车辆-地面结构系统动力学研究

将车辆与地面结构视为综合体系 ,用数学模型描述车辆与地面结构接触面的平整度 ,建立随机场 ;研究在随机振动激励下发生的车辆对地面结构的各种运动荷载 ;分 3种情况研究各种运动荷载作用下各类地面结构的动力响应 .此项成果完全改变了过去以稳态点源荷载 ,甚至以静力荷载作为动力源 ,又将车辆和地面结构分开 ,进行单项研究等不符合实际的研究方法 。

车辆-乘员非线性动力学系统响应信号特征的小波分析

建立了 6自由度车辆 -乘员非线性动力学系统的理论模型 ,利用小波变换及小波多分辨分析理论研究了该模型在随机性路面下的响应信号 ,并与传统的信号处理方法—短时 Fourier变换方法进行了对比 。

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 。

车辆—轨道系统高中低频动力学模型的理论特征及其应用范围的研究

针对铁路在提速和高速发展中碰到的车辆—轨道系统的结构磨损加剧、关键部件疲劳破坏和噪声等问题,提出必须进行车辆—轨道系统高中低频范围的动力学模型研究。根据激扰的差异及其波长范围,针对车辆—轨道系统动力学在低频、中频和高频3个范围内存在问题的性质,建立符合研究要求的车辆模型、轨道模型和轮轨接触模型,并采用合理的数学方法求解。认为以车辆—轨道系统的频率特征为基础,进行完整的车辆—轨道系统动力学研究,可以有效研究车辆—轨道系统的短时动力学和长期行为之间的关系。

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。

基于子结构法的车辆系统刚柔混合动力学建模方法研究

为了考虑构架弹性对车辆系统动力学性能的影响,在动力学建模时需将构架刚体替换为柔体。而采用构架全自由度结构有限元模型,由于自由度数目太大,导致动力学分析难以进行。因此,采用子结构法首先对构架有限元模型自由度进行Guyan缩减,提取主自由度模态分析结果用来生成柔性体替换动力学模型中的刚性构架。算例表明,基于子结构法的刚柔混合车辆系统动力学建模方法是可行的。

机车车辆—轨道耦合动力学仿真系统的集成研究

机车车辆—轨道耦合动力学仿真已经开展了数值仿真、图形可视化等研究 ,但如何将相关的研究集成起来 ,形成一个单平台的较为完善的仿真系统 ,是一个急待解决的问题。文中采用面向对象的系统设计方法 ,结合基于变参数的车辆几何结构的三维生成、基于帧图象的动力学可视再现和曲线二维可视化等技术 ,将系统可视化模块和动力学计算模块有效地结合起来 ,研究了系统开发环境的结合方式、系统集成框架、基于CVF、VC和OPENGL等不同语言间的混合联编等问题。并给出了系统集成中基于标识集的数据传递流程和共享方式 ,定义了不同的独立模块之间的数据接口 ,提供了一个考虑计算、图形、和综合可视界面的合理的系统开发环境 。

机车车辆-轨道耦合动力学研究取得系统性成果荣获2005年度国家科技进步一等奖

西南交通大学“长江学者”特聘教授、国家级有突出贡献的中青年专家翟婉明教授领导的研究小组，在国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金及铁道部科技研究开发计划等持续支持下，经过15年研究，在机车车辆-轨道耦合动力学研究领域取得了系统性成果。“铁道机车车辆-轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用”入选2005年度“中国高等学校十大科技进展”，荣获2005年度国家科技进步一等奖。

完整的车辆—轨道系统动力学研究是铁路发展的迫切需要

针对铁路在提速和高速发展中碰到的车辆—轨道系统的结构磨损加剧、关键部件疲劳破坏和噪声等新问题 ,在总结分析大量有关技术文献的基础上 ,提出必须进行高中低频范围的车辆—轨道系统的动力学研究。如果只用传统的思路和方法 ,不对这些新问题的本质进行深入研究分析 ,问题不能得到合理解决。理论和试验结果表明 ,根据激扰的差异及其波长范围 ,应将车辆—轨道系统动力学划分为低频、中频和高频 3个范围。针对这 3个不同区域内存在问题的性质 ,所处的频率范围 ,建立符合研究要求的动力学模型 ,并采用合理的数学方法求解。这样 ,以车辆—轨道系统的频率特性为基础 ,进行完整的车辆—轨道系统动力学研究 ,开发完善的新模型 。

齿轨车辆-轨道(齿轨)系统耦合动力学模型及其基本振动特性

为研究齿轨车辆-轨道(齿轨)系统动态特性,基于车辆-轨道耦合动力学理论和齿轮动力学原理建立了考虑齿轮-齿轨非线性啮合行为和轮轨非线性接触特性的齿轨车辆-轨道(齿轨)系统空间耦合动力学模型,并开展工程线路动力学试验验证了本模型的有效性.在此基础上,研究了齿轨车辆-轨道(齿轨)系统的基本振动特性以及轨道随机不平顺对齿轮-齿轨系统动态啮合行为的影响机制.研究结果表明,本文建立的齿轨车辆-轨道(齿轨)系统动力学模型具有良好的准确性和可靠性;轨道随机不平顺对齿轨车辆振动有较大影响,齿轮-齿轨系统垂向和纵向振动受不平顺激励影响较小,而横向振动则受到明显影响;齿轮-齿轨系统对轨道高低和水平不平顺敏感程度较低,而方向和轨距不平顺则明显使齿轮-齿轨系统啮合不稳定,因此建议通过减小轨道横向不平顺来提高齿轮-齿轨系统稳定性,以保证齿轨车辆的安全平稳运行.

