Instrument for insulation conditions detection of roof insulator on high-speed-train

With the rapid development of high-speed-railway,environment around high voltage device on train roof becomes very complicated. Most train accidents happened due to occurrence of flashover on roof insulator,but the insulation condition estimation of insulator in such environment is much difficult. To ensure the insulation property of electric equipment,and guarantee the operation safety of high-speed-train,here established an instrument with high reliability which can on-line monitor insulation condition of roof insulator and give out advanced alarm before the incipient insulator flashover. The instrument consists of three parts,Data Acquisition & Sensor,Data Processing and Back Processing. Anti-interference and protection methods are processed to Rogowski coil sensor for better leakage current signal. To avoid the fluctuation from railway power supply,four modules are set to filter the power supply waveform. Through laboratory measurement,it is shown that the leakage current and the impedance angle can be detected by the instrument accurately. From the comparison of leakage current and impedance angle results under different moisture condition and the alarm operation when leakage current value reached threshold,this instrument can give out enough information for staff to understand the insulation condition of insulator.

考虑风速纵、横分量的列车气动载荷变化特性

为探索侧向环境风作用下列车气动载荷变化特性,对任意风向角下随车移动点处的风速纵、横分量进行建模,研究考虑风速纵、横分量的列车气动载荷计算方法,并分析在列车速度200~400 km/h、平均风速10~35 m/s及风向角30°~150°时的列车气动载荷特性.研究发现:在不同风向角下,考虑风速横向分量后,高速列车气动载荷波动变大,作用于列车上的瞬时气动载荷极值增大;风速横向分量主要影响列车气动载荷的标准差,且影响程度与风向角有关;随着风向角接近临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变小,随着风向角远离临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变大;列车气动载荷的标准差/均值主要与侧偏角有关,且在风向角为30°及150°时较大,其次是风向角60°和120°,而在风向角90°时则较小.

400 km/h高速列车过隧道时列车风特性研究

为探明400 km/h高速列车在隧道内运行时的列车风特性,采用三维、非定常、可压缩和可实现的k-ε湍流模型进行数值模拟计算,分析隧道内列车风时域演变特征和空间分布特征,并按照列车各部分到达和驶离测点的时间对车体周围流场进行分区,采用5个特征参数衡量各区域内列车风速度的变化,探讨列车编组长度和隧道长度对列车风的影响。研究结果表明:隧道内列车风时域变化特征受列车运行位置和隧道内压力波传播的显著影响;列车风正峰值会随着列车编组长度、列车速度的增大而增加,且峰值到达时刻分别延后和提前,8车编组对应的列车风正峰值相较于3车编组时增加68.75%,400 km/h时的列车风正峰值相较于300 km/h时增加22.65%;同种隧道长度下的列车风速度最大正峰值出现在隧道中点位置处,且此处的波动更为剧烈复杂,主要是压缩波和膨胀波叠加得更加频繁。长隧道内压力波系叠加对列车风速度峰值的影响减弱,当隧道长度达到3 km时,列车风正峰值相较于1 km长度时下降30.70%。

高速列车突出隧道过程中横风效应研究

为研究横风效应对突然驶出隧道过程中高速列车气动特性的影响,基于列车流场的三维、可压缩性的非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模模型,研究横风效应对驶出隧道过程中高速列车流场分布和列车表面压力的影响,揭示列车气动荷载变化机理。通过与动模型试验结果进行对比,验证数值模拟的合理性。研究结果表明:横风下列车驶出隧道过程中流场分布具有显著空间效应,受列车与隧道相互作用影响,隧道出口附近流场具有明显非定常特性;相较于无风情形,横风下列车底部压力变化幅值增大60%,列车迎风面、顶部压力变化幅值分别增大38.1%和28.6%,背风面压力变化幅值差异为4.8%,背风面压力分布受横风影响最小;横风效应导致列车气动特性发生显著变化,气动荷载变化幅值远比无风情形的大,无风时尾车横向力、升力变化幅值最大,横风作用下头车横向力变化幅值最大,倾覆风险最大。

