考虑风速纵、横分量的列车气动载荷变化特性

为探索侧向环境风作用下列车气动载荷变化特性,对任意风向角下随车移动点处的风速纵、横分量进行建模,研究考虑风速纵、横分量的列车气动载荷计算方法,并分析在列车速度200~400 km/h、平均风速10~35 m/s及风向角30°~150°时的列车气动载荷特性.研究发现:在不同风向角下,考虑风速横向分量后,高速列车气动载荷波动变大,作用于列车上的瞬时气动载荷极值增大;风速横向分量主要影响列车气动载荷的标准差,且影响程度与风向角有关;随着风向角接近临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变小,随着风向角远离临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变大;列车气动载荷的标准差/均值主要与侧偏角有关,且在风向角为30°及150°时较大,其次是风向角60°和120°,而在风向角90°时则较小.

轨道车辆垂向轮轨力时域识别对比及其机器学习修正

为了尽可能减小轨道车辆垂向轮轨力时域识别中存在的误差,以时域法为基础,开展了基于机器学习修正的轨道车辆垂向轮轨力识别研究.首先建立了车辆动力学仿真模型,获取了车辆在随机轨道激励下以250km/h速度行驶时的轴箱加速度响应和垂向轮轨力.其次,建立了Green函数法、状态空间法这2种时域法对应的动载荷识别模型,对状态空间法的初值误差进行了分析,并引入多项式拟合法修正其趋势项误差,进而对比分析了2种方法的计算精度和计算效率.然后,针对时域法存在的识别误差,提出采用NARX(nonlinear autoregressive models with exogenous inputs)模型对识别误差进行训练和预测,用于消减模型中存在的如响应观测不全与观测噪声等因素造成的影响,进而对时域法识别结果进行修正,提高识别精度.最后,通过一个10自由度轨道车辆垂向动力学模型,对方法的正确性进行了验证.研究结果表明:2种方法对轨道车辆垂向轮轨力均具有较高的识别精度,对于各轮对的识别精度各有优劣;在计算效率方面,状态空间法比Green函数法更优;经NARX模型修正的2种时域法对轨道车辆垂向轮轨力均具有很好的识别效果,识别值与正演值的Pearson相关系数大于0.99,为极强相关.基于NARX模型的机器学习误差修正方法可有效提高时域识别精度,可以为后续轨道车辆轮轨力预测提供参考,具有较强的工程运用价值.

两轴径向独立轮副轨道车辆动力学性能

针对独立车轮导向问题提出后倾角导向方法,使独立轮副轨道车辆获得自导向能力。阐述车辆的自导向原理,利用横向轮轨力和后倾角力臂形成摇头力矩,使独立车轮自动转向。关于中心对称的前后独立轮副分别向相反方向转向,使独立车轮处于径向位置。采用多体动力学方法分析独立轮副轨道车辆的自导向性能。结果表明:在直线轨道上,后倾角对车辆横向位移和摇头角的影响明显。带后倾角车辆出现类蛇行运动现象。具有后倾角的车辆在直线轨道上能够自动复位。在曲线轨道上,左前导向轮具有较大的冲角。后倾角能够使车辆动态对中,最终回到轨道中心线位置。带后倾角的独立轮副轨道车辆在曲线轨道上具有有限的导向能力。

采用径向转向架的大轴重内燃机车曲线通过研究

为探究径向转向架在33 t轴重内燃机车的可行性,从径向转向架的概念、结构和原理出发,为大轴重内燃机车提供了一种径向转向架方案。在多体动力学软件中建立动力学模型,对比研究了采用径向转向架和传统转向架的重载机车通过曲线时导向轮对的黏着系数、蠕滑率和磨耗功。通过计算分析发现,与传统转向架相比,径向转向架可以减少车轮的滑动量,提高机车通过曲线时的黏着利用率,降低轮轨磨耗和左右车轮的不一致磨耗,降低轮对镟修频率,该结论可为今后我国研制大轴重高黏着内燃机车提供一定参考。