基于车-路系统分析的路面动力学研究方法

从车-路系统力学作用的角度出发,进行合理简化分解,提出从“车辆对路面的力学作用”和“路面结构力学响应”两方面,利用“车辆竖向振动荷载模型”、“轮胎-路表接触应力模型”以及“路面结构力学响应模型”3个子系统模型来进行路面动力学研究的技术方法。

齿轨车辆牵引电机布置模式及系统耦合振动特性

为探究牵引电机布置模式对齿轨车辆动态特性及齿轮-齿轨啮合特性的影响,在考虑齿轮-齿轨非线性啮合行为及其动态时变激扰和轮轨非线性接触关系的条件下,分析了不同电机布置模式下的车辆动力学特性。以Strub齿轨系统为原型,建立了齿轨车辆-轨道垂纵耦合动力学模型,研究了三种不同电机驱动形式对齿轨车辆动态特性的影响规律,并在此基础上提出了适用于齿轨车辆的牵引电机布置方案。研究表明:牵引电机双置工况下齿轮啮合力和垂向、纵向振动加速度更小;其中电机双置时齿轮齿轨啮合力约为电机后置和前置时的50%,平直段齿轮垂向和纵向加速度的最大幅值差分别为4.04和6.01 m/s^(2),爬坡段电机后置时齿轮振动加速度最大,其垂向、纵向加速度幅值比电机双置时大45%;平直线路上电机后置与前置时齿轨车辆的舒适性较好,而爬坡段牵引电机双置模式下更好;鉴于齿轨车辆主要应用于爬坡线路,且爬坡时电机双置齿轨车辆的动力学指标最好,因此建议牵引电机双置为最优布置模式。

钢轨打磨对小半径曲线车辆动力学特性分析

选取某线路2条磨损较为严重的500m半径曲线钢轨(曲线A及曲线B)作为研究对象,进行针对性打磨方案设计,并采用多体动力学软件UM建立车辆-轨道多体系统动力学模型,研究分析钢轨打磨对小半径曲线车辆动力学特性影响。结果表明:打磨后钢轨廓形得到改善,轨面波磨及掉块得到较好整治,曲线A及曲线B钢轨质量指数TQI均有显著下降,最大值分别下降32.40%、23.49%;打磨后曲线A及曲线B等效锥度显著降低,当横移量为0~10mm内,等效锥度均在0.15以下;曲线A及曲线B左右股与车轮接触区域相对打磨前更加均匀,3点接触得到较好处理;打磨后1~8位车轮与曲线A及曲线B钢轨廓形接触时接触斑内纵/横向蠕滑率最大值、磨耗功最大值、轮重减载率最大值均有显著降低,轮轨接触关系、轮轨磨耗及车辆运行安全性得到较好的改善;同时,车辆通过曲线A及曲线B时车体垂向/横向加速度频率及幅值降低,横向/垂向加速度最大值分别减小46.74%/80.04%、46.33%/78.96%,车辆运行稳定性得到提升。

不同线路条件对车辆动力学性能的影响

为探查不同曲线半径和线路激励对车辆动力学性能的影响,应用动力学方法建立车辆-轨道系统动力学模型,计算各动力学评价指标的变化情况。研究结果表明:增加曲线半径有利于增加车辆通过曲线的安全性;车辆经过曲线线路连接处时脱轨概率较大,可重点考虑曲线线路连接位置车辆的运行状态;适当增大曲线半径可以减少轮轨间磨耗,有效降低车轮与轨道的磨耗速度;轨道激励变化对车辆临界速度的影响较大,可根据实际运行工况计算最佳临界速度范围。

