地铁车辆轴箱吊耳断裂机理和试验研究

地铁车辆在正常运营过程中发生轴箱吊耳断裂问题,采用有限元分析方法和线路试验开展断裂机理研究,并对吊耳振动水平进行评估。通过分析振动激扰源和结构响应特性,确定断裂原因和提出解决方案并进行试验验证。仿真表明吊耳第一阶固有模态为横向弯曲,主频约260 Hz;吊耳根部内圆弧处为强度薄弱点,与现场裂纹位置吻合。试验表明轴箱体、吊耳振动水平与线路区间相关,钢轨波磨是导致车辆振动水平激增的主因,波长61.5 mm;钢轨波磨波长、车辆常用速度共同作用导致波磨频率在吊耳固有模态频带内,导致结构共振从而引发疲劳破坏,提出钢轨打磨、优化吊耳结构设计和使用管理条件等解决措施。开展钢轨打磨效果验证性试验,表明钢轨打磨可显著降低吊耳加速度水平,使结构应力降低50%以上,但部分线路仍存在轻微波磨,可根据车辆振动数据特征对波磨路段进行定位从而再次进行打磨。     

科隆蛋扣件段钢轨波磨产生机理及发展特性

为研究地铁钢轨波磨的产生机理和发展特性,通过建立车辆-轨道空间耦合模型和钢轨波磨评价模型,从频域和时域的角度分析波磨产生机理,并运用波磨增长率对科隆蛋扣件轨道钢轨波磨的产生机理和发展特性进行研究。基于频域的分析,对轨道结构模型进行模态分析和频响分析,发现存在与实测波磨通过频率接近的轨道结构固有频率,说明该频率所对应的振型更容易被激发出来,促使轨道结构发生共振现象,形成相应频率的波磨。基于时域的分析,运用车辆-轨道耦合模型,计算钢轨垂向振动加速度、钢轨垂向位移的时程曲线并进行频域变换,发现存在与实测波磨通过频率接近的特征频率,说明轨道结构相应频率下的振动是促进波磨形成的重要原因。车速的改变对波磨增长率的特征频率没有影响,体现了波磨的固定频率特性。随着列车运行次数的增加,特征频率对应波长的波磨逐渐形成并不断发展;波磨的波长范围和发展速度随着列车速度的增加而逐渐增大。     

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。     

地铁线路钢轨波磨对车辆振动特性的影响

某地铁线路运营过程中,在通过波磨区段时车辆振动水平加剧,从而导致车辆的轴箱盖螺栓、一系悬挂弹簧等部件频繁发生疲劳断裂.为了研究钢轨波磨对车辆振动特性的影响,首先在车辆各主要部件上安装振动加速度传感器,然后在存在钢轨波磨的线路上开展车辆振动测试,根据获取的振动加速度数据来分析钢轨波磨、轨道结构及钢轨打磨前后条件下车辆轴箱、弹簧座、构架和车体地板的振动特性.结果表明:钢轨波磨对车辆轴箱、弹簧座和构架的振动影响较大,但对车体地板的振动影响不明显.轮轨系统振动在传递过程中,二系悬挂系统起到了较大的衰减振动能量的作用.当打磨后的钢轨波磨依然存在但波深显著降低的前提下,车辆轴箱和构架的振动水平显著降低,车体地板振动水平无明显变化.     

普通短轨枕轨道结构钢轨波磨初步研究

研究某地铁普通短轨枕轨道结构小半径曲线上125～160 mm波长波磨形成机理。通过现场调查和试验测试,并结合轨道结构动力学理论对波磨形成机理进行预测分析;建立该轨道结构的三维有限元模型,利用该模型分析轨道结构的模态振型以及频响特性,并总结出该轨道结构的动态特性与钢轨波磨的关系。其中,频响分析时探讨簧下质量对轨道结构响应以及波磨成因的影响。数值计算结果与现场测试结果相吻合。研究发现该轨道结构60～80 Hz的振动是125～160 mm波长波磨形成的根本原因。由于该结构的轨枕直接嵌入轨道板中形成整体,轨道结构隔振性能差,车辆通过该轨道结构时极易发生钢轨和道床板一起相对地基的垂向弯曲振动,从而导致了125～160 mm波长波磨的形成。     

