横风作用下地铁车辆运行平稳性及安全性分析

[目的]城市轨道交通列车在高架线路上运行时,横风对车辆运行的平稳性和安全性有较大影响,需要对横风作用下地铁车辆的动力学性能进行更为深入的研究。[方法]在MATLAB软件中分别采用3种经典的横风风载模型(定常稳态风载模型、瞬态中国帽风载模型及非定常随机风载模型)模拟动态风场,在SIMPACK软件中建立单节编组车辆的精细化刚体动力学模型,将3种风载模型作为外部激励分别施加到车辆上;对比分析了车辆在直线上运行时不同风载模型、不同风速、不同车速对地铁车辆运行平稳性的影响;从安全设计角度出发,选取非定常随机风载模型,对车辆在曲线上运行时的平稳性及安全性进行分析,探究了不同风速下车辆运行速度的安全域。[结果及结论]在横风作用下,地铁车辆车速、风速均对车辆的运行平稳性及安全性有显著影响。车辆高速运行时,风速对车辆的横向振动影响更为突出。3种横风风载模型中,非定常随机风载模型对车辆的平稳性影响最明显;基于对车辆平稳性及安全性的分析,给出了不同线路形态(直线或曲线)、不同风速下的车辆限速值。

高铁扣件弹性垫板更换对列车运行平稳性的影响

为评估高速铁路扣件弹性垫板更换过程中新旧垫板过渡造成的轨道刚度突变对列车运行状态的影响,建立车辆-轨道耦合动力学仿真模型,分析直线、曲线区段以及钢轨接头处垫板刚度突变对列车运行平稳性的影响,并对垫板更换区间长度和刚度三级过渡模式进行了研究,提出扣件弹性垫板更换方案建议。结果表明:直线和曲线区段更换扣件弹性垫板有利于降低轮轨动力作用,仅在列车驶出垫板更换区后存在长度约10 m的行车不稳定区,会造成个别列车动力学指标增大,但增幅相对较小;行车不稳定区若存在钢轨焊接接头,会造成轮轨动力作用急剧增大;在垫板更换区末端采用静刚度为45 kN/mm的垫板设置长25 m的过渡区,有利于降低轮轨动力作用,提高列车运行的平稳性。

城市轨道交通车辆运行平稳性测试方法与评价

目的:为了提高城市轨道交通车辆运行的安全性,需要对车辆运行平稳性进行测试与评价。方法:简述了城市轨道交通轮轨力测量方法,以及车辆运行稳定性测试与评价方法。以北京某地铁线路三期工程的测试车辆为研究对象,采用轮测法对该测试车辆运行安全性特征参数进行了测试,并在车内安装振动加速度传感器进行车辆运行平稳性指标测试。结果及结论:车辆运行安全性特征参数与线路的线型关系较大。车辆通过直线段时,其安全性特征参数与速度关系不大,其数值较小且较为稳定;车辆通过曲线段时,其安全性特征参数均会增大,且其最大值出现在车辆出入曲线段附近。车辆运行平稳性指标与速度关系较大,随着速度逐渐上升,车辆平稳性指标增加。在速度基本稳定的前提下,车辆运行平稳性指标与线型也有一定关系,且在车辆进出曲线段时会有些许突变。在北京某地铁线路三期工程测得的脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力等车辆运行安全性特征参数,以及车辆运行平稳性指标等车辆动力学整体性能均满足规范要求。

中低速磁浮列车的运行品质及运行平稳性研究

以位于临港新城的上海中低速磁浮试验线为研究对象,对中低速磁浮列车的运行品质和运行平稳性进行分析研究。分析了中低速磁浮列车第1节车厢中5个测点各个方向振动加速度的最大幅值,并计算出在不同速度下各测点各方向的加速度振动频谱和平稳性指标,以及同一速度(60 km/h)下的平稳性指标时程变化曲线。研究表明:该中低速磁浮列车的横向振动加速度最大幅值和垂向振动加速度最大幅值分别为0.30 m/s2和0.86 m/s2,列车的横向平稳性指标和垂向平稳性指标最大值分别为1.15和1.30。依据GB/T 5599—2019标准中关于轮轨列车运行品质和运行平稳性的评定方法,测试的中低速磁浮列车的运行品质及运行平稳性等级均为“优”。

