“车辆-轨道耦合动力学”课程思政改革探索

我国轨道交通成就斐然,是交通强国发展战略的重要组成。车辆专业研究生是轨道交通科技队伍的后备军和生力军,针对机车车辆类的研究生课程思政教学改革是十分必要的。以“车辆-轨道耦合动力学”课程为切入点,剖析了课程思政改革的必要性与难点,介绍了课程思政的建设目标,给出了围绕课程思政的课程教学改革总体构思。提出了思政教育融入课程的总体思路和具体措施,构建了融入价值观教育、民族精神、科学家精神、创新精神、职业精神教育等的课程思政主线,重点解析和挖掘了专业知识中的思政元素,有助于知识传授和课程思政的协同推进与有机融合。

基于车辆动力学的铁路轨道曲线啸叫时域模型

曲线啸叫是轮轨切向黏滑接触、轮轨动力学和通过曲线时车辆运行状态的综合结果。为综合研究曲线啸叫的影响因素,基于整车车辆多体动力学,并采用改进的轮轨接触力计算方法,建立了曲线啸叫时域模型。在接触力计算中,使用了离散接触模型,为引入下落摩擦机理,在切向力计算中使用迭代方法确定摩擦系数和接触力,使用模态叠加法计算车轮振动响应,采用无限元方法计算车轮声辐射。研究不同曲线半径和通过速度下,曲线段轮轨间接触力的变化及接触区的黏着-滑动状态,对车轮振动特性进行分析,并研究了车轮声学响应。研究发现,在下落摩擦和整车车辆运动状态的共同作用下会出现啸叫现象;曲线段轮轨间的法向力和切向力均会出现振荡,接触区呈现黏滑振荡状态;车轮振动速度谱的峰值频率与车轮特征模态相近,车轮轴向和径向模态的高幅振动是高频啸叫的原因之一。啸叫现象主要出现在前轮上,相同工况下,前后轮声压级相差近20 dB,车辆速度和曲线半径对啸叫程度有明显影响,当车辆的曲线通过速度为60 km/h时,小曲线半径会出现严重啸叫现象;当曲线半径由200 m增大到400 m时,最大声压级降低34 dB;曲线通过速度由60 km/h降至40 km/h时,最大声压级下降13 dB。

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。

实测轨道不平顺激励对地铁车辆动力学性能的影响

文章基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了考虑实测轨道不平顺激励的地铁列车-轨道空间耦合动力学模型;分析了线路实测不平顺与现有仿真常用的美国AAR6级轨道谱对列车-轨道耦合系统动力学行为的影响。结果表明:现有仿真采用的美国AAR6级轨道谱会高估轮轨相互作用状态和轨道变形,却严重低估了轨道系统的振动影响。因此,开展符合我国城市轨道交通实际状态的轨道谱的研究,能够有效提高车辆-轨道力学性能评估的准确性,使我国城市轨道交通得到进一步的发展。

钢弹簧失能下车辆-浮置板轨道耦合系统动力特性研究

在列车荷载作用下浮置板轨道会发生钢弹簧失能,为研究此问题对车辆-浮置板轨道系统动力特性的影响,基于车辆-轨道动力学理论,建立车辆-浮置板轨道耦合动力学模型,研究不同钢弹簧失能数量、位置、组合形式对车辆-浮置板轨道系统动力响应的影响。结果表明:当钢弹簧失能数量相同时,同一块浮置板的振动响应板中位置大于板端位置;钢弹簧失能1个时,板中位置钢轨、浮置板位移最大值分别比板端位置大0.49 mm和0.22 mm,加速度有效值分别比板端位置大13.34%和21.42%;单侧连续失能钢弹簧数量≥2个时,列车荷载作用下钢轨和浮置板垂向位移最大值均分别超出《浮置板轨道技术规范》规定的限值4 mm和3 mm;车体在频域上的振动响应主要集中在10 Hz内,钢弹簧失能会导致车体振动响应在频域上增大;单侧钢弹簧失能2个比双侧失能2个的钢轨位移最大值、加速度有效值分别增大17.75%、2.22%,比正常状态下钢轨位移、加速度分别增大37.08%,10.84%。钢弹簧失能增加了系统的振动响应,影响减振效果,应注意及时检修。

