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.     

不同线路条件及运行速度下高速列车振动性能分析

高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性.为了分析不同线路条件和运行速度对高速列车振动特性的影响,建立了车辆-轨道耦合系统模型,并以德国高速轨道谱和我国干线轨道谱产生的轨道随机不平顺作为耦合系统的激励,通过Newmark数值积分和Matlab仿真,计算了高速车辆在高速线路和提速干线条件下车体、构架、轮对等车辆各部件和轨道部件的振动响应.研究结果表明,随着列车运行速度的提高,高速车辆各部件振动响应均显著增大;线路条件对高速列车轮对及轨道系统振动的影响较对车体系统振动的影响明显.     

轨道不平顺短波分量对列车-简支梁桥耦合振动的影响

轨道不平顺作为车-桥耦合振动的主要激励源,直接影响桥梁及高速列车运行的安全性和舒适性.为研究轨道不平顺中短波分量对列车-简支梁桥耦合系统动力响应的影响规律,以高速铁路32m简支箱梁为例,采用德国高速低干扰轨道不平顺谱生成轨道不平顺样本,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统空间动力学分析模型.对比分析了5种不同最短截止波长的轨道不平顺样本对耦合系统振动响应的影响规律.研究结果表明:轨道不平顺样本中1m左右的短波长分量会显著增加轮轨力、轮重减载率、脱轨系数和桥梁跨中加速度,但对桥梁跨中位移、轮轨偏移量和车辆振动加速度的影响较小;1~2m的短波长成分是引起轮重减载率超标的主要因素,减少轨道不平顺中1~2m的短波长分量可以有效提高列车行车安全性指标.     

地铁引起环境振动的振源加速度

分析计算了列车运行引起环境振动的振源,即轨道作用于道床的振动加速度机制.建立了轮-轨-道床计算分析模型,将钢轨视为Winkler地基上无限长梁,建立并求解该梁的动力方程,得到列车移动静力产生的轨道振动加速度;根据Hertz接触理论,求得轮轨动接触力,利用Green函数模拟轨道因轨道不平顺和轮轨动接触力作用产生的变形,进而求得轨道不平顺和轮轨动接触力引起的轨道振动加速度;叠加上述两种加速度,即得列车引起环境振动的振源振动加速度;最后将理论计算结果和实测结果进行比较,吻合较好.     

扣件失效对地铁整体道床动力性能的影响

为研究扣件失效对地铁整体道床轨道及车体振动性能的影响,基于结构动力学理论建立地铁列车-整体道床(隧道衬砌)耦合分析模型,采用弹簧阻尼模拟土体,采用模态分析和Newmark法求解动力响应,研究列车速度、扣件失效数量和轨道不平顺对地铁车轨振动的影响。研究结果表明:扣件失效会加剧系统振动响应,对车体加速度影响较显著,但对钢轨位移和轮轨接触力的影响相对较小;列车速度对钢轨位移和邻近扣件反力的影响较小,对车体加速度和衬砌加速度影响显著;随着失效扣件数量增加,车体竖向加速度等系统动力响应增幅明显;在考虑轨道不平顺的情况下,扣件失效会加大钢轨加速度和衬砌加速度的振级,而车体竖向加速度可作为确定失效扣件位置的敏感指标;扣件失效会增大邻近扣件的受力,造成二次失效,影响乘客舒适性和周围环境振动,需要及时检修,保障地铁正常运行。     

地铁列车作用下不同无砟轨道结构振动响应

建立了单趾弹簧扣件、弹性支承块式、橡胶浮置板式3种无砟轨道的空间振动分析模型和地铁列车-无砟轨道系统空间振动分析方程.分别计算了3种无砟轨道在地铁列车荷载作用下的空间振动响应,并比较了系统响应随无砟轨道类型及车速的变化规律.结果表明,系统振动响应随车速的提高而增大;在车速相同的条件下,无砟轨道类型对钢轨竖向位移、轨道板竖向位移、轨道板竖向加速度、轮轨竖向力、脱轨系数及轮重减载率等响应影响较大,对其他振动响应的影响不甚明显;橡胶浮置板式轨道的竖向位移、横向位移与轨距扩大值最大;单趾弹簧扣件轨道轮轨作用力最大,橡胶浮置板轨道轮轨作用力最小;支承块和浮置板振动加速度明显小于钢轨振动加速度;在3种轨道行驶条件下,随着车速提高列车脱轨系数和轮重减载率均增大,竖向振动加速度最大值、横向振动加速度最大值、Sperling竖向舒适度指标和Sperling横向舒适度指标大致呈现先增大后减小趋势.当地铁列车在80km/h以下的运行速度通过这3种轨道结构时,列车的安全性和舒适性均能得到保证.     