不同牵引特性城轨列车车轮磨耗与疲劳研究

针对列车频繁牵引起动对车轮磨耗与疲劳损伤产生的影响问题,在恒定牵引力的基础上,探究了不同牵引特性曲线恒功率区转折点速度对车轮磨耗与疲劳的影响规律。采用SIMPACK和MATLAB软件进行联合仿真,建立了不同牵引特性下城轨列车动力学模型和基于Archard的车轮磨耗模型,分析在牵引电机不同起动转矩下牵引特性曲线恒功率区转折点速度对城轨列车轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度、磨耗面积以及疲劳指数的影响规律。结果表明:列车牵引起动过程中,电机起动转矩越大,轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度和磨耗面积也越大,而疲劳指数则越小;电机起动转矩一定时,随着列车牵引特性曲线恒功率区转折点速度的增大,轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度和磨耗面积也增大,疲劳指数则有所减小;当电机起动转矩从800 N·m增大到1400 N·m,车轮磨耗深度和磨耗面积增长率最大为6.9%和12.6%,而疲劳指数下降率最大为7.2%;当恒功率区转折点速度从50 km/h增加到80 km/h,车轮磨耗深度和磨耗面积增长率最大为4.4%和4.3%,疲劳指数下降率最大为1.9%。本文研究了车辆起动转矩与恒功率转折点速度变化对车轮磨耗与疲劳的影响规律,可为车辆牵引特性设计和电机控制以及车轮运维提供参考。

基于回归分析法的矩形槽圆管吸能特性研究

为了研究矩形槽圆管吸能特性规律,提出了一种基于回归分析法的结构参数与吸能特性关系的拟合方法。针对轴向冲击下的圆管动态响应,首先,建立了6005A-T6材料的Cowper-Symonds本构模型,并验证了仿真模型的准确性;其次,设计了正交试验,建立了吸能特性与结构参数之间的计算模型;然后,利用多元线性与非线性回归分析方法对计算模型参数求解,并对比了两种拟合结果,得到了峰值力和吸能量的经验公式;接着,对比经验公式与有限元数值计算值表明,经验公式在研究范围内具有较高准确性,误差在8%以内;最后,引入吸能性能指标并使用遗传算法对圆管进行了结构优化,优化结果表明,在研究范围内当直径和槽端距最小、壁厚和槽宽最大、槽深最浅时,矩形槽圆管的吸能性能最优。

基于频域分析的高速列车侧风倾覆机理

侧风作用下列车的动态环境以轮轨相互作用为主向,以空气动力作用为主演变,列车的侧风倾覆行为成为威胁列车行车安全性的主要诱因.首先,采用精细化车-轨耦合模型开展列车侧风倾覆的频域特性分析,以明确侧风倾覆响应对列车模型的敏感性;基于考虑模态特性的频域分析框架,推导脉动风及轨道不平顺与列车倾覆动力响应间的传递函数,结合相应参数进行分析,以直观揭示列车的侧风倾覆机理.结果表明:列车倾覆行为受绕车体下心侧滚模态和车体沉浮模态控制影响,其风荷载影响要明显大于轨道不平顺;在轨道不平顺激励下,第一阶模态贡献主要由轨向不平顺引起,第二阶模态贡献主要由高低不平顺引起,在脉动风荷载激励下,其顺风向脉动风分量起主要贡献;车速、风速和风向角的增大都会引起列车动力响应的增大,进而降低列车安全运营时的最大允许风速;失效概率的增大会降低动力响应的极值,进而提高安全运营风速.

