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。

融合轨面短波不平顺的全波段高低不平顺谱表征及影响分析

轨道不平顺谱是表征轨道不平顺幅频特性的有效工具。目前,高速铁路轨道不平顺谱的研究主要聚焦在波长2 m及以上成分,甚少涉及轨面短波不平顺谱。基于大量无砟轨道高速铁路实测数据,研究轨面短波不平顺谱的表达函数及其与中长波轨道不平顺谱衔接的适应性。结果表明:两段幂函数能够很好地表征轨面短波不平顺谱。采用对数坐标系下的5阶多项式拟合全波段高低不平顺谱,实现中长波和短波成分在波长1~2 m范围内的平缓过渡。实测数据表明高速行车条件下,短波高低不平顺对轮轨垂向力及轴箱、构架和车体垂向加速度等指标均存在显著影响,全波段高低不平顺谱的建立对轮轨振动仿真分析、车辆和轨道结构设计以及轨道状态评估具有重要意义。

基于3m波长地铁钢轨焊缝接头不平顺的轮轨响应分析

相对于1 m弦测值的焊缝接头动力学评估与管理,基于3 m波长范围的焊缝接头不平顺轮轨响应分析对其服役状态评估与管理具有重要意义。首先,基于车辆-轨道垂向耦合动力学理论建立车辆-轨道垂向耦合模型;然后,借助基于一弦N点弦测法研制的钢轨短波不平顺测量小车,对地铁线路焊缝接头不平顺进行精确测量,并根据传统弦测理论得到1 m弦测值;接着,将实测3 m波长焊缝接头不平顺和1 m弦测值作为车辆-轨道垂向耦合模型的不平顺激励输入,对比3 m波长焊缝接头不平顺和1 m弦测值激扰下的轮轨响应;最后,研究了车速和焊缝位置对轮轨动力响应的影响。结果表明:相比1 m弦测值激扰下的轮轨动力响应结果,3 m波长焊缝接头不平顺激扰下的轮轨力幅值变化不明显,轮重减载率幅值增大11.52%,钢轨加速度幅值增大54.05%,轮对振动加速度幅值增大37.67%;车速提高会导致轮轨力和轮重减载率幅值增大;焊缝中心与轨枕间的距离增加,轮轨力幅值先增加后减小,当焊缝中心距离轨枕0.1 m时,轮轨力幅值最大。

高速铁路千米级主跨悬索桥线-桥垂向变形映射关系分析

为研究千米级悬索桥线-桥垂向变形映射关系,逐层分析有砟轨道层间传力特性,建立悬索桥垂向变形与轨面几何形态的映射解析模型,并对映射模型的准确性和有效性进行验证。研究结果表明:桥梁变形波长大于16 m时,线-桥垂向变形可视为完全映射,波长小于16 m时,线-桥位移有所差异;扣件和道床刚度主要影响波长16 m以下的线-桥垂向变形映射关系;悬索桥上线路平顺性表现出显著的温度敏感性,影响桥上线路垂向不平顺的主要因素依次为主缆、主塔、吊杆和主梁;墩塔沉降作用下桥上线路产生不平顺的主要范围集中在桥梁边跨和主塔附近;桥上线路特征波长主要为28、14、28、56 m,分别对应桥梁的横梁间距、节间间距、标准节间长度和4倍节间间距。

更快速度下周期性短波不平顺引起的轮轨高频振动特性及控制限值

随着列车运行速度的不断加快,轮轨高频振动引起的车辆、轨道部件伤损问题更加突出,尤以周期性的短波不平顺最为常见。为了掌握轮轨高频振动自下而上的传递衰减规律以及制定合理的钢轨打磨策略,有必要针对车辆系统在高频激励条件下的耦合振动特性开展深入的理论研究。本文通过对大量实测数据的拟合,得到了更宽频段范围内的轨道高低不平顺谱拟合公式,并通过反演得到了0.002~100 m波长范围内的高低不平顺样本;在此基础上建立了高速动车组-轨道刚柔耦合动力学模型,其中对轮对、钢轨均考虑了弹性体振动模态,仿真分析了周期性短波不平顺引起的轮轨高频振动特性。结果表明,车辆各部件的振动频率分布范围为30~1390 Hz,且自下至上呈逐层衰减趋势。通过提取周期性短波不平顺幅值变化对轮轨相互作用的影响规律,进一步提出了适应400 km/h高速铁路的典型波长周期性短波不平顺的量化控制限值要求。

