运动边界对冰雪风洞试验段流场特性影响研究

轨道列车转向架区域的积雪结冰现象,是关乎列车运行稳定以及行车安全的关键问题。为了解决转向架区域的积雪结冰问题,研建列车转向架积雪结冰风洞以研究原始比例模型转向架区域流场特性。基于SST k-ω的IDDES湍流模型,分析不同运动边界条件下风洞试验段气流流动特性,探索积雪结冰风洞在现有运动边界条件下的流场模拟适应性与差距。通过网格无关性验证和流场校测,验证数值方法能够满足积雪结冰风洞流场的模拟。研究结果表明:静止地面和静止轮对无法近似模拟真实环境下运动地面和旋转轮对的边界条件的流场特性,轨面以上的空间平均速度最高偏大5倍,静止地面和旋转轮对的风洞实际边界与真实边界更接近;静止地面和静止轮对下转向架后侧的空间压强平均负压高于其他工况,车体后端板表面和转向架表面平均负压强偏差较大,静止地面和旋转轮对的表面负压平均偏差9%,转向架轮对表面压强偏差15%;不同工况下的转向架区域的湍流度差别不大,转向架前侧区域的湍流度在静止地面和轮对下整体偏大。综上所述,在不同试验段运动边界条件下,现有积雪结冰风洞中静止地面和旋转轮对边界条件能较好地模拟实际运行状态下的转向架区域流场特性,为后续试验研究转向架区域的流场特性和积雪结冰问题奠定基础。

基于轴箱高频振动的车轮不圆辨识方法研究

为实现对高速列车车轮高阶不圆的实时检测,研究了轴箱高频振动与车轮不圆的频谱特征和映射关系,采用频域积分方法对车轮不圆的幅值和阶次进行辨识.首先,通过静态测试和台架试验,研究我国高速铁路车轮多边形、钢轨波磨和轨道模态的表现形式;其次,通过高速列车长期服役性能跟踪试验,掌握转向架轴箱振动的时频特征和演化规律;最后,以现场出现车轮20阶多边形的车辆为研究对象,提出基于频域积分的车轮不圆阶次和幅值辨识方法.研究结果表明:CRTS-Ⅱ型轨道板钢轨三阶弯曲频率为592 Hz;列车以300 km/h运行时,20阶车轮多边形和136 mm波长钢轨波磨的响应频率分别为580 Hz和613 Hz;钢轨模态、车轮多边形以及钢轨波磨的振动主频较为集中,轴箱高频振动幅值随车速和镟后里程的增大而增大;采用加速度频域积分方法,从理论上可实现对车轮不圆幅值和阶次的辨识;基于线路实测轴箱加速度的20阶车轮多边形辨识结果与静态测试值相对误差不超过5%.

轨底坡耦合轮径差对地铁车辆动力学性能及轮轨接触特性的影响

为了研究轨底坡耦合轮径差对于地铁车辆动力学性能及轮轨接触特性的影响规律,设置了3种轨底坡工况(1/20、1/30和1/40)和5种轮径差工况,通过建立地铁车辆动力学仿真模型和轮轨接触三维弹性有限元模型,分析轨底坡耦合轮径差对地铁车辆直线平稳性和曲线通过性能的影响。结果表明:直线路段车辆平稳性指标受到轮径差变化的影响大于轨底坡变化的影响,轮轨等效应力和接触应力会随着轮径差的增加而增大;曲线路段的各个动力学指标会随着轮径差的增加而增大;综合考虑动力学指标和轮轨接触特性,直线路段下尽量减少使用1/20轨底坡;曲线路段下,可以选择1/30轨底坡,减少轮径差对车辆的影响。

不同曲线半径下轨底坡与轮径差最佳匹配研究

为了研究不同曲线半径下地铁车辆动力学性能最优的轨底坡与轮径差最佳匹配,运用SIMPACK软件建立了地铁车辆动力学仿真模型,设置9种轨底坡工况和5种轮径差工况,以轮轨横向力、轮对横移量、脱轨系数、轮重减载率和轮轨磨耗指数作为车辆动力学性能的评价指标,以4种不同C型曲线半径作为研究对象,分析45种轨底坡和轮径差耦合工况下各指标的变化规律。采用熵权法对各指标进行加权求和处理,得到不同工况下的车辆动力学性能综合得分,最终分析得出车辆在不同半径曲线下轨底坡和轮径差的最佳匹配。研究结果表明:在300,400,500,600 m这4种曲线半径下,外轨轨底坡、内轨轨底坡和轮径差最优匹配方案分别为(1/20,1/40,+1),(1/20,1/40,+1),(1/30,1/30,-1),(1/40,1/30,-1)。