变厚度CFRP超声缺陷自动成像的相关性算法研究

针对变厚度碳纤维增强聚合物复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)超声缺陷成像工序繁琐的问题,提出了一种基于相关性的自动成像算法。试验预埋夹杂缺陷,使用超声相控阵检测获取数据,首先依据离散序列互相关理论,对不同厚度CFRP的超声A扫描信号进行底波时移处理,之后利用自相关理论从无缺陷区域生成必要的参考信号。通过相关计算结果,利用欧氏距离区分缺陷信号和非缺陷信号,并依据欧式距离进行颜色编码绘图。最后通过基于机器视觉以及Hough圆变换的边缘检测算法来对缺陷尺寸进行统计测量,总体均值误差率小于7%,最大误差率为16.25%,最小误差率为0.25%。结果表明该算法可广泛应用于变厚度CFRP自动化超声检测。

稳定车-轨道耦合作用下轨排响应特性试验研究

稳定车作为一种大型轨道交通运维装备,对保障铁路线路运行安全至关重要,但是其不具备道床横向阻力的在线感知能力,难以实时智能控制作业参数。为探究稳定车作业时在线感知道床横向阻力的方法,在试验线路上开展轨排动力学试验,测量稳定车-轨道耦合作用下的轨排横向载荷和轨排横向位移,并依据现有标准及现场原位试验法,测量标记轨枕处的道床横向阻力。根据实测的试验数据,采用函数模型拟合道床横向阻力与轨排横向载荷以及轨排横向位移的关系式。并进一步构建径向基函数(Radial Basis Function, RBF)神经网络,采用正交最小二乘学习算法训练网络参数,建立三者之间的非线性模型,对比函数拟合与RBF神经网络模型的准确性。结果表明:道床横向阻力测试中,随着测试轨枕承受横向载荷的增加,轨枕横向位移非线性增大。轨排动力学试验中,轨排横向载荷、轨排横向位移与道床横向阻力之间存在非线性关系。采用函数拟合得到的关系式一定程度上反映了道床横向阻力的非线性变化趋势,但拟合误差较大。采用RBF神经网络建立的模型,在测试集验证中精度更高。道床横向阻力的离线检测方法效率低下,基于RBF神经网络模型的车载感知方法可以提高检测效率。研究成果可为稳定车作业中实时在线感知道床横向阻力及智能控制作业参数提供理论支撑。

考虑四极子声源的高速磁浮列车气动噪声数值模拟方法

随着列车速度的提高,四极子声源对列车气动噪声的贡献增大,高速磁浮列车的运行速度达到600 km/h时,有必要考虑四极子声源对高速磁浮列车气动噪声的影响.为此,本文建立考虑四极子声源的高速磁浮列车气动噪声数值模拟方法,对高速磁浮列车流线型尾部、头部区域的积分面进行局部外推,探索流线型尾部、头部区域的四极子声源对高速磁浮列车气动噪声的影响.研究发现:高速磁浮列车的尾涡会穿过下游的积分面,流线型尾部区域不能采用全封闭积分面,否则会产生非常大的伪声;流线型尾部区域的积分面需要较多地向尾涡区延伸,并去除尾涡穿过的区域;高速磁浮列车流线型头部区域四极子声源的贡献很小,流线型头部区域的积分面可以取为流线型头型表面;在600 km/h下,高速磁浮列车四极子声源引起的气动噪声能量占比达到42%.

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。

高速列车受电弓上下臂杆气动降噪大涡模拟研究

受电弓是露置于高速列车顶部的重要受流装置,其所产生的气动噪声是高速列车的主要噪声源之一。为了降低受电弓所产生的气动噪声,采用椭圆截面直杆件和椭圆截面纵向扭转杆件两种方案替代原有上下臂杆的圆形截面直杆件,基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)结合Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)声类比的方法分析流场特征与气动噪声辐射,研究新型受电弓杆件对流场及近、远场气动噪声特性的影响。研究结果表明:在不同列车速度下,与圆形截面杆件相比,椭圆截面纵向扭转杆件受电弓在近、远场辐射的气动噪声有所减弱,具有一定降噪效果;当列车速度为300 km/h时,椭圆截面纵向扭转杆件受电弓远场25 m处声压级最大值可降低约4.3 dB(A),降幅约4.4%;当列车速度为400 km/h时,其近场7.5 m处声压级最大值可降低约5 dB(A),降幅约5.5%。

