钢桁梁断面形式对公铁两用桥上列车气动特性影响

钢桁梁断面形式的不同可能会改变桥上列车的气动力,进而影响桥上列车运行安全性和舒适性。为此,以某千米级公铁两用悬索桥为工程为背景,通过风洞试验对三种常用钢桁梁断面形式的桥上列车进行测力、测压试验。研究结果表明,当单列车位于三种钢桁梁断面形式上的上游时,列车的阻力、升力系数无明显差异,而单列车位于下游时,列车的阻力、升力系数有较大的区别;在双车状态下,由于迎风侧列车的遮挡作用,改变了不同钢桁梁断面形式下列车的流场,使得钢桁梁断面形式对背风侧列车影响较小。无论列车位于上游、下游,其三种钢桁梁断面形式下列车的阻力系数、升力系数随风攻角的变化趋势一致。当列车位于上游时,其三种钢桁梁断面形式上列车顶部和底部圆弧过渡段都出现不同程度的流动分离,使得其列车平均风压系数不同;当列车位于下游时,三种钢桁梁断面形式上列车平均风压系数变化趋势一致,说明钢桁梁断面形式对下游列车的平均风压影响较小。列车位于上、下游时,其脉动风压系数会有显著的差异,其脉动风压系数的大小受腹杆布置形式的影响要比梁高的不同更为显著。本文研究结果可为大跨钢桁梁桥的断面形式选取提供参考和依据。

脉动风场下二维高速列车/桥梁气动特性研究

强脉动环境风加剧高速列车周围流场瞬变特性,进而形成强脉动列车气动载荷,直接危及列车行车安全。当列车在高架桥上运行时,环境风-列车-桥梁耦合条件下的列车气动载荷变化将更为剧烈。因此,采用更加真实的风场边界模拟横风作用下高速列车在桥梁上运行时的气动特性、明确不同风场特征下的列车周围流动结构特征显得尤为重要。基于大涡模拟方法,研究了恒定均匀风场、指数平均风场以及指数脉动风场(基于谐波合成法并采用Kaimal风速谱密度模型生成风速时程数据)特征作用下二维车体在10 m高桥梁上的横风气动特性。研究结果发现:不同风场特征下,车体周围流场结构、气动性能存在较大差异。对比指数平均风场,恒定均匀风场下车体背风侧产生一对更加充分发展的漩涡结构;车体的侧向力系数减少16.4%,升力系数增加59.7%,倾覆力矩系数降低23.6%,不同速度剖面对应的2种时均风场下,列车的气动特性出现了显著差异。当采用更为真实的指数脉动风场剖面时,车体表面压力分布呈现差异性变化,车体的侧向力系数增加9.0%,升力系数减少13.4%,倾覆力矩系数增加9.5%,可见脉动风场对桥梁上高速列车的横风气动性能具有较显著的影响。研究成果可为风环境下桥上高速列车的行车安全和限速指挥系统提供技术支撑。

采用弹性车轮的独立轮对有轨电车曲线通过动力学性能研究

采用动力学仿真软件SIMPACK,利用离散刚度阻尼单元模拟弹性车轮的弹性变形特性,建立了三编组现代有轨电车列车动力学计算模型,对比分析了曲线半径R400 m线路条件下弹性车轮在时域和频域内的减振性能,讨论了50~400 m不同半径的曲线线路条件下不同轮对形式的弹性车轮对中间拖车曲线通过性能的影响。计算结果显示:弹性车轮能够减小20~40 Hz、50~70 Hz和180~300 Hz频率范围内的车体垂向振动以及20~550 Hz范围内的车体横向振动。从轮对横移量和轮重减载率看,曲线半径R200 m左右是弹性车轮传统轮对和弹性车轮独立轮对曲线导向能力的分界点;从轮轨横向蠕滑率、轮对摇头角、脱轨系数和轮轴横向力看,曲线半径R100 m左右是分界点。

