柔性轮对高速列车通过道岔的动力学响应

为研究高速列车在柔性轮对条件下通过道岔时的动力响应,采用刚柔耦合动力学仿真方法,基于CRH380高速列车模型建立柔性轮对结构条件下的车辆—道岔刚柔耦合动力学模型。以柔性轮对高速列车模型为研究对象,通过18号高速道岔,分析轮对柔性与全刚体结构条件下的车辆模型的安全性、轮轨动态相互作用、车体振动加速度及轮轨接触位置分布指标。仿真结果表明,柔性轮对高速列车模型对车辆的轮轨动态相互作用影响较大,对安全性、车体振动加速度及轮轨接触位置分布等动力学指标影响较小。

柔性轮对的地铁曲线段内轨波磨迁移特性研究

为预防波磨从一侧钢轨迁移至另一侧,建立了柔性轮对的车辆-轨道曲线通过刚柔耦合动力学模型,再现了地铁车辆曲线段时的轮轨接触行为,分析了曲线内轨不同特征波长波磨产生的振动响应和磨耗功率。相比传统多刚体模型,车辆-轨道刚柔耦合模型能将轮对弯曲、扭转和高频振动考虑在内。针对波长极短的40 mm短波、80 mm短波、150 mm中波和200 mm长波波磨四种工况进行仿真,结果表明:随着波长增加,波磨迁移现象越容易产生。对于波长较短的短波引起单侧高频轮轨冲击但波磨不易迁移至另一侧;80 mm短波引起的振动较小,也不易发生迁移;当波长增加至150 mm中长波和200 mm长波后,外轨轮轨力振动开始加剧,150 mm工况外轨纵向轮轨力振荡明显增加,200 mm工况纵向和垂向轮轨力已接近波磨所在侧的振荡幅值,此时很可能发生波磨迁移的现象。

柔性轮对高速列车牵引传动系统振动特性仿真

建立了考虑轮对柔性变形的高速列车动车三维动力学模型,模型详细考虑了高速列车牵引传动系统。和传统动力学模型相比,建立的模型能够反映动车牵引扭矩从电机到轮对的传递过程。同时,上述模型详细考虑了齿轮传动系统的非线性特性,比如齿轮时变啮合刚度和传递误差等。基于建立的动力学模型,分析了齿轮传动系统与柔性轮对的耦合振动特性。结果表明,轮对柔性变形会导致传动系统振动加剧。同时,齿轮传动系统会明显增强轮轨间纵向作用。因此,在评估齿轮传动系统动力学特性时不能忽略轮对柔性变形影响。而且考察动车轮轨特性时不能忽略齿轮传动系统的作用。

柔性轮对作用下浮轨式扣件轨道动力特性分析

浮轨式扣件是一种高等减振扣件,在我国地铁线路服役后出现钢轨短波长波磨,导致显著的车内振动噪声。为探明浮轨式扣件轨道动力特性,利用有限元软件ABAQUS建立浮轨式扣件轨道结构三维实体有限元模型,采用模态分析和谐响应分析研究柔性轮对作用下的轨道动力特征。结果表明:周期性离散支撑轨道的简化截断边界引起的高频振动波反射效应对轨道动力特性影响明显,浮轨式扣件轨道模型长度涵盖大于80个承轨台间距后可忽略边界波反射的影响;轨道结构在80 Hz以下主要表现为钢轨和道床板整体的弯曲和扭转振动,大于80 Hz的轨道振动表现为钢轨相对道床板的弯曲和道床板自身的弯曲及扭转振动;轨道垂向动力特性在500 Hz以内受单个轮对作用的接触刚度和质量效应影响显著,而在钢轨一阶垂向pinned-pinned共振频率之后受柔性轮对与接触刚度的耦合作用影响甚微;考虑双轮对加载后,转向架双轮对间钢轨会出现局部弯曲振动特征;轨道垂向动力特性在车轮一阶弯曲、车轮二阶弯曲和车轮伞向模态影响下出现谐波峰值。

