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。

不同车辆-轨道垂向动力学模型功率流传递特性研究

基于4种不同精细化程度的车辆-轨道垂向动力学模型,利用解析方法建立了形式统一的系统相邻部件间功率流传递函数,给出了车辆一系悬挂、二系悬挂、轮轨间以及钢轨和轨枕间的振动功率流传递特性,分析模型的精细化和弹性化对于各部件间功率流传递特征的影响。以精细化程度最高的模型为研究对象,讨论车辆悬挂参数和部件惯性参数的改变对部件间功率流传递特征的影响。结果表明,简单模型能够较为真实地模拟车辆低频传递特性,但对中、高频传递特性的表达与复杂精细模型相差较大;位于激励源附近位置的轮对和钢轨,在其固有频率附近的振动能量往往具有较强的传播性;簧下质量的变化对轨枕至道砟的传递特性的影响最为明显。

弹性轮对车辆-轨道垂向耦合系统动力学研究

建立了弹性轮对车辆 -轨道垂向耦合系统动力学模型 ,推导了弹性轮对车辆 -轨道垂向耦合系统振动微分方程。通过输入脉冲型激扰 ,对弹性轮对车辆 -轨道垂向耦合系统进行了轮轨力及轮轨接触应力的动力学仿真 。

基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道耦合系统垂向随机振动分析

将钢轨视为无限长Timoshenko梁,由两层弹簧阻尼系统连续支撑,在频域建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型。提出采用格林函数法求解钢轨运动偏微分方程,可在较宽频域内得到轨道动力响应避免模态截断频率限制,结合车辆方程求解点导纳及传递导纳,运用虚拟激励法将真实轨道谱激励作为系统输入,求解车辆-轨道系统随机振动响应,并将该弹性轨道与传统刚性轨道、简化弹簧轨道模型结果进行对比。研究结果表明,采用格林函数法求解无限长Timoshenko梁弹性轨道模型可快速实现全频域计算,得到轨道系统频率响应特性。利用虚拟激励法及叠加法,可得到轮轨多点接触工况下的车辆与轨道结构随机振动响应。采用刚性轨道结构模型会导致过高估计车辆结构在高频的振动,整个耦合系统振动响应均对速度较敏感。考虑轨道弹性影响的弹性轨道模型更符合实际,采用格林函数法求解轨道模型较为快速精确。

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.

采用直线电机车辆的轨道交通耦合动力学模型及仿真分析

建立了采用直线电机车辆的轨道交通的车-线耦合动力学模型,并与车辆动力学分析通用软件ADAMS/Rail进行了比较,从而验证了所建模型的正确性。通过对广州市轨道交通4号线工程线路设计参数进行的仿真计算,给出了相应的建议值。

扣件失效对车-轨-路-地耦合系统垂向振动特性影响研究

通过有限元软件Abaqus和多体动力学软件UM联立仿真,从刚柔耦合的角度建立了车辆-轨道-路基-地基耦合振动分析模型,对比分析了正常工况、单侧扣件失效1个、3个、5个和两侧扣件失效1~5对等工况对整个系统动力响应的影响规律。研究结果表明:单侧扣件失效5个时,对钢轨垂向位移和垂向加速度影响较大,对车体垂向加速度影响较小;两侧扣件失效工况下,2.5~5对扣件失效时钢轨垂向位移超过标准规定的最大允许值2mm;轨道板和基床表层垂向振动加速度变化趋势几乎一致,与正常工况相比皆增加了约4倍,轨道板和基床表层垂向位移较正常工况变化量不大;出现非对称扣件失效时脱轨系数和轮重减载率发生突变,此时车辆脱轨风险较高。

浮置板剪力铰对列车-轨道耦合系统动力学行为的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了考虑浮置板剪力铰连接作用下的列车-钢弹簧浮置板轨道空间耦合动力学模型。将浮置板视为弹性薄板,同时考虑剪力铰对浮置板的横向与垂向约束作用,分析了直线和曲线线路条件下剪力铰对列车-轨道耦合系统动力学行为的影响。结果表明:浮置板剪力铰能明显改善轮轨动力相互作用,缓解列车通过浮置板接缝时轮轨横向力和垂向力产生的冲击;浮置板剪力铰对减小地铁列车的振动也有一定的改善作用,其对轮对振动的影响最大,对构架振动的影响次之,对车体振动的影响最小;地铁列车通过直线线路时,浮置板剪力铰对板端扣件受力的改善作用明显;地铁列车通过曲线线路时,剪力铰对浮置板的横向位移、水平面内转动角和钢弹簧横向力的改善作用比较明显,对扣件横向力影响较小。