短波不平顺引起轮轨激振的中高频垂向力研究

为研究普通列车轨道不平顺对轮轨激振力的影响,采用LS-DYNA软件建立三维有限元轮轨耦合力学模型。该模型把车轮简化为质量点,轨道简化为梁,利用RAIL_TRAIN和RAIL_TRACK模块实现轮轨的耦合。利用该模型,分析不同车速、不同波长和幅值所表征的轨道不平顺引起的列车轮轨垂向力及其变化特点,并研究影响垂向力的敏感因素。结果表明:车速越低,不平顺波的幅值对轮轨垂向力的影响越大;相同的车速和不平顺波长,不平顺波的幅值越大,垂向力也越大,且垂向力和不平顺波的幅值近似呈线性关系;不同车速下,轨道不平顺的敏感波长不同,但其车速与敏感波长之比的频率均约为300 Hz,接近轨道的291.949 Hz(45阶模态频率)。

高速铁路焊接区轮轨动力学响应及疲劳分析

研究目的:针对不同行车条件下,高速列车通过钢轨焊缝区高频振动及轮轨冲击损伤问题,应用列车系统动力学理论,构建车辆–轨道耦合动力学模型,对钢轨焊接区典型不平顺对轮轨垂向动态响应特征及发生疲劳损伤的可能性进行研究。研究结论:(1)高速列车通过下凹型焊缝的轮轨冲击作用强于上凸型焊缝,通过W型不平顺的轮轨垂向动态作用强于V型不平顺;(2)随着焊缝区不平顺波深的增加或波长的减小,轮轨垂向响应增强,在铁路钢轨养护中,建议以波深0.4 mm及波长0.4 m为焊缝区限值进行打磨养护;(3)结合安定理论,确定钢轨焊缝的疲劳损伤区,横移量大于9.5 mm时,疲劳因子大于零,当横移量达到10.1 mm,上凸型焊接区疲劳因子达到0.041,下凹型焊接区疲劳因子达到0.068,下凹型焊缝更容易产生疲劳裂纹;(4)本研究成果可为高速铁路焊接区裂纹萌生可能性的预测及钢轨养护提供借鉴。

高速铁路CRTSⅡ型板式轨道高低不平顺敏感波长的分布特征及影响因素

目的:部分轨道不平顺波对高速铁路车辆系统的振动有较大的影响,需要从轨道结构振动控制的角度,对无砟轨道不平顺敏感波长的分布特征及影响因素进行研究,以降低轨道结构振动,延长轨道结构寿命。方法:介绍了车辆-CRTSⅡ型板式轨道耦合系统的动力学算法,列出车辆-CRTSⅡ型板式轨道耦合系统的运动方程,计算得到了轨道不平顺敏感波长。在分析CRTSⅡ型板式轨道敏感波长的分布特征的基础上,选取列车运行速度、扣件、CA(水泥沥青)砂浆、路基等4种影响因素,选取各影响因素不同工况的计算参数,分析计算各影响因素不同参数取值对轨道高低不平顺敏感波长的影响。结果及结论:轨道高低不平顺敏感波长总体上随列车运行速度增大而增大,但并不是严格的单调变化;扣件各参数主要影响低阶(前5阶)敏感波长,与扣件垂向阻尼相比,扣件垂向刚度对敏感波长的影响更大;CA砂浆各参数对轨道高低不平顺敏感波长几乎无影响;路基各参数对高低不平顺敏感波长的影响与扣件相似。

