动变化情况,最后对车辆平稳性进行了评价。研究结果表明:车下设备采用弹性悬挂对车体全车振动有很好的抑制作用;从抑制车体全车振动的角度,需要将设备对称安装在车体中部,对不同质量的车下设备采用弹性悬挂要有选择性;车体弹性振动受共振速度影响较大,在非共振速度下运行,能够有效降低全车的弹性共振,提高乘客的乘坐舒适性。论文工作对减少城市轨道车辆的弹性振动提高车辆舒适性和对车下设备的合理布局与悬挂有一定参考价值。     

面向车辆平稳性的抗蛇行减振器结构参数多目标优化

高速动车组在运营过程中依赖抗蛇行减振器维持车体横向振动的平稳性,为提高不同工况下车辆运行平稳性,需要对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化.首先建立包含抗蛇行减振器液压数值模型与CRH3车辆动力学模型的UM-SIMULINK联合仿真模型,分析抗蛇行减振器结构参数对车辆平稳性的影响,随后基于车轮磨耗对轮轨接触几何的影响设计...     

基于Simulink的柔性车体垂向振动特性分析

考虑车体的柔性模态,运用振型叠加法获得车体的垂向振动微分方程,并在MATLAB/Simulink中创建车辆刚柔混合垂向动力学模型,分析车体各阶弹性自振频率、阻尼比及车辆行驶速度对车体垂向振动特性的影响,并基于上述分析提出车辆平稳性共振波长的概念,论证平稳性共振波长是车辆的固有特性,为车辆的设计及线路的维护工作提供参考和评价帮助。     

高速动车组抗蛇行减振器参数优化研究

蛇行运动是轨道车辆的固有属性,随着高速铁路的发展,高速动车组稳定性问题越来越突出,抗蛇行减振器对于车辆稳定性具有重要影响,通过优化抗蛇行减振器参数可以有效提升高速动车组运行性能。本文建立高速动车组车辆动力学模型,利用超拉丁采样选取减振器设计参数,并采用 KSM 模型进行动力学响应分析,最后采用 NS?GA?Ⅱ算法对抗蛇行减振器参数进行优化,并对优化前后的动车组动力学性能进行对比。结果表明：优化后参数下,XP55 标准车轮临界速度提高 15.28%,达到 463.8 km/h, XP55 磨耗车轮临界速度提高 13.71%。优化后参数进一步提升了车体的平稳性和舒适度,轮轴横向力减小。同时优化后参数降低了新轮工况和磨耗车轮工况下的车体和转向架横向加速度幅值,抑制了车辆横向振动。分析了减振器参数优化对接触点位置和车轮磨耗指数的影响,优化后参数减小了车轮横向接触点横移,速度为 250 km/h 时,XP55 标准车轮磨耗指数减小 14.65%,XP55 磨耗车轮磨耗指数减小 15.8%。因此,抗蛇行减振器参数优化后可以有效提高车辆稳定性和运行性能。     

直线电机振动特性对车轮多边形问题的影响研究

针对国内某地铁车辆因车轮多边形造成舒适性差的问题展开动力学仿真和线路测试研究。理论上简要分析了车轮多边形产生的原因并建立地铁车辆动力学模型,计算得到转向架各部件的振动固有频率,并发现车辆平稳性在40 km/h速度下异常恶劣。建立以轨道不平顺为输入、电机位移为输出传递函数,分析了40 km/h速度下车轮多边形产生的外部激励43.6 Hz与直线电机垂向固有频率接近从而导致电机发生共振,进一步加剧了车轮多边形恶化。线路跟踪实验表明,车体上的平稳性指标同样在40 km/h时异常恶化,恶化程度随车轮多边形波深增大而加剧。归纳提出以异常振动速度为切入点,对车轮多边形问题分析的仿真和线路实验方法。最后对直线电机悬挂参数进行优化,消除剧烈振动,提高了乘坐舒适性。     

驱动工况下高速动车组蛇行失稳非线性度

基于信号的波内调制现象定义信号的非线性指标,并研究高速动车组在驱动工况下(驱动系统在直接转矩控制下)蛇行失稳的非线性特征。首先建立包括高速动车组的车辆动力学Simpack子模型和牵引传动系统的直接转矩控制Matlab/Simulink子模型在内的机械电气耦合联合仿真模型,然后计算动力学响应,最后基于黄变换计算列车在蛇行失稳状态下动力响应的非线性指标变化。仿真结果表明:若列车出现蛇行失稳,转向架和车体横向振动非线性指标会急剧增大;完全失稳情况下,车体横向加速度非线性度大于0.1,转向架横向位移非线性度大于0.3。     