柔性轮对及车轮多边形对高速铁路轮轨系统动力响应的影响

基于刚柔耦合动力学理论建立柔性轮对车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,结合现场实测轴箱加速度验证了模型的可靠性。采用谐波叠加法模拟车轮多边形,对比了有无车轮多边形对轮对振动加速度的影响。在此基础上,分析了车轮多边形参数(如多边形阶次、幅值变化)对轮轨系统振动的影响。结果表明,车轮多边形将导致柔性轮对垂向加速度显著增大;与刚性轮对模型相比,柔性轮对及转向架的垂向加速度显著增大,此时多边形激振频率(674 Hz)成为影响其垂向振动的主要因素;轮对垂向加速度随多边形阶次的增加先增大再减小,当车轮多边形阶次为20阶时,轮对垂向加速度达到最大值;钢轨垂向加速度随多边形阶次的增加而增大;轮对垂向加速度、钢轨垂向加速度随多边形幅值的增大而增大。

考虑柔性轮对的车辆系统刚柔耦合动力学响应分析

为研究柔性轮对对高速列车动力学性能的影响,采用刚柔耦合动力学仿真方法,基于CRH380高速列车模型建立了柔性轮对结构条件下的车辆—轨道刚柔耦合动力学模型。分析了轮对柔性与全刚体结构条件下的车辆模型的安全性、轮轨动态相互作用及通过性指标。仿真结果表明,在车速300 km/h时,两模型在动力学指标上具有明显差异,主要表现在柔性轮对车辆模型轮轨垂向力幅值及轮重减载率幅值都低于全刚性体车辆模型,车辆振动加速度、脱轨系数及轮轴横向力波形结果差距较小。

柔性轮对的轮轨接触参数分析

只考虑轮对弯曲振动下的结构柔性,建立了把车轴考虑成铁木辛科梁的柔性轮对简化模型,用格林函数求解其在稳态谐波力作用下的运动方程,从而求出车轮倾斜角位移.根据轮轨接触几何约束关系,用解析方法推导了柔性轮对与钢轨接触几何的约束方程组,对该约束方程组进行求解,得到轮轨接触几何参数,并与相应的刚性轮对轮轨接触参数进行了对比,讨论了轮对弯曲变形对轮轨接触点位置及其接触参数的影响.结果表明,当轮对横移量超过5mm时,轮对的结构柔性会导致轮轨接触参数发生明显变化;该简化模型可以有效地解决需要考虑轮对柔性的轮轨接触计算问题.

基于ANSYS与SIMPACK联合仿真的柔性轮对动力学仿真分析

介绍了有限元软件ANSYS与多体动力学软件SIMPACK联合仿真的方法,利用ANSYS分析得到的结构和模态等信息将轮对进行弹性化处理,而仍将车体、构架等部件作为刚体;在SIMPACK软件中建立了完整的刚柔耦合车辆系统动力学模型,比较分析了柔性轮对和刚性轮对车辆动力学的影响。研究表明:在直线运行速度不高时,轮对为柔性对车体动力学性能基本没有影响,在车辆高速运行时,考虑轮对的柔性是非常有必要的;在通过曲线时,柔性轮对模型的曲线通过性能略优于刚性轮对模型,更加符合实际情况。

柔性轮对的离散时间传递矩阵法建模及垂向振动

针对铁道车辆轮对系统的弹性振动及台架高频激振试验仿真问题,以离散时间传递矩阵法建立了柔性轮对振动模型.基于Newmark-β隐式法积分格式推导了分布质量弹性轮轴、集总质量车轮及弹簧-阻尼单元的离散时间传递矩阵,采用Riccati法、Newmark-β法实现轮对系统垂向振动加速度以及速度、位移的求解,将轮对模型与采用新型显式积分法求解的构架、轨道轮组动力学模型集成,完成机车车辆单轴滚振试验台的动力学建模,提出了混合积分模式下动态仿真求解流程.基于滚振试验台,开展了轨道轮初始表面粗糙度、打磨多边形及局部凹陷状态下300~400 km/h高速运行试验,同步开展了相应的动力学仿真,通过在时域-频域对测试和计算结果的比较,检验了理论模型.结果表明,在振动加速度的时域-频域特性和幅值分布上,单轮对柔体模型总体能够较好反映500 Hz频率下系统的中高频振动规律,有效捕捉车轮不圆、多边形磨耗、局部凹陷等动态激扰,三种轨面状态下计算的轴箱加速度幅值误差总体低于9%,模型具有较好的适应性和准确性.但相关建模方法如何在复杂空间结构中应用需要进一步探索.