轴向流作用下均布非线性弹簧支承二维壁板的复杂响应

考虑刚性导流段和尾流段对流场的影响,建立轴向流作用下二维板的非线性流固耦合运动控制方程,用有限差分法对控制方程进行离散。为了克服差分网格较多时带来的计算规模较大的问题,对控制方程用主模态缩减法缩减自由度,然后对离散方程进行数值积分,得到系统的复杂响应,分析其分岔和混沌特性。计算结果表明,以来流流速幅值和阻尼参数为可变参数时,系统具有极其复杂的动态响应,通过分岔图、相图和庞加莱截面图等方法判断了系统多种形式的周期、拟周期和混沌运动,在以来流流速幅值为可变参数时,系统一开始经由周期倍化分岔的方式进入混沌;在以阻尼系数为可变参数时,经由倒周期倍化分岔的方式从混沌运动退回到周期振动。

等效锥度非线性研究及其在踏面设计中的应用

为研究等效锥度非线性特性对车辆系统动力学和磨耗性能的影响,提出可以用于踏面优化设计的非线性特性建议指标。通过对轮轨关系进行细致推导,应用踏面逆向设计快速递推算法,得到具有不同等效锥度非线性特性的踏面,对不同踏面的轮轨关系进行分析。建立车辆系统动力学模型和基于Archard理论的磨耗预测模型,对不同非线性特性踏面的临界速度、横向平稳性、磨耗性能进行对比分析。研究结果表明:非线性因子值过高或过低都会导致临界速度下降,但该指标过高对临界速度影响更大,最大降幅可达20%;等效锥度非线性特性还会影响到踏面的磨耗发展,踏面的初始非线性因子越高,名义等效锥度在磨耗过程中的增长越慢,对延长车轮服役周期是有利的。综合动力学性能及磨耗性能,建议高速列车踏面的非线性因子应取尽可能接近于0的负值。在这一结论的指导下,对S1002CN踏面进行优化设计,得到名义等效锥度为0.1,等效锥度非线性因子为0.013(与S1002CN持平)、-0.002的优化踏面S1002CN_opt1、S1002CN_opt2,优化踏面S1002CN_opt2与S1002CN相比临界速度和横向平稳性有所优化,同时磨耗性能也有所提升。S1002CN_opt2与S1002CN_opt1之间的等效锥度非线性关系在动力学性能及磨耗性能中的表现证明以等效锥度非线性因子限值指导踏面进行优化设计的可行性,研究结果可为踏面设计及轮轨关系研究提供参考。

高速列车过站时高架站房楼盖表面风压分析

研究目的:大跨度高架站房结构向着更轻、更柔的趋势发展,高速列车气动力所引起的站房结构表面风压变化是站房抗风设计中不可忽视的重要因素。为了探究高速列车通过大跨度高架站房结构时楼盖表面的风压特性,采用CFD数值模拟,基于Fluent动网格技术,对时速350 km的高速列车以单、双线运行形式通过大跨度高架站房时楼盖表面的风压特性展开数值模拟仿真研究,分析楼盖表面风压的时程特性及其空间分布特性。研究结论:(1)与高速列车单线运行相比,双线列车跨中交会运行时所产生的列车风叠加效应对楼盖底面风压幅值有显著影响;(2)相较于列车单线运行的工况,列车交会运行时跨中区域各测点的头波正、负风压极值均有较大程度增加,其中测点正、负风压极值的最小增幅都有62.30%和64.36%;(3)本研究结果可为进一步优化大跨度车站结构的抗风设计提供参考。