轨道车辆运行平稳性评价算法一致性分析

国内外轨道车辆运行时振动相关舒适性评价基于ISO2631-1、UIC513以及GB/T 5599标准,其中我国广泛采用的GB/T 5599-2019规范中的Sperling指标算法,将采样时间由1985版本的18~20 s缩短为与UIC513标准相同的5 s,引起相同测试数据的平稳性指标结果增大的问题。分析上述三种运行平稳性及舒适性指标算法,通过车辆线路实测数据与仿真数据相结合,研究不同算法关于采样时间长度的指标一致性及其机理,采用频率分辨率量化了非平方加权谱由于时频能量转换不对应导致的指标结果不稳定现象,基于此提出相应的平稳性指标一致性修正算法。结果表明:ISO2631-1与UIC513标准算法基于振动数据时频域转换的能量对应性,其计算结果与采样时间长度不相关,而GB/T 5599中采用的频域立方值算法因不满足能量一致性原则,在栅栏效应和能量泄露的影响下,缩短采样时间使得加速度频谱幅值增大,进而引起运行平稳性指标增大。提出的基于统一频率分辨率的平稳性指标一致性修正算法,并经动力学仿真数据验证有效,这为完善轨道车辆动力学分析与测试中振动舒适性的相关算法与评估限值制定提供理论依据。

柔性车体与构架对车辆运行平稳性的影响研究

为了研究柔性车体、柔性构架对车辆运行平稳性的影响,通过引入国内某型号的动车组车体及转向架构架的有限元模型,分别建立此车型的刚性车体-刚性构架、刚性车体-柔性构架、柔性车体-刚性构架、柔性车体-柔性构架4种动力学模型并进行分析。结果表明:4种模型中,车体、构架的双重弹性效应会提升车体的临界速度,柔性车体的存在能够更好地反映车体的横向、垂向弯曲振型。研究结果可为保证高速列车在整个生命周期中具有良好平稳性提供参考和依据。

磁浮车辆运行平稳性的虚拟激励分析方法

为方便、快速地分析多点输入轨道车辆的平稳性,基于虚拟激励原理,提出了平稳性分析方法。当车辆系统受多点全相关随机激励时,应用此方法将多输入多输出系统的响应功率谱矩阵的计算化简为两个矢量相乘,利用所获得的功率谱和随机振动中的反演技术,分析轨道车辆的平稳性指标。以TR08磁浮车辆为原型,建立了磁浮车辆的垂向动力学模型,运用虚拟激励分析方法计算了磁浮车辆的响应功率谱。在频域中,磁浮车辆车体中心处的Sperling指标为1.653,车辆的平稳性等级为优,通过反演运算获得了响应的幅值谱和时间历程,分析过程简单,计算结果准确。

铁道车辆弹性车体垂向运行平稳性最优控制

采用基于轨道不平顺谱的最优控制及包括轮轴间时延的预瞄控制算法,设计了整车的主动悬挂控制规律,对铁道车辆弹性车体垂向动力学模型进行仿真分析.结果表明,基于轨道谱的预瞄控制算法在控制输出力及抑制车体的振动效果方面要略优于单纯基于轨道谱的最优控制算法;基于轨道谱的最优控制可以改善轨道至弹性车体中部的加速度传递率,在控制车体刚体振动的同时,也能抑制车体的整体弹性振动;最优控制算法对车体系统的低频振动及车体弹性一阶垂向弯曲振动控制作用明显,而对车体高频振动基本无抑制作用,据此可以帮助选择助动器的响应频率范围.