时速400 km高铁最小曲线半径地段列车动力学性能研究

为了研究时速400 km高铁列车经过最小曲线半径地段时的动力响应特性,建立曲线地段CRH380B列车-轨道耦合动力学模型,从时域、频域对比仿真数据与综合检测列车实测数据,验证仿真模型的正确性。模拟列车以400 km/h速度通过7000 m半径曲线路段下的各种轨道不平顺工况,以各动力响应峰值为控制指标,并结合相干性分析,得出长波高低与轨向不平顺最大敏感波长分别为150 m和200 m。曲线地段的车体垂向加速度峰值、车体横向加速度峰值、脱轨系数峰值、轮重减载率峰值、轮轴横向力峰值分别是直线地段的1.21倍、7.58倍、4.8倍、1.17倍、3.25倍,表明线路条件改变对车体垂向加速度、轮重减载率的影响较小,对车体横向加速度、脱轨系数、轮轴横向力的影响显著。研究结论可为运营期的行车舒适性和安全性评价、轨道平顺性评价提供理论依据。

中心性浆液性脉络膜视网膜病变中扁平不规则色素上皮脱离的短波长和近红外眼底自发荧光图像特征

目的:观察中心性浆液性脉络膜视网膜病变(CSCR)眼中扁平不规则色素上皮脱离(FIPED)的短波长眼底自发荧光(SW-FAF)和近红外眼底自发荧光(NIR-FAF)图像特征。方法:选取2020年3月至2021年3月温州医科大学附属眼视光医院眼底内科确诊伴有FIPED的慢性或复发性CSCR 38例38眼。使用Spectralis HRA+OCT仪行SW-FAF、NIR-FAF等多模影像检查,分析FIPED的两种FAF图像特征。结果:38例慢性或复发性CSCR眼中有20眼存在血管化FIPED,18眼存在非血管化FIPED。血管化FIPED在SW-FAF上表现为点状弱自发荧光(AF,13例,占65%),混合状弱AF(4例,占20%),点状强弱混合AF(3例,占15%);非血管化FIPED在SW-FAF上表现为点状强弱混合AF(10例,占55.6%),点状弱AF(7例,占38.9%),混合状弱AF(1例,占5.6%)。血管化FIPED在NIR-FAF上表现为融合状伴点状弱AF(16例,占80%),斑片状强弱混合AF(4例,占20%);非血管化FIPED在NIR-FAF上表现为斑片状强弱混合AF(15例,占83.3%),斑片状弱AF(3例,占16.7%)。结论:慢性或复发性CSCR患者的血管化和非血管化FIPED具有特征性SW-FAF和NIR-FAF改变,能够指导治疗和随访。

400 km/h高速铁路大跨度桥梁轨道静态长波不平顺验收标准研究

大跨度铁路桥梁在复杂环境下的大变形特点使得矢距差法不再适用于桥上轨道线形验收工作。为了解决400 km/h大跨度铁路桥梁轨道长波不平顺验收难题,首先根据成渝中线2座大跨度铁路桥梁特征,分析裕溪河特大桥与赣江特大桥对车体加速度的影响特征及综合检测列车的敏感波长,结合现有标准给出基于中点弦测法的桥上轨道静态验收策略。然后依据车辆—轨道耦合动力学理论,构建车辆多刚体模型和CRTSⅢ板式无砟轨道有限元模型,系统开展构造余弦波不平顺和实测不平顺作为轮轨激励条件下的动力仿真计算,并考虑桥上纵断面的影响,基于车体振动加速度和舒适性指标给出了400 km/h高速铁路大跨度桥梁轨道静态长波不平顺验收标准。最后通过裕溪河特大桥轨道静动态不平顺和中国高速铁路无砟轨道谱进行了验证。研究结果表明:1) CR450AF列车在400 km/h下车体沉浮运动的敏感波长为163 m,建议400 km/h高速铁路大跨度桥梁轨道静态长波不平顺采用60 m中点弦测法进行评价;2)桥上轨道静态高低长波不平顺60 m中点弦测验收值不应大于6 mm,轨向长波不平顺60 m中点弦测验收值不应大于4 mm;3)大跨度桥上轨道静态长波轨向较容易满足验收标准,而轨道高程偏差有可能因为包含有桥梁温度变形而超限,因此,400 km/h高速铁路大跨度桥梁需严格控制温度变形。