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。

车辆-轨道系统动力极值预测及可靠度计算

为从车辆-轨道系统的动力极值预测及其可靠度计算角度分析车辆系统行车安全、衡量系统可靠程度,基于车辆-轨道耦合动力学及概率理论,提出一种车轨系统动力极值预测及可靠度评估方法。首先,基于轨道不平顺概率模型,采用轨道不平顺累计概率谱确定具有不同激振能量的随机不平顺序列;依据离散Parseval定理,建立轨道不平顺时域序列和功率谱间的对应关系;将轨道不平顺概率模型与车辆-轨道耦合动力学模型相结合,从随机动力计算中提取车辆-轨道的动力极值及可靠度信息;随后利用车辆-轨道耦合动力模型及二维插值算子,根据谱线能量关系实现动力极值预测;此外,基于此系统激励输入与响应输出间的概率等效性,导出了动力极值的可靠度计算式。以实测的轨道不平顺和车体加速度数据及4种类型不平顺在不同累计概率下的谱组合计算得出的轮轨横向力和钢轨垂向位移的计算结果为样本,与预测结果进行对比。研究结果表明:计算时程的分布趋势基本与实测时程一致,动力极值预测结果与实际的动力计算结果较为接近。由于轨道不平顺随机性的存在使得车辆-轨道系统的动力响应存在随机离散及方差特征,但通过轨道不平顺的幅频及能量特性预测车辆-轨道系统的动力极值的方法是较为可行的。

道岔冲击激扰对高速动车组车体弹性抖动的影响分析

为探究高速动车组通过道岔区域后车体的弹性抖动,建立考虑车体弹性的高速动车组刚柔耦合动力学模型和道岔冲击激扰模型。根据模型分析道岔冲击激扰作用下车体的弹性振动响应特征,通过仿真复现高速车辆的抖车现象,并与现场测试数据进行对比。在此基础上,分析车辆过岔速度、道岔激扰个数和道岔间隔对高速车辆车体弹性抖动的影响规律。结果表明:道岔冲击会导致车体1阶菱形耦合共振;车辆过岔速度对车体弹性抖动有显著影响,当车速达到300 km/h时,车体出现明显弹性抖动;连续道岔激扰会使车体横向振动叠加放大;车体横向振动加速度与道岔间隔之间存在非线性关系,当道岔间隔在50~80 m范围时,车体弹性振动更剧烈。研究结果可为寻找控制高速车辆弹性抖动的有效措施提供一定理论参考。

考虑主动辅助避震系统的推杆式悬架设计研究

通过设计避震器纵置式推杆悬架模型,采用悬架传力模型精确计算出悬架刚度及匹配阻尼特性;整车稳定性工况计算表明:使用纵置避震器弹簧推杆悬架结构的FSAE整车存在严重侧滑与摆尾问题,针对此问题提出一种在旋转支架摆臂反方向增加主动辅助避震器系统的设计思路、模型结构及双模糊控制算法,此设计的原理是通过抑制旋转支架摆臂的运动范围进而改变车身的振动特性,同时辅助避震器系统设计还可起到横向稳定杆的作用;均方根值显示:车身俯仰角加速度性能提升89.3%,侧倾角加速度性能提升79.3%,横摆角加速度性能提升12.1%,垂向加速度性能提升50.8%。

均载组合式小轮径货车转向架车轮型面优化设计研究

小轮径转向架技术是驼背运输车辆的关键技术,小轮径低地板驮背车车轮型面磨耗问题严重,对其动力学性能造成严重影响,为了进一步提升其服役性能,对小轮径低地板驮背车车轮型面进行优化设计。首先建立小轮径低地板驮背车动力学模型,然后利用轮径差反向设计方法对车轮型面进行优化,最后利用车辆动力学模型对优化后型面的车辆动力学性能和磨耗特性进行验证分析。结果表明,优化后型面进一步降低了车轮等效锥度,同时减小了轮轨法向接触应力。通过对比优化前后动力学特性,优化后车轮型面有效提升了空重车状态下的临界速度,空车临界速度较LM踏面提高23.3%,重车临界速度较LM踏面增大17.54%。同时优化后型面有效提升了车辆的平稳性和曲线通过性能,最后利用车轮磨耗模型计算了直线段和曲线段的车轮磨耗,优化后曲线外侧车轮磨耗最大深度减小54.8%,曲线内侧车轮磨耗最大深度减小48.13%,型面优化可以有效减小小轮径低地板驮背车直线段和曲线段的车轮磨耗,为抑制车轮磨耗,提升服役性能具有重要作用。