轮轨摩擦系数对低地板轻轨动力响应及车轮磨耗的影响

为了确保低地板轻轨车辆安全且平稳地运行,以某轻轨线路为依托,利用多体动力学软件UM(Universal Mechanism)建立了低地板轻轨车辆-轨道耦合动力学模型。选用LM磨耗型车轮踏面以及R50标准钢轨,以美国六级不平顺轨道谱作为线路激扰。基于Hertz及Kalker简化理论、Archard模型,进行不同摩擦系数共5个工况下车辆动力响应以及车轮磨耗变化规律的仿真分析。在此基础上进一步分析了4个不同运行里程阶段对应共96组车轮磨耗型面下轻轨车辆安全性指标的变化规律。研究了4个不同运行里程阶段对应的不同车轮磨耗型面下车辆过曲线时安全性指标随摩擦系数的变化情况。结果表明:脱轨系数、轮轴横向力、轮轨横向力、车体横向加速度受摩擦系数的影响较为显著,而轮重减载率、车体垂向加速度对摩擦系数的改变并不敏感。车轮磨耗深度随里程和摩擦系数的增加而增大,且相同工况下独立旋转车轮的磨耗情况更加严重。在车辆运行40000 km后,其轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数整体呈现随里程增加而增大的规律,而轮重减载率基本不受运行里程的影响。在不同摩擦系数及运行里程的叠加影响下,轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数的峰值出现的位置不同,而轮重减载率却始终处于较为稳定的状态。

新型气囊结构对高速列车横风气动性能的影响

为保障高速列车在大风环境下的行车安全,提出一种安装于列车背风侧、改善列车横风气动性能的新型气囊结构外形,以三车编组高速列车为基准,建立4种不同气囊−列车模型即气囊列车(模型Ⅰ)、增加气囊横向宽度(模型Ⅱ、Ⅲ)、增加气囊垂向宽度(模型Ⅳ)。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,研究不同气囊模型作用下高速列车横风气动性能。研究结果表明:列车背风侧气囊改变了背风侧车体表面压力分布,列车横向力系数降低、升力系数增大,使得列车倾覆力矩系数减小,高速列车横风气动性能显著提升;随气囊横向宽度增加,列车横向力系数逐渐降低,而升力系数逐渐增大,模型Ⅲ的横风气动性能较优。相较于原始列车模型,模型Ⅲ的横向力系数减小7.09%,升力系数增加12.78%,模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的倾覆力矩系数分别降低8.43%、11.05%、13.15%;改变气囊垂向宽度对高速列车横风气动特性影响较小,模型Ⅳ倾覆力矩系数降低8.78%,与模型Ⅰ的优化效果相近。

定形态隧道压力波激扰下车内压力迭代学习控制

同一列车重复通过同一隧道时所产生隧道压力波激扰具有形态相似、变尺度变幅值的特性.针对现有控制策略未考虑这一定形态特性的问题,提出一种基于高阶反馈遗忘迭代学习的控制方法.首先,建立高速列车车内外气压传递数学模型,并利用实测车内外压力数据进行修正与验证;其次,通过控制列车通风设备的阀门来减缓车内压力变化,提出阶反馈遗忘迭代学习控制算法,并设计变幅值和变尺度处理方法;最后,利用实测压力波生成一组定形态的随机压力波,并进行仿真分析.仿真结果表明:在重复定形态的隧道压力波激扰下,高阶反馈遗忘迭代学习控制算法能够使车内压力在第8个迭代周期后1 s变化率基本收敛到200 Pa/s以下,而且均方根误差也在第4个迭代周期后降低到15.0000%以下.

多尺度残差挤压和激励的双U舌图分割网络

在图像分割中,单次卷积和频繁的池化操作容易产生冗余信息或遗漏关键信息.本文设计了一种多尺度的残差挤压和激励注意力的双U形分割网络(MRSEA-DUNet)来解决上述问题.首先,该网络由两个U形的网络组成,分别是预编码网络和精确分割网络.为避免频繁的卷积和池化操作导致信息丢失或产生无效信息,提出了具有不同大小感受野的阶梯卷积模块(SCM),并采用并行结构,可以在不同尺度上捕获更丰富、更详细的特征.其次,还设计了一种残差挤压和激励注意力模块(RSEAM),可以通过空间和通道提高有效特征增益,消除冗余信息,并且提高了模型的整体鲁棒性.最后,为了减少了降采样操作的数量,简化了纵向复杂度.实验结果表明,本文MRSEA-DUNet模型的精度、Jaccard系数和Dice系数分别达到0.995 4、 0.979 4和0.989 5,均优于其他7种主流模型,优化了分割效果.