轨道高低不平顺敏感波长的分布特征及其影响因素的研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用频率分析方法计算轨道高低不平顺与车辆-轨道垂向耦合系统之间的传递函数。根据车辆-轨道耦合系统的振动传递特性得出轨道高低不平顺的敏感波长,并分析其分布特征,进一步探讨行车速度、车辆悬挂参数、轨道参数对敏感波长的影响。结果表明:基于车辆-轨道耦合系统的振动传递特性,可得出轨道不平顺的敏感波长;车体、转向架振动加速度的敏感波长不随车速的增大而递增,而由车速的增大速率与敏感频率移动速率的比值决定的;轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随车速的增大近似呈线性增大;适当增大车辆系统的悬挂刚度和阻尼有利于减小高低不平顺的最大敏感波长范围;轨道刚度和阻尼对车体、转向架振动加速度的敏感波长几乎无影响,但轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随轨道刚度和阻尼的增大而减小。

无砟轨道长波高低不平顺管理标准的研究

研究目的:高速铁路要求轨道具有高平顺性,需要关注的波长也越来越长。目前,轨道长波高低不平顺的管理和评价还存在不足。因此,本文基于多体动力学理论和综合检测列车实测数据,初步探讨300~350 km/h高速铁路轨道长波高低不平顺管理标准和评价方法建议。研究结论:(1)综合分析仿真和实测数据波长和幅值的关联关系,建议300～350 km/h无砟轨道长波高低不平顺管理波长应扩展到150 m;(2)基于惯性测量原理,设计优化了综合检测车轨道检测滤波算法,实现了150 m截止波长高低不平顺的动态检测;(3)建议300～350 km/h高速铁路无砟轨道用70～150 m带通滤波不平顺方式来评价长波高低不平顺,使现场养修更有针对性;同时,提出了相应的幅值和均值管理标准建议值;(4)本研究结论可为后续轨道检测设备研发和工务养护维修等提供参考。

高速行车条件下轨道几何不平顺敏感波长研究

应用车辆-轨道耦合动力学理论及分析软件TTISIM,研究轨道几何不平顺波长变化对高速车辆系统动力响应影响,探讨高速行车条件下轨道几何不平顺敏感波长问题。结果表明:在250～400km/h行车速度域,高速列车系统动力响应指标随轨道不平顺波长变化存在一个幅值相对较大区间;轨道不平顺类型和行车速度不同,敏感区间对应轨道不平顺波长范围亦不相同。综合对比发现:在250～400km/h行车速度域,轨道高低、方向和水平不平顺在长波段敏感波长范围分别约为80～160m、40～120m和50～160m;在相同行车速度条件下,轨道扭曲不平顺在长波段敏感波长范围约为40～100m。

提速线路轨道长波不平顺检测技术

为满足提速线路最高行车速度250km.h-1的要求,研究截止波长为70m的轨道长波不平顺检测技术。选择合适的电路参数设计模拟滤波器。根据模拟滤波器的性能、传感器精度、70m截止波长和±1mm检测精度的要求,确定轨检车最低检测速度为40km.h-1。设计以三角窗为基窗、各窗函数并联、截止波长为70m的数字滤波器,并编程实现;对现场检测数据进行频谱分析,证明设计的数字滤波器滤波效果良好。检测的轨道长波不平顺以波形图和浏览波形图显示,并用于评价轨道质量。通过在轨检车上应用和现场复核,长波不平顺检测技术满足提速线路检测的需要。