链式回转弹仓刚柔耦合动力学建模及特性分析

考虑到装填系统轨道输送链具有链节大、负载大、速度大的特殊性,提出一种基于相对坐标法和板单元离散方式的刚柔耦合动力学建模方法。利用邻接体的相对运动关系推导出运动学方程及体坐标与铰坐标的转化关系,建立广义坐标为独立铰坐标的动力学方程。利用有限元方法,基于板单元理论将链节和弹筒离散化,以链节为例建立单个链节的刚柔耦合动力学方程,随后通过刚-柔运动约束形式,利用增广方程形式,建立轨道输送链系统的刚柔耦合动力学方程。基于此方法,建立某弹仓(闭式轨道输送链)轨道输送链和弹筒的刚柔耦合动力学方程,并在不同工况下将基于板单元离散的数值仿真与实验结果进行对比。基于建立的刚柔耦合动力学模型,分析弹仓传动构件支撑刚度、轨道间隙等因素对弹仓系统的影响。研究结果表明:数值仿真结果与实验结果的趋势基本一致;支撑刚度对系统动态响应的影响程度取决于动力系统的结构形式和受力形式;轨道间隙的变化对系统的动态特性具有较大的影响,在工程应用中需要合理控制间隙;上下轨道错位对弹仓动态特性影响较大,需要合理控制加工装配精度。

新型中低速磁浮车辆动力学特性分析

针对一种速度160 km/h新型中低速磁浮悬浮架,文章运用SIMPACK多体动力学软件建立了车辆的动力学模型,分析了该悬浮架在直线以及曲线工况下的动力学特性。结果表明,直线运行工况下车辆速度可以达到160 km/h,悬浮间隙、车体振动加速度等指标均符合要求,但在120 km/h时车辆各项指标有所恶化,为减小车体共振影响,对车体振动加速度进行了频率分析并给出优化建议。在曲线工况下,车辆的导向力、空簧横向位移及滑台位移等指标均在正常范围。研究结果证明新型中低速磁浮车辆的动力学性能符合要求,相关动力学结果可为新型悬浮架后续研究及工程化提供数据支持。

专门论述轨道动力学程序设计的首部著作 《高速铁路轨道动力学程序设计》出版发行

雷晓燕教授撰写的专著《高速铁路轨道动力学程序设计》,日前已由科学出版社出版发行。该书为科学出版社“高速铁路轨道工程丛书”的首部专著,也是专门论述轨道动力学程序设计的首部著作。高速铁路轨道动力学属现代铁路轨道工程中的基础前沿学科,涉及高速列车-轨道耦合系统动力学理论、模型、算法及程序设计。

转盘式转向架车辆动力学性能分析

[目的]相比于传统转向架,新型转盘式转向架具有较小的回转阻力系数及良好的曲线通过性能,因此有必要对其车辆动力学性能进行分析。[方法]基于SIMPACK动力学软件,建立转盘式转向架和传统转向架车辆动力学模型;对比分析了两种转向架形式下的回转阻力系数、曲线通过性能、车辆动力学性能;研究了轴承摩擦因数对转盘式转向架车辆的动力学性能影响。[结果及结论]两种转向架形式下,当通过曲线半径为110 m、设置限速为30 km/h时,在新轮和磨耗轮工况下,转盘式转向架车辆的脱轨系数、磨耗数、轮轴横向力显著优于传统转向架车辆,转盘式转向架车辆的轮重减载率略优于传统转向架车辆。当以不同车辆运行速度通过直线线路时,两种转向架形式的车辆平稳性随着车辆运行速度的增大而增大。在新轮工况下,转盘式转向架车辆的横向平稳性明显优于传统转向架车辆,转盘式转向架车辆的垂向平稳性略优于传统转向架车辆。在磨耗轮工况下,转盘式转向架车辆的横向平稳性和垂向平稳性均明显优于传统转向架车辆。当转盘式转向架车辆的回转受到限制时,车辆的稳定性、横向平稳性和曲线通过安全性均随着轴承摩擦因数的增加而恶化,但各值均在标准规定范围内。