400 km/h高速列车车下带格栅裙板区域气动噪声机理及影响因素分析

位于高速列车车体下部区域的通风口格栅与设备舱壁面构成格栅–空腔结构,列车高速运行时,该结构的流声耦合问题较为突出,有必要深入分析其流声耦合机理。将位于车体下部区域的带格栅裙板简化为带格栅的二维空腔模型(格栅–空腔结构),采用延迟分离涡数值模型(Delayed Detached Eddy Simulation,DDES)研究其气动噪声产生机理、流场和声场特性等。研究结果表明:当列车以400 km/h速度运行时,格栅–空腔结构开口处的剪切振荡较为剧烈,特别是空腔冲击边缘附近区域;基于总声压级的空间、频域分布和湍流压力波数–频率谱,发现形格栅–空腔结构的流场始终处于自激振荡的过渡状态,且各位置的总声压级和波数域上的振荡幅值始终低于V形格栅–空腔结构和半圆环形格栅–空腔结构;对目前常用的半圆环形带格栅裙板考虑通风口的出风作用后,观察到空腔内部的涡团演化明显减缓,直接导致格栅附近的总声压级大幅下降约15 d B,表明出风作用能够显著降低带裙板格栅的近场噪声。

随机侧风下高速列车在桥塔环境中气动载荷的时域与频域特性研究

在列车高速行驶过程中,强侧风的作用使得高速列车气动载荷急剧变化,可能会引起列车倾覆。文章对比分析了在恒定侧风和随机侧风的作用下,某型高速列车通过桥塔环境时头车所受到的气动载荷的时域特性,通过对其气动载荷进行快速傅里叶变换,得到了频谱分布特性。结果表明:在恒定侧风作用下,高速列车的气动载荷变化平缓,波动较随机侧风明显平缓;而在随机侧风的作用下,随着基频风速增大,气动载荷的极值大小基本不变,但极值点数目增加,这表明随机侧风模型和基频风速增加,对列车气动载荷变化影响显著。气动载荷功率谱密度集中出现在0~5 Hz范围内,最大值对应频率集中在0~1 Hz范围内,表明由侧风导致的列车所受非定常气动载荷的频率较低,这与列车本身的一些固有振动模态频率非常接近,易形成共振;与恒定侧风相比,随机侧风下气动载荷功率谱密度峰值更大,且随着基频风速增大而增大。

中低速磁浮最小曲线半径及缓和曲线长度研究

为研究中低速磁浮最小曲线半径及缓和曲线长度,该文基于磁浮交通线路参数的计算方法、相关要素,以及线路自身的特点,推导出适用于中低速磁浮的曲线半径、缓和曲线长度计算公式,在参考相关标准的基础上,对中低速磁浮列车以20~160 km/h速度运行时的最小平、竖曲线半径及缓和曲线长度进行了理论分析,进一步给出其建议值,并建立了考虑主动反馈控制特性的车辆模型,通过动力学仿真对取值的可靠性进行了验证。研究结果表明:最小平曲线半径取值受指向外侧的最大侧向加速度控制,最小竖曲线半径取值受凹曲线上最大法向加速度控制,当列车运行速度一定时,横坡角越大,最小平曲线半径取值越小,而纵坡对最小竖曲线半径取值几乎无影响;当横坡角为2°,列车在正常条件下运行时,最小缓和曲线长度主要受最大侧向冲击控制,在困难条件下运行时,最小缓和曲线长度主要受最大法向冲击控制,当横坡角为4°、6°,列车在正常/困难条件下运行时,最小缓和曲线长度主要受最大法向冲击控制;按横坡角最大值6°考虑,列车以160 km/h在正常条件下运行时,建议最小平曲线半径及缓和曲线长度分别取970 m、120 m。该文研究成果可为中低速磁浮交通的选线设计提供理论依据和数据参考。