面向运行平稳性的铁道车辆悬挂参数灵敏度分析

悬挂参数是影响铁道车辆运行平稳性的主要因素,通过灵敏度分析对揭示悬挂系统设计参数对运行平稳性的影响规律具有重要作用。以车辆随机振动频域分析方法为依据论,建立车体加速度幅值和Sperling指标对悬挂参数的灵敏度显式理论模型,推导出悬挂参数的通用灵敏度公式。在此基础上,计算Sperling指标对悬挂参数的灵敏度,获得各悬挂参数对Sperling指标的影响规律。

铰接式高速列车运行平稳性

采用面向对象的建模技术,建立了三车铰接编组、带车端悬挂的三辆编组以及单车的垂向及横向非线性动力学模型。运用所建立的模型,采用时域和频域的分析方法对铰接式高速列车、采用车端悬挂及车辆间无耦合装置的高速列车的运行平稳性进行了研究。车组中中间车辆的加速度功率谱分析表明,车辆间设置车端悬挂能明显地抑制车辆的点头及摇头振动。对比分析表明车辆采用铰接,其减振性能比仅采用车辆端悬挂的优越。对自行研制的铰接式高速列车在振动台进行了运行平稳性试验,结果表明在轨道高激扰的条件下,该设计完全能满足车辆高速运行下的舒适性要求。

基于运行模态参数辨识的客车运行平稳性研究

针对装用SW—160型转向架提速客车低频晃动的问题,笔者在线实测了该型客车车体及转向架振动加速度,并运用随机子空间辨识算法对车体的刚体振动模态进行了辨识。辨识结果表明,车体的下心、上心滚摆和摇头振型的阻尼比偏低,车体下心滚摆被激起后,不能有效衰减,这是造成车体低频晃动的重要原因之一。采用新的SYS550E空气弹簧及将二系横向减振器的阻尼系数提高至60 kN.s/m后,重新进行了测试分析。分析结果表明,采用新型空气弹簧及提高二系横向减振器的阻尼系数后,车体的下心滚摆频率有所下降,而其阻尼比得到明显提高。通过功率谱分析可知,车体的低频振动得到有效抑制。

柔性车辆振动和运行平稳性控制研究

通过对铁道车辆柔刚体系统进行动力学分析,应用独立模态空间控制理论,提出了通过控制车体的一阶垂直弯曲模态和车体浮沉、点头刚体振动模态,改善车辆运行平稳性的混合控制策略。在最优控制基础上,采用磁流变阻尼器作为作动器的半主动控制策略,实现能量消耗和控制效果的协调。机械系统和控制系统的联合仿真结果显示:半主动控制策略较好地抑制了车体低阶弹性弯曲振动和车体浮沉刚体振动;车辆运行平稳性性能的改善接近最优控制策略;对车辆系统而言,半主动磁流变阻尼器的实现是可行的。

模态参数在铁道车辆运行平稳性研究中的运用

研究了运用车体模态参数来评估与分析运行平稳性的方法.设计了轨道成型滤波器和感觉滤波器,与车辆动力学方程一起,建立了铁道车辆的路—车—人统一的数学模型.针对该模型运用协方差法计算车辆的运行平稳性,分析车体的点头及浮沉振型、上心滚摆及摇头振型的模态参数对车辆垂向及横向运行平稳性的作用及影响,同时分析二系悬挂元件的刚度及阻尼系数对车体点头、浮沉、摇头及上心滚摆振型模态参数的影响.所得结论为运用模态参数来评估和改进车辆的运行平稳性提供了一定的依据.

下吊设备对高速列车弹性车体垂向运行平稳性影响

建立了包含下吊设备的铁道车辆垂向刚柔耦合动力学模型,设计了下吊设备隔振元件参数,并分析了隔振元件参数、设备质量及吊挂位置对车辆运行平稳性及设备本身振动的影响.结果表明,合理设置下吊设备隔振参数可以有效减小车体弹性振动;隔振元件静挠度即刚度在隔振中起主要作用;随着车辆运行速度的改变,静挠度最优值会相应偏移,针对所研究的高速车辆而言,静挠度选取6mm时,可以保证车辆垂向运行平稳性良好,且下吊设备振动不剧烈.结果还表明,质量大的设备宜靠近车体中部悬挂.