面向车辆平稳性的抗蛇行减振器结构参数多目标优化

高速动车组在运营过程中依赖抗蛇行减振器维持车体横向振动的平稳性,为提高不同工况下车辆运行平稳性,需要对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化。首先建立包含抗蛇行减振器液压数值模型与CRH3 车辆动力学模型的UM-SIMULINK联合仿真模型,分析抗蛇行减振器结构参数对车辆平稳性的影响,随后基于车轮磨耗对轮轨接触几何的影响设计两种工况,基于UM-ISIGHT 联合仿真采用NSGA-II 算法对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化。结果表明：抗蛇行减振器常通孔径、卸荷孔径和活塞杆直径对车辆平稳性有不同程度的影响。车速较低时,增大常通孔径有利于车辆平稳运行;车速较高时,随着直径增大,常通孔、卸荷孔和活塞杆直径分别使车辆平稳性呈现“劣-优-劣”、“优-劣-稳定”和轴对称下降的变化趋势。对抗蛇行减振器常通孔径和卸荷孔径进行多目标优化后,高速、高等效锥度条件下车辆平稳性提高20.72 %,优化效果显著。     

高速列车抗蛇行减振器作用机制与频变刚度应用研究EI北大核心CSCD

为了研究高速列车抗蛇行减振器作用机制进而对最优减振器参数选配提供理论指导,分析了减振器的频变特性和最优能量耗散条件,基于两类典型高速列车横向动力学模型对抗蛇行减振器参数进行多目标优化,及整车线性稳定性和模态能量分析,总结了抗蛇行减振器作用机制。得出结论如下:抗蛇行减振器不仅其阻尼对车辆蛇行能量起耗散作用,其刚度特性对车辆横向稳定性的影响更为显著,减振器刚度需随蛇行频率增加而增大;利用车体与转向架蛇行模态能量占比及其牵连作用说明抗蛇行减振器等效刚度作用机制,并根据最优能量耗散理论实现抗蛇行减振器串联刚度与阻尼的匹配。提出了应用频变刚度抗蛇行减振器的思路和结构方案,针对频变刚度曲线进行优化和车辆横向稳定性分析,结果表明,采用频变刚度抗蛇行减振器可显著改善极端轮轨接触状态下车辆横向稳定性,降低高速列车出现低频晃车和高频抖车现象的风险,对实现不同车轮踏面磨耗阶段车辆自适应稳定性起到积极作用。     

单车过桥下弹性车体共振与消振现象分析

为研究弹性车体振动对车桥系统动力响应影响,将车体视为两端自由的均质等截面欧拉梁、转向架及轮对视为刚体,利用模态叠加法考虑简支梁变形,用轮轨密贴接触假设建立单车通过多跨简支梁的车桥系统动力学方程,并用Newmark-β数值积分法求解系统动力响应。以一系列正弦不平顺为系统激励,研究不平顺激扰下弹性车体共振与消振现象。结果表明,弹性振动主要改变车体的振动量,对桥梁振动反馈作用较小;弹性车体共振被激发时其动力响应被显著放大,共振速度由车辆定距与车体弹性自振频率决定;因存在轴距滤波,当不平顺波长满足弹性车体消振发生条件时车体动力响应被显著抑制。     

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。     

低地板车结构传声及车内噪声特性

对我国某100 %低地板车辆在60 km/h速度下进行振动噪声试验,获得了低地板车动车、拖车,车内及转向架噪声特性。结果表明,车内噪声主要能量集中在400 Hz～1250 Hz,其中400 Hz频谱能量最大。动车比拖车车内噪声高3 dB,这是由于转向架动力源激励400 Hz中心频段结构传声和空气传声所致。控制电机振动,能从源头上有效控制车内400 Hz中心频率结构传声。此外,也需要从路径上控制电机激励结构传声,即控制横向减振器和二系空簧的结构传声。相关分析结果可为低地板车振动噪声控制和低噪声设计提供参考。     