简支梁桥竖向线形变化对双线对开轻轨列车运行性能的影响

以轻轨列车-轨道-桥梁(LTTB)系统建模理论为基础,针对某双线对开轻轨列车通过多跨简支梁桥动力性能分析的工程问题,建立考虑线形变化的有限元模型,并充分考虑各子系统非线性特性、轮轨接触和轨道不平顺等因素;采用轮重减载率、车体振动最大加速度和Sperling指数评价轻轨列车的运行性能,研究了轻轨列车的过桥运行性能以及梁体线形变化对列车运行性能的影响.结果表明:所建有限元模型具有可视化建模、高效稳定求解等特点;随着车速增加,轻轨列车的运行安全性降低、运行平稳性变差;在同一车速条件下,梁体线形变化对轻轨列车运行安全性、平稳性的影响程度不同;针对案例,当梁桥线形变化时,轻轨列车运行性能由轮重减载率控制,在不大于设计速度80km/h运行(如桥墩沉降不大于30mm或梁体下挠/上拱不大于20mm)的条件下,轻轨列车满足运行安全性的要求.     

有砟及无砟轨道结构对货物列车运行安全性的影响

基于列车-有砟及无砟轨道系统空间振动计算模型,采用列车脱轨能量随机分析方法,分别计算货物列车在有砟、无砟轨道上的脱轨全过程,得出2种车轨系统横向振动极限抗力作功及其动力响应,分析货物列车的运行安全性、2种车轨系统的空间振动特性。研究结果表明:与有砟轨道相比,无砟轨道的抗脱轨能力最大可提高45.9%,车速为90 km/h时无砟轨道上车体竖向Sperling平稳性指标、轮对横向力、轮轨竖向力分别减小73.5%,22.1%和27.3%;无砟轨道各部件横向位移、加速度均小于有砟轨道相应值,而钢轨竖向位移大于有砟轨道相应值,但由于无砟轨道竖向位移主要由扣件承担,导致钢轨传至道床板的竖向位移衰减75.3%;无砟轨道各部件竖向加速度均大于有砟轨道相应值,产生的振动、噪声对周围建筑影响更大。建议在重载铁路新线设计中优先采用无砟轨道,但应采取减振降噪措施。     

无砟轨道复合不平顺对高速行车的影响

轨道复合不平顺是由多种垂、横向不平顺叠加而成的复杂随机波,是影响轮轨动态作用和行车稳定的重要因素.为研究高速铁路无砟轨道复合不平顺对行车品质的影响,考虑轮轨间复杂接触关系建立了车辆轨道空间耦合动力学模型,分析了轨向-水平、轨向-高低、轨距-水平、轨距-高低4种复合不平顺的动力影响.结果表明:随着复合不平顺幅值的增加,轮轨力、车体加速度、轮重减载率、脱轨系数等均会增大;轮轨力、舒适性指标和安全性指标随着复合不平顺波长的增大而减小;复合不平顺幅值组合变化时,车辆动力响应对水平、高低不平顺幅值变化的敏感程度高于轨向、轨距不平顺幅值变化.长波不平顺激扰频率与车体自振频率一致或接近时,车体会出现一定的谐振,垂、横向振动加速度有所增加.     

车轮扁疤伤损对高速列车轮对动力学性能影响

车轮扁疤是铁道车辆车轮踏面的缺陷形式之一,对轮轨动力和运用安全有明显的影响.本文建立了弹性车辆系统动力学模型,且将车轮扁疤伤损考虑为车轮轮径变化.利用数值仿真,研究了车轮扁疤伤损对高速列车轮轨冲击力、轮对振动及轮轨接触性能等的影响,并结合列车运行安全性指标得到了不同速度等级下车轮扁疤长度安全限值.结果表明,弹性车辆系统模型可以准确体现轮对旋转运动特征.车轮扁疤伤损对轮轨系统垂向和横向均产生冲击作用,对轮轨系统垂向冲击作用尤为明显,将显著增大轮对旋转振动频率及其倍频对应的振动能量,且会激起轮对中高频弹性共振.车轮出现40mm扁疤时,随着车轮旋转运动,轮轨接触点向轮背侧出现周期性横移,轮轨接触斑面积最大可达142mm2,轮轨纵向和横向蠕滑率分别增大4%和16%.轮轨力、轮对振动加速度及轮轨磨耗指数均会随车轮扁疤长度的增加而增大.当列车运行速度在300km/h及以下时,车轮扁疤长度需限制在30mm;当列车运行速度达到350km/h时,车轮扁疤长度需限定在25mm.     