车辆服役环境对高速列车轴箱轴承温度的影响分析

构建考虑轴箱表面散热及轴承内部传热的功率损耗模型,分析轴箱轴承在不同服役环境下的载荷;综合考虑轴箱表面空气流场对流换热的影响,建立精细化轴箱轴承温度模型,分析不同服役环境对轴箱轴承温度分布和温度特性的影响,并通过轴承试验台验证模型的有效性。研究结果表明:当车辆速度由220 km/h增至300 km/h时,轴承的总摩擦力矩增大11.4%;当车轮多边形阶数由16阶增加到22阶时,摩擦力矩平均增大2.8%;轴箱轴承最高温度出现在内圈与滚动体接触的区域,最低温度出现在轴上且接近环境温度;当车速由220 km/h增加到300 km/h时,轴承的最高温度上升9.2℃,各节点处温度均有一定程度增加,当车轮多边形阶数由16阶增加到22阶时,最高温度平均升高1.1%;当多边形深度幅值由10 dB增加到18 dB时,最高温度平均升高1.4%。

铁道车辆轴箱振动非高斯特征与分布研究

以对铁道车辆轴箱振动非高斯特征与分布为对象开展研究。基于列车线路轴箱实测加速度信号,提取由轨道冲击引起的轴箱振动特征非高斯信号。使用多个概率密度函数(Probability Density Function,PDF)模型对实测信号进行拟合,并与实测特征信号的经验分布进行对比,评估各模型对轴箱特征非高斯信号的拟合精度。基于W-H非线性变换模型,建立一种非高斯信号模拟方法。利用模拟信号分析非高斯特征对各模型拟合精度的影响。结果表明:列车在行驶过程中具有非高斯特征,当列车经过轨道焊接接头、道岔与波磨路段时,由于轮轨冲击,非高斯特征明显增大,车轮多边形对信号非高斯特征几乎没有影响;基于W-H模型的非线性变换法,可以在保证模拟信号功率谱与指定功率谱基本一致的情况下,进行不同非高斯特征的信号模拟;高斯混合模型能够对铁道车辆非高斯信号较为准确地拟合;随着模拟非高斯信号峭度与偏度的增大,各模型与经验分布的相对误差也会增大,其中高斯混合模型拟合精度相对较高。

基于KF-LSTM的轮轴横向力间接测量方法研究

轮轴横向力作为评价列车运行安全性的重要指标,对其进行服役状态下的在线监测尤为重要。结合卡尔曼滤波和长短时记忆网络算法(Kalman filter&long short-term memory, KF-LSTM)发展了轮轴横向力间接测量模型。首先利用17自由度车辆横向动力学方程建立卡尔曼滤波算法的过程和观测方程,其次构建最优观测变量集进行间接测量,然后采用长短时记忆网络算法对列车测量效果较差位置处的横向力测量公式进行修正补偿,通过数值仿真与现场试验证明了提出KF-LSTM模型的有效性。结果表明:基于KF-LSTM方法可准确测量0~20 Hz频域范围内轮轴横向力,仿真线路中轮轴横向力序列预测值与仿真真实值的相关系数约0.85,平均绝对误差值约4.82 kN;现场试验中轮轴横向力序列预测值与测力轮对实测值的相关系数约0.84,平均绝对误差值约2.99 kN,并依据该测量方法设置该车辆在该条线路运行时轮轴横向力的预警标准,为工程设计和实践提供依据。