基于轴箱高频振动的车轮不圆辨识方法研究

为实现对高速列车车轮高阶不圆的实时检测,研究了轴箱高频振动与车轮不圆的频谱特征和映射关系,采用频域积分方法对车轮不圆的幅值和阶次进行辨识.首先,通过静态测试和台架试验,研究我国高速铁路车轮多边形、钢轨波磨和轨道模态的表现形式;其次,通过高速列车长期服役性能跟踪试验,掌握转向架轴箱振动的时频特征和演化规律;最后,以现场出现车轮20阶多边形的车辆为研究对象,提出基于频域积分的车轮不圆阶次和幅值辨识方法.研究结果表明:CRTS-Ⅱ型轨道板钢轨三阶弯曲频率为592 Hz;列车以300 km/h运行时,20阶车轮多边形和136 mm波长钢轨波磨的响应频率分别为580 Hz和613 Hz;钢轨模态、车轮多边形以及钢轨波磨的振动主频较为集中,轴箱高频振动幅值随车速和镟后里程的增大而增大;采用加速度频域积分方法,从理论上可实现对车轮不圆幅值和阶次的辨识;基于线路实测轴箱加速度的20阶车轮多边形辨识结果与静态测试值相对误差不超过5%.

高速列车顶层设计指标分解研究现状与展望

顶层设计指标分解是决定高速列车正向设计周期长短和成功与否的首要环节.首先,在阐述运输能力、安全舒适、绿色环保、经济性等高速列车顶层设计指标的基础上,从系统结构组成、运行边界条件以及大系统耦合作用等角度提出高速列车顶层设计指标分解所面临的技术挑战;然后,论述设计指标分解方法、设计指标分解关联模型和设计指标分解协调策略3个方面研究现状,并分析现有方法的不足与新需求;最后,展望群落生态学在高速列车顶层设计指标分解中的适用性,剖析基于群落生态学的高速列车顶层设计指标分解将会面临的关键问题,并给出相应的解决技术路线,以期为高速列车顶层设计指标分解的深入研究和实践提供参考.

高速列车尾车垂向偏置对列车气动性能影响

在长期的高速列车运营过程中,极易形成前后车辆的不同形式偏置,造成列车气动性能改变,甚至可能引发行车平稳性问题,极大影响乘坐舒适性和安全性。以高速列车尾车作为研究对象,探究尾车上下偏置时,高速列车尾部流场变化以及气动特性。基于SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了350 km/h高速列车尾车无偏置、尾车下降20 mm、尾车下降40 mm、尾车下降60 mm、尾车上升20 mm、尾车上升40 mm以及尾车上升60 mm 7种工况下列车的气动性能,分析高速列车气动阻力的变化规律,揭示了不同垂向位移下高速列车尾部流场特性以及列车表面压力分布情况。研究结果表明:高速列车尾部垂向位移对列车整体气动阻力影响较小,但对高速列车气动阻力分布以及流场特性造成一定影响。当尾车偏置位移达到60 mm时,列车车体气动阻力相对于无偏置工况分别降低了-1.11%和2.64%,转向架气动阻力相对无偏置情况下分别降低了11.35%和-17.43%。此外,尾车偏置对列车近尾流区域流场结构有一定影响,尾车鼻锥下方排障器周围漩涡结构由双漩涡结构向单漩涡结构转变;鼻尖处漩涡结构随着尾车高度下降而增大,随着尾车高度上升而逐渐变小。本研究结果丰富了列车尾部偏置情况下的相关研究,对列车检修以及CR450高速列车设计等具有重要指导意义。

