高速列车主动横向悬挂系统Hopf分岔特性

为研究采用主动横向悬挂的高速车辆系统Hopf分岔特性,建立整车横向简化7自由度非线性动力学模型,基于传统天棚控制原理提出天棚/地棚阻尼和刚度非线性控制律,即将二系横向减振器的理想主动力表示为车体或转向架横向位移和速度的三次多项式函数,理论研究状态反馈量和控制增益对车辆系统蛇行运动Hopf分岔速度、极限环幅值和频率的影响规律.结果表明:被动悬挂难以兼顾车辆一次和二次蛇行失稳工况;地棚阻尼和刚度控制律中一次项和三次项增益对一次蛇行分岔特性影响很小;优化地棚阻尼和刚度控制律一次项增益可提升二次蛇行失稳临界速度,其中地棚阻尼控制律提升效果更为显著;优化地棚阻尼控制律三次项增益可以显著降低极限环幅值且不改变蛇行频率,而地棚刚度三次项增益则不影响系统蛇行分岔特性;优化天棚阻尼和刚度控制律中一次项增益能够有效抑制一次蛇行,主要原因是改变了车体悬挂模态阻尼比和频率,然而天棚刚度控制会降低二次蛇行临界速度;综上,合理设计天棚/地棚阻尼和刚度控制律及参数,能够有效调控车辆系统分岔速度及极限环幅值.研究可为基于主动横向悬挂技术的动车组蛇行稳定性和运行平稳性协调控制研究提供理论依据和参考.

高速列车主动抗蛇行减振器的模型预测控制

为提升高速列车的线路运行适应性,设计基于抗蛇行减振器的模型预测控制(MPC)方法,实现基于减振器阻尼值实时调节的车辆蛇行运动稳定性控制。建立考虑线性轮轨接触关系的整车横向7自由度简化动力学模型;减振器考虑为理想Maxwell模型,但阻尼系数实时可调;基于模型预测控制理论设计主动抗蛇行减振器,建立目标函数及约束条件,求解最优阻尼系数;仿真分析主动控制条件的蛇行运动稳定性和运行平稳性以及目标函数对控制效果的影响。结果表明:与被动悬挂相比,采用MPC主动抗蛇行减振器能够有效抑制车辆的蛇行运动,使车辆的临界速度提升30%以上。

基于拉格朗日描述的罐车内液体晃动模拟

基于拉格朗日描述的柔性多体系统动力学理论,采用绝对节点坐标有限元方法描述液体大变形运动,开展铁路液罐车内液体晃动模拟研究.本方法能够模拟液体自由表面的连续性变化,并适用于研究具有复杂外形容器的内部液体晃动问题.基于流体力学牛顿体基础理论,推导液体粘性方程和满足体积不可压缩的条件方程;采用基于绝对节点坐标方法描述的实体单元进行液体网格划分;采用罚函数方法描述液体与罐体之间的接触关系,组建液体-罐体耦合多体系统动力学方程.仿真计算液罐车内液体的横向和纵向晃动行为,发现液体自由表面形状呈非线性变化,不同断面处的高度和形状不同.

变轨距货车转向架的动力学分析

建立了考虑轮轴间隙的三大件式变轨距货车转向架动力学模型,研究车辆在准轨和宽轨线路上的动力学性能和LM踏面在不同轨距线路上的轮轨接触关系.考虑轨距为1435mm和1520mm、轨底坡为1/40和1/20、标准和打磨后的多种钢轨廓形与LM踏面匹配,发现LM踏面对两种轨底坡的兼容性较好,而踏面磨耗后对轨底坡变化较敏感;LM踏面在准轨线路上对轮轴横向间隙比较敏感,而在宽轨线路上则不存在这个问题.轮轴之间的横向和旋转间隙会导致车辆临界速度降低,建议控制间隙在0.6mm和0.5mrad以内;轮轴间隙不影响车辆运行安全性和平稳性,且在准轨和宽轨线路上的动力学指标基本无差异.变轨距车辆运行过程中,轮轨横向力和纵向蠕滑力会导致轮轴横向间隙和旋转间隙动态变化,变化量为间隙值;给出轮轴间隙与轮轨载荷的正态分布统计,发现轮轴间隙载荷与轮轨载荷相当.