小半径及大坡度地段直线电机车辆轮轨动力学特性探究

直线电机车辆具有转弯半径小、爬坡能力强等特点,在城市轨道交通加密线中有独特优势。文章以北京市轨道交通28号线为例,建立直线电机车辆-轨道-道床耦合动力学模型,分析车辆通过小半径及大坡度地段的动力学响应。分析结果表明,曲线半径对车体垂向加速度影响并不显著。行车速度80 km/h地段,曲线半径不宜小于400 m。曲线半径减小时,轮轨力、脱轨系数以及轮重减载率峰值均随之增大。坡度增大时,车体垂向加速度峰值增大。不同坡度下的车体横向加速度、轮轨力、脱轨系数、轮重减载率峰值基本相同。因此可得,直线电机车辆适合在小半径及大坡度地段运行。

波浪荷载作用下车辆-轨道-悬浮隧道动力响应研究

为实现波浪荷载作用下车辆-轨道-悬浮隧道系统耦合动力学行为模拟和分析,基于车辆-轨道耦合动力学理论,引入轮轨非线性时变单元矩阵法和结构单元多尺度耦合法,采用弹簧-阻尼单元模拟锚索系统,建立车辆-轨道-悬浮隧道动力相互作用模型;根据线性波浪理论和Morison方程,确定波浪荷载计算方法;最后,基于所建立的车辆-轨道-悬浮隧道动力相互作用模型开展数值仿真模拟,研究波浪荷载作用下锚索等效刚度、波浪高度、行车速度等参数变化时系统振动响应特性及传播规律。研究结果表明:锚索等效刚度变化对轨道-悬浮隧道系统结构位移的影响显著,提高锚索等效刚度能够有效抑制结构位移增大,且考虑部分锚索失效后系统结构位移变化较大,位移增幅均大于43%,不利于结构稳定;轨道-悬浮隧道系统结构的横向位移主要由波浪荷载引起,随着波浪高度增加,轨道-悬浮隧道系统结构位移整体上呈增大趋势;在工程设计过程中,应充分调研场地水环境,并合理设置轨道-悬浮隧道系统的结构参数,以确保系统的安全性和稳定性。

轨道车辆牵引电机轴承的动力学建模与分析

轨道车辆牵引电机轴承是重要的旋转支承部件,其高速运转过程中内部元件间产生复杂的接触、碰撞与冲击,是滚道表面疲劳损伤、保持架破损与电机振动噪声的重要来源,深入理解牵引电机轴承运转过程中内部元件的动力学特性,对于提高该关键部件的设计与运维水平具有重要意义。首先,以牵引电机圆柱滚子轴承为研究对象,基于Lagrange多体动力学方法与耦合能量耗散的Hertz接触理论,考虑轴承各部件瞬态动态效应,建立轨道车辆牵引电机轴承的动力学模型。随后,通过与Harris经典理论分析结果对比,验证该模型的准确性。最后,对轨道车辆某型牵引电机轴承处于不同转速、载荷与径向游隙工况下的动力学特性进行分析。结果表明:低转速和径向载荷较小的情况下,在承载区滚子的接触载荷分布呈现较为明显的波动,随着转速加快和径向载荷增大,在承载区滚子的接触载荷分布波动趋于平缓。低转速和较大径向游隙的情况下,内圈质心轨迹朝向无序状态发展且有明显波动,当高转速和较小径向游隙时,内圈质心轨迹稳定且规律性提高,随着转速增大,内圈质心位移运动范围扩大。径向游隙增大的情况下,导致承载区滚子受力逐渐增大,滚子与内圈之间的相互作用力显著增加,从而内圈质心竖直方向加速度变大,运动范围变大且无序性增加。