制动装置推出刚度对轨道交通车辆振动性能的影响

[目的]电机械制动是采用电机控制丝杆驱动,实现推杆的推出动作使闸瓦与车轮接触,完成制动力传递与摩擦制动的一种制动方式。需要研究这种新型制动方式对轨道交通车辆振动性能的影响。[方法]介绍了电机械制动器和空气制动器的基本结构组成,并对两种制动器进行了推出刚度测试和线路振动试验测试,分析了制动器推出刚度对车辆颤振的影响。[结果及结论]刚度测试发现,因电机械制动器采用了电机驱动方式,未采用空气制动器的气孔活塞,故电机械制动器的推出刚度在常工作区内远大于空气制动器且存在非线性特征。在制动器装车后的线路试验中发现,与装用空气制动器相比,装用具有大推出刚度的电机械制动器会加剧车辆的制动颤振现象,其关键部件的振动加速度也会增大。综合各项研究结果,建议降低电机械制动器的推出刚度,保证车辆实现平稳安全的制动过程。

针对高速车辆线性稳定性的等效锥度运用限值确定方法

为制定合理的轮轨匹配等效锥度运用范围,避免高速车辆出现蛇行失稳现象,提出一种基于模态分析的轮轨匹配等效锥度合理运用限值确定方法。首先,基于车辆系统动力学理论,建立包含21个自由度的高速车辆系统横向动力学模型;其次,采用模态分析计算车辆系统模态参数(模态频率、阻尼比和振型),并提出基于最小模态距离的蛇行频率连续跟踪算法;然后,利用车辆系统模态最小阻尼比判断模态振型,对轮轨匹配等效锥度和速度进行协同变参计算,确定等效锥度运用限值;最后,从模态视角研究车体蛇行失稳的发生机制。结果表明:在广域轮轨匹配关系下,转向架蛇行失稳和车体蛇行失稳区域均具有清晰的边界,且二者不邻接;对于车体蛇行失稳而言,频率耦合不是唯一决定因素,频率耦合速度也是决定因素之一,当频率耦合发生在较高速度下时易发生车体蛇行失稳。采用该方法,确定所构建的高速车辆模型在350 km·h^(-1)车速下的等效锥度运用限值为0.07~0.41。

动力集中动车组动力车前后横向平稳性差异研究

针对动力集中动车组动力车现场运行前、后横向平稳性差异问题,基于动力学仿真分析方法研究其形成机理与影响因素,并提出减缓措施。采用Simpack软件建立某型动力车的动力学模型,对比抗蛇行减振器斜对称与开口向外两种布置方式,分析关键悬挂参数对车体前端和后端横向平稳性影响,并采用模态分析法研究抗蛇行减振器横向安装角对蛇行模态稳定性和车体横移摇头模态相位差的影响;以线性稳定性和车体前、后端横向平稳性指标为优化目标,对抗蛇行减振器阻尼、等效串联刚度以及横向安装角进行多目标优化,并根据计算结果对优化参数进行Sobol全局敏感性分析。结果表明:抗蛇行减振器采用斜对称布置方式时,车体前端与后端的横向平稳性差异受悬挂参数影响较小,横向安装角对动力车横向稳定性不敏感;采用开口向外布置方式时,抗蛇行减振器适当横向安装角度显著降低甚至消除车体前端和后端横向平稳性差异,且车体横向平稳性和线性稳定性对横向安装角均较为敏感,建议优化横向安装角2°~6°。

涡流发生器安装角度对高速列车尾车气动特性影响研究

更高速度运行给高速列车尾车的平稳性和安全性带来了更大挑战,亟待开展尾车气动减阻降升技术研究。通过抑制高速列车尾涡结构的发展,探究涡流发生器控制下高速列车尾部流场结构的变化和其气动性能的改变。采用数值仿真方法研究3种不同角度涡流发生器对高速列车尾部流场的影响,分析涡流发生器作用下高速列车尾部表面压力分布以及周围流场速度变化规律,确定列车明线运行尾涡控制的涡流发生器安装角度。研究结果表明:涡流发生器提升了高速列车尾车流线型头部区域表面压力,并对列车尾流区域流场产生了显著影响,减小了列车的压差阻力和气动升力。尾车鼻尖点附近低速区域远离鼻尖点,并向更远处发展。随着安装角度增加,涡流发生器生成的漩涡结构对高速列车尾涡的作用更加明显,尾车表面压力提升的面积也逐渐扩大。3种不同角度的涡流发生器对高速列车的尾涡均有抑制作用:安装角为75°时,尾车气动减阻3.94%、升力减少22.69%;安装角为60°时,尾车气动减阻2.78%,升力减少20.82%;安装角为45°时,尾车气动减阻1.47%,升力减少14.46%。提出的涡流发生器抑控方法可有效减弱高速列车尾涡强度,改善尾车流线型区域压力分布,继而改善尾车气动性能。研究成果可为更高速列车的尾迹流动研究提供参考。

