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.

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.

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%。

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.

桥上脱轨列车姿态演变行为与倾覆风险研究

针对高速列车桥上脱轨后的车体姿态演变行为与倾覆风险问题,通过多体动力学方法,建立八编组整车−桥梁防护墙多体动力学模型并开展数值研究。首先,通过相同工况下多体动力学结果与有限元方法结果,对比验证本文模型的正确性。然后,通过数值模拟分别研究直线空载高速列车、直线满载高速列车、曲线不同离心加速度下高速列车脱轨后的动力学演变行为。研究结果表明:桥上脱轨列车与防护墙发生撞击后,会出现明显的车轮跳起和车体大幅度侧滚现象,各车存在极大从右后向左前翻滚到线路外侧坠落的风险;桥梁曲线脱轨比直线脱轨更加危险,会出现明显的甩尾现象,离心加速度越大,甩尾现象越明显。

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。

基于知识图谱的高速列车知识融合方法

为解决高速列车各领域知识之间关联不明、难以检索和应用等问题,首先分析高速列车多源异构知识的组织形式,并结合高速列车产品结构树和阶段领域,构建高速列车领域知识图谱模式层和知识图谱;其次,通过双向编码变换器-双向长短期记忆网络-条件随机场(BERT-BILSTM-CRF)模型进行实体识别,得到阶段领域本体的映射;然后,将高速列车实体属性分为结构化和非结构化2类,并分别使用Levenshtein距离和连续词袋模型-双向长短期记忆网络(CBOW-BILSTM)模型计算相应属性的相似度,得到对齐实体对;最后,结合高速列车产品编码结构树进行映射融合,构建高速列车领域融合知识图谱.应用本文方法对高速列车转向架进行实例验证的结果表明:在命名实体识别方面,基于BERT-BILSTM-CRF模型得到的实体识别准确率为91%;在实体对齐方面,采用Levenshtein距离、CBOW-BILSTM模型计算实体相似度的准确率和召回率的调和平均数(F1值)分别为82%、83%.

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.

隧道类型对驶出隧道高速列车横风效应影响研究

基于横风下高速列车流场的非定常特性,建立横风-隧道-列车数值模型进行计算,研究隧道类型对横风下高速列车驶出过程中气动压力、流场特性和列车气动荷载的影响.结果表明:隧道出口处气动压力受隧道类型影响最为显著,单线隧道列车迎、背风侧气动压力变化幅值比双线隧道气动压力变化幅值分别大15.7%和22.6%;在列车类型、车速和横风条件相同情况下,阻塞比是导致单线隧道气动压力较大的根本原因;列车背风侧分离涡形成位置到头车鼻尖距离相同,但双线隧道列车背风侧流场偏移程度更大;头车与中车周围流场分布规律基本相同,受隧道类型影响较小,而尾车流场分布特性受隧道类型影响较大.尾车气动荷载对隧道类型更加敏感,双线隧道尾车横向力系数、升力系数变化幅值分别比单线隧道大27.3%和7.1%.当高速列车在横风环境中驶出隧道时,建议考虑隧道类型对列车气动性能的影响.

基于DFD-DBSCAN的高速列车电池组多故障诊断方法

高速列车电池作为备用电源,被广泛应用于辅助供电系统以维持高速列车控制系统的正常运转,其可靠性涉及行车安全。列车频繁起停、频繁加减速以及震动等多种复杂运行环境易导致电池单体故障和连接故障。为了保证高速列车的安全运行,高速列车电池组的状态检测与多故障诊断研究备受关注。目前,针对高速列车电池组的多故障诊断方法的研究尚属空白,提出一种基于改进离散弗雷歇距离(Discrete Fréchet Distance, DFD)和自适应密度聚类(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, DBSCAN)的高速列车电池组的实时多故障诊断方法,以准确识别电池组的连接故障和单体故障。以高速列车电池作为研究对象,通过设计适用于高速列车电池组的电压交叉测量方法,使得电池电压和连接板电压与不同的电压传感器相关联,并通过DFD算法对电池组的故障特征进行提取,将电压偏移率与DFD共同作为故障诊断模型的参数输入以提高算法的鲁棒性与可靠性,接着引入DBSCAN算法自动对故障诊断并定位。为了保证算法的实时性,利用基于滑动窗口的遗忘机制实时地对采样数据进行诊断。通过实验对所提出的方法进行验证,结果表明该方法可及时有效地诊断电池组的单体故障与连接故障并准确定位,弥补了高速列车电池组多故障诊断方法研究的缺失,对提高轨道列车的行车安全具有工程实用意义。

高速列车受电弓上下臂杆气动降噪大涡模拟研究

受电弓是露置于高速列车顶部的重要受流装置,其所产生的气动噪声是高速列车的主要噪声源之一。为了降低受电弓所产生的气动噪声,采用椭圆截面直杆件和椭圆截面纵向扭转杆件两种方案替代原有上下臂杆的圆形截面直杆件,基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)结合Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)声类比的方法分析流场特征与气动噪声辐射,研究新型受电弓杆件对流场及近、远场气动噪声特性的影响。研究结果表明:在不同列车速度下,与圆形截面杆件相比,椭圆截面纵向扭转杆件受电弓在近、远场辐射的气动噪声有所减弱,具有一定降噪效果;当列车速度为300 km/h时,椭圆截面纵向扭转杆件受电弓远场25 m处声压级最大值可降低约4.3 dB(A),降幅约4.4%;当列车速度为400 km/h时,其近场7.5 m处声压级最大值可降低约5 dB(A),降幅约5.5%。