低效井产能主控因素下的排采设备适应性分析

煤层气井在开发过程中具有连续、有效排采时间较短及维修作业频繁等特点,因此研究煤层气排采设备的适用性尤为重要。采用多层次模糊综合评价法,从资源条件、产出条件和开发条件等3个方面分析了煤层气低效井产能的主控因素,给出了排采设备的适用性评价。分析结果表明:采用多层次模糊评价方法可以得到影响煤层气井产能的5个指标,即含气量、埋深、渗透率、煤粉产出和排采速度;根据5个主要指标可以有针对性地开展煤层气排采制度和工艺的优化工作。针对煤粉产出和排采速度等两个重要因素,对煤层气排采常用的"三抽"设备、螺杆泵、电潜泵和射流泵等排采设备进行了适应性分析,所得结论可为煤层气低效井的排采设备选用提供指导。

深部煤层气开发管壁煤粉黏附特性

针对深煤层地温较高的特点,综合考虑井液流速、管壁粗糙度及井液温度等因素的影响,对深部煤层管壁煤粉黏附机制进行分析,推导出深部煤层气井管壁黏附煤粉最大粒径计算公式,并进行煤粉黏附旋转挂片试验,以揭示深部煤层开发管壁煤粉黏附特性。结果表明:煤粉黏附特性主要受井液流速、管壁粗糙度、温度等因素影响,在其他条件不变时,井液流速增加到1.5 m/s及以上时粒径大于20μm的煤粉颗粒不再产生黏附现象;管壁粗糙度由32μm降到16μm可以使煤粉最大黏附粒径由40μm降到20μm;温度由40℃降至20℃可以使最大黏附粒径由26μm降到20μm。由此揭示深部煤层气井煤粉黏附更为严重的原因,可以为经济有效地解决管壁煤粉黏附问题,制定合理的排采策略奠定基础。

抗蛇行减振器对高速列车稳定性的影响

建立了考虑卸荷特性、节点刚度和内部油液刚度的抗蛇行减振器分段线性Maxwell模型,分析了节点刚度对抗蛇行减振器动态特性的影响,并采用台架试验进行了模型验证。建立了高速列车拖车非线性动力学模型,并进行仿真分析,发现随着车轮踏面等效锥度的提高,保障高速列车运动稳定性所需要的抗蛇行减振器节点刚度最优值也会逐渐增大。对比分析了多种抗蛇行减振器节点刚度下高速列车的运动稳定性,探究了考虑等效锥度变化的抗蛇行减振器节点刚度选择策略。

1435/1520 mm高速变轨距转向架动力学滚振试验研究

开展高速动车组变轨距转向架动力学性能的滚动振动台架试验研究,最高试验速度为600 km/h,包括在准轨1435 mm和宽轨1520 mm轨距线路上的蛇行稳定性、运行平稳性和轮轴横向间隙动态变化情况。准轨线路的钢轨廓形为CN60,轨底坡1/40;宽轨线路的钢轨廓形为俄罗斯P65,轨底坡1/20。试验结果表明,在2种轨距线路上,变轨距转向架的线性临界速度均在600 km/h以上,实际轨道激励下临界速度大于440 km/h,满足线路实际400 km/h运营需求。平稳性指标小于2.0,舒适度指标小于1.5,满足标准限值要求;轮轴横向间隙动态变化量小于0.7 mm。

高速列车谐波转矩振动分析及自抗扰控制

高速列车在实际运行过程中,当路面不平顺、车轮磨耗或者列车由明线运行到突然进入隧道均可能会引起转矩脉动,引起齿轮箱振动加剧。为研究谐波转矩波动幅值对高速列车牵引齿轮箱振动加速度的影响,建立考虑时变啮合刚度、啮合阻尼、啮合误差、齿侧间隙的齿轮传动系统与三相异步动态电机耦合的机电传动系统模型,在Simulink平台上分析牵引传动系统在谐波转矩幅值变化的工况下齿轮箱输入端振动加速度特性。结果表明,谐波转矩增大使齿轮箱振动加速度加大,且横向振动加速度增加最明显。耦合系统叠加混合型自抗扰控制器(ADRC)后,对谐波转矩引起的齿轮箱横向振动具有较好的抑制作用。

高速列车设备舱底板的振动特性研究

为了优化设备舱底板的振动疲劳特性,建立了刚柔耦合多体动力学模型,分析了在武广谱载荷谱的线路条件激励下,底板关键位置的振动和车速的关系。研究发现,车辆设备舱底板的振动总体趋势是随着速度的增加而增加,但是在250km/h的时候,纵向振动幅值会比300km/h的要大。根据动力学仿真结果提取出载荷的大小,进行了有限元强度分析,得到了底板的最大应力和开孔位置的最大应力。滚动台试验数据和仿真结果一致,验证了模型的正确性。最后对底板进行了优化,加厚设备舱底板的厚度。对比发现,优化后的整体最大应力由8.78 MPa减小到4.79MPa,开孔处的最大应力由1.65MPa减小到0.95MPa,底板的强度性能得到了大幅度提高。