欧拉坐标系下柔性轮对旋转效应对轮轨力的影响

为方便计算,在建立的刚柔耦合车辆—轨道系统多体动力学模型中,采用欧拉坐标系下旋转效应柔性轮对模型(既考虑柔性、又考虑旋转)。在模型求解时,采用OpenSees开源有限元软件进行二次开发,以解决商用有限元软件无法直接计算欧拉坐标系下旋转效应柔性轮对模型问题;将轮对的模态坐标从欧拉坐标系转化为拉格朗日坐标系,以解决欧拉坐标系下旋转效应柔性轮对与拉格朗日坐标系下车辆—轨道模型耦合计算问题。建立刚性轮对、无旋转效应柔性轮对和旋转效应柔性轮对模型,研究轮轨力的频率特性及在周期性轨道不平顺激励下的响应。结果表明:采用旋转效应柔性轮对模型时,轮轨垂向力波动存在多个主频,且高频波动更加剧烈;轮对的固有频率及轮轨力的响应频率均出现分离现象,且随着轮对旋转速度的增加,分离频率间差值越大;轮轨纵向力的影响较垂向力和横向力明显,当高速线路存在短波不平顺时,旋转效应易加剧柔性轮对纵向力的高频波动。

柔性轮对结构振动对车辆动力学性能的影响

为研究轮对柔性对车辆动力学的影响,建立高速列车轮对的有限元模型,对轮对进行自由模态分析.通过模态综合法获取柔性轮对模态信息,应用多体系统动力学理论建立柔性轮对-刚性轨道接触力学模型;建立包含高速旋转柔性轮对的车辆-轨道耦合动力学模型,研究高速列车在直线和曲线通过时轮对结构振动对车辆动力学性能的影响.结果表明:轮对的结构振动对轮轨接触点位置、蠕滑率、蠕滑力和脱轨因数等均产生较明显的影响,但是对轮重减载率影响较小,因此应采用更加精确的柔性轮轨耦合模型研究轮轨相互作用、轮轨滚动接触疲劳和轮轨噪声等.

基于柔性轮对的轨道车辆动力学仿真分析

为研究柔性轮对对轨道车辆动力学性能的影响,应用ANSYS创建轮对实体有限元分析模型,并选用Guyan缩减法和Lanczos分块法对其进行子结构模态分析。联合SIMPACK创建柔性轮对车辆仿真模型,此模型的构架、车体等部件仍视作刚性体。与刚体车辆仿真模型对比分析出在中国高铁谱和美国六级谱激励作用下两模型的动力学性能的差异。分析结果表明:轮对采用柔性体的车辆非线性临界速度较全刚体车辆的非线性临界速度稍稍降低。在两激励线路下,轮对采用柔性体对车辆的平稳性和曲线通过性能也有一定程度的影响。