高速列车轴箱轴承载荷反演模型及关键参数优化匹配

卡尔曼滤波作为状态最优估计算法,可应用于高速列车轴箱轴承载荷反演中,准确建立反演模型的同时,滤波参数的选取也是反演的关键。首先推导了转臂轴箱装置的17自由度垂向和横向车辆动力学模型,提出并验证了基于卡尔曼滤波算法的轴承载荷反演方法,分析并确定了模型关键参数的选取,采用自适应小生境遗传算法对其进行多目标多参数优化,最后利用SIMPACK建立一致的车辆动力学模型,计算模拟车辆在施加有轨道随机不平顺的直线上恒速运行,验证反演效果。结果表明,优化了的参数可大幅提升反演效果,验证了轴承载荷反演模型和自适应小生境遗传算法对滤波参数优化方法的正确性,为高速列车轴箱轴承载荷反演及关键参数优化提供方法和经验。

柔性车体与构架对车辆振动响应的影响分析

文中为在车辆多体动力学仿真中将车体和构架考虑成柔性体,使用有限元子结构分析,对车体和构架有限元模型进行缩减。通过刚柔耦合多体动力学仿真,获得车辆线路实际测点处振动加速度响应,并与实测数据进行对比,研究柔性车体与构架对车辆振动响应的影响。研究结果表明:相对于多刚体动力学模型,将车体和构架柔性化处理后进行仿真,车辆在更多频率处的振动响应会增大,计算得到的测点振动加速度均方根值也更大,与实测数据更接近,证明了在进行车辆系统动力学分析时将车体和构架考虑为柔性体的必要性。

升力翼对列车气动特性及运行安全性的影响研究

为探究升力翼高速列车的可行性,结合列车空气动力学和车辆多体系统动力学理论,建立了有/无升力翼高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型,对有/无升力翼高速列车在明线无风及横风运行环境下的气动特性及运行安全性进行了仿真研究。研究结果表明:安装升力翼可提升高速列车的气动升力及升阻比,但气动阻力也大幅度增大;有/无翼高速列车周围流场特性差异较大,安装升力翼后列车表面压力分布及流线流向改变,列车滑流速度峰值增大,两侧及尾流区域速度分布改变。横风下列车表面压力分布及背风测涡脱结构改变,头车受到的气动阻力、升力、侧力及点头力矩相比于无翼时有明显的增大,升力与侧滚力矩差异明显,侧滚力矩方向改变且数值增大,摇头力矩变化很小。明线无风下,安装升力翼能够减小6%~13%的轮轨垂向力,其中尾车由于气动升力最大,轮轨垂向力减幅最显著;运行速度在450 km/h及以下时升力翼高速列车能够安全平稳运行,运行速度在500 km/h时升力翼高速列车轮轨垂向力和轮重减载率超限;影响安全性的主要原因是升力翼扩大了各节车之间气动载荷的差异,升力翼的气动布局有待进一步改善,建议减小头车和尾车的升力;横风环境下,升力翼高速列车头车受到升力、侧力及侧滚力矩数值明显增大,运行安全性恶化,横风安全域缩小。

