地铁隧道整体道床轨道脱空对车轨振动的影响

地铁盾构隧道整体道床轨道脱空已成为影响地铁安全运营的重要因素。为揭示整体道床局部脱空对于车轨振动性能的影响,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了地铁列车-整体道床轨道-隧道衬砌-地基二维垂向耦合模型,运用模态分析法和Newmark法求解并分析了不同脱空长度和列车速度下的地铁车轨振动响应。研究结果表明:地铁隧道整体道床局部脱空对车体、转向架、轮对等部位的加速度响应影响显著;车体竖向加速度、钢轨位移和道床位移等振动幅值随脱空长度的增长而增大,可作为道床脱空监测的敏感振动指标,且随着地铁运行速度的增加,车体竖向加速度幅值的增长速度显著加大。

波浪作用下高速列车-轨道-桥梁系统耦合振动研究

为研究波浪作用对高速铁路跨海桥梁车-轨-桥系统耦合振动的影响,基于线性波浪理论和Morison方程模拟波浪荷载,采用分布力模式输入既有车-轨-桥系统耦合振动分析程序,提出波浪作用下的车-轨-桥系统耦合振动分析方法。以某高速铁路跨海斜拉桥为背景,研究波坡面效应、波浪重现期、车速对车-轨-桥系统动力响应的影响,并评估不同重现期波浪作用下过桥列车的走行性。结果表明:波坡面效应会使作用于不同单桩的波浪荷载初始相位不同,从而导致作用于群桩基础的波浪荷载合力不同;随着波浪重现期的增大,车-轨-桥系统的横向动力响应均增大,而竖向动力响应几乎不变;考虑波浪作用后,列车的行车安全性指标均随车速的增大而增大,波浪荷载会显著降低桥上列车的乘坐舒适性并增加桥上列车的脱轨风险。常遇波浪(10年重现期)和极端波浪(100年重现期)作用下列车的安全车速阈值分别为325 km/h和275 km/h。

车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验

为探究模型试验法在车-轨-桥耦合振动研究中的有效性,基于π定理准则和量纲分析方法,推导车-轨-桥耦合振动原型结构与模型结构之间的相似关系。以10︰1为几何相似比,计算原型与模型结构之间的相似常数,利用有限元方法校验原型与模型结构之间的相似关系。依照弹性力相似律,制作包含车辆-轨道-桥梁结构以及动力加载部分的缩尺模型试验系统,采用试验测试与数值仿真相结合的方法,校验了缩尺轨道箱梁结构的模态振型、模态频率以及模型车移动荷载作用下模型桥的加速度响应在时域与频域范围内的可靠性。研究结果表明:原型结构计算加速度响应值和模型结构计算加速度响应反演值曲线一致,校验了由π定理准则及量纲分析所推导的相似关系的准确性;试验测定轨道-箱梁结构模型振型与数值仿真计算所得振型基本一致,且模态频率误差较小,频率误差最大仅为5.97%。表明基于相似理论设计制作的轨道-箱梁结构缩尺模型能够较好地满足试验要求;试验测试与数值仿真计算的列车移动荷载作用下桥梁加速度响应在时域与频域内结果吻合良好,数值规律基本一致,模型桥动力性能误差在10%以内,表明缩尺模型试验系统能够较为精确地反应时域和频域范围内的车-轨-桥耦合振动特性。本文设计制作的车-轨-桥耦合振动缩尺模型试验系统可靠,可用于复杂工况下的车-轨-桥耦合振动分析。

基于预先补偿和全状态反馈控制的车-轨耦合振动抑制

以高速磁浮列车为研究对象,探讨了弹性轨道下的车-轨耦合振动问题。建立了能反映实际问题的车-轨耦合最小悬浮单元模型,并进行了开环系统稳定性和耦合振动机理分析。以弥补比例-积分-微分(PID)控制器有效信息利用不足为出发点,设计了基于预先补偿的全状态反馈控制器。通过仿真分析了反馈增益矩阵对系统跟踪性能和振动抑制能力的影响,提出了适当降低对悬浮间隙的要求换取振动抑制能力提升的思路。进一步分析了反馈系数对悬浮系统性能的影响规律,基于此得到了优化的预先补偿和全状态反馈控制框架。最后,通过实验验证了基于预先补偿的全状态反馈控制对抑制车-轨弹性耦合振动的有效性。