桥墩沉降下齿轨-超大坡度桥梁系统适应性及安全性研究

我国规划了多条含有超大坡度桥梁的齿轨铁路线路,随着服役时间增长,桥墩沉降问题难以避免,易造成齿轨结构局部应力过大,严重时还会导致连接螺栓断裂,威胁齿轨系统的安全性和稳定性。针对该问题,详细考虑齿轮-齿轨非线性啮合行为、轮轨非线性接触行为以及桥墩沉降等复杂因素,建立桥墩沉降下齿轨车辆-齿轨(轨道)-超大坡度桥梁系统耦合动力学模型,研究列车通过时桥墩沉降对齿轨垂/纵向变形、应力、加速度以及连接螺栓应力的影响,最终提出山区大坡度齿轨铁路桥墩沉降安全控制值。研究表明:在齿轮齿轨啮合作用和轮轨作用等多荷载综合作用下,桥墩沉降极有可能导致齿轨连接螺栓发生断裂;当桥墩沉降量达到6.76 mm时,连接螺栓剪切应力达到其许用剪切强度235 MPa,可能发生断裂,严重威胁结构稳定性和行车安全;齿轨结构应力远小于齿轨抗拉强度;齿轨最大变形量可达桥墩沉降量的140%;齿轨振动主频位于70~80 Hz;桥墩沉降对连接螺栓应力和齿轨变形的影响较为显著,而对齿轨振动、应力的影响较小。

现代有轨电车铰接轴承安装工艺

本文主要介绍了一种100%低地板现代有轨电车铰接轴承安装工艺方法,结合铰接轴承生产厂家的设计参数和设计内外结构,以及100%低地板现代有轨电车车体轴承孔设计的结构特点及参数,并通过产品工装、工位器具、工艺方法对铰接轴承安装进行试验验证并应运到100%低地板现代有轨电车车体安装中,以此提高铰接轴承安装作业工作效率、达到铰接轴承安装产品质量标准,满足100%低地板现代有轨电车运行安全质量性能要求。

基于SIMP-安定的高速列车组合式座椅底架轻量化设计与分析

在高速列车座椅轻量化设计中,传统设计方法所普遍采用的结构优化技术仅以结构刚度或局部应力水平为目标,无法得到交变载荷作用下效率最高的结构构型.列车座椅在实际使用中受到轨道与应用场景的影响,除主结构需具备一定强度外,其关键部件也要求在交变载荷作用下不发生明显变形.在此背景下,提出了一种采用固体各向同性惩罚微结构插值(SIMP)算法对主结构进行以刚度为目标的拓扑优化,同时以安定直接法对关键部件进行以安定强度为目标的参数优化一体化的设计与分析方法.采用所提出的方法对高速列车组合式座椅底架进行了优化,取得了显著成果.优化后的座椅底架在性能满足要求的前提下,底架主结构减重17%、L型连接件承载交变载荷的结构效率提高23%.所提出的研究方法及结果对于同类结构的轻量化设计具有重要意义.

转向架腹板结构对高速列车气动噪声的影响

随着列车运行速度的不断提高,气动噪声问题日益突出,需要有效控制高速列车的气动噪声。为降低高速列车转向架区域的气动噪声,基于IDDES模型与FW-H声学方程,建立转向架不安装腹板及安装腹板的1:8缩比模型,通过数值仿真探究400 km时速下,转向架区域安装腹板后流场特性、噪声源强度、远场辐射噪声频谱特性和声压级幅值的变化,分析腹板对整车及转向架区域气动噪声的影响。研究结果表明:转向架区域底部安装腹板后,腹板的导流作用减缓了转向架部位的流体冲击和流体相互作用,抑制了转向架区域涡的形成,各频率下,转向架前、后轮对及构架的脉动压力级明显减小,有效降低了转向架区域气动噪声源的强度;转向架安装腹板后,各测点在200~1 000 Hz以及2 000 Hz以上频段的声压级幅值下降,其远场辐射噪声总声压级幅值也有所降低,其中,整车远场辐射噪声总声压级平均值降低2.33 dB(A),转向架辐射噪声总声压级平均值降低4.03 dB(A),转向架辐射噪声能量占整车辐射噪声能量的比例从53.2%下降到27.8%,转向架区域气动噪声得到有效控制;头车一位端转向架的降噪效果最好,辐射噪声总声压级平均值下降了5.88 dB(A),腹板对转向架辐射噪声的控制主要体现在对前、后轮对及构架等部件辐射噪声的控制。研究结果可为进一步优化高速列车气动噪声提供一定参考。