动车组车体模态频率贡献度和改进方法研究

针对高速列车车体低阶模态频率提升过程中,传统灵敏度分析方法存在的设计变量繁多和难以识别出优先改进部件的难题,提出了一种新颖的车体模态频率贡献度评估与结构改进方法。重点分析了铝合金车体板件厚度与模态频率的灵敏度关系,并在此基础上提出了部件模态贡献度概念,推导和建立了描述部件模态频率灵敏度与贡献度的数学模型。通过对动车组车体中各铝型材的贡献度进行计算,详细分析了车顶、侧墙、底架等六大部件对前3阶模态频率的影响。研究揭示,部件模态贡献度表示了局部部件对整体结构模态影响的大小,呈现了灵敏度无法显示的全局量化指标。车顶部件对车体前3阶模态的贡献度最大,侧墙和底架居中,底架边梁、端墙和牵枕缓最小。车顶与侧墙、侧墙与底架连接处的型材对低阶模态产生了显著影响。通过增加内外板厚度并适度降低内部筋板厚度的策略,可提升1阶垂弯模态频率。应用所提出的方法,基于车体54个部件模态贡献度,成功甄别出车顶和连接处型材等优先优化部件并进行了改进,实现了1阶垂弯模态频率从9.5 Hz提升至10.2 Hz,同时将车体重量增加控制在43 kg以内,验证了方法的有效性和高效性,为车体模态频率的优化提供了清晰的路径。该方法具有广泛的适用性,可推广应用于其他领域的结构模态改进。

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.

高速列车转向架底部包覆板气动减阻效果研究

转向架的复杂机械结构及非流线化外形对高速列车气动性能产生不利影响,优化列车转向架底部流场结构,降低转向架的气动阻力占比,是进一步降低高速列车气动阻力的重要手段。为此,参考现有高速列车转向架结构设计2种转向架底部包覆板,并建立3种转向架包覆方案:方案一为带倾角包覆板+全包围裙板;方案二为平直包覆板+全包围裙板;方案三作为对照组未安装底部包覆板。基于k−ω方程湍流模型,探究不同包覆方案下高速列车气动阻力变化规律,对比分析3种方案对转向架及整车气动阻力、转向架舱内压力分布以及列车底部流动特性的影响,并通过全尺寸转向架风洞试验验证数值仿真的可靠性。研究结果表明:转向架包覆板有效减弱了气流对转向架零部件以及转向架舱后端板的冲击,使得转向架舱内压力分布更均匀,进而降低了转向架气动阻力;方案一和方案二分别使头车阻力系数降低17.3%和22.2%,整车阻力系数降低11.6%和12.9%;与方案二相比,方案一中包覆板两端的倾角能够引导气流进入转向架舱内部,加速舱内的流动循环,有利于牵引电机、轴盘等转向架零部件与外部空气的换热。研究结果可为进一步优化转向架包覆板设计方案、降低列车气动阻力提供参考。

基于抗差自适应滤波的高速列车融合测速算法

针对Kalman滤波在高速列车融合测速过程中因观测粗差和动力学模型误差而引起的融合精度下降问题,提出一种基于抗差自适应滤波的高速列车融合测速算法。首先,在Kalman滤波的基础上构建异常检测函数和误差判别统计量,用于检测和区分传感器异常观测导致的观测粗差和动力学模型误差;然后,针对观测粗差和动力学模型误差,分别采用三段式函数和指数函数构造抗差因子和自适应因子,通过2种因子合理调节观测信息和模型信息在状态估计中的权重,从而降低观测粗差和动力学模型误差对融合结果的影响;最后,通过2种运行场景以及算法对比,仿真验证抗差自适应滤波算法性能。仿真结果表明,与基于Kalman滤波的融合测速算法相比,所提出算法无论在观测粗差场景还是在动力学模型误差场景,均具有更高的精度和稳定性。

脉动风场下二维高速列车/桥梁气动特性研究

强脉动环境风加剧高速列车周围流场瞬变特性,进而形成强脉动列车气动载荷,直接危及列车行车安全。当列车在高架桥上运行时,环境风-列车-桥梁耦合条件下的列车气动载荷变化将更为剧烈。因此,采用更加真实的风场边界模拟横风作用下高速列车在桥梁上运行时的气动特性、明确不同风场特征下的列车周围流动结构特征显得尤为重要。基于大涡模拟方法,研究了恒定均匀风场、指数平均风场以及指数脉动风场(基于谐波合成法并采用Kaimal风速谱密度模型生成风速时程数据)特征作用下二维车体在10 m高桥梁上的横风气动特性。研究结果发现:不同风场特征下,车体周围流场结构、气动性能存在较大差异。对比指数平均风场,恒定均匀风场下车体背风侧产生一对更加充分发展的漩涡结构;车体的侧向力系数减少16.4%,升力系数增加59.7%,倾覆力矩系数降低23.6%,不同速度剖面对应的2种时均风场下,列车的气动特性出现了显著差异。当采用更为真实的指数脉动风场剖面时,车体表面压力分布呈现差异性变化,车体的侧向力系数增加9.0%,升力系数减少13.4%,倾覆力矩系数增加9.5%,可见脉动风场对桥梁上高速列车的横风气动性能具有较显著的影响。研究成果可为风环境下桥上高速列车的行车安全和限速指挥系统提供技术支撑。