基于AHP分析法的磁浮系统车轨耦合振动抑制方法

为研究磁浮列车在柔性轨道梁上易发生车轨耦合振动的问题,针对一种轨道梁-悬浮电磁铁-车体垂向耦合振动模型,采用AHP(层次分析法)求取系统二次型性能指标中状态加权矩阵的权重系数,并采用2种不同的状态反馈控制器(1:考虑轨道梁、悬浮电磁铁和车体的振动状态;2:仅考虑悬浮电磁铁的振动状态)对磁浮系统进行动力学仿真分析以及振动机理分析,得出以下结论:当轨道梁阻尼较小时,在轨道梁振动频率低于50 rad/s时,在控制器1的控制下,悬浮系统能吸收轨道梁的振动能量,实现系统在柔性轨道梁上的稳定悬浮;而在控制器2的控制下,悬浮系统则向轨道梁输出能量,导致系统悬浮失稳。该研究结论可为悬浮控制器的优化设计提供一定的参考。

永磁电磁型低速磁悬浮车轨耦合振动抑制新方法

针对永磁电磁混合磁浮列车静浮实验中遇到的车轨耦合振动问题,首先建立考虑轨道弹性的系统数学模型,分析产生振动的原因,提出了通过设置非线性饱和环节、动态调整饱和阈值来抑制车轨耦合振动的新方法。系统在平衡点附近时通过调整饱和阈值来改变控制输出的幅值特性,逐步消除引起共振的能量,从而达到抑制振动的目的,系统在偏离平衡点时,快速释放饱和环节,进而提升控制器的调节能力和抗干扰能力。

磁悬浮系统车轨耦合振动研究

该文首先建立磁悬浮列车系统的车轨耦合模型,为了确保系统的全局稳定,利用状态反馈方法对磁悬浮非线性系统进行精确反馈线性化。分析了在常规反馈控制规律下,磁悬浮列车系统产生车轨耦合振动的原因。由于系统可控,如果对系统采用全状态反馈控制,可以将系统极点设置在任意位置。该文从实际的实验角度出发,考虑到并不是所有的磁悬浮系统的状态都可以获取,因此只能在常规控制规律基础上引入电磁铁的垂向速度作为控制量,实验证明:这一做法对磁悬浮系统的车轨耦合振动起到了很好的抑制作用。最后仿真说明了该文提出的控制方法对抑制磁悬浮系统车轨耦合振动的有效性。

对论文"车桥(轨)耦合振动系统仿真中的基本问题、解决办法及其应用范围"的回复

对"车桥(轨)耦合振动系统仿真中的基本问题、解决办法及其应用范围"一文所提出的问题,进行了回复。根据文章"车桥及车轨时变系统横向振动计算中的根本问题与列车脱轨能量随机分析理论"中分析方法的主要内容,重新阐述了由作者提出的理论、计算模型等的正确性。经多例实测结果验证,未发现与实际情况有较大差距。根据提出的列车脱轨能量随机分析理论,算出5个货物列车—轨道时变系统振动实例,3个脱轨,2个不脱轨,均与实际吻合。