转向架-车体-座椅系统垂向动力学模型及分析

应用系统工程的方法,将座椅系统与传统轨道客车系统作为一个整体大系统加以考察,建立轨道客车转向架-车体-座椅耦合系统垂向动力学模型,并推导模型的振动微分方程;根据转向架-车体-座椅耦合系统垂向振动微分方程组,通过变量变换,给出轨道客车转向架-车体-座椅系统垂向动力学模型的数值分析方法。通过与传统轨道客车垂向动力学模型得到的垂向随机响应进行对比,验证轨道客车转向架-车体-座椅耦合系统垂向动力学模型的正确性,该研究为轨道客车的振动特性分析及车辆悬挂系统参数和座椅悬置系统参数的优化设计提供了模型参考。

基于ABAQUS软件的二维车辆-轨道耦合模型

针对城市轨道交通轮轨系统特点,基于ABAQUS软件建立了10个自由度的车辆-轨道二维有限元计算模型,实现了考虑短波不平顺轮轨耦合的仿真计算。通过与SIMPACK软件和既有文献所建模型对比,从轮轨力、车厢位移、钢轨位移等方面验证了模型的正确性。选用浮置板轨道作为应用算例,给出了地铁B型车在车速20 m/s下的系统动力响应,并分别进行了时域与频域分析。此外,将轨道不平顺波长划分为5种工况,对轮轨系统的振动响应进行了时域与频域分析,得出了轨道不平顺波长各波段的影响范围。

车轮多边形磨耗对车辆-轨道动态相互作用的影响

为确保时速400 km下列车安全平稳运行,车辆部件正常使用,以车辆-轨道耦合动力学为理论基础,将车轮多边形磨耗考虑为轨道不平顺激励,针对单阶主导的车轮多边形形式,分析了车轮多边形阶数、幅值对车辆-轨道动态相互作用的影响规律;基于轮轨垂向力170 kN的限值要求,给出了时速400 km行车条件下车轮多边形阶数、幅值组合的安全限值。结果表明:随着车轮多边形阶数增加,轮轨垂向力逐渐出现高频波动,且阶数越高,波动频次越高,波动幅值越大;车轮多边形幅值越大,对轮轨动态相互作用的影响越明显;相比无多边形的正常车轮工况,轮对垂向振动加速度增幅总体上随车轮多边形阶数增大而增大;车轮多边形对车体和构架影响不大。

路基不均匀沉降对地铁A型车辆动力学特性影响研究

路基不均匀沉降会导致轨道变形,进而映射到钢轨造成轨面不平顺,对行车安全和运行平稳性带来影响。针对城市轨道交通整体道床典型轨道结构,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑轨道自重荷载和轮轨接触关系的车辆-整体道床无砟轨道空间耦合动力学实体模型,分析了路基不均匀沉降条件下车辆行驶速度、路基不均匀沉降波长和幅值等参数对车辆动力学特性的影响。分析结果表明:随着车辆行驶速度和路基沉降幅值的增大,车辆系统动力学响应也响应增大,当速度超过85 km/h时对行车安全性和舒适性均造成不利影响,且路基不均匀沉降引起车辆动力学响应的敏感幅值为30 mm;路基沉降波长对车辆动力学特性的影响呈先增大后减小的变化规律,其中在波长为20~30 m时对车辆动力学特性影响最为显著。

不同减振轨道上地铁车辆动力学性能对比分析

为研究地铁车辆在不同减振轨道结构上的动力学性能,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑不同类型减振轨道的地铁车辆-减振轨道耦合动力学模型。基于动力学仿真,对比分析地铁车辆在4种常用减振轨道上的横向稳定性,以及直线和曲线段的轮轨动力学性能。结果表明:减振轨道结构参数对地铁车辆横向稳定性有很大影响,弹性扣件减振轨道上车辆的轮轨安全性指标略小于其他3种减振轨道。

