轨道非平稳不平顺激扰下高速列车半主动控制研究

为改善轨道非平稳随机不平顺对列车动力学性能的影响,基于高速列车线路运行的重复性以及周期性,采用变步长迭代寻优控制算法,建立高速列车抗蛇行减振器半主动变阻尼控制系统,以转向架横向加速度峰值为目标函数,不断迭代寻找最有利于列车动力学性能的减振器阻尼值,改善了传统列车定阻尼值的弊端。多体动力学软件和控制系统仿真软件相结合联合仿真,仿真分析表明,轨道非平稳随机不平顺会使得车体和构架横向加速度、轮对横向力以及轮轨磨耗以倍数增加,严重影响列车动力学性能;通过变阻尼控制之后,构架横向加速度、轮对横向力以及轮对磨耗明显减小,车体横向加速度也略有减小,能够改善列车动力学性能,提高列车运行安全性与平稳性。

考虑时变特性的车-桥耦合系统非平稳振动频域方法研究

当列车行驶经过桥梁时,由于车辆在桥上的位置随时间不断变化,车-桥耦合系统具有时变特性,即使假设轨道不平顺为平稳激励,车辆和桥梁的振动仍然是一种非平稳的随机过程。本研究旨在提出一种非平稳频域分析方法,以高效分析受轨道不平顺激励的车-桥耦合系统的非平稳随机振动问题。首先推导了单节列车通过单跨简支桥的耦合系统时变频响传递函数(FRF),据此描述线性时变系统的动力特性。该函数满足一组变系数微分方程,可采用摄动法求解该函数,从而提高计算效率。随后,结合PRIESTLEY的演化谱理论,推导非平稳随机响应的演化功率谱密度函数(EPSD)。基于非平稳频域分析方法,计算响应时变均值和方差,结合3σ准则来估计非平稳响应的极值。研究结果表明,由于轨道不平顺的影响,车辆振动表现出平稳随机过程的特性,但其方差较大,表现出更大的离散性;而桥梁的振动则呈现出明显的非平稳特性,但方差较小,响应具有较小的随机性。极值分析表明,轨道不平顺激励对车辆振动具有显著影响,其均方根对极值响应起主导作用。而轨道不平顺激励对桥梁振动的影响较小,桥梁振动则主要受移动质量影响,其响应的极值主要受均值的影响。此外,相较于系统位移响应,车速对加速度响应的影响更为显著,例如车身加速度响应最大值随车速的增加可增大至3倍左右。

车桥耦合系统非平稳随机振动分析的虚拟激励-精细积分法

提出了考虑轨道高低不平顺时进行车桥耦合系统垂向非平稳随机振动分析的新方法。车辆采用具有两系悬挂10个自由度的四轮模型,桥梁采用Bernoulli-Euler梁单元有限元模型。将轨道高低不平顺假设为均匀调制演变随机过程,并考虑各车轮所受轨道随机激励之间的相位差,采用虚拟激励法(PEM)将轨道不平度精确地转化为一系列垂向简谐不平度的叠加,大大简化了运动方程的求解。在此基础上采用能够更真实地模拟车辆作用力在时间域和空间域上连续变化的精细积分法(PIM)来进行数值积分计算。数值算例中,将该方法与Monte Carlo方法进行了比较,并分析了轨道不平顺对于系统随机响应的影响。数值计算表明:发展的虚拟激励-精细积分法(PEM-PIM)能够高效精确地进行车桥耦合系统的垂向非平稳随机振动分析;轨道不平度级别对系统随机振动影响显著,且其一阶、二阶导数项对系统加速度随机响应的影响应予以考虑。

结合相角重构法的轨道不平顺随机过程的数值模拟

在逆傅里叶变换方法基础之上,考虑到实测线路谱本身是峭度和偏度值等统计特征在一定范围内变化随机过程,利用重构随机相角方法,获得具有一定峭度和峰度值的不平顺随机序列,并比较模拟序列的统计特征。变速过程中轨道不平顺谱为慢变的时变功率谱,将其转化为多个短时间段上平稳功率谱,利用逆傅里叶变换方法获得各时间段的不平顺随机序列,并通过重构相角的方法实现各段随机序列的准确连接,得到匀加速和变加速工况下不平顺随机时域序列,分析所得序列的非平稳性及统计特性。利用FFT得到的各不平顺随机序列的功率谱,并与原功率谱进行比较。可以发现,匀速工况下不同峭度和偏度的不平顺随机序列的功率谱与原功率谱几乎完全重合;变速条件下不平顺随机序列的功率谱与原功率谱趋势一致且数值较为接近。

三维车桥耦合系统的非平稳随机振动分析

推导了线性时变系统非平稳随机响应的多维虚拟激励法,研究了三维车桥耦合系统受轨道激励而产生的非平稳随机振动。桥梁模型采用空间Euler梁单元,轨道激励假设为均匀调制多点异相位非平稳随机激励。采用多维虚拟激励法把轨道不平度转化为一系列简谐不平度的叠加,通过简单分解精细积分格式进行迭代计算,最终得到系统随机响应的时变功率谱及均方根。数值算例中,用时间历程法验证了本文方法的正确性,并且分析了方向、高低、水平三类轨道激励同时作用下三维车桥耦合系统的非平稳随机振动特性。