考虑扣件温频变的车轨桥垂向耦合系统振动能量研究

通过对扣件进行定频变温试验,结合温频等效原理与高阶分数导数FVMP模型建立扣件的温频变动态力学模型,并在车-轨-桥耦合系统中采用新建模型模拟扣件,基于功率流法系统地分析与评价扣件温频变动态力学性能对车轨桥耦合系统振动能量分布与传递的影响。结果表明:考虑扣件动参数频变会使中高频段内的轨道结构振动能量增大,对低频段的轨道结构振动能量影响较小,且对钢轨传递给轨道板的振动能量影响较大,但对桥梁的振动能量传递影响较小;温度的降低会导致轨道结构的振动能量增大,且会增大61 Hz后中高频段内钢轨传递给轨道板的振动能量,但对桥梁的振动能量传递影响较小;扣件温频变对轨道结构振动能量的分布有较大影响,但对于轨下结构的能量传递影响较小。因此,在轨道桥梁耦合求解振动能量时必须要考虑扣件温频变特性,否则将难以精准预测轨道结构振动能量分布特性。

大跨斜拉桥温度变形下轨道车辆动态特性研究

为研究大跨斜拉桥温度变形对桥上轨道车辆动态特性的影响,基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用有限元法和多刚体动力学建立了地铁车辆-轨道-大跨斜拉桥刚柔耦合动力学模型。借助该模型,首先,分析整体升降温情况下大跨斜拉桥的变形规律;然后,考虑轨道随机不平顺与温度载荷下钢轨变形的综合作用,研究轨道车辆过桥时的动态特性;最后,研究温度载荷和车速对车辆各项动力指标的影响规律。研究结果表明:大跨斜拉桥在温度载荷作用下发生变形,整体表现为升温下挠、降温上拱,且形变量与温度载荷几乎呈线性变化关系;针对研究参数,温度载荷引起的钢轨变形使轮轨垂向力、车辆脱轨系数和轮重减载率分别增大了1.5%、3.1%和5.0%,降温工况下车体垂向加速度减小了2.4%,升温工况下增大了3.7%,车体垂向加速度在升降温情况下的主频主要集中在0~5 Hz,与常温条件下相差很小;脱轨系数和车体垂向加速度受温度载荷影响更大,轮重减载率和轮轨垂向力受速度的影响更为明显。论文结果为后续学者研究温度载荷对大跨斜拉桥上车辆动力响应影响提供一定的参考作用。

轨道梁结构对中低速磁浮车轨耦合振动的影响

建立了双级电磁悬浮控制器模型,轨道梁采用Euler-Bernoulli模型,基于单点悬浮控制系统建立“车辆-控制器-弹性梁”耦合动力学数值模型。对控制参数引起的车轨耦合失稳振动的特性进行分析,仿真计算不同轨道梁结构参数下,对中低速磁浮车轨耦合振动影响进行研究。结果表明:发生频率较低的车轨耦合振动时,轨道梁结构参数的改变对车轨耦合振动无明显影响;发生频率较高的车轨耦合振动,轨道梁固有频率随轨道梁结构而改变时,对车轨耦合振动影响明显;轨道梁固有频率不随轨道梁结构参数改变时,对车轨耦合振动无明显影响;轨道梁结构阻尼可以有效抑制车轨耦合振动响应。低频车轨耦合振动,轨道梁结构改变无法控制车轨耦合振动,车轨发生高频耦合振动时,增大轨道梁结构阻尼比及改变轨道梁固有频率均能有效控制车轨耦合振动,因此实际工程中可以考虑轨道梁下安装阻尼器和吸振器来改变轨道梁结构参数和结构阻尼来抑制振动。

扣件胶垫温变特性对车辆−轨道−桥梁耦合振动响应的影响研究

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆−轨道−桥梁耦合振动时域模型中进行分析。研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著。从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小。从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大。钢轨在8~100 Hz范围内振动减弱,在125~315 Hz振动加剧,轨道板在80~400 Hz振动加剧,桥梁在80~250 Hz振动加剧。