横向风对跨座式单轨车辆运行平稳性的影响

跨座式城市单轨交通车辆直线段运行时,横向风的作用将会严重影响运行的平稳性乃至安全性能。由此,首先对车辆行驶过程中的横向风作用载荷进行分析,运用ADAMS多体动力学仿真软件建立跨座式单轨车辆"车体—轮胎—轨道梁"耦合系统动力学模型,分别对不同横向风速及不同车速时车辆直线段运行平稳性进行仿真分析。仿真结果表明:在横向风条件下,车速和风速的变化对的跨座式单轨车辆横向加速度影响较大,并进一步影响车辆的运行平稳性。且当车速或风速过大时,车辆会发生失稳现象。分析的结论对于这种车辆的设计可提供一种警示作用。

胶轮导轨电车特殊工况运行平稳性研究

胶轮有轨电车在设计运营成本、爬坡能力、曲线通过半径和运行噪声等方面较传统城市轨道交通有很大优势。针对胶轮导轨电车在运营过程中,可能会遇上冰雪天气,车轮爆胎、空簧失效、减振器失效等特殊工况,通过SIMPACK多体系统动力学软件,对胶轮导轨电车在特殊工况下运营进行了动力学分析。分析结果表明:在特殊运营工况下通过降低运行速度等方法可以满足运行平稳性要求。

铸造机输送链运行平稳性的动力学分析与仿真

针对连续铸造过程中铅锭表面"水波纹"现象,从输送链运行的平稳性入手,利用理论分析与实验仿真分析相结合的方法,建立铅锭连续铸造机输送链系统的动力学模型,采用数值分析方法进行动力学分析,并通过Adams进行动力学仿真,得出链节与链轮的啮合冲击和紧边链条速度波动,是影响输送链系统运行平稳性的重要因素,通过减小主动链轮的角速度、增加齿数,以及减小链节距,降低了啮合冲击力与输送链条的速度波动,提高了输送链运行平稳性。

弹性车体垂向运行平稳性一系最优控制研究

采用基于轨道谱及包括轮轴间时延预瞄的最优控制算法,在一系悬挂中加入主动控制,设计其主动控制规律,从降低轨道至车体振动的传递入手,对铁道车辆弹性车体垂向动力学模型进行仿真分析。结果表明:该最优控制算法对车辆系统的振动有较好的抑制作用;可以改善轨道至弹性车体中部的振动加速度传递率,在控制车体刚体振动的同时,也能抑制整车的弹性振动;最优控制算法对车辆系统的1 Hz左右的低频振动、包含人体垂向振动敏感频域(4～8 Hz)的4～10 Hz频率内的振动衰减明显,但对车体高频振动作用不大。并与二系主动悬挂系统比较,发现一系主动悬挂能更有效的控制车体的弹性振动,且抑制的频率范围较宽,车辆运行平稳性更佳,为今后弹性车体减振措施选择提供依据。

地铁车辆运行平稳性测试

空气弹簧对地铁车辆运行平稳性影响较大,目前国内B型车部分采用国产部件,A型车主要采用进口的空气簧。文章介绍了国产与日本进口的空气簧,对车辆进行平稳性指标的影响及测试方法并对北京1号线地铁车辆运行平稳性进行了测试,分析了起动、中间运行和制动停车等不同运行阶段的平稳性情况,对比分析了装用2种空气弹簧车辆的运行平稳性结果,得出了2种空气弹簧具有相同减振效果均满足车辆运行平稳性要求的结论。

铁道车辆运行平稳性评价方法的研究

车辆运行平稳性的好坏直接影响到旅客乘坐的舒适度和货物装运的完整。平稳性的评价指标和评价方法制定是否合理,不仅关系到车辆平稳性评价是否准确,而且直接影响到车辆的制造成本。本文对目前车辆运行平稳性所采用的主要评价方法-UIC sperling评价方法、ISO2631标准及GB5599-85标准的特点及存在的问题进行了详细的分析讨论。提出了根据车辆实际运行工况来制定车辆运行平稳性的评价指标。