柔性轮对的轮轨静态接触和车辆动态性能研究

分别研究了考虑轮对柔性时对轮轨静态接触几何关系和车辆动态性能的影响。首先在假设车轮不变形的前提下,将车轴简化为欧拉-伯努利梁模型,并以LM磨耗形踏面和标准60钢轨为研究对象,求解车轴运动微分方程以获得车轴的变形信息,再基于传统迹线法自编程序进行几何计算,求解变形后的轮轨接触几何参数,并与刚性轮对进行对比。结果表明,在横移量较小的情况下,柔性轮对与刚性轮对接触几何参数差别不大,当横移量较大时,两者有明显差异。其次,在车辆-轨道系统动力学模型中,利用模态叠加法将轮对考虑为柔性,并利用自编动力学积分程序计算常规工况和初始不称重特殊工况,分析其对轮轨力和一系悬挂力影响。结果表明常规工况下考虑轮对柔性的影响较小,而在特殊工况下,由于激励覆盖频率较高,柔性轮对的固有模态容易被激发,对轮轨力和一系悬挂力造成明显影响。

基于柔性轮对的动车组轮轴疲劳寿命研究

现如今,我国动车高铁组迅速发展,对动车组轮轴疲劳寿命的研究有利于提出维修和保养的措施,能够找到合理的方法延长使用和能够及时更换。基于柔性轮对的动车组轮轴的疲劳寿命的研究,能够找到使用的实际和更换的时间,能够有效的避免相关的事故,减少危险发生的概率。因此,基于柔性轮对的动车组轮轴的疲劳寿命的研究尤其重要,本文着重论述基于柔性轮对的动车组轮轴的疲劳寿命的方法和研究。

柔性腿无缘轮黏滞-滑动过程的被动动态行走运动特性分析

为了分析存在摩擦力情况下柔性腿无缘轮的运动步态,分析了柔性腿无缘轮黏滞与滑动两种运动状态相互转换的条件,通过拉格朗日第一类方程建立了系统的动力学模型,在建模时解除了单支撑阶段的切向约束条件,增加了摩擦力项以实现当摩擦力不足时的滑动状态建模.分析了不同摩擦因数下柔性腿无缘轮的运动步态情况,发现了最多可能产生4种运动行为.研究了不同步态对于系统能量的影响,并发现滑动的产生增加了系统在单支撑阶段的动能.利用Newton-Raphson迭代法和庞加莱映射发现了4种运动行为均存在不动点并且轨迹稳定,同时发现柔性腿无缘轮具有滑动的步态有着良好的鲁棒性.通过研究不同初始动能对系统滑动步态的影响,发现了系统动能或者角速度在一定的范围内存在一个极小的停滞区间,使得系统单支撑阶段在通过直立平衡面附近时会产生长时间的滑动,导致系统的不稳定.

轮对柔性对车辆动态曲线通过性能的影响研究

为了研究车辆系统中轮对的弹性效应对车辆动态曲线通过性能的影响,运用多体系统刚柔耦合动力学理论,通过有限元软件ANSYS将轮对柔性化处理后导入多体动力学软件UM中,建立考虑轮对为柔性的某型高速车辆刚柔耦合动力学模型,研究轮对柔性对高速车辆动态曲线通过的各项安全性能指标及平稳性的影响,对比分析不同工况下轮对刚性与柔性对高速车辆动态曲线通过时的动力学响应。结果表明:刚柔耦合动力学模型的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力和垂向平稳性指数较多刚体动力学模型均有不同程度的降低,而轮轨接触角、轮对侧滚角位移和横向平稳性指数较多刚体动力学模型有所升高。考虑轮对的弹性效应对车辆动态曲线通过性能有一定的影响,柔性轮对较刚性轮对更能真实地反映车辆系统的动力学性能。

柔性轮式移动弹跳机器人设计与运动性能研究

为了提高机器人在复杂环境中的适应性能,解决弹跳机器人姿态调整和翻转复位的问题,设计一种柔性轮系机构与集弹跳、调姿和翻转复位一体的多链弹跳机构结合的柔性轮式移动弹跳机器人。运用柔性轮系机构实现机器人平坦路面快速稳定的移动,通过柔性轮的弹性变形消除弹跳运动的部分落地冲击力,并基于铁木辛柯梁理论对柔性轮进行受力变形分析。多链弹跳机构能实现机器人的弹跳运动、起跳角度调节和落地后翻转复位,具有单机构多功能的特点。设计了一种复合螺母机构,当复合螺母机构的螺母片闭合时,储能电机驱动丝杆转动实现机器人弹跳储能;当螺母片分离时,瞬间释放弹簧的弹性势能实现机器人的弹跳运动。运用ADAMS对机器人的姿态调整、弹跳运动和翻转复位进行仿真,研制柔性轮式弹跳机器人原理样机并进行弹跳运动实验,结果表明,该柔性轮式移动弹跳机器人的设计具有可行性。

