基于Sobol'法的动车组车体弹性异常振动全局灵敏度分析与优化

为治理动车组车体弹性异常振动问题,首先,结合车辆系统工作变形测试分析、车体模态测试分析和车辆刚柔耦合动力学模型仿真分析探究车体异常振动成因;随后,以转向架蛇行最小阻尼比为目标函数,基于Sobol'全局灵敏度分析方法分析关键参数全局灵敏度,依据各参数总灵敏和一阶主灵敏度筛选影响转向架蛇行稳定性的重要参数,并基于车辆系统刚柔耦合动力学模型对筛选出的参数进行优化;最后,对优化前后车体的弹性振动进行对比验证。研究结果表明:转向架的蛇行频率接近车体菱形模态频率的同时,转向架的蛇行模态阻尼比也减小到接近于零,蛇行稳定性裕量明显不足,从而引起转向架的蛇行与车体菱形同步运动,导致车体菱形模态振动放大,发生车体的弹性异常振动现象;参数优化后,车体的菱形模态振动能量明显降低,有效抑制了车体弹性异常振动;Sobol'法可有效评估参数灵敏度,提高优化效率,可为车辆设计和参数优化等问题提供参考。

基于自适应响应面法的地铁车辆空压机框架结构优化设计

[目的]建立地铁车辆空压机框架的有限元模型,通过模态试验和振动测试进行校核,发现干燥器框架垂向弯曲模态频率与电机倍频相重合,且隔振率较低。在满足模态频率和隔振率要求的前提下,综合有限元法与最优化技术,对空压机框架进行结构优化设计。[方法]以空压机框架厚度为优化变量,首先进行DOE(试验设计),获取不同的空压机框架样本,通过移动最小二乘法建立空压机框架近似模型。基于此近似模型,以框架垂向一阶弯曲模态频率、干燥器框架垂向弯曲模态频率和隔振率为优化目标,通过自适应响应面法进行优化设计,得到框架参数的最优方案。[结果及结论]与优化前相比较,优化后的框架垂向一阶弯曲和干燥器框架垂向弯曲模态频率与轨道激励频率(一般为15.0 Hz)、电机旋转基频(24.5 Hz)及倍频相差3.0 Hz以上,达到最佳可避免共振条件,且隔振率能够提高20%~25%,而总质量仅增加6%。

高速动车组车辆系统刚体模态频率转向研究

高速动车组车辆系统模态空间内模态参数演进规律是车辆系统物理空间中响应特性变化的基因。基于局部寻优算法,以车辆系统复模态振型的欧式贴近度为度量指标,提出车辆系统自适应模态连续追踪方法。建立高速动车组车辆系统23自由度动力学模型,对车辆系统模态参数随运行速度变化的演进规律开展研究,并通过虚拟激励法求解系统响应,进一步探讨模态空间中模态参数的演进与物理空间中的多模态耦合响应特性的映射关系。结果表明:所提出的模态追踪方法可依据复模态振型的欧式贴近度自适应速度步长,准确清晰地追踪车辆系统各阶模态;随着速度的提高,以转向架蛇行运动振型为主的模态频率提升至接近以车体下心滚摆和上心滚摆振型为主的模态频率时,模态频率曲线间并未出现交叉,而发生了先趋于集中而后转向分离的“频率转向”现象;车体横向振动的功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)在低频处的幅值明显增大,所对应的频率分别接近于频率转向前车体的下、上心滚摆频率;在频率转向区中,发生“频率转向”的2阶模态振型均主要表现为2阶振型的耦合形态,且其中1阶模态的阻尼比降低,使得耦合模态对应的系统物理响应明显放大,即转向架蛇行和车体下(上)心滚摆耦合模态响应显著增大;平稳性分析结果表明,在频率转向区处高速动车组车辆系统运行平稳性出现明显劣化。研究成果可为轨道车辆模态参数设计和运营速度规划提供参考。

基于参数化功率谱估计的车轮多边形动态识别

由于传统频谱估计方法存在固有缺陷,对车轮多边形振动频率的识别容易产生较大误差,尤其对于初期车轮多边形的识别更是困难。为解决上述问题,基于参数化功率谱估计理论,提出一种车轮多边形动态识别方法。首先,根据车轮多边形的动态特性,建立了谐波频率恢复模型;其次,基于奇异值分解法与归一化误差分析对谐波恢复模型的阶数进行确定;然后,采用总体最小二乘法对谐波恢复模型的参数进行计算;最后,根据Cadzow估计理论对异常磨耗信号进行功率谱估计,并以某地铁车辆的轴箱垂向振动加速度实测信号为例,对该方法的可行性与正确性进行了验证。结果表明:该方法可基于短时序列数据实现高精度频域估计,且对谐波信号敏感,尤其适用于早期车轮多边形异常磨耗信号的识别。