煤层气井低压非临界流下嘴流规律分析

井口嘴流规律对于确立储层、井筒压力与气井产量变化规律具有重要意义。为此,根据现场井口喷嘴建立理论计算模型,采用理论计算模型与Fluent软件仿真分析相结合的方法,并耦合温度变化的影响,研究煤层气井井口非临界流下嘴流流场情况,得到煤层气低压非临界流井口嘴流压降和温度的耦合变化规律:在非临界单相流状态下,随着喷嘴直径和开度的减小、煤层气流量的增大,压降逐渐增大,反之压降逐渐降低;煤层气井井口喷嘴节流效应引起温度降低,受流量及喷嘴开度的影响,当开度为5 mm、喷嘴流量在4000 m^3/d以上时,喷嘴流量每增加500 m^3/d,喷嘴出入口温度降低1℃,而且开度越小,温降越明显。研究结果可为煤层气井动压调节增产措施的制订提供理论依据。

关于低温状态下高速动车组运行稳定性的研究

为了研究低温状态下高速动车组的蛇行稳定性,对我国某高速动车组的转臂定位节点和抗蛇行减振器分别进行了试验和仿真分析。试验结果表明,在正常工作温度范围内,温度越低,转臂定位节点的动态刚度与动态阻尼越大。在-50~20℃范围内,随着温度的降低,抗蛇行减振器动态刚度逐渐增加,温度越低,减振器动态刚度变化越明显;卸荷速度前,温度越低,动态阻尼越大;卸荷速度后,温度越低,动态阻尼越小;温度越低,动态阻尼变化越显著。仿真结果表明,随着温度的降低,车辆运行的蛇行临界速度先增大后减小,但是始终高于设计时速,说明温度的变化不会使列车失稳。

高速动车组线路动力学响应特性研究

针对速度为300km/h的高速列车开展线路长期服役动力学性能试验,研究车轮磨耗、稳定性、平稳性和振动特征等随运营里程、线路条件、环境温度和列车运行速度等参数的变化情况,揭示车辆在多个镟修周期内的时域、频域动态响应特性。跟踪测试里程达到100万km,测试不同运行里程下的车轮踏面廓形、钢轨廓形以及关键部件的振动加速度和悬挂系统位移,并采用统计均值、极大值、极小值和分位数等统计指标表达测试结果。结果表明:车轮磨耗和轮轨匹配等效锥度随运营里程线性增长,运行30万km踏面磨耗0.8mm,平均磨耗速率0.18mm/10万km,等效锥度约为0.30~0.35;磨耗后期的轴箱、构架加速度均方根增大2倍以上,但平稳性指标受车轮磨耗影响小。

车轮多边形激励下高速转向架构架振动特性分析

车轮多边形通过轮轨接触产生高频激励,会加剧高速转向架的振动、恶化结构部件振动环境,显著影响高速车辆的动力学性能和疲劳寿命。建立了考虑柔性轮对与构架的高速车辆刚柔耦合动力学模型,并开展台架试验验证,通过仿真探究前后轮对多边形相位差、多边形激扰频率与波深对构架振动特性的影响。结果表明:双轮对车轮多边形激励下的构架振动响应大于单轮对激励,但在激励引起构架结构模态共振时二者之间的差距会减小;前后轮对多边形的相位差会引起构架振动的相位差,但对振幅大小无明显影响;在同一激扰频率下,多边形波深越大,构架的振动越大。本研究可为多边形产生和传播机理及抑制措施提供参考。

铁道车辆液压减振器非线性特性试验与动力学仿真

基于Maxwell模型推导出二系横向减振器和抗蛇行减振器的动态刚度和阻尼等非线性特性,对其分别进行温变特性和动静态特性试验,并基于车辆动力学仿真得出抗蛇行减振器参数对蛇行运动稳定性和运行平稳性的影响规律。结果表明:温变特性试验中的示功图、阻尼偏差率等数据验证了减振器基本参数符合设计要求;减振器动态特性与加载频率和位移幅值相关。针对某高速列车,提高抗蛇行减振器串联刚度或提高其卸荷力,可改善构架蛇行运动稳定性和行车的平稳性、舒适性,但提高其卸荷速度却起到反作用,一般需要取最优值范围。

