Influence of structure and material on the vibration modal characteristics of novel combined flexible road wheel

Aiming at the independent development of tracked vehicles,it is urgent to improve its mobility,passability and ride comfort,a new type of flexible road wheel with a“wheel-hinge-hub”combined structure is proposed in this study.The vibration model characteristics of the flexible road wheel were studied by the combination of numerical simulation and experiments.The superelasticity of rubber is obtained through uniaxial tensile experiment of the material and a detail three-dimensional nolinear finite element model of the flexible road wheel is established through finite element software ABAQUS.The free vibration equation of the flexible road wheel is solved by Lanczos vector direct superposition method,and its predicted modes and natural frequencies are compared with experimental results,which verifies the accuracy and reliability of the established finite element model.On this basis,the effects of various key structural or material factors on the natural frequencies of the flexible road wheel are studied using orthogonal experimental design method.Besides,the vibration modal characteristics of the flexible road wheel are also compared with those of the rigid road wheel.The research results provide a theoretical basis for the vibration and noise reduction of flexible road wheel.

季冻区无砟轨道损伤变形及其对车轨动力响应的影响研究

为探究季冻区无砟轨道损伤变形对行车安全性和轨道服役性能的影响规律,以我国季冻区典型无砟轨道结构为研究对象,基于有限元方法和混凝土塑性损伤本构理论,建立考虑结构配筋的CRTS III型板式无砟轨道精细化非线性分析模型,研究路基冻胀作用下轨道结构的变形和损伤规律;结合多体动力学方法,建立高速车辆-轨道-路基耦合系统动力学模型,分析路基冻胀变形作用下高速铁路车-线-路基耦合系统动力响应。结果表明:冻胀位置对轨道结构伤损变形和离缝的产生和发展影响显著;当冻胀发生在底座板凹槽中间位置时,离缝值最大,当冻胀发生在底座板凹槽位置时,钢轨位移最大;当冻胀发生在底座板伸缩缝位置时,底座板最早产生宏观裂纹;轨道结构的变形损伤和层间离缝随着冻胀幅值增加、冻胀波长减小而增加;底座板相较于其他轨道结构更容易产生损伤,建议将底座板底面波脚产生裂纹的冻胀量作为控制标准;路基不均匀冻胀会加剧轮轨动态相互作用,进而对行车安全性和轨道服役性能产生不良影响;高速铁路的轮轨垂向动力响应随着路基冻胀幅值的增加而增大;20 m冻胀波长以下的冻胀变形及其幅值增大对车轨动力响应影响尤为严重,应予以重视。研究结论以期为季冻区高速铁路路基段基础结构动态性能演变及服役安全提供理论基础和工程指导。

嵌入式轨道三维滚动接触模型冲击特性研究

嵌入式轨道在城市轨道交通领域得到广泛运用,在高速铁路方面,国内外也有少量的相关报道和理论研究。嵌入式轨道对减缓轮轨冲击有显著效果,其中焊接接头是引起轮轨冲击的重要原因之一,对于时速400公里以及更高运行速度的列车,焊接接头冲击激励引起的轮轨力变化十分显著,目前对于高速工况下嵌入式轨道的研究尚不充分。基于显式动力学有限元方法,采用三维高速轮轨瞬态滚动接触模型对轮轨冲击过程进行数值模拟,并探究时速400公里速度下的嵌入式轨道的冲击特性。得出以下结论:嵌入式轨道与扣件式轨道在受到不同波长冲击时均能够减小垂向轮轨力变化幅值,焊接接头波长越长,垂向轮轨冲击力越能快速趋于平缓;车轮在受到焊接接头长波冲击时,嵌入式轨道能明显降低纵向轮轨力。研究结果可为嵌入式轨道在高速铁路的运用提供参考。

随机轮轨动态激励对钢弹簧浮置板轨道减振性能影响分析

为分析随机轮轨不平顺对钢弹簧浮置板轨道减振性能影响,该文采用随机模拟的方法,研究了不同轨道不平顺状态下随机车轮不圆顺在浮置板轨道插入损失评估结果方面的随机特性,以及轨道不平顺发展对插入损失评价结果的影响。研究结果表明:不同轨道不平顺状态下,随机车轮不圆顺作用下隧道壁最大Z振级的插入损失离散超过10 dB,且随着轨道不平顺的发展,插入损失的样本均值和标准差均明显减小;分频插入损失统计结果显示,轨道不平顺的发展对频率低于6.3 Hz的插入损失影响更加显著,对于20 Hz以上频段的统计均值的影响并不明显。