基于迭代修正DFT的车轮多边形磨耗状态识别

受车辆变速运行、轨道随机不平顺等因素的影响,轨道车辆的运行过程为典型的非平稳过程。由于传统方法对于非平稳信号的处理不理想,使得车轮多边形磨耗阶次与幅值的准确识别比较困难。为提高车轮多边形磨耗状态的识别准确度,提出了一种基于迭代修正离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,简称DFT)的动态识别方法,采用车辆处于相对稳定速度运行时产生的轴箱垂向振动加速度信号进行分析。首先,通过设定适当的平稳性检验条件,从样本信号中抽取出部分相对平稳的短时信号;其次,对所抽取的短时信号进行频域分析与迭代计算,获得各阶车轮多边形的振动频率与振动周期;然后,根据振动周期的长度对所抽取的短时信号进行二次截断,获得代表各阶车轮多变形振动周期整数倍长度的新短时信号;最后,结合车轮多边形的几何特征与动态特性,对抽取的新短时信号再次进行频域分析与磨耗参数(阶次、幅值)计算,进而实现对车轮多边形磨耗状态的准确识别。分析表明,该识别方法有效减少了传统分析方法中因栅栏效应和频谱泄漏等固有缺陷导致的识别误差,可消除大部分非平稳因素的干扰,为轨道车辆的安全运行维护提供理论支持和方法参考。

轨道车辆运行平稳性评价算法一致性分析

国内外轨道车辆运行时振动相关舒适性评价基于ISO2631-1、UIC513以及GB/T 5599标准,其中我国广泛采用的GB/T 5599-2019规范中的Sperling指标算法,将采样时间由1985版本的18~20 s缩短为与UIC513标准相同的5 s,引起相同测试数据的平稳性指标结果增大的问题。分析上述三种运行平稳性及舒适性指标算法,通过车辆线路实测数据与仿真数据相结合,研究不同算法关于采样时间长度的指标一致性及其机理,采用频率分辨率量化了非平方加权谱由于时频能量转换不对应导致的指标结果不稳定现象,基于此提出相应的平稳性指标一致性修正算法。结果表明:ISO2631-1与UIC513标准算法基于振动数据时频域转换的能量对应性,其计算结果与采样时间长度不相关,而GB/T 5599中采用的频域立方值算法因不满足能量一致性原则,在栅栏效应和能量泄露的影响下,缩短采样时间使得加速度频谱幅值增大,进而引起运行平稳性指标增大。提出的基于统一频率分辨率的平稳性指标一致性修正算法,并经动力学仿真数据验证有效,这为完善轨道车辆动力学分析与测试中振动舒适性的相关算法与评估限值制定提供理论依据。

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。

基于KDE的构架应力谱外推与疲劳寿命评估

获取动应力谱是对车辆结构进行疲劳分析的重要前提,其分析结果的准确性受动应力谱的完整性和充分性的影响。在保留载荷的概率分布特征的前提下,有必要将动应力测试数据从小样本外推至大样本。对转向架构架的应力谱外推和疲劳寿命评估进行了研究,并以某地铁转向架测点为分析案例。首先,对二维核密度估计(kernel density estimation,简称KDE)中最优带宽的确定方法进行了讨论;其次,提出了采用矩阵型灰色关联度分析方法对外推前后的雨流矩阵的接近性关联度与相似性关联度进行量化评价;最后,提出基于多样本核密度动应力谱外推的疲劳寿命评估方法。结果表明:与基于实测数据的评估结果相比,基于核密度外推的疲劳寿命评估结果的相对误差为-4.17%,安全运营里程减少了2.13×104km。基于核密度估计的外推精度满足工程实践的要求,且评估结果更偏于安全,对保证车辆安全运营十分有益。

基于模态连续追踪的铁道车辆车体低频横向晃动现象研究

基于Lagrange三次样条插值原理,给出不同速度下车辆系统模态频率的连续追踪方法,并对不同速度下轮对、转向架、整车系统模态进行分析及变化规律的研究,根据模态阻尼异常变化前后相应模态的耦合振动特征,探讨铁道车辆车体低频横向晃动时的阻尼跳变现象及机理,提出基于振型相似度的车体低频横向晃动判定指标。结果表明,本文提出的模态追踪方法能够稳定、准确追踪车辆系统各阶模态;轮对模态频率接近车体模态频率是出现车体低频横向晃动的必要非充分条件,轮对模态与车体模态间的振型切换是车体低频横向晃动的本质原因;将振型相似度作为车体低频横向晃动的判定指标是合理、有效的。