基于交叉迭代法的车辆-轨道非线性空间耦合振动模型及算法改进

针对车辆-轨道非线性空间耦合系统动力学分析计算量大、计算耗时长及计算精度难以保证的问题,对车辆-轨道非线性空间耦合振动模型和交叉迭代法进行改进。运用有限元法分别建立车辆和轨道空间子系统动力学模型,在基于“迹线法”构建轮轨接触几何关系的基础上,提出“投影对点作差法”搜索轮轨空间接触点位置,并引入轮轨准弹性接触对其进行修正,精细化轮轨接触关系;结合车辆-轨道非线性空间耦合系统特点,改进基于Newmark数值积分的交叉迭代求解系统动力学方程的算法,并给出完整的数值计算步骤。通过与相关文献进行对比,验证改进模型和算法的有效性。结果表明:改进模型的分析精度更高,搜索轮轨空间接触点位置的速度更快;改进算法的计算过程更完善,步骤更清晰;改进的模型和算法在提高计算精度的同时,仍然具有较快的计算效率,且使数值编程更易实现,方便工程应用。

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。

车辆轨道耦合动力学理论在现代机车车辆设计中的应用实践

介绍了车辆 轨道耦合动力学理论在新型机车车辆研制中的最新应用情况,包括在200km/h"天梭号"高速机车设计、170km/hSS7E型提速客运电力机车改进设计,以及120km/h提速货运电力机车研制中的应用实践。文章着重从提高高速机车蛇行运动稳定性、改进SS7E型客运机车横向动力性能以及降低提速货运机车轮轨动力作用等方面进行了详细论述。结果表明,车辆 轨道耦合动力学理论在现代铁路机车车辆研制中取得了显著成效,具有广阔的应用前景。

车辆－轨道系统横向耦合动力学的研究

本文基于车辆－轨道系统耦合动力学的基本思想，对横向耦合动力学进行了分析研究。从车辆、轨道、轮轨接触整体系统的角度，建立了车辆－轨道系统横向耦合模型，并编制了相应的计算机仿真实施软件包，用以分析高速、重载运输条件下车辆和轨道的横向相互作用，为车辆和轨道的最佳设计、最佳管理提供科学依据。

两种类型踏面的车辆与轨道耦合动力学性能比较

采用车辆 轨道耦合动力学理论及其相应的动力学仿真软件TTISIM ,分别对锥形 (TB型 )和磨耗形 (LM型 )踏面车辆与轨道的动力学性能进行理论仿真计算 ,并对计算结果进行了详细的比较。结果表明 :LM型踏面有利于车辆动态曲线通过 ;TB型踏面对提高车辆蛇行失稳临界速度有利 ;

车辆—轨道耦合动力学仿真软件TTISIM及其试验验证

TTISIM仿真软件采用现代车辆—轨道耦合动力学理论,全面考虑轨道结构参振影响及动态轮轨空间接触几何关系。结合近年来国内有关提速、脱轨、新型机车车辆动力学现场试验,对TTISIM软件进行了系统的分析验证。结果表明,用该仿真软件计算的结果与试验测量结果吻合良好,说明该仿真软件可以用来分析研究各种铁道机车车辆在不同状态线路上运行时的动力学性能。

机车车辆横向动力学性能仿真——车辆轨道耦合模型与传统车辆模型的比较

运用经过大量线路实车运行试验验证的车辆 轨道耦合动力学仿真软件TTISIM,对传统车辆动力学和车辆 轨道耦合动力学两种类型模型的横向动力性能进行了比较与分析.结果表明:车辆无论是在直线上运行还是通过曲线轨道和道岔时,采用传统模型计算所得的轮轨横向相互动作用力均较采用耦合模型计算的大;仿真计算车辆蛇行失稳临界速度时,采用前一模型得到的结果较后者偏高;而两者计算所得的车辆垂向与横向振动差别甚小.

基于UM的车辆-轨道耦合动力学建模及仿真分析

基于多体系统动力学理论,分析某动车各构造拓扑关系及其力学特性,利用多体动力学软件UM建立50个自由度的车辆-轨道动力学模型,仿真分析了车辆的非线性临界速度、脱轨系数、振动加速度及平稳性指数等动力学特性,获得了该型动车直线运行的非线性临界速度477km/h;以200km/h的时速通过曲线半径R=4 000m的曲线线路时车体横向、垂向Sperling平稳性指数分别为2.01和1.69;车体横向、垂向加速度分别为0.062g和0.046g;1位轮对的最大脱轨系数和轮重减载率分别为0.182和0.406 4.研究结果表明:该型动车具有较好的动力学性能.