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。       

基于谱元法的车辆-轨道结构频域振动特性研究

基于谱元法建立车辆-轨道结构频域振动模型,其中轨道结构模拟为三层铁木辛柯梁,车辆部分考虑为整车模型,运用Lagrange方程实现车辆与轨道结构的耦合,并采用虚拟激励法将轨道不平顺模拟为虚拟荷载,通过求解车辆-轨道整体结构的谱元法方程,得到车辆-轨道结构在频域内的振动响应。结果表明:钢轨、轨道板和底座板的第一、二、四阶振动峰值分别由车体、转向架、车轮自振引起,其他振动峰值由轨道结构系统自振引起;钢轨、轨道板和底座板的振动能量分布在较宽的频率范围;在离开车辆一侧且距离端轮对2.5 m处,1～800 Hz内钢轨振动迅速衰减,当大于800 Hz时,钢轨振动衰减缓慢;在距离端轮对18 m处,25～1 171 Hz内钢轨振动衰减基本稳定;在距离端轮对20.5 m处,小于25 Hz时,钢轨振动随着离开端轮对距离的增加迅速衰减,当大于1 171 Hz时,钢轨振动则衰减较小。     

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。     

车下有源悬吊设备与车体耦合振动研究

通过对我国高速动车组进行线路试验,发现车下有源旋转设备的不平衡质量所引发设备颤振会与车体地板发生耦合振动,影响车辆动力学性能。为研究有源车下设备与车体耦合振动特性,考虑车体的弹性振动,建立车体与车下悬吊设备的刚柔耦合动力学模型,分析有源旋转设备不平衡量对设备和车体振动的影响。结果表明,有源设备在特定频率范围内容易激发车体的低阶模态,随着不平衡量增加,导致车体振动逐渐增大。为减小车下有源设备振动对车辆动力学性能影响,进行有源设备悬挂参数匹配研究,得出最佳悬挂刚度和阻尼;同时提出有源旋转设备的两级隔振方案,研究发现两级隔振方案能够有效降低车体垂向振动,最大可减小约26%。     

城市轨道车辆车体复合吸振器建模与仿真

To reduce vibration of urban rail vehicle body, using modal orthogonality, car body was equivalent to a homogeneous Euler beam with uniform cross-section, the vertical dynamic model of an elastic body-track-composite absorber rigid-flexible coupled system was established, and the design method for composite absorber suitable for this model was proposed.According to operating conditions of urban rail vehicles, the functional relation among stiffness, mass parameters and target frequency of the composite absorber was solved analytically.By going through the mass value of two vibrators of the composite absorber, its matching stiffness parameters were obtained.Using the established evaluation index of the body vibration energy, the vibration reduction performance of the composite absorber designed with different parameters was evaluated to obtain the parametric design of the composite absorber with the minimum body vibration energy.Finally, the vibration reduction effect of the composite absorber was verified by combining with the vehicle stationarity index.The research results showed that there are two natural frequencies of the composite absorber; when designing its parameters, the two natural frequencies should be coordinated with the natural frequency of vehicle body floating and sinking and body first-order elastic frequency; the established body vibration energy evaluation index can be used to comprehensively evaluate vibration reduction performance of absorbers with different designs; the composite absorber installation has a better vibration reduction effect on the vehicle body vibration, and improves the vehicle’s operation quality; the study results provide a reference for the research using composite vibration absorbers to reduce   vehicle vertical vibration.     

电磁反力式混合型主动悬架的模糊控制方法

悬架系统是车辆的重要组成部分,对行驶平顺性和操纵稳定性等有着重要影响。全主动悬架能极大地改善车辆的行驶平顺性,但结构复杂且需消耗较多附加能量。本文研究了一种新颖的主动悬架——电磁反力式混合型主动悬架的模糊控制方法。根据该主动悬架的结构特点,建立了2自由度1/4车辆模型,通过动力学分析建立了其数学模型并提出了模糊控制策略。在MATLAB /Simulink环境下,对采用模糊控制的系统进行了仿真。结果表明：采用模糊控制的该主动悬架系统,时域内的车身加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷分别较被动悬架系统改善24.57%、8.33%、12.71%;较PID控制时也有明显改善;从车身加速度信号的频谱可以看出：模糊控制的该主动悬架与被动悬架相比,在分析的各频率下均大大降低了方均根值,轮胎共振频率处尤为明显,表明作动器的控制效果明显。