地铁钢轨波磨演化过程中的特性分析

调查分析了广州某条地铁线路轨道短波长钢轨波磨现象形成原因。首先,现场测试了线路钢轨波磨状态,对比分析了采用相同车辆结构和运营条件的另一条地铁线路钢轨波磨特征的差异。然后,基于地铁轮对-轨道高频相互作用线性理论和钢轨磨损理论,建立了钢轨波磨频域分析模型。最后,基于力锤敲击测试方法获得了轨道结构动态特性,利用钢轨波磨频域模型计算分析了地铁车辆通过半径800 m曲线时的钢轨磨损率特征。结果表明:(1)地铁线路采用的GJ-III型减振扣件和DTVI型普通扣件长轨枕轨道在大半径(大于等于800 m)曲线均出现了30~40 mm波长钢轨波磨现象,其产生不是由轮对固有模态特性所致。(2)当车辆以90 km/h速度运行时,仿真获得的轨道钢轨磨损率在1030~1130 Hz和620~840 Hz范围表现最大,易萌生22~24 mm和28~40 mm波长波磨;仿真结果与现场测量的钢轨波磨特征吻合。(3)轨道垂向位移导纳值在620~840Hz高频段表现低是导致该地铁线路出现30~40 mm短波长波磨的主要原因。     

车轮多边形磨耗统计规律及关键影响因素分析

针对列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于轨道交通运输领域,会导致车辆/轨道系统产生高频的振动冲击,严重影响车辆和轨道系统零部件的使用寿命,危及行车安全这一问题,调查了大量车轮的多边形磨耗情况并进行统计分析,掌握了高速列车车轮多边形磨耗问题的现状和特点。以18～20阶多边形磨耗车辆为例,通过理论研究和试验分析(试验分析包括车辆系统振动特性测试和转向架模态特性测试),对车轮多边形磨耗的根本原因及诱导因素进行研究。研究发现,轮轨系统在580 Hz频率附近存在固有模态是导致车辆发生18～20阶多边形磨耗的根本原因,轮轨表面的各种不平顺能激发或者加剧轮轨系统在580 Hz频率附近的模态共振,从而诱发车轮多边形磨耗的产生。该结果可为高速列车车轮多边形磨耗问题的防止和进一步研究提供参考。     

基于轨道振动理论的梯形轨枕轨道钢轨波磨研究*

研究半径为350 m梯形轨枕曲线轨道上波磨的成因。借助于现场观察和测量,获得波磨的特征参数。调查区段车辆运行速度在35 km/h左右,该波磨的主波长为60~100 mm,其通过频率为110~180 Hz;次波长为30 mm,其通过频率为324 Hz。结合轨道结构振动理论对波磨成因进行预测分析。根据结构特征建立梯形轨枕轨道三维有限元实体模型,利用此模型分析轨道结构的固有特性与波磨通过频率的内在联系,对波磨的成因做出初步解释,利用该模型计算分析白噪声激励下轨道结构的频响特性,进一步揭示波磨形成的机理。将理论计算结果与现场测试数据比较,两者相吻合。研究表明,车辆通过梯形轨枕轨道时,容易引起钢轨相对于轨枕的垂横向弯曲振动,从而加剧轮轨粘滑振动,加速了该轨道曲线段波磨的形成和发展。     

基于高频振动的天线梁疲劳研究

针对地铁线路运营过程中频繁出现的天线梁疲劳失效问题开展动应力和振动加速度测试研究。根据动应力测试数据,分析天线梁薄弱处的疲劳寿命,对天线梁进行PolyMAX法模态识别找出其低阶固有频率以及振动频谱分析找出其振动特性传递规律。分析结果表明:天线梁ATP吊座与主管连接的焊缝处发生共振而出现高应力循环,其应力水平和作用频率远高于设计水平,在运营中极易发生疲劳失效。同时基于工程应用方案,对天线梁应力集中部位增加加强筋进行结构优化,测试结果表明,加强筋增加了结构强度、有效减小了动应力的幅值,但没有避开共振。最后基于试验数据和仿真结合,提出了减轻质量提高固有频率以及动力吸振装置来降低振动。结合实际振动环境,要求天线梁的设计应该有效的避开工作模态,而不是仅仅优化局部强度,为动态结构的设计提供新思路。     