送风方式对高速列车通风和呼吸污染物扩散特性的影响

高速列车交通网络发达且载客量大,但车厢环境封闭易造成污染物的堆积,为提高乘车舒适性和安全性,基于计算流体动力学理论(CFD),建立满载工况的全尺寸车厢通风计算模型.针对排风口位于两侧车窗上端的排风方式,采用速度不均匀系数、温度不均匀系数、能量利用系数和通风效率作为列车通风系统的评价指标,对比研究6种送风方式对车厢内流场特性和呼吸污染物扩散特性的影响,包括多孔顶板送风、下部送风、多孔顶板送风+下部送风、局部多孔顶板送风、侧顶送风、局部多孔顶板送风+侧顶送风.研究结果表明:通过调整风口之间的流量分配比例可以使送风气流均匀地流向客室两侧,改善车内温度均匀性;采用下部送风时,有助于提高通风系统的能量利用系数和通风效率,分别高达1.38和1.21,但会恶化车内乘坐舒适性;通过研究乘客之间呼吸污染物的相互影响情况发现,第C列乘客的呼吸污染物容易向第B列乘客的呼吸区域进行扩散,加剧乘客之间的交叉感染;通过减小多孔顶板的送风口尺寸,采用局部多孔顶板送风可以有效缓解该现象,使污染物的体积浓度下降至0.0019.

基于频域分析的高速列车侧风倾覆机理

侧风作用下列车的动态环境以轮轨相互作用为主向,以空气动力作用为主演变,列车的侧风倾覆行为成为威胁列车行车安全性的主要诱因.首先,采用精细化车-轨耦合模型开展列车侧风倾覆的频域特性分析,以明确侧风倾覆响应对列车模型的敏感性;基于考虑模态特性的频域分析框架,推导脉动风及轨道不平顺与列车倾覆动力响应间的传递函数,结合相应参数进行分析,以直观揭示列车的侧风倾覆机理.结果表明:列车倾覆行为受绕车体下心侧滚模态和车体沉浮模态控制影响,其风荷载影响要明显大于轨道不平顺;在轨道不平顺激励下,第一阶模态贡献主要由轨向不平顺引起,第二阶模态贡献主要由高低不平顺引起,在脉动风荷载激励下,其顺风向脉动风分量起主要贡献;车速、风速和风向角的增大都会引起列车动力响应的增大,进而降低列车安全运营时的最大允许风速;失效概率的增大会降低动力响应的极值,进而提高安全运营风速.

新型气囊结构对高速列车横风气动性能的影响

为保障高速列车在大风环境下的行车安全,提出一种安装于列车背风侧、改善列车横风气动性能的新型气囊结构外形,以三车编组高速列车为基准,建立4种不同气囊−列车模型即气囊列车(模型Ⅰ)、增加气囊横向宽度(模型Ⅱ、Ⅲ)、增加气囊垂向宽度(模型Ⅳ)。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,研究不同气囊模型作用下高速列车横风气动性能。研究结果表明:列车背风侧气囊改变了背风侧车体表面压力分布,列车横向力系数降低、升力系数增大,使得列车倾覆力矩系数减小,高速列车横风气动性能显著提升;随气囊横向宽度增加,列车横向力系数逐渐降低,而升力系数逐渐增大,模型Ⅲ的横风气动性能较优。相较于原始列车模型,模型Ⅲ的横向力系数减小7.09%,升力系数增加12.78%,模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的倾覆力矩系数分别降低8.43%、11.05%、13.15%;改变气囊垂向宽度对高速列车横风气动特性影响较小,模型Ⅳ倾覆力矩系数降低8.78%,与模型Ⅰ的优化效果相近。

智慧高速铁路运行控制系统发展趋势综述

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等问题,提出高速铁路运行控制系统的智能化、智慧化是解决上述问题的重要手段,是保持和提升我国高速铁路技术整体竞争力的核心组成部分。新时期的智慧高速铁路运行控制系统以实现列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制为目标,主要包括移动闭塞、列车运行净空感知、列车状态智能监测、列车自主追踪、智能调度指挥、车-地动态自组网通信等关键技术。结合新一代使能技术,研究高速铁路运行控制智能技术的应用及其发展趋势,对我国智慧高速铁路的发展具有参考价值。

列车制动盘散热特性分析及拓扑优化

针对紧急制动工况下制动盘散热问题,采用计算流体力学分析方法对某型通风式制动盘进行了散热特性研究。对制动盘内部流道速度场和对流换热等进行评估,在此基础上,采用由N-S方程与达西定律耦合成的Brinkman方程拓扑优化,实现制动盘散热能力提升的优化目标。结果表明:优化后的模型在整个制动工况中散热量提高了13.46%。