时速600 km高速磁浮列车车辆-轨道耦合振动现场测试与动力特性研究

依托时速600 km高速磁浮列车与高速磁浮试验线开展了实车试验研究,通过时速600 km高速磁浮列车与试验线轨道结构耦合振动测试,对时速600 km高速磁浮列车运行性能、轨道振动特性和悬浮导向控制稳定性开展了试验验证和分析研究,同时采用反馈控制电磁力的车辆-轨道耦合模型对其进行了车辆-轨道耦合振动仿真分析,并与现场试验结果进行了对比。结果表明,车辆运行速度、悬挂系统刚度与阻尼、导轨不平顺等因素对车辆-轨道耦合振动有较为显著的影响,研究成果可为高速磁浮车辆系统的稳定性设计和控制参数优化提供参考。

落石冲击作用下西部山区铁路简支箱梁桥行车安全性研究

为研究落石冲击作用对铁路桥梁行车安全性的影响规律,以西部山区某铁路简支箱梁桥为研究对象,建立充分考虑材料非线性和接触非线性的落石冲击桥梁仿真分析模型和列车-轨道-桥梁耦合动力分析模型;阐明落石冲击桥墩工况下落石冲击力特征,分析落石冲击作用下桥上行车安全性能,并揭示落石冲击速度、冲击角度、冲击高度和落石直径对行车安全性的影响规律。研究结论如下:(1)落石冲击力的峰值随着落石速度、落石直径的增大而增大,落石冲击高度和冲击角度几乎不影响落石冲击力峰值;(2)落石直径的增大会扩大桥墩结构破坏范围,表现为多个冲击力峰值的出现和冲击力时程的延长;(3)落石冲击速度越快,冲击能量越大,对桥上行车安全影响越大,落石冲击高度越接近墩顶、落石直径越大,列车横向动力响应越大,对桥上行车安全威胁越大;(4)落石冲击角度各工况下列车各项安全评价指标时程曲线变化规律相似,对桥上行车安全影响变化较小;(5)轮重减载率对落石直径和冲击高度十分敏感,轮重减载率在落石直径达到2.5 m时超出规范限值。研究成果可为西部山区铁路桥梁全寿命周期的设计和安全运维提供参考。

新型中低速磁浮悬浮架车轨耦合振动响应分析

车轨耦合振动是磁浮列车运行中面临的一个重要问题,文章基于一种新型中低速磁浮走行机构,对其车轨耦合振动响应进行分析,判断其结构的合理性。为了分析新型磁浮列车的“车辆-轨道梁”的耦合振动响应,基于Simpack、Simulink和ANSYS等相关软件平台建立了“车辆-控制-轨道梁”耦合动力学模型,对不同速度下的车轨耦合动力学响应进行数值仿真,获得耦合系统的动力学响应特征、速度对耦合系统动力学响应规律的影响,并对响应特征中出现的特殊响应现象进行分析。结果表明,随着速度的提高,轨道梁、悬浮模块和车体的动力学响应越剧烈,当速度在100~120 km/h时,耦合系统出现共振现象,同时存在于横向和垂向2个方向。此外,由于新型悬浮架独特的结构特点,会出现走行机构中部横向动力学响应大于端部的特殊响应情况。

基于动力吸振器的EMS型磁浮车辆-轨道梁耦合振动抑制方法研究

为抑制EMS型磁浮车辆-轨道梁耦合振动,建立了车辆-悬浮控制系统-轨道梁-动力吸振器垂向耦合动力学模型。以考虑轨道梁1阶振动模态和2阶振动模态为算例,分别设计了单动力吸振器和多重动力吸振器,并基于扩展定点理论与频率传递函数分析了2种动力吸振器方案的最佳参数,进而对不同质量比的动力吸振器进行了动力学仿真对比。通过研究可以得出以下结论:当激扰力频率接近轨道梁固有频率时,轨道梁因共振而达到最大动态响应,此时动力吸振器的振动加速度抑制效果最好,接近60%;质量比过大时容易产生负控制,而过小的质量比会使得动力吸振器的制振效果不明显;多重动力吸振器质量分布均匀,制振效果优于单动力吸振器,并且负控制小于单动力吸振器。