9号道岔区铺设减振垫浮置板的行车安全性及舒适性研究

地铁道岔区在基本轨、尖轨处以及道岔钢轨接头处存在大量钢轨不连续地段,轮轨相互作用强烈,轨道系统振动明显,减振垫浮置板轨道作为一种高等减振措施已应用于地铁线路道岔区。为探究减振垫浮置板应用于9号道岔的适用性,并作为减振地段与普通无砟轨道的过渡段的可行性,以某地铁高架9号道岔为研究对象,建立桥上道岔三维有限元模型,仿真分析地铁B型车在120 km/h直向过岔和30 km/h侧向过岔的情况下,列车的行车安全性、舒适性以及轨下结构形变。对比在9号单开道岔区域设置的2种刚度过渡方式的优劣及其减振效果,较为系统地论证了在9号道岔区域铺设减振垫浮置板的可行性。研究结果表明:1)列车通过铺设减振垫浮置板的9号道岔区域时,浮置板位移极值出现在转辙区域和心轨区域,最大位移出现在尖轨位置,可增大尖轨处单板橡胶垫支承刚度,以保证轨道结构变形均匀;2)列车逆向侧向通过设置过渡段的减振垫浮置板道岔区时,2级过渡方式的车体最大垂向加速度、最大横向加速度、最大脱轨系数、最大轮重减载率、轨道刚度变化率以及减振效果等指标均优于1级过渡方式;3)在道岔区铺设减振垫浮置板,列车直向和侧向通过时的行车安全性和舒适性均能满足相关评价指标,且2级过渡方式更优。研究结果可为后续道岔区减振设计研究提供一定的理论参考。

车辆-轨道系统激振源随机分析

简述轨道不平顺的时-空随机特性和时-空随机样本的概率计算及反演方法 ,基于弹性系统动力学总势能不变值原理、形成矩阵的"对号入座"法则以及车辆-轨道耦合动力学理论,建立适合不同激振源的车辆-轨道系统动力计算模型。通过车辆-轨道系统激振源随机分析,论证系统激振源与系统随机响应之间的概率转换关系;采用激振源时-空随机分析方法,可以获取系统在不同概率水平下的振动响应;将构架蛇形波作为车轨系统横向激振源计算系统响应极值具有一定的可行性。

用于车辆-轨道系统参数优化的分层设计与权重组合方法

基于系统动力学基本原理:系统的行为模式与特性主要取决于其内部结构,而内部结构间的动力作用亦互为反馈。突破传统的依据系统单一参数与动力指标关联规律进行参数设计的思路,提出了一种用于车辆-轨道耦合系统参数优化的分层设计与权重组合方法。方法以轮轨界面的低动力相互作用优化为基础,采用分层设计思路,将车轨系统参数分为两两一组,进行不同参数匹配下的系统动力行为考察;另外,采用权重系数方法定量分析不同设计层中的系统参数对优化目标的影响程度。算例表明,提出的分层设计与权重组合方法简洁、有效,为车辆-轨道耦合系统参数匹配设计提供了新的技术思路。

车辆-设备耦合系统动态作用力传递特性分析

为了研究多设备悬挂系统与车体间的力传递特性,建立车辆-设备刚柔耦合模型,推导车体、设备的加速度频域响应函数表达式,分别获得车体与单、双层悬挂系统力传递率积分和表达式。研究系统悬挂频率、悬挂位置、双层悬挂系统质量比对传递率的影响。计算结果表明:与双层悬挂系统相比,单层悬挂系统与车体之间传递率较大且受车辆速度影响明显。单层系统在悬挂频率为7 Hz至10.5 Hz时传递率较高;而在双层系统中,增加框架悬挂频率,框架与车体传递率增加;增加设备2悬挂频率,传递率下降。单层悬挂系统远离车体中部时,能避免出现设备与车辆传递率较大现象,当设备1的纵向悬挂位置小于6.5 m时,能获得较好传递特性,而悬挂位置对双层悬挂系统传递率影响较小。双层隔振系统质量比对框架-设备2传递率影响不大,对框架-车体传递率影响显著,传递率随着质量比增加逐渐减小。双层隔振系统中,框架质量越大,车体-框架传递率越小,传递到框架上的力就越小。

不同形式齿轨车辆动态特性研究

为了提高轨道车辆的爬坡能力,齿轨车辆在传统轨道车辆的基础上加入了齿轮-齿轨啮合系统。针对目前世界上的齿轨铁路系统种类较多,其配备齿轮-齿轨啮合系统多样性所导致的齿轨车辆动态特性差异的问题,本文在解析齿轮-齿轨啮合激扰产生机理的基础上,考虑齿轮-齿轨啮合冲击,建立了两类Strub系统、双排齿Abt系统以及Locher系统四种不同形式的齿轨车辆动力学模型,并对模型进行了实验验证;采用所建立的模型,分析了齿轨车辆以不同速度在坡道啮合路段运行时的齿轮-齿轨啮合行为,并探究了线路不平顺对齿轨车辆齿轮-齿轨啮合中心距误差的影响;在此基础上研究了齿轨车辆的轮轨作用以及车辆加速度,由此分析了齿轨车辆的安全性与平稳性。结果表明:不同形式的齿轨车辆动态特性存在显著差异,Locher系统齿轨车辆动态特性最佳;同轴Strub系统与双排齿Abt系统的齿轮啮合行为较差且受线路不平顺影响明显,齿轮-齿轨啮合力最大冲击值达20.3 kN,啮合中心距误差达3.73 cm;同轴Strub系统与双排齿Abt系统车辆安全性较差,双排齿Abt系统的轮轨垂向力最大达51.7 kN;异轴Strub系统的车辆平稳性最差,最大车体垂向加速度为0.033 m/s2,平稳性指标为1.27。