400km/h高速列车头型对隧道初始压缩波影响初探

采用重叠网格方法,基于三维非定常可压缩的N-S方程和SST k-w湍流模型,探索时速400 km/h高速列车头型对隧道初始压缩波的影响。针对目前国内研发的某型CR450动车组,本文研究2个鼻长均15 m和1个鼻长22 m的拟议新头型,分析在我国现有隧道条件下3种不同头型列车以400 km/h驶入时产生的初始压缩波基本特性;最后分析了不同车速(350 km/h、400 km/h、450 km/h)驶入隧道时对初始压缩波最大压力梯度值的影响。对比距隧道入口72 m处隧道内测点的压力与压力梯度值,结果表明:2个鼻长15 m头型列车对应产生的初始压缩波波形和最大压力梯度值基本一致;相比于鼻长15 m头型,鼻长22 m头型对应产生初始压缩波波形有着明显区别,且最大压力梯度值较之降低约27%;列车速度越高,对应产生初始压缩波最大压力梯度值则越大,但缓冲结构的缓解作用越不明显。研究结果对新一代高速列车头型设计和气动性能比选具有实际性的参考价值。

基于人体振动试验的坐姿人体模型研究

为了能够准确模拟人体受振特性,基于多体动力学原理,将人体简化成头部、上躯干、下躯干和腿臀部4集总质量、12自由度多刚体模型,模型中考虑上躯干、下躯干和腿臀部之间的腰部肌肉作用,各部分之间采用线性等效弹簧和阻尼进行连接。借助振动试验台,对8名志愿者进行了坐姿低频振动试验,得到了人体在垂向激励(0~20 Hz)和纵向激励(0~15 Hz)下座椅-头部的振动传递特性曲线。模型中模拟人体动态特性的48个刚度、阻尼参数,采用自适应模拟退火算法对试验得到的座椅-头部振动传递特性曲线进行参数辨识来确定。结果显示,12自由度多刚体动力学人体模型仿真曲线与试验曲线相一致,模型能够较为准确反映人体受振特性。

不同高速动车组车轮踏面的轮轨接触关系对比

为了研究我国不同高速动车组的轮轨接触关系,针对我国高速动车组车辆常用的5种车轮踏面(LMA、LMB、LMC、LMD、LMB10)和高速铁路60N钢轨,对其轮轨匹配特性进行了研究。基于迹线法求解轮轨接触几何关系,采用半赫兹接触理论计算不同轮轨匹配的接触斑和接触斑内的法向应力分布。研究结果表明:从接触几何角度来看,LMA和LMC踏面等效锥度较小,踏面和钢轨上的接触带宽小,接触点比较集中;LMB和LMD踏面接触带宽较大,LMB10踏面居中,但LMB踏面的等效锥度最大。从接触力学角度来看,LMA踏面接触斑形状最接近椭圆,不同横移量下的接触斑面积和应力最大值变化最平缓;LMC踏面在靠近轮缘区域的接触斑形状复杂,且整体的应力水平较大;LMD踏面的接触斑位置变化最大,但在小幅横移范围内接触应力最小;而LMB和LMB10两种踏面的接触斑特性相似,在名义滚动圆附近接触斑面积最大,接触应力最小,靠近轮缘区域后快速增大。

基于寿命特征参数研究的电磁阀可靠性寿命研究

本文提出了高铁某系统电磁阀基于寿命特征参数影响的运用可靠性评估方法。通过对电磁阀的使用环境进行模拟复现,设计加速应力试验,缩短试验周期。最终确定电磁阀的寿命特征参数为响应时间。利用响应时间评估电磁阀的可靠性寿命。结果表明,动车组电磁阀在工作条件下,约13~20年可靠性会降低,并给出了修程修制优化建议。

高速列车碳陶制动盘制动性能对比研究

针对碳陶制动盘在全制动工况下制动能力不明的问题,提出了一种基于匹配参数表征的制动盘制动性能对比分析方法。分别考虑以制动减速度为特征的动力学性能,和以盘面最大温升累积为特征的热力学性能,建立适用于多种线路工况的碳陶制动盘制动性能仿真分析模型。仿真实验结果表明,在设定工况下碳陶制动盘的紧急制动距离最高可达6726 m,盘面最高温度可达941.4℃;在紧急制动模式下实施制动,盘体温升速率明显提升,对高速列车制动单元的安全性产生威胁。