定形态隧道压力波激扰下车内压力迭代学习控制

同一列车重复通过同一隧道时所产生隧道压力波激扰具有形态相似、变尺度变幅值的特性.针对现有控制策略未考虑这一定形态特性的问题,提出一种基于高阶反馈遗忘迭代学习的控制方法.首先,建立高速列车车内外气压传递数学模型,并利用实测车内外压力数据进行修正与验证;其次,通过控制列车通风设备的阀门来减缓车内压力变化,提出阶反馈遗忘迭代学习控制算法,并设计变幅值和变尺度处理方法;最后,利用实测压力波生成一组定形态的随机压力波,并进行仿真分析.仿真结果表明:在重复定形态的隧道压力波激扰下,高阶反馈遗忘迭代学习控制算法能够使车内压力在第8个迭代周期后1 s变化率基本收敛到200 Pa/s以下,而且均方根误差也在第4个迭代周期后降低到15.0000%以下.

基于改进生物地理学算法的列车ATO多目标优化研究

高速列车运行过程优化是一个多目标、非线性优化问题.为研究列车自动驾驶系统(automatic train operation,ATO)多目标优化问题,以列车运行的准时性、停车精确性、舒适性、能耗性为控制目标,列车动力学模型为约束条件,同时考虑列车惰行过分相区,建立列车多目标优化模型,提出了一种改进的生物地理学(biogeography-based optimization,BBO)优化ATO速度曲线方法.为提高算法优化性能,使用更加倾向自然法则的双曲正切变体迁移模型;在变异过程中使用差分进化(differential evolutionary,DE)变异策略,提高种群多样性,同时加入柯西分布随机数帮助算法跳出局部最优;利用反向学习提高变异后个体的多样性,保证算法的全域搜索.同时通过基准测试函数验证该算法收敛速度和全局优化能力的优越性.以CRH3型高速列车和汉宜客运某线路进行仿真实验,结果表明,所提方法可以使列车追踪运行更加高效、舒适、安全和节能,其中舒适度提升了39.24%,能耗降低了3.5653%.

地震和高铁共同作用下桩网复合地基振动特性

为研究地震和高铁列车荷载共同作用下桩网复合地基振动特性,通过建立轨道-路堤-桩网复合地基三维有限元计算模型,分别与实测数据和一维波动理论对比验证模型的正确性。通过对比不同荷载工况下地面位移和加速度时频振动曲线,分析地震和高铁两动载共同作用时不同车速下桩网复合地基时频振动特性,研究桩体模量对桩网复合地基减震效果的影响。研究表明,Hollister地震荷载和高铁荷载共同作用下,距轨道中心1 m处地面振动位移由地震荷载主导,地面振动加速度由列车荷载主导;20 Hz以下地面低频振动由高铁和地震荷载共同控制,地面高频振动主要由列车荷载控制。Lytle Creek地震荷载和高铁荷载共同作用下,桩网复合地基地面振动位移和加速度峰值均大于高铁荷载单独作用下的值;增加桩体模量对高铁荷载单独作用和两动载共同作用下桩网复合地基地面振动均有减振效果,但两动载共同作用下增加桩体模量对地面减振效果比高铁荷载单独作用下弱。

高速铁路列车乘客上下车策略分析及仿真模拟

为获得高速铁路列车乘客最优的上下车策略,选取CRH380AL型高速列车二等座车厢,构建乘客上下车策略仿真模型。针对不同的上下车策略,分析人员携带行李比例、上车人数的落座时间和过道密度,量化乘客上下车的效率和舒适度。结果表明:低密度时,乘客落座时间在双车门行策略和双车门倒金字塔策略下变化差异不明显。随着乘客人数和携带行李比例的增加,双车门倒金字塔策略的乘客落座时间最短。30人上车场景时,双车门倒金字塔策略车厢过道区域的最大密度和平均密度均为最低。在上下车人数为50人、携带行李比例为40%时,双车门倒金字塔策略的过道密度相较于双车门行策略和双车门斯蒂芬法策略较低,此时乘客舒适度较好。