轨道车辆振动实测环境的谱归纳技术

轨道交通车辆振动加速度实测数据具有很强的非正态性,利用约翰森法则改进振动数据归纳标准,并提出具有普适性的振动环境谱归纳技术.利用实测数据进行计算,对比改进前后方法的差异,并检验该归纳技术的普适性.结果表明,改进的方法能适应非正态环境,归纳谱能反映实际振动情况.

铁道车辆车下设备新型减振器设计研究

利用碟形弹簧在一定条件下可以产生负刚度的特性,将碟形弹簧与橡胶弹簧并联,设计出一种可以实现垂向与横向刚度分离的车下设备新型减振器,并运用谐波平衡法对车下设备新型减振器进行传递特性分析。建立包含车体弹性的高速动车组车辆刚柔耦合动力学模型,基于车辆运行平稳性最优原则,计算获得车下设备垂向与横向最优吊挂刚度,并据此设计新型减振器参数。将车下设备采用新型减振器的车辆与车下设备采用传统橡胶减振元件的车辆进行对比分析,结果表明,前者的垂向与横向运行平稳性及车体振动加速度功率谱明显优于后者,所设计的新型减振器能够有效降低车体的弹性振动,改善车辆的运行平稳性。

高速列车受电弓气动噪声分布特性及仿生降噪研究

随着列车运行速度的提高,列车产生的噪声对周围环境产生的影响愈发严重。高速列车受电弓位于车顶,其产生的气动噪声成为高速列车主要噪声来源之一。选取某典型受电弓结构建立受电弓的流体及气动噪声的仿真分析模型,通过大涡模拟方法计算流场场量的分布特征及气动噪声大小。根据仿真分析结果研究受电弓气动噪声产生的机理,并在此基础上引入翼缘仿生结构对当前受电弓结构进行优化改进。研究结果表明,仿生优化后的受电弓能够有效降低受电弓尾涡脱落量,降低了气动噪声,并且其宽频噪声品质表现较好,具有比较良好的空气动力学性能。另外,优化后的受电弓适当的提高了受电弓的升力,可以减小跳网情况的发生,有助于受流稳定,具有一定的工程参考价值。

基于动应力时域外推的构架疲劳寿命评估方法

获取具有代表性的动应力时域信号是对车辆进行结构疲劳分析的重要前提,仅依靠短时间测试所得的动应力时域信号进行疲劳寿命评估,其结果并不能反应结构在较长时间历程,甚至是全寿命周期下的抗疲劳服役性能。以某动车组转向架转臂定位安装座焊缝附近的某测点为算例,提出了基于极值理论的动应力时域外推的疲劳寿命评估方法。首先,选取该测点在镟轮初、中、末期的3组动应力时域信号,对其进行前处理与等权重组合;其次,应用极值理论对组合样本信号进行尾部概率分布拟合,并对模型的拟合优度进行检验;然后,根据拟合的概率分布函数对动应力样本进行相应倍数的时域外推,获得长时载荷作用下的动应力时域信号;最后,采用外推后的动应力时域信号进行疲劳寿命评估。结果表明:相比于常用的线性外推方法,基于时域外推方法的疲劳损伤增加了0.168%,安全运营里程减少了2670 km,评估更偏于安全。

基于随机振动环境归纳的车辆设备疲劳寿命估计

针对车辆设备疲劳寿命估计时的复杂振动环境特点,提出一种适用于车辆设备的随机振动环境归纳方法,并基于此归纳方法给出了一种车辆设备疲劳寿命估计流程。通过参数假设检验合并振动环境数据,估计样本的容差上限,得到实测谱和规范谱。以某型地铁车辆轴箱吊耳疲劳断裂为例,对实测应力进行统计分析,并将实测谱和规范谱作为激励,仿真计算吊耳的疲劳寿命。结果表明,相比于实测应力下的疲劳结果,实测谱和规范谱的仿真结果的相对误差分别为1.8%和4.1%,证明提出的振动环境归纳方法及疲劳寿命估计方法可靠性高,可为实际工程应用提供参考。