高速列车车轮多边形对轴箱的影响分析

为分析高速列车轴箱端盖脱落的原因,建立了轴箱端盖的有限元模型,通过模态分析得到了580Hz的固有模态,并依据模态试验验证了模态分析结果。经过和线路试验数据对比发现该固有频率和20阶多边形的激励频率很接近,针对这一情况应用多体动力学软件建立了包含轴箱和端盖的车辆动力学模型并对轴箱端盖的振动特性进行分析。结果表明:端盖处的加速度要远远大于轴箱体上的加速度,结合频谱分析可以确定轴箱端盖处发生了共振,激烈的振动会使预紧力下降,当预紧力下降到2.5kN螺栓发生松动。上述结论与试验结果一致,并且根据测力螺栓的和端盖的试验数据可以发现随着螺栓预紧力的下降端盖的振动更加剧烈。本研究确定了引发高铁轴箱端盖掉落的根本原因,对于高铁车辆的安全运行有一定的指导借鉴意义。     

[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。     

地铁车辆起动区段钢轨波磨成因分析

为研究地铁出站口附近直线起动区段钢轨波磨形成原因,利用有限元软件ABAQUS建立了三维实体轮对-轨道瞬态滚动接触模型,并结合现场实测,从时域和频域上对波磨现象进行了分析。研究结果表明：车辆起动过程中,车轮与钢轨表面接触带会产生准周期特性的滑移区域,且滑移区域中心之间的距离与实测波磨的波长范围接近,从而验证了模型的合理性和有效性;轮轨系统的不稳定摩擦自激振动是导致实测区段钢轨波磨产生的根本原因,正是由于轮轨蠕滑力“饱和-非饱和”的周期特性,最终促使了波磨的形成;钢轨和车轮的垂向振动加速度等级在160~230 Hz频率范围内均出现了峰值区域,且频率范围与实测波磨的特征频率范围174~198 Hz接近,这进一步说明钢轨波磨是轮轨系统摩擦自激振动引起的车轮-钢轨共振所产生;在忽略初始不平顺的前提下,钢轨表面的波磨会随着车轮运行次数的增加呈现线性增长趋势,因此适当地采取钢轨打磨以及轨面润滑等措施尤为重要。     

基于惯性基准法地铁钢轨波磨检测方法研究

为了检测钢轨波磨,不同于传统波磨检测方法,在MATLAB环境下处理车辆轴箱振动信号得到钢轨波磨波形。对传统惯性基准法原理做出改进,提出一种新的信号处理计算方法。在列车轴箱上安装加速度传感器,采集北京地铁波磨轨道轴箱垂向振动加速度信号,针对轨道振动信号非平稳、非线性的特点,提出运用EMD与小波阈值去噪方法相联合对振动加速度进行降噪处理,然后设计积分器对重构振动信号进行积分,为保证检测精度,再将积分结果通过一高通滤波器。结果显示,该检测计算方法能准确有效地计算出钢轨波磨。     

高速轨道结构振动及传递特性

高速列车的快速发展使板式无砟轨道得以广泛应用。利用有限元分析软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立车辆-弹性轨道耦合动力学模型,分析车辆运行的安全性和平稳性,研究轨道系统的位移、加速度、加速度功率谱密度、载荷特性,以及不同速度对轨道系统的振动影响,并对系统振动的主要影响因素进行初步探究。结果表明,轨道结构的垂向振动位移、加速度及载荷在由上至下传递过程中呈递减趋势,且钢轨到轨道板的衰减幅度大于轨道板到底座;轨道系统的振动能量主要集中在0～150Hz范围内,大于300Hz的钢轨振动能量经扣件衰减后基本未被向下传递,且速度升高,功率谱密度峰值出现的位置向右移动;速度为300km/h时,钢轨垂向加速度功率谱密度小于100Hz的峰值频率主要与钢轨固有模态有关,大于100Hz的峰值频率呈倍频关系,且与轨道系统固有属性相关。联合仿真提高了研究效率,揭示了车辆-轨道系统的垂向振动特性及传递规律,为工程应用提供了参考依据。     