不同级别横风下虚拟轨道车辆动力学性能研究

为了研究虚拟轨道车辆在不同级别横风下的动力学性能,基于非线性胎地耦合关系建立了3编组虚拟轨道车辆多体动力学模型,研究虚拟轨道车辆在AW0和AW3状态下,不同级别横风对其胎地垂向力、抗倾覆稳定性、抗侧滚性能等主要动力学指标的影响。结果表明:AW0状态且低速工况下,不同风级的风载和运行速度对各编组车辆影响较小,车辆动力学性能等指标基本一致;AW3状态下,各个指标值均随着运行速度和风级的提高而增大,且AW0状态下车辆的抗倾覆稳定性总体上优于AW3状态;针对各编组车辆而言,中间车的抗侧滚性能优于头车和尾车,其中尾车的抗侧滚性能最差,但各编组之间的抗倾覆稳定性相差不大。

高速列车在艰险山区铁路长大隧道运行时的乘坐舒适性研究

为探讨艰险山区铁路长大隧道特殊线路环境对高速列车乘坐舒适性影响,考虑隧道内沿线高地温分布情况,建立列车隧道运行的计算空气动力学数值仿真模型和列车多体动力学模型,分析隧道温度和海拔高度对列车在长大隧道运行时车内压力及列车运行平稳性的影响规律。结果表明,在高地温隧道环境下,车内压力变化幅值最高下降13.2%,车体横向振动加速度仅在交会时减小,列车运行平稳性指标最高下降3.36%;随着海拔上升,车内压力变化幅值呈线性下降,列车运行平稳性指标减小,车体横向振动加速度仅在进出隧道及交会时减小。研究结果对保证高速列车在艰险山区铁路隧道运行时乘坐舒适性具有重要指导价值。

基于Maxwell-LSTM的抗蛇行减振器混合建模方法研究

列车车轮踏面在实际服役环境下的磨损,会提高抗蛇行减振器的工作频率。传统动力学仿真使用的Maxwell模型在模拟高频状态下的抗蛇行减振器动态特性存在挑战。而能够准确拟合高频状态下的抗蛇行减振器动态特性的物理参数模型存在计算效率低下、无法在多体动力学仿真中运用的问题。文中提出一种Maxwell等效参数模型和LSTM神经网络耦合的减振器混合建模方法,在传统Maxwell模型基础上,通过LSTM神经网络捕捉输入变量自身变化特性,间接考虑外部激励的频变与幅变以应对上述挑战。为证明该混合建模方法的可行性,将使用该方法训练好的混合模型与台架试验结果、非线性的刚度阻尼分段Maxwell模型进行对比。结果表明:相较于分段Maxwell模型,LSTM混合模型在计算效率基本一致的前提下,高频激励下混合模型误差平均降低22.31%,高幅值激励下混合模型误差平均降低26.89%,动态刚度误差平均降低26.35%,动态阻尼误差平均降低21.01%。可以得出结论,LSTM混合模型在表征减振器高频高幅值下的动态特性具有优势,基于Maxwell-LSTM的抗蛇行减振器混合建模方法可以解决传统动力学模型计算效率和计算精度之间的矛盾,更适合用于各类工况下的车辆系统动力学仿真。

抗蛇行减振器布置对动力车横向动力学性能影响及机理研究

为解释国内某同等级两种不同款动力集中动车组动力车实际运行中表现出的横向平稳性特征差异,针对该动力车分别采用四种抗蛇行减振器布置方式进行动力学仿真对比研究。通过Simpack软件建立整车动力学模型,分析抗蛇行减振器横向安装角对车体前后端横向平稳性及其差异的影响,利用模态分析法探究其对蛇行稳定性与车体横移摇头模态相位差影响。此外,引入抗蛇行减振器附加横向力与力矩相位角,以阐释布置方式对动力车横向平稳性影响机理。结果表明:对于抗蛇行减振器开口向内布置,减小横向安装角对动力车横向动力学性能有利;开口向外布置时,适当的横向安装角有利于改善横向平稳性和蛇行稳定性,明显减小甚至消除车体前后端横向平稳性差异;斜对称和反斜对称布置时,横向安装角对动力车横向动力学性能影响较小,但易形成较大的车体前后端平稳性差异。建议该B0-B0型动力车采用抗蛇行减振器开口向外布置,且横向安装角的选取范围为3°~5°。