基于支重轮-履带-地面多体耦合的履带机器人振动响应研究

构建支重轮-履带-地面多体耦合系统是研究履带机器人行驶平顺性的重要环节。以单侧五支重轮履带机器人为研究对象,在非线性悬挂系统模型以及考虑履带滤波作用的路面激励的基础上,建立了履带机器人振动理论估算模型。然后,基于履带机器人在不同等级路面及不同行驶速度工况下的仿真实验,利用均方根值定量分析了行驶速度、路面激励对机器人车体及其支重轮垂向振动的影响。最后,通过开展外路实验来验证七自由度半车的振动理论估算模型和动力学仿真模型。结果表明:随着行驶速度和路面不平度的提高,履带机器人车体的垂向振动近似呈线性增大,履带对路面激励有滤波作用。履带机器人车体质心及支重轮1,3,5的垂向振动加速度对路面激励最为敏感,车体垂向振动加速度功率谱密度幅值在频率为19 Hz左右时最大。由于支重轮5靠近驱动段,履带与主动轮啮合产生的多边形效应使其垂向振动相对于其他支重轮偏大。理论建模、仿真分析及外路实验相结合的方法为履带机器人在不同路况下的振动响应特性研究提供了新思路。

轮轨激励对橡胶垫浮置板轨道减振效果的影响

以某一组临近的普通整体道床和橡胶垫浮置板轨道为研究对象,对比测试振源加速度,同步调研上线运营列车的净运营里程,并开展车轮不圆顺测试,分析不同轮轨不平顺状态下橡胶垫浮置板轨道的减振效果。结果表明:在评价减振轨道的振动控制能力时,除了针对插入损失(或对比损失)开展客观评价外,也需要分析随着轮轨动态激励的增强是否会导致减振轨道段振动响应超过振动限值的问题;测试线路列车车轮呈现明显的7—9阶多边形磨耗特征,且随着轮轨激励的增强,Z振级相对插入损失的评价结果逐渐增大;橡胶垫浮置板轨道分频减振能力的评价结果与不同频段的激振原理直接相关,轨道扣件系统的自振频率(63 Hz)处轮轨动态激励的增加导致普通轨道的隧道壁振动响应增幅更大,该中心频率处的对比损失随着净运营里程的增加而变大。

运营期普速铁路曲线区段异常晃车影响因素研究

为分析某运营期普速铁路160 km/h速度等级曲线区段的异常晃车问题,对晃车区段的轮轨廓形进行测量,分析了晃车区段的实测车体加速度与轨道几何不平顺数据的时频特征,进一步建立了车辆-有砟轨道耦合动力学仿真模型,采用试验研究和仿真计算相结合的方式研究了轮轨匹配特性和欠过超高状态对曲线区段车辆横向稳定性的影响。结果表明:异常晃车曲线区段车体横向加速度较大,存在明显周期性振动,车体横向加速度振动空间频率为0.024 m^(-1),对应波长为42 m;晃车曲线区段内外股钢轨廓形对称性差,外股钢轨轨顶面和轨距角处磨耗更严重,与实测车轮廓形匹配时轮轨接触点在轨顶面上更为集中;与采用LM&CHN60廓形相比,采用实测轮轨廓形通过曲线时的轮对横移量更大,轮对和转向架周期性振动更明显,周期性振动空间频率为0.024 m^(-1),与异常晃车频率相同;运行速度为60 km/h时的轮轴横向力显著增加,运行速度为160 km/h时的脱轨系数和轮重减载率显著增加;在曲线半径为5000 m,超高为25 mm条件下,车辆以60 km/h和160 km/h的运行速度通过曲线时分别属于严重过超高和欠超高状态,车体横向加速度振动频率与转向架蛇行运动和车轮蛇行运动频率接近,显著影响了车辆通过曲线时的动力响应;运行速度为120 km/h时曲线区段车辆动力响应整体较小,由此可见适当的欠超高有助于提升车辆曲线通过能力;由于曲线参数的限制,建议优先采用降速通过的方式减小车辆通过该段曲线时的车辆动力响应,同时通过改善轮轨匹配关系进一步提升车辆曲线通过能力。