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。

高寒动车组-40℃环境下动力学性能

低温环境对高速动车组动力学性能影响显著,需要掌握低温下的车辆参数变化范围,针对-40℃或极低温工况鲜有研究。基于悬挂元件低温特性试验结果,建立高寒动车组非线性动力学仿真模型,并将常温环境下的动力学仿真结果与线路试验结果进行对比验证;将车辆系统悬挂参数、轮轨匹配、轮轨界面参数考虑为正态随机分布,采用拉丁超立方采样方法组合得到300种计算工况,仿真研究高寒动车组在-40℃低温环境运行时的动力学性能。300 km/h速度条件下,车辆运行稳定性和安全性能满足标准要求,但新镟修车轮在直线运行工况下的横向平稳性较常温环境下差,主要是由于车辆发生了横向低频晃动;低温引起橡胶元件和减振器的刚度和阻尼增大,导致在与车体上心滚摆接近的频率范围内,前后转向架同向蛇行运动的阻尼比降低,引发以车体滚摆为主的横向晃动,因此高寒动车组需要注意预防新镟轮后的车体晃动现象。为低温环境下的高速动车组悬挂参数使用范围和动力学性能设计提供了参考。

变轨距高速列车的动力学

高速列车通过改变轮对的内侧距实现在不同轨距线路上联运,而轮轴装配间隙及轨距、轨底坡、钢轨廓形等参数变化将引起轮轨接触关系改变,进而引起车辆动力学性能变化。分析我国两种高速踏面在准轨和宽轨线路上的轮轨接触关系发现,轨底坡由1/40变为1/20时,LMA踏面等效锥度降低约30%,LMB 10踏面可兼容两种轨底坡,磨耗后的踏面对轨底坡变化更敏感。理论公式推导表明准轨和宽轨线路上自由轮对、刚性和柔性定位转向架的蛇行频率相同,但含轮轴间隙的变轨距高速列车动力学模型仿真表明,间隙导致宽轨线路上的车辆稳定性略差,间隙达到0.6 mm时发生低速小幅蛇行;间隙对车辆运行安全性和平稳性影响仅9%。因宽轨线路的欠超高量大和车辆稳定性差,其运行安全性和横向平稳性比准轨差15%和38%。间隙横向力与轮轨横向力幅值相同但反向,造成轮对内侧距动态变化;左右侧旋转间隙扭矩的幅值相同但反向,在纵向蠕滑力作用下间隙压死-分离状态反复。研究成果有助于掌握变轨距转向架的轮对内侧距动态变化、间隙载荷和车辆动力学性能。

动车组车下设备对舒适度的影响分析

为研究车下设备对动车组舒适度的影响,建立考虑车体弹性和多个车下设备的高速动车组垂向动力学模型,实现设备的质量参数、结构参数和悬挂参数等参数化建模,基于频域分析法推导系统加速度频响函数表达式,采用随机轨道不平顺激励功率谱和舒适度滤波函数计算舒适度指标,基于最优同调理论设计设备的最优悬挂频率和阻尼比并进行数值验证。结果表明,车体垂弯频率越高、设备质量越大且越靠近车体中心安装,舒适度指标越小,车辆乘坐舒适性越好,建议将大质量设备(4t及以上)悬挂在距车体中心5m以内;设备质心纵向偏心导致其吊挂点的作用力力臂改变和转动惯量增加,造成舒适度指标略有增加;在优化设备悬挂参数时,可以忽略车体结构阻尼的影响;设备质量越大,最优悬挂频率越低、最优悬挂阻尼比越大,且应当基于加速度响应设计最优悬挂阻尼比,最优同调条件为车体和设备的相位差接近π/2;针对所述车辆,设备最优悬挂频率和阻尼比分别为7Hz和0.2~0.3,车体加速度功率谱中的弹性振动主频得到充分抑制。

深部煤层气直井井筒液携煤粉颗粒特性分析

针对深部煤层气井颗粒组分复杂且地温较高的特点,基于油气井砂沉降公式引入颗粒组分占比,综合考虑颗粒组分及井液温度的影响,推导出适用于深部煤层气井垂直井筒的颗粒沉降末速计算公式.并利用液携试验台进行试验,揭示深部煤层气井垂直井筒液流携带颗粒运移特性.结果表明:煤层气井井筒中存在漂浮物形式的低密度煤质颗粒,该部分颗粒在井液流速很低时随井液排出井筒;随着井液流速增加泥质颗粒开始排出井筒,在流速达到0.05~0.06 m/s范围时,颗粒携带率达到稳定期;此后流速继续增大,较小的砂质和夹矸等颗粒随井液排出,当井液流速达到0.08 m/s时,颗粒携带率基本稳定.试验过程共出现3个稳定期,造成这种现象的原因是煤层气井煤质、泥质、砂质及不同比例混合颗粒导致颗粒组分复杂,这也正是煤层气井液携颗粒与油井携砂的主要区别.这为经济有效的解决煤层气井煤粉颗粒沉积问题、设计井筒排煤粉方案奠定了基础.