公铁两用运输车连挂冲击下的纵向载荷传递规律研究

针对中国拟自助研发设计的公铁两用运输车,在编组连挂时由车钩经转向架传递至车体的载荷,其传递路径及规律尚不明确的问题,进行了试验测试与仿真研究。该车型的转向架在纵向能传递载荷的部件包括牵引板与抗蛇行减振器装置,需掌握载荷传递路径及其大小以便为后续结构部件的强度考核提供支撑。试验中,对转向架可能传递纵向载荷的部件进行了布点和载荷测试。仿真研究中,根据铁道车辆多体动力学理论与建模方法,建立了3车体4转向架的编组模型,模拟碰撞机车为含质量与速度的简化质量块。建立了抗蛇行减振器装置的力学模型,其力学结构为阻尼与刚度的串联模型;而构架到车体的纵向连接部件为牵引板⁃抗蛇行减振器装置的并联结构。运用多体动力学软件SIMPACK进行求解。结果表明:车钩与牵引板所受纵向载荷会随着碰撞体冲击速度的增大而增大,仿真结果略小于试验结果,但规律一致,且牵引板所受冲击载荷小于车钩载荷;而抗蛇行减振器装置结点几乎不受纵向载荷,与牵引板受载相比可忽略不计。由试验与仿真结果对比分析,明确了冲击载荷经车钩传递至车体时,几乎完全通过转向架上的牵引板传递,抗蛇行减振器装置作用很小,相关结果能够用于该车结构的优化设计及为部件强度校核提供载荷谱。

低地板有轨电车平稳性影响要素分析

针对某低地板有轨电车在车辆设计阶段平稳性指标超标的问题,从车辆参数和轨道激励两个方面进行原因探析。通过对车辆关键参数的优化分析可知:降低二系刚度和阻尼能够适当地改善车辆的运行平稳性,但过小的刚度和阻尼在工程应用中难以实现。通过对美国五级谱和德国高干扰谱进行时频域特征分析可知:轨道谱短波高频振动能量较大是有轨电车平稳性超标的原因,建议定期对钢轨进行打磨,以此来控制轨道短波的振动能量。

地铁车辆以磨耗车轮通过钢弹簧浮置板轨道时的较好平稳性速度

[目的]为使地铁乘客获得较好的乘车体验,探究轨道线路铺设浮置板时车体平稳性较好的通过速度区间。[方法]利用仿真软件建立了地铁车辆-浮置板轨道-路基的动力学模型,分析了标准车轮及磨耗车轮通过地铁有无钢弹簧浮置板轨道时的车体振动状况。对比了不同速度条件下,增设浮置板前后车体垂向平稳性指标时域及频域的变化;对比了车体在浮置板轨道系统下,车体以磨耗车轮与标准车轮通过时,车体的垂向振动加速度等参数时域及频域的变化规律。[结果及结论]不同速度时,浮置板会使列车的平稳性指标增大,相比无浮置板时平均增长了5.8%;横向平稳性指标在速度低于60 km/h时,其对平稳性指标有减小作用。浮置板系统中,磨耗车轮的存在会加剧车体垂向振动,这种现象在列车高速行驶时表现更突出。地铁车辆通过轨道时的垂向振动加速度频率主要集中在低频区段的0~10 Hz,横向振动加速度频率区段主要集中在0~30 Hz。地铁车辆通过存在浮置板路段且速度在48~60 km/h区间时,磨耗车轮的车体垂向平稳性指标在1.8左右,横向平稳性指标在1.1左右,数值均较低,即车体振动及横向运动较小,平稳性较好。