车站减振CRTSⅢ型板式无砟轨道动力特性试验研究

为研究京雄城际铁路雄安站减振CRTSⅢ型板式无砟轨道的减振特性,进行了橡胶材料试验、落轴试验及现场行车试验。从轨道理论减振性能、轨道内部振动分布规律及传递机理、车站现场振动响应等多维度,依据橡胶硬度、加速度时频特性、振动插入损失及候车厅振级等指标,研究了减振无砟轨道的作用机理及振动控制效果。结果表明:减振CRTSⅢ型板式轨道采用的橡胶减振垫在室温下平均硬度为48.5,理论上可实现对35.65 Hz以上振动的控制;落轴引起的振动在减振无砟轨道结构中自上至下传递时高频分量衰减迅速,随着与落轴点距离的增大,轨道振动先减小后增大;相比普通无砟轨道,减振无砟轨道的底座板振动插入损失接近10 dB;采用减振CRTSⅢ型板式轨道,能有效控制列车过站时引起的车站振动。

考虑波磨激励的城市轨道车辆轮对吸振器减振方法

以抑制钢轨波浪形磨耗导致的城市轨道车辆振动为目的,提出一种新颖的适用于城市轨道车辆的轮对吸振器减振方法,建立包含轮对吸振器的车辆-轨道系统耦合模型。通过对轨道不平顺和钢轨波磨综合激扰源的构建,分析钢轨波磨激励对车辆系统动态响应的影响;针对轨道车辆的轮对振动特性,讨论轮对吸振器在不同工况下的减振效果。结果表明:钢轨波浪形磨耗会引起车辆系统各部件振动加剧,对轮对振动影响最为严重。在不同波长、不同波深波磨作用下,安装轮对吸振器的轨道车辆轮对振动都被很好抑制,轮对吸振器在不同速度以及不同载重工况下均有较好减振效果。轮对吸振器能够有效降低轮对的垂向振动,特别适合用于提升城市轨道车辆舒适性。研究工作为提高城市轨道车辆运行平稳性提供参考依据。

风屏障破坏所致风载突变对桥梁列车行车安全影响研究

为研究桥上风屏障局部破坏对桥梁列车行车安全性的影响,以某四塔公铁两用斜拉桥为背景,进行列车动力响应和行车安全性影响参数分析。推导列车通过风屏障破坏段时车辆和桥梁的风荷载,并通过桥梁和列车节段模型风洞试验,测得计算所需气动力系数;在此基础上建立风-车-轨-桥耦合振动模型,研究了风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速对列车动力响应及行车安全的影响。结果表明:突风效应会导致列车横向位移达到最大值,遮风效应会使列车横向加速度达到最大值;随风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速的增加,列车动力响应随之增加;风屏障破坏会增加列车的轮重减载率和脱轨系数,并且高风速下各节车辆在风屏障破坏段的脱轨系数差异较大;仅在风速不大于10 m/s时,列车可以180 km/h的车速安全通过风屏障破坏段。

高速列车高频激振试验台对试验室厂房的振动影响分析

为评估某试验室新建高速列车转向架激振试验台对试验厂房的振动影响,基于车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算钢轨波磨不平顺作用下轮轨垂向高频激振荷载,并将其作用于Abaqus基础-地基-厂房有限元动力仿真模型,分析高频激振试验台对试验厂房的振动影响。结果表明:车辆最高模拟速度500 km/h下,受轨道不平顺激扰将产生轮轨高频激振荷载,最高荷载频率1200 Hz,荷载峰值为213.9 kN;试验台振动影响范围在地面大致集中于以激振台为中心,半径为10 m的“圆形”区域,在深度方向上集中于深度约15 m的“倒梯形”区域;厂房柱下独立基础最大竖向动位移幅值为0.032 mm,最大加速度幅值为32.8 cm/s^(2),屋架与厂柱连接薄弱处最大振动速度幅值为0.585 mm/s,地面水平方向的振动速度幅值小于2 mm/s,振动指标均小于建筑安全及工作舒适性的幅值控制标准,表明高频激振试验台工作时试验室厂房振动符合要求。