高速动车组车下设备悬挂系统的解耦优化设计方法研究

基于动力吸振理论,优化设计高速动车组车下设备固有频率,并研究车下设备耦合振动对车体振动性能的影响及其机理。随后分别提出了两种车下设备悬挂系统的解耦优化设计方法——正向解耦法和逆向解耦法。以解耦度和最优频率为优化目标,以橡胶元件三向刚度为约束条件,优化设计了橡胶元件的三向刚度。两种优化方法对比分析表明,车下设备以浮沉振动为主的振型均可获得良好的解耦度,振型频率可保持在最优设计频率附近,悬挂系统减振效果明显。与正向解耦法相比,逆向解耦法计算速度较慢,但设计效果更好,减振效果更佳,在实际运用中,可根据具体的计算速度与设计效果要求,合理选择解耦优化方法。

多重动力吸振器对高速列车地板振动的控制

针对某高速动车组线路运行时出现的地板局部振动问题,通过线路试验发现地板在33 Hz附近存在局部振动放大现象,为解决该问题,基于多自由度结构振动原理,建立包含多重动力吸振器(MDVAs)的地板振动控制模型,分析了多重动力吸振器控制地板振动的最优调谐参数,并对动力吸振器控制效果进行了验证。结果表明,安装位置会对控制效果产生明显影响,吸振器安装应尽量选择振型最大处安装,吸振器参数的控制效果不会随参数变化而无限增加。采用地板动力吸振方案可有效降低目标频率处的振动,地板时域最大峰值下降约66%,舒适度指标降低0.3。

高速列车低频晃车在线检测及控制

结合先进信号检测技术和主动惯容元件,提出一种针对高速列车低频晃车的在线检测及控制方法。利用经验模式分解(EMD)和Hilbert变换对实测晃车信号进行特征提取,并定义谱能比为检测指标;在建立车辆横向动力学模型的基础上,采取主动惯容式车体控制策略。结果表明,非晃车段和晃车段的加速度谱能比相差55%,该方法对晃车信号有强分辨力;与传统悬挂相比,主动惯容式车体控制策略能显著降低晃车特定频段的频响幅值,车体振动加速度的均方根值降低了53%。

基于人体敏感频率的二自由度动力吸振器研究

从振动对人体生理影响出发,结合平稳性权重函数和实测高速动车组功率谱密度,指出对车体刚性振动控制的重要性。提出采用基于加速度的二自由度动力吸振原理,设计抑制车体浮沉及点头振动的二自由度吸振器。建立典型高速动车组单车垂向动力学模型,采用虚拟激励法及平稳性快速算法分别计算车体响应加速度功率谱密度及运行平稳性。研究结果表明,二自由度动力吸振器对车体浮沉及点头振动具有良好的抑制作用,能够提高车辆运行平稳性,当二自由度动力吸振器实现最优同调时,对点头及浮沉振动的抑制效果最佳。

基于自适应响应面法的动车组牵引变压器弹性吊挂设计

针对某型动车组原始吊挂刚度下车体地板振动较大导致乘坐不舒适的现象,对动车组牵引变压器吊挂刚度进行优化设计。在优化设计过程中,采用拉丁超立方设计方法进行采样,根据所得的样本数据,引入自适应响应面法对变压器吊挂刚度进行优化设计,避免了传统响应面法完全依赖于最初样本点的问题。对优化设计后牵引变压器吊挂刚度的减振效果进行验证,车体地板垂向振动加速度得到大幅度降低;计算得到吊挂频率为9.0 Hz,远小于刚性吊挂时车体一阶垂弯频率;并且模态分析后一阶垂弯模态频率保持在10 Hz以上,符合动车组模态匹配要求。

钢轨波磨对地铁车内噪声影响的试验研究

钢轨波磨问题在地铁日常运营中日益突出,这不仅会损伤钢轨,也会增大列车通过时的车内噪声,从而严重影响列车的乘坐舒适性。针对这一问题,以某地铁实际运营线路为研究对象,测试了某区段的钢轨波磨以及列车通过时的车内噪声,并对钢轨进行打磨后再次进行钢轨及噪声测试。通过对测试结果进行对比分析发现,该区段钢轨主波长为25mm及40mm的波磨较为严重,导致列车以65km/h通过时车内噪声在440Hz、710Hz附近幅值很大,列车通过钢轨波磨区段时司机室及客室内噪声A计权声压级明显增加,最大增幅可达20dB(A);打磨后钢轨表面波磨得到明显改善,400~800Hz范围内的轮轨噪声显著降低,司机室及客室噪声A计权声压级最大值显著降低,比打磨前分别降低了10.2dB(A)和11.3dB(A)。