考虑轮对柔性的车轮疲劳寿命研究

以CRH2型动车组拖车车轮为研究对象,建立考虑轮对柔性的车辆系统刚柔耦合动力学模型,利用有限元法和Palmgren-Miner准则对车轮的疲劳寿命进行研究。利用有限元软件ANSYS建立轮对的有限元模型并生成轮对子结构模型;利用多体动力学分析软件SIMAPCK建立包含柔性轮对的车辆系统刚柔耦合动力学模型,得到轮对的动力学响应和受到的动荷载时间历程,并与车辆系统多刚体动力学模型的结果对比;基于名义应力和Palmgren-Miner准则对车轮的疲劳寿命进行研究。研究结果表明:考虑轮对柔性的车辆系统动力学模型能够得到更准确的车轮受到的动载荷时间历程;车轮首先发生疲劳破坏的部位发生在辐板和轮辋以及轮毂过度处,属非比例多轴疲劳破坏,并首先在辐板表面形成裂纹并逐渐向内扩展;车轮的疲劳寿命远大于设计要求的使用年限,大部分未磨耗的到限的车轮经探伤处理后可以回收再利用。

车轮柔性化对高铁轴箱轴承振动特性分析

轴箱轴承作为高速列车旋转系统中最为重要的部件之一,其运行环境恶劣,探究轴箱轴承在恶劣运行工况下的动力学行为是保证高铁安全运行亟待解决的问题。以正在运营的某型高速列车转向架上轮对和轴箱轴承为研究对象,构建一种包含柔性轮对的轴箱轴承-车辆-轨道耦合动力学模型,通过数值和有限元计算,研究在京津线轨道激扰下轴箱轴承内部结构的接触振动特性。研究结果表明:轨道激扰对滚子与外圈的接触载荷影响较大;刚性轮对和柔性轮对计算滚动体与外圈的接触力基本相同,且随着车辆运行,接触载荷呈周期性变化;柔性轮对导致滚动体与外滚道之间的中高频碰撞增加;双列圆锥滚子轴承的第1列轴承和第2列轴承交替承载,第1列轴承承受主要载荷,第2列轴承辅助承载;刚性轮对计算外圈垂向振动加速度最大峰值远大于柔性轮对所计算得到的振动加速度最大峰值,相对刚性轮对而言,柔性轮对的变形能够减弱轮轨间的刚性约束关系,更切实地反映实际运营工况下的轮轨耦合振动关系。

不同轨道激扰下柔性轮对重载货车垂向振动特性分析

为了分析轮对弹性振动对重载货车动力学性能的影响,研究了考虑柔性轮对的重载货车垂向振动响应。建立轮对有限元模型,导入UM软件建立货车刚柔耦合动力学模型,利用线路实测数据验证了模型的有效性。基于实测数据分析了不同服役阶段车轮多边形几何特征,得到车轮径向偏差和谐波阶次的演变规律。在谐波激振、轨道短波激励以及车轮不圆激励下,仿真分析了货车模型的轮对垂向加速度、轮轨垂向力响应特性。结果表明:随着运营里程的增加,车轮径向偏差值增大,车轮不圆阶次逐渐向高阶发展。谐波波长越短对轮对弹性振动影响越大;短波轨道激励下刚柔耦合货车模型在中频段(25~50)Hz内的振动能量比刚性货车模型小30%左右;服役初期和后期的车轮不圆激励下,轮对在高频范围(300~500)Hz的弹性振动容易被激发,且后者引起的轮对垂向振动相比刚性货车模型振动差异显著。