高速铁路铺设CRTS Ⅲ型板式无砟轨道地段的路基冻胀限值

我国冻土地区高速铁路分布广泛,路基冻胀对高速铁路无砟轨道结构损伤影响较为突出,危害行车安全。但是目前尚未建立针对铺设CRTS Ⅲ型板式无砟轨道地段的路基冻胀控制限值。本文基于车辆-轨道耦合动力学理论和混凝土塑性损伤理论,考虑混凝土结构损伤和车轨相互作用,建立车辆-无砟轨道-冻胀路基静动力分析模型,分析路基冻胀对CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构的损伤和车辆动力性能指标的影响。综合静、动力控制指标,提出一种针对冻胀变形的分级控制限值;分别考虑轨道结构层间离缝和结构损伤、钢轨垂向动位移、乘车舒适性和行车安全性等多项控制指标,将路基冻胀限值划分为5个区域。研究结果表明:路基冻胀作用于轨道板中部时损伤和离缝量出现极值;结构损伤和车辆动力学响应均随波长减小和波峰增大而呈增大趋势,且均对波长的影响更为敏感。可以根据不同分区的冻胀限值保障车辆运营安全,为冻土区无砟轨道养护维修提供参考。

基于Timoshenko梁模型的车辆轨道耦合振动分析

运用车辆 轨道耦合动力学理论,建立了基于Timoshenko梁钢轨模型的车辆 轨道耦合振动模型,分析了钢轨的固有振动特性,初步探讨了车辆 轨道系统的动力响应.结果表明,Timoshenko梁钢轨模型在固有振动及强迫振动两方面均与Euler梁钢轨模型有明显不同,前者能更详细地描述钢轨的高频特性.

橡胶支座预制浮置板轨道静动力学研究

深圳地铁6号线设计采用双向预应力橡胶支座预制浮置板轨道,为解决轨道结构设计中所存在的预制板强度与系统减振效果两个核心技术问题,建立空间实体模型和车辆-轨道-桥梁耦合动力学模型。对预制板内部配筋进行检算,以保证结构安全;对系统动力学特性进行仿真模拟,以分析系统减振效果。研究结果表明:(1)预制板结构在复杂荷载作用下,能够满足承载力极限状态和正常使用极限状态设计要求;(2)在行车速度100 km/h条件下,橡胶支座预制浮置板板系统减振效果可达10~12 dB;(3)所采用的“静动结合”的检算方法,为深圳地铁6号线轨道设计提供理论支撑。

重载汽车-路面-路基垂向耦合动力学模型

为了研究路面不平度激励下移动重载汽车、路面结构和路基的动力相互作用,将重载汽车简化为由弹簧和阻尼器并联的匀速移动多自由度刚体模型,面层简化为离散基层块体支撑的带内部阻尼连续薄板模型,基层简化为支撑于粘弹性路基上的离散块体模型,并采用Wilson-θ法对建立的重载汽车-路面-路基垂向耦合动力学模型求解,同时验证模型的可靠性。研究结果表明:移动重载汽车产生的动力效应显著,五轴汽车产生的轮胎接地力和路面动位移最大,随着后轴轴重的增加,轮胎接地力和路面位移呈线性增加;随着行车速度增加,轮胎接地力峰值和路面动位移峰值增加,但路面动位移均值变化较小;路面不平度等级由A级降为D级时,轮胎接地力放大倍数增大了1倍多,且路面动位移峰值增幅达72%;路基刚度对轮胎接地力影响较小,但路面位移的影响则较为显著。

小波变换-回归分析模型在轨道不平顺检测中的应用

基于车辆-轨道耦合动力学理论,以CRH2动车组为例建立车辆-轨道一体化模型。根据实测高铁轨向不平顺数据计算出车体横向加速度,并结合小波变换法和回归分析法分析了轨向不平顺与车体响应的关系,找出引起车体横向振动的不利波段并确定其产生位置,为高铁养护维修提供理论支撑。研究结果表明：小波变换-回归分析模型既能确定敏感波段又能给出其里程,是一种有效的时频分析方法;轨向不平顺与车体横向加速度存在较明显的线性关系;CRH2动车组速度250 km/h时,轨向不平顺8-16 m,16-32 m波长为引起车体横向振动的最不利波段,通过小波变换法可以给出其对应的里程。