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。     

高速动车组齿轮箱疲劳裂纹机理分析研究

齿轮箱作为高速动车组牵引系统重要传动设备,在运用过程中主要承受来自于线路激扰的冲击作用,齿轮箱体出现了疲劳裂纹。以某型齿轮箱体为研究对象,统计开裂齿轮箱体的运营里程并对其进行疲劳断口分析,疲劳裂纹源发生于齿轮箱体内侧拐角处,该部位存在因齿轮箱体结构及凹坑等缺陷引起的应力集中。基于高速铁路线路测试,得到典型工况下轴箱、齿轮箱体的振动加速度信号及表面的动应力响应,并对齿轮箱体的自由模态进行分析研究。研究结果表明,列车高速直线运行时,轮轨激扰引起的齿轮箱体振动频率与其固有频率产生了交集,齿轮箱体产生局部共振,共振使齿轮箱体局部产生较高的动应力幅值,从而导致箱体出现裂纹。该研究对确保高速列车运用安全及齿轮箱体新型结构的设计提供参考。     

基于刚柔耦合的轨道车辆转向架构架疲劳分析

对某型地铁车辆转向架构架在运行使用过程中局部区域出现裂纹的问题,首先,基于固定界面模态综合法,通过构架主自由度缩减得到了该型构架柔性体模型,从而建立该型地铁车辆刚柔耦合多体动力学模型;然后,结合一种基于柔性体计算结构动应力的方法,探讨该型构架的动应力响应,得到该型构架的振动特性;最后,采用准静态应力叠加法对构架电机吊座结构进行了疲劳寿命预测。仿真结果与该型构架实际出现疲劳破坏的位置吻合,从而验证了基于刚柔耦合模型对构架进行疲劳分析方法的正确性。结果表明,利用这种方法可以在构架前期开发阶段为其疲劳寿命预测提供理论依据。     

轨道车辆结构动应力谱分布的估计

结构动应力分布的确定对结构疲劳强度评估和可靠性设计有重要意义,通常采用的动应力理论分布假设有威布尔分布、对数正态分布和截尾正态分布.实际计算表明,单一地利用以上任意一种分布都很难实现对实测一维动应力谱的有效拟合,根据实测轨道车辆动应力特征,利用数据统计处理方法,提出一种新的分布及其拟合方法,即对数正态分布和威布尔分布的组合分布,该种分布能够准确地描述动应力分布,对轨道车辆疲劳寿命估计有重大意义.     

地铁车辆制动管路动应力分析及结构优化

地铁车辆转向架上制动管路是空气制动系统中的关键部件,制动管路的可靠性对列车制动安全至关重要.针对我国某条地铁线路制动管路断裂问题,通过试验和数值模态分析、振动和动应力测试,分析制动管路断裂的原因.提出增加管路壁厚、采用弹性管卡和增加管卡数量等三种方案对制动管路结构进行优化.采用频域结合时域的动应力分析方法对制动管路各优化方案进行动应力仿真.结果表明,制动管路一阶横弯振动(73.2 Hz)和构架侧梁八字横弯振动(71.8 Hz)耦合共振是制动管路断裂的主要原因;在制动管路两管卡中间位置处增加一个管卡,相比于增加管路壁厚(从1.5 mm增加至3 mm)与降低管卡刚度(从0.85 GPa降低至0.15 GPa),降低管路动应力水平的效果最为显著.为车辆转向架制动管路结构优化改进设计提供了理论依据.     

电机牵引振动对地铁转向架构架疲劳的影响

地铁转向架构架在其服役期内发生失效，且部分位于电机安装座附近，表明传统抗疲劳设计中，电机振动等部分特殊载荷被忽视或错误理解，导致构架局部疲劳强度的不足。为研究电机牵引振动对构架疲劳寿命的影响规律，以某地铁车辆转向架构架为案例。首先，建立了构架有限元模型，并通过实验模态分析验证了模型的准确性；其次，通过扫频计算，分析了电机振动激励下的构架局部动应力响应特性，并获得电机振动加速度与动应力响应的传递关系；最后，以某线路实测的电机振动加速度信号作为输入，通过求解构架疲劳薄弱区域的动应力响应功率谱密度，对比分析了牵引工况与惰行工况时的电机振动对构架疲劳寿命的影响。结果表明：此分析案例中，电机激励下的振动能量主要集中于第6、第7阶模态，分别受电机横向、垂向振动所激起，对构架的疲劳损伤贡献较大。相比于惰行工况，牵引工况下的构架关键位置的疲劳寿命大幅减少，提出地铁构架设计需要充分考虑电机牵引振动对疲劳寿命影响的重要性。