高频振动下轮轨噪声的特性分析

为了探究高频振动下无砟轨道的轮轨噪声,进行轮轨耦合动力学分析,利用结构导纳结果与轨道不平顺求解频域下竖向轮轨力,将此力作为外部激励求解车轮与轨道有限元模型的振动响应,然后将此振动响应作为声学边界条件并利用边界元法得到轮轨的结构噪声辐射。研究表明,轮轨噪声主要集中在100~4000 Hz,在2500 Hz以下时,钢轨对总噪声的贡献量最大,在2500~4000 Hz时,车轮的贡献量最大,且列车行驶速度增大,轮轨的最大声压级也逐渐增大;在低频和高频时钢轨质量对轮轨噪声有影响;扣件垂向阻尼越大,轮轨的最大声压级越小。

基于小波时频分析的车轮多边形和轨道不平顺分析研究

车轮多边形和轨道不平顺是当下影响地铁车辆运行品质的最主要原因。轴箱的振动是轮轨耦合振动的最直接反映,车轮多边形引起的周期性激励和轨道不平顺信息可以从轴箱振动信号中分析出来。本文使用西门子SimcenterTestLab振动控制采集分析系统采用小波变换对实测轴箱振动信号进行时频分析,得到车轮多边形引起的振动主频在59.81~88.45Hz的范围内,本方法可快速得到被测车辆车轮多边形情况以及定位轨道不平顺较为严重的区段,为工程师分析车辆异常振动提供依据。使用小波变换对轴箱振动信号进行时频分析的方法相较于传统车轮和轨道测试手段更为方便可靠。

面向振源控制的车辆段轨道减振降噪关键技术

在车辆段用地范围内进行TOD开发,实现城市轨道交通与商业、住宅等各类物业的有机融合,需要采取有效的减振降噪措施。目前,降噪措施仍以控制传播途径和控制受振体为主,而车辆段内钢轨接头多,道岔多,小曲线半径多,振动噪声问题还比较突出。基于振源控制的轨道减振降噪设计理念,优化轨道减振扣件刚度和轮轨间表面粗糙度,并将轨道不平顺质量指数TQI值控制在6~7,可有效改善轮轨间关系;研发了50 kg/m钢轨冻结接头、臂展式阻力枕、轨温检测等轨道无缝化关键技术,实测道床等效横向阻力达14 kN/m;建立了车辆段咽喉区道岔群无缝线路计算模型,提出了咽喉区道岔群强度和稳定性计算方法,完善了无缝线路设计理论体系。研究结果表明,采用减振降噪技术消除了道岔有害空间,优化轮轨关系,降低轮轨冲击振动,从振动源头降低振动噪声,钢轨垂向振动噪声降低约13 dB,传递至隧道壁可降低约4 dB。

轮轨摩擦自激振动引起小半径曲线钢轨波磨的瞬态动力学

钢轨波磨问题一直困扰着地铁线路,对其产生机理的研究有着重要的理论和应用价值。基于轮轨摩擦自激振动引起钢轨波磨的观点,建立轮对稳态通过小半径曲线时由轮对-钢轨-轨枕组成的轮轨系统有限元弹性振动模型,在模型中假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦因数的乘积。应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性,重点研究轮轨系统摩擦自激振动的瞬态动力学过程,获得了轮轨系统发生摩擦自激振动时轮轨振动和接触法向力的变化规律。结果显示内轮和内轨接触摩擦副发生严重的摩擦自激振动,并对这个摩擦自激振动引起钢轨波磨的机理进行了解释。

车辆-轨道系统振动响应分析——Timoshenko梁与Euler梁轨道模型的比较

近年来,铁路的高速化、高运量化以及轻微的地震灾害等因素加速了轨道结构的沉降或变形,导致车辆轨道系统振动的加剧。本文运用车辆-轨道耦合动力学理论,编制了基于Timoshenko梁钢轨模型的车辆-轨道耦合振动仿真分析软件,分析了车辆-轨道系统的垂向振动特性,并与基于Euler梁模型的VICT软件的仿真结果进行了比较分析。结果表明:仿真结果与VICT的仿真结果基本一致,但在较高频域,前者能更好地反映轮轨系统的高频特性。因而,在研究轮轨高频振动及轮轨噪声时,采用Timoshenko梁钢轨模型更具合理性。