线路不平顺波长对提速列车横向舒适性影响

为提高列车在提速区段的乘坐舒适性,借助于现场试验测试数据,运用车辆-轨道耦合动力学理论,通过轨道随机不平顺功率谱变换得到不同波长的不平顺,研究了线路不平顺波长对列车运行平稳性及乘坐舒适性的影响及规律。分析结果表明:提速机车以150km.h-1速度在直线轨道上运行时,如果线路不平顺波长为1～20m,则车体振动主频主要集中在2.20～4.00Hz,避开了人体正常敏感频率,平稳性指标属优级;如果线路不平顺波长为20～30m,则车体振动主频降低至1.50Hz左右,正好处于人体敏感频率范围,乘坐舒适性大大降低,平稳性指标值增加了20%多;更长的波长(大于30m)对机车运行平稳性影响较小,指标与1～20m波长的相应值处于相同等级。可见,对于既有提速线路,必须严格控制不平顺的20～30m波长,虽然该波段的不平顺幅值很小,但对列车在提速区段车体横向振动影响甚大。

基于相干分析的接触导线高度不平顺不利波长研究

为了更深入地了解接触导线高度不平顺特性,基于相干分析,研究了接触导线高度不平顺不利波长区间.将国内高铁线路实测接触导线高度不平顺数据作为激扰引入弓网耦合动力学模型中,经仿真计算得到不同速度等级下弓网间接触力的统计量.对弓网间接触力与接触导线不平顺作相干分析,研究不同速度等级下影响弓网耦合接触的不平顺不利波长区间和最不利波长.结合分析接触线导高不平顺谱,探讨了不利波长的产生原因.研究结果表明,接触导线高度不平顺最不利波长一般为跨距或者2倍吊弦间距长.

基于频域分析方法的轨道高低不平顺敏感波长的研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据车辆-轨道垂向耦合系统的振动传递特性,计算轨道高低不平顺敏感波长的精确值,研究轨道高低不平顺敏感波长的分布特征以及车辆运行速度对敏感波长的影响规律。研究结果表明:基于车辆-轨道垂向耦合系统的振动传递特性,可以得出轨道高低不平顺敏感波长的精确值;轨道高低不平顺敏感波长可以分为2个部分,其中,一部分为波长大于5 m的中、长波段,该波段中敏感波长分布较离散,另一部分为波长小于5 m的短波段,该波段中敏感波长分布较密集;车辆运行速度对敏感频率及敏感波长有较大的影响,随车速的增大敏感频率出现"频移现象",具体表现为敏感频率随车速的增大而增大;但是敏感波长并不是随车速的增大而单调递增的,而是由敏感频率的"频移"速率与车速增大速率的比值决定的。

提速线路轨道不平顺波长的动力仿真

基于耦合动力学理论,利用有限元方法建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,输入不同截止波长的不平顺数据进行动力仿真计算,以确定轨道不平顺管理波长范围.高低不平顺主要影响车体的沉浮和点头运动,引起车体垂向加速度增大;轨向不平顺主要影响车体的侧滚和摇头,引起车体横向振动加速度增大.长波不平顺的影响主要体现在车体振动上,因此本文选定车体加速度作为确定不利波长的判定指标,对提速线路200km/h和250km/h速度下轨道不平顺波长管理的范围进行了探讨,并提出了提速线路轨道不平顺波长管理的建议.

基于稳态、非稳态振动信号分析的轨道不平顺敏感波长及其与车辆响应间关系的研究

基于轨道不平顺输入与车辆动力学响应输出之间的频域传递特性分析，研究快速确定与车辆系统对应的轨道不平顺敏感波长的新方法。利用该方法分析某型高速车辆所对应的轨道不平顺敏感波长的结果表明：在300-360km·h^-1速度范围内，8m的多波周期轨道垂向不平顺波长会引起高速车辆较大的垂向响应；37m左右的多波周期轨道横向不平顺波长会引起高速车辆较大的横向响应。应用短时傅里叶变换和小波包分析技术这2种非稳态振动信号分析方法对车辆系统的车体垂向加速度进行特征分析，可以较全面地揭示出其时频特性，从而能够问接分析出与车辆振动响应信号相关联的轨道不平顺输入信号的非稳态特性。