中低速磁浮车轨桥梁耦合振动试验台架设计

为研究中低速磁浮车轨桥梁耦合振动关键技术问题,本文通过理论研究分析,初步设计了车轨桥梁耦合振动试验系统方案,以模拟不同轨道的振动特性,重点设计并研制了车轨桥梁耦合振动试验平台的的结构台架,通过更换弹性支撑结构的方法改变试验台架的固有频率,并通过有限元仿真分析和动力学响应分析了试验台架的可行性,试验研究成果可为车轨桥梁耦合振动的建模、分析、验证等工作提供试验平台,模拟线路的各种条件提供借鉴。

基于Kalman滤波的弹性轨道上磁悬浮车辆控制方法

为研究弹性轨道上磁悬浮列车的车轨耦合振动问题,以单磁铁-弹性轨道梁系统为对象,搭建单磁铁悬浮系统的车轨耦合振动数学模型,利用Kalman滤波器的状态估计功能,设计出2种状态反馈控制器,对比分析2种控制策略下悬浮系统的稳定特性。基于MATLAB/RTW及dSPACE系统搭建弹性梁磁悬浮实时控制试验台,验证考虑轨道弹性的控制策略的有效性。研究结果表明:若不计轨道梁的阻尼作用,不考虑轨道弹性的控制策略无法实现对磁悬浮系统的稳定控制,但在给定轨道梁阻尼的前提下,提高轨道梁刚度也可以使得系统稳定;考虑轨道弹性的控制方法,即使不计轨道梁的阻尼,也能够使系统在较低刚度的轨道梁上稳定悬浮。

小半径曲线中低速磁浮车辆-轨道耦合系统动力响应分析

小半径曲线上中低速磁浮车辆-轨道系统的动力响应对车辆安全运营具有重要意义,但当前研究极少涉及。运用有限元和多体动力学方法,建立了中低速磁浮车辆-小半径曲线段高架轨道耦合动力学模型,考虑空间动态磁轨作用以及轨道关键部件的参振作用,分析了小半径曲线上的车辆-轨道系统动力响应。结果表明:二维磁轨关系会过大地估算曲线段磁轨作用力;曲线段磁浮车辆车体主要为2 Hz以下的低频晃动;曲线段连续梁钢构高架轨道的振动主要由0~20 Hz的轨道整体弯扭变形和80~100 Hz的F轨局部弯扭变形引起;轨道垂向振动加速度缓和曲线段大于圆曲线段,横向振动加速度圆曲线段大于缓和曲线段,缓和曲线段振动加速度对车速变化更为敏感。研究结果可为曲线段磁浮高架轨道设计和车辆安全运营提供理论依据。

磁浮车辆起浮参数控制及其动力性能研究

磁浮车辆的起浮性能是磁浮交通系统研究的一个重要方向。为探究控制参数在磁浮车辆起浮过程中对起浮稳定性与振动舒适性的影响,通过建立单悬浮刚性电磁铁模型,从PD控制下的电磁力出发,推导电磁铁起浮过程中动力响应的特征与表达式。由起浮稳定性条件与振动舒适性要求,得到悬浮间隙反馈系数KP的上下限值。将获得的PD控制参数分别应用于单悬浮刚性电磁铁模型、单悬浮弹性电磁铁模型、单悬浮弹性电磁铁—轨道梁模型以及整车—轨道梁模型中,分析起浮过程中电磁铁或车体的位移和加速度响应以及轨道梁跨中加速度响应。研究结果表明:电磁控制参数KP和KD分别调控了起浮过程中系统的刚度和阻尼;KP具有上下限值,下限由电磁铁物理参数及承担质量确定,以抑制起浮失稳现象,上限值由加速度限值、初始位移、额定悬浮间隙、电磁铁物理参数及承担质量共同确定以保证满足规范所要求的振动舒适性;起浮过程中,二系悬挂可以降低电磁铁或车体的加速度,但增大了磁浮架的振动加速度;对于所研究的案例,车轨耦合振动频率较低的情形下,轨道梁对电磁铁或车体的起浮振动影响较小。