轨道不平顺非均匀采样信号分析

目前的轨道谱分析是基于用等间隔采样数据描述轨道不平顺特征,而机车实际运行速度的变化必然导致采样的非均匀性,传统的谱分析方法必然产生原理误差。为提高非均匀采样信号分析的准确性,研究了平稳随机过程非均匀采样序列,导出了非均匀采样信号的功率谱表达式,应用该表达式分析了采样间隔服从正态分布的非均匀采样情况,证明了非均匀采样信号功率谱表达式包含了均匀采样这种特例,涵盖了经典理论,验证了新公式的正确性,并提出了进行轨道谱分析时用于求取功率谱表达式中所含有的采样间隔的概率密度函数等统计特征量的方法。

非平稳随机激励下悬架系统动态频域分布研究

车辆在变速行驶状态下所受路面激励是非平稳随机过程;针对此状态下悬架系统动力学响应在时域和频域分布问题,基于车速参数通过线性时变系统法建立车辆所受路面激励模型。提出"动态频域"概念,建立1/4悬架系统模型。利用精细积分法研究车速变化导致的车身振动响应峰值频带变化特性,揭示非平稳随机激励下系统响应动态频域分布规律。研究可为非平稳随机振动变频域控制与应用提供理论参考,并为提高车辆在复杂行驶工况下的运行品质提供一种新的思路。

考虑轨道非高斯不平顺的车-轨-桥耦合振动分析

通过无记忆非线性平移得到非高斯轨道高低不平顺,并以此为激励作用于列车-轨道-桥梁耦合系统结构,对比分析了高斯和非高斯轨道不平顺对列车、轨道和桥梁动力学性能的影响。结果表明:模拟的非高斯轨道不平顺相关函数和目标相关函数相互吻合;考虑四种高斯轨道不平顺激励下,车体的垂向振动加速度响应出现了紊乱现象,中国干线轨道高斯不平顺对车体的垂向振动加速度响应影响较其他3种不平顺要小,但对钢轨的垂向振动加速度响应影响比其他3种不平顺要大;美国六级轨道、德国高低干扰轨道非高斯不平顺激励下的耦合结构振动加速度响应均在不同程度上要大于其高斯轨道不平顺,但中国干线轨道不平顺对钢轨和桥梁的振动加速度响应却出现相反的影响。

多种加速工况下车辆悬架系统非平稳随机振动特性研究

文章研究了车辆在多种加速工况下受到路面的非平稳随机激励,以及因此产生的非平稳随机振动响应特性。利用协方差等效法和滤波白噪声法建立车辆在不同加速度下所受到的道路激励模型,采用精细积分法求解1/4车辆模型在不同激励下车轮与车身的垂向加速度响应。结果表明,车辆通过同一等级路面时,路面非平稳激励、车身和车轮垂向加速度均会随行驶加速度的增加而呈现不同比例的增大。

基于LSTM神经网络的轨道不平顺反演方法

研究目的:为了解决轨道不平顺反演过程中存在的完全随机独立性问题,本文基于长短记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)神经网络,以轨检车实测轨检数据为基础,构建轨道高低不平顺与轨向不平顺间的关系。通过IFFT方法获取高低不平顺,将高低不平顺数据输入至建立的模型中,获取与高低不平顺存在内在联系的轨向不平顺数据,使用幅值统计特性、空间频域特性及平稳随机特性检验,验证数据的可用性。研究结论:(1)本文基于构建的LSTM循环神经网络模型,通过大量轨检实测数据,以数据为导向,建立了现场实际不平顺状态中高低不平顺与轨向不平顺的内在关系,获取两者间复杂关系;(2)以IFFT方法获取的高低不平顺数据为输入,获取了对应的轨向不平顺数据,并通过幅值、空间频域、稳态随机特性等方面的详细验证,验证了通过LSTM方法生成不平顺数据的可靠性;(3)本文所提出的基于LSTM神经网络的不平顺幅值生成方法,相较于IFFT方法,在幅值分布特性、频域特性、平稳随机特性方面均与原始轨检数据贴合度较好,并且在钢轨高低不平顺与轨向不平顺间的信息相关性方面优于传统方法,可以较好地保留原始轨检数据中体现钢轨实际几何位置的信息。

基于虚拟激励法的车-轨-桥耦合系统的随机振动响应分析

轨道随机不平顺作为引起车辆-轨道-桥梁耦合系统振动的最重要的激励源,对列车过桥平稳性有着至关重要的影响.建立车辆-轨道-桥梁耦合垂向振动模型,采用虚拟激励法,计算随机不平顺激励下车辆运行的平稳性以及轨道和桥梁结构的振动特性,避免了繁复的时频转换和复杂的数值积分.数值分析了不同速度下列车过桥的平稳性和列车对不平顺波长的敏感范围.经过分析得到,列车运行速度越大,过桥平稳性指标越大,即舒适性越差;而且影响列车平稳性的不平顺波长越长,其影响范围越大.

竖曲线参数对200km/h速度等级机车动力学性能的影响

文章利用多体动力学软件SIMPACK建立了200 km/h速度等级机车动力学模型,分析了两种形式竖曲线的半径对垂向加速度、轮轨垂向力和轮重减载率的影响,并且根据现行铁道机车车辆动力学性能评定规范加以评价。结果表明:随着竖曲线半径的增大,车体垂向加速度逐渐减小,并趋于平稳,竖曲线半径对轮轨垂向力和轮重减载率影响较小;考虑轨道随机不平顺时,根据车体垂向加速度判断,凸形竖曲线略好于凹形竖曲线;随着半径的变化,机车轮轨垂向力和轮重减载率变化不大,且均属优良范围。