高速列车车轮踏面非圆磨耗机理

为揭示高速列车车轮踏面非圆磨耗的产生机理,控制高速列车车轮的非圆磨耗,基于高速列车在雨、雪条件下调速制动可能发生轮轨滑动的特点,建立了由轮对和钢轨组成的轮轨系统摩擦自激振动模型,使用该模型对轮轨系统进行了摩擦自激振动发生趋势的仿真分析.仿真结果表明,在轮对调速制动轮轨蠕滑力达到饱和(即滑动)状态下,轮轨系统容易发生摩擦自激振动,此摩擦自激振动能引起车轮非圆磨耗,并提出控制高速列车调速制动时的制动摩擦力使轮轨不发生滑动是抑制车轮非圆磨耗的主要措施,增大钢轨扣件垂向阻尼是控制高速列车车轮非圆磨耗的可行方法.

应用动力吸振器的浮置板轨道低频振动控制特性的试验研究

针对浮置板轨道在低频域出现的振动放大问题,通过落轴试验研究应用动力吸振器浮置板轨道的低频振动控制特性。基于多自由度等价质量识别原理与扩展定点理论,利用浮置板轨道有限元模态分析与室内测试,设计合理的动力吸振器关键参数,将制作好的动力吸振器安装在实验室实尺浮置板轨道上进行落轴冲击动力学试验,以研究动力吸振器对浮置板轨道低频振动特性的控制效果。研究结果表明:在试验条件下,动力吸振器可以明显降低浮置板轨道在10 Hz基频附近的振动加速度,且质量比越大振动控制效果越好;与传统无动力吸振器的浮置板轨道相比,当动力吸振器的质量比为0.3时,轨道板、支承层的插入损失最大分别可达15.3、11.9 dB。

高速有砟轨道钢轨动力吸振器垂向吸振特性及其参数影响

钢轨动力吸振器是降低钢轨振动及噪声的一个有效措施。建立轨道-吸振器系统的理论模型,用周期性离散支撑的无限长的欧拉梁来模拟钢轨扣件系统,用离散的双层质量块-阻尼-弹簧系统模拟在轨跨中间位置离散分布的钢轨动力吸振器。钢轨动力吸振器吸振特性由其质量参数、刚度参数和阻尼参数决定。利用该理论模型,在固定单位简谐载荷的激励下,研究并验证了钢轨动力吸振器的吸振特性,研究钢轨动力吸振器各参数对其吸振特性的影响。研究结果表明,钢轨动力吸振器可以有效提高其调谐频率位置的钢轨振动衰减率,从而抑制钢轨Pinned-pinned共振峰值,但同时引起调谐频率两侧频率位置钢轨振动响应、振动能量峰值的形成;钢轨动力吸振器质量参数、刚度参数和阻尼参数适当选配并优化组合,可以取得较好的吸振效果。

多种垂向轮轨关系的对比及改进的车-线-桥系统迭代模型的建立

对比分析非线性赫兹接触、线性赫兹接触、刚性接触这3种轮轨接触模型对车-线-桥垂向耦合系统动力分析结果的影响,并建立改进的车-线-桥耦合系统迭代计算模型。车辆模型采用多体系统动力学建立,轨道-桥梁模型采用有限元方法建立,根据不同的轮轨接触模型,建立相应的轮轨力计算公式,并采用分离迭代法计算耦合系统振动响应。在数值算例中,以高速列车通过5跨简支梁桥为计算背景,对不同轮轨接触模型的仿真计算结果进行对比分析。针对传统车-线-桥耦合系统迭代计算模型计算效率低的问题,建立改进的迭代计算模型。研究结果表明:线性赫兹接触模型与非线性赫兹接触模型得到的车体加速度、轮轨力、钢轨和桥梁的位移和加速度均较吻合,但前者的计算效率较低;忽略轮对惯性力的刚性接触模型无法得到准确的钢轨和桥梁加速度;改进模型通过建立包含轮轨接触弹簧的车辆模型来提高车辆子系统的迭代稳定性,其计算效率比传统模型提高近7倍;为保证计算结果的准确性,车-线-桥耦合振动计算中应考虑时间步内的迭代计算。