高速磁浮列车-轨道梁耦合系统轨道不平顺敏感波长研究

轨道不平顺是诱发车-桥系统耦合振动的主要激励源之一,探明系统耦合振动不平顺敏感波长,对线路管理具有重要参考价值。首先,建立了高速磁浮列车-轨道梁耦合系统空间模型,其中磁浮列车被模拟为具有537个自由度的多体动力学模型,轨道梁被模拟为空间有限元模型,两者之间通过基于比例-微分(proportional-differentiation, PD)控制理论的磁轨关系耦合。其次,以上海高速磁浮为研究背景,选用5车编组列车驶过20跨简支梁桥为计算条件,通过与实测结果对比,验证了模型的正确性。最后,考虑轨道谐波不平顺激励,探讨了不同方向的轨道不平顺组合、不同轨道不平顺幅值和不同车速对列车和桥梁动力响应敏感波长及列车运行平稳性的影响。结果表明:磁浮列车-桥系统横向振动和竖向振动耦合性很弱;在设计车速430 km/h下,车体竖向、侧滚和点头加速度敏感波长分别为140~180 m、60~100 m和120~160 m,车体横向和摇头加速度敏感波长大于200 m;当波长为80、105、115、140和160 m时,会分别引发车体侧滚、摇头、横向、点头和竖向方向的共振;车体和主梁的响应幅值与轨道不平顺幅值基本呈线性关系;当轨道不平顺幅值为1 mm时,在计算车速200、250、300、350、390和430 km/h工况下,车体侧滚加速度峰值随车速变化不大,其他4个自由度方向的加速度峰值随着车速的增大而减小,主梁竖向加速度幅值随车速的增大呈线性增大;从车体的横向和竖向Sperling指标可以看出,车体的Sperling指标均小于2.5,磁浮列车的运行平稳性良好。

高速列车对综合交通枢纽中地下车站结构振动的影响

以济南遥墙综合交通枢纽为工程案例,依托CRTSⅢ型板式无砟轨道建立车辆-轨道-车站结构振动耦合模型,利用时频域分析方法,分析了不同列车通过速度下轨道与车站结构间振动传递特征、不同减振垫层刚度下车站结构顶板振动响应特征和减振效果。结果表明:列车通过速度80 km/h时,钢轨、轨道板、车站结构侧壁、车站结构顶板振动加速度绝对值依次减小,车站结构顶板振动加速度级峰值出现在100 Hz;车站结构侧壁和顶板的分频最大振级、最大Z振级均随列车通过速度增加而增大,并且最大Z振级的增幅大于分频最大振级;不同列车通过速度下车站结构侧壁的分频最大振级和最大Z振级均大于顶板;降低减振垫层刚度可有效减小车站结构顶板最大Z振级;列车以不同速度通过各股道时可通过采用不同减振垫层刚度的轨道结构达到同等减振效果。

面向车次取消的票额分配与停站方案组合优化研究

当列车因严重干扰而取消时,大量旅客将在车站滞留,同时铁路公司收益也会受到一定影响,合理的票额分配是解决此类问题的有效方法。在差异化设置换乘旅客优先权基础上,构建了以铁路公司收益最大化和偏离原时刻表最小化为目标的票额分配和停站方案组合优化模型,并通过增加不等式组约束条件将其线性化;利用求解器GUROBI对上述模型进行求解并分析算例。研究结果表明:当列车因干扰而取消时,与不采用任何措施相比,灵活停站策略能有效地减少滞留旅客数量19.7%以上;铁路公司收益增加21.8%以上。

基于双环自适应滑模控制的高速列车运行追踪

针对列车高速运行跟踪控制问题,提出了一种基于双环结构的RBF神经网络自适应滑模控制算法。首先系统结构分为位移与速度控制子系统,防止列车因单个控制器故障而失控;在此基础上采用积分滑模控制,加强控制器的鲁棒性;同时在速度子系统中引入参数自适应算法与RBF神经网络自适应算法削弱列车受到基本阻力、附加阻力以及不确定性阻力带来的影响;最后通过Lyapunov稳定性分析证明系统的稳定性。通过仿真实验结果表明,位移误差在[-3.3×10^(-4),1.9×10^(-4)]范围以内,速度误差在[-2.1×10^(-2),3.1×10^(-2)]范围以内,该算法可以实现对列车的速度与位移精确追踪。