基于深度学习的轨道不平顺估计车体横向加速度研究

针对轨道不平顺影响行车安全和乘坐舒适性的问题,开展轨道不平顺和车体振动响应之间关联关系的研究.根据轨道不平顺与车体横向加速度数据之间的时空传递特性,基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）与长短期记忆网络（Long Short-Term Memory, LSTM）,建立一种CNN-LSTM组合模型.首先,对轨道不平顺与车体横向加速度之间的相干性进行分析,同时探究列车运行速度对车体横向加速度的影响,进而确定模型的输入数据;然后,对模型进行优化,确定CNN-LSTM组合模型参数细节;最后,利用CNN-LSTM组合模型、LSTM模型和多体动力学仿真模型对车体横向加速度进行估计,并与实测的车体横向加速度进行对比分析.研究结果表明：CNN-LSTM组合模型预测的平均均方根误差值为0.046,相比于LSTM模型、多体动力学仿真模型的平均均方根误差值分别减少了0.006和0.026,说明了CNN-LSTM组合模型能够对车体横向加速度进行有效估计.     

短波随机不平顺对列车-板式无砟轨道-路基系统振动特性的影响

运用弹性系统动力学总势能不变原理及形成矩阵的"对号入座"法则,建立列车-板式无砟轨道-路基竖向振动方程组,分析列车高速运行时,短波随机不平顺对列车-板式无砟轨道-路系统振动特性的影响,并对不同种类随机不平顺对列车-板式无砟轨道-路基系统动力特性的影响进行对比研究.研究结果表明:短波随机不平顺对车体垂向加速度、路基竖向压应力影响很小,对扣件竖向压应力、轨道板及底座板弯曲应力有一定的影响,对轮轨垂向力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度、底座板振动加速度和CA砂浆压应力则有显著的影响,影响超过中长波随机不平顺.研究车体及路基动力特性时可以不考虑短波随机不平顺,研究无砟轨道各部件动力特性时,则应考虑短波随机不平顺.     

基于SIMPACK和ABAQUS的青藏铁路既有列车提速动力分析

西部铁路路网建设日趋成熟,建设标准逐步提高,作为路网的重要组成,青藏线格拉段进行适时的提速改造显得尤为必要。为此,结合格拉段的线路实际工况,采用SIMPACK多体动力学仿真软件,构建列车-线路参数一体化模型,运用有限元软件ABAQUS构建轨道结构模型,进行车-路系统动力学仿真分析。以脱轨系数、轮重减载率以及车辆垂向加速度等作为评价指标,通过叠加青藏铁路轨道不平顺界限谱分析现有线路最大提速空间。利用增加曲线半径以及延长缓和曲线长度的方法分别进行列车提速效果分析。研究表明,在叠加轨道不平顺条件下,格拉段现有线路提速在800 m曲线地段可以达到109 km/h,实现120 km/h的提速要求需要1 000 m及其以上半径或将外轨超高设置在100 mm及其以上。     

基于全尺寸试验的高速磁浮列车不同速度下乘坐舒适性

高速磁浮列车平稳性和乘坐舒适性在复杂环境下不适应已成为亟待解决的工程问题,而深入了解高速磁浮车身振动特性是合理评价舒适性指标的关键.通过某条高速磁浮示范线的全尺寸试验,分析列车运行过程中振动变化趋势和规律.结果表明,列车的舒适度值随着速度的增大而变差,在250 km/h时舒适性最好,在430 km/h时舒适性最差,其振动总值处于2级水平,且磁浮列车不同部位舒适度不同.速度小于380 km/h的情况下,横向舒适度值最大;而在速度大于380 km/h的情况下,则垂向舒适度值最大.     

客运专线轨道不平顺功率谱分析

轨道不平顺是车辆振动的主要激扰源,也是限制列车最高运行速度的主要因素之一,直接关系到列车运行的平稳性、安全性和舒适性。文章以秦沈客运专线轨检车实测轨道不平顺数据为统计样本,基于样本平稳性检验,采用FFT方法进行样本空间的谱估计,并由MATLAB编程得到轨道不平顺谱密度。基于轨道不平顺样本的总体平均,得出了谱密度频率平滑曲线和谱密度曲线拟合表达式,并与我国重载提速干线的谱密度曲线进行了对比分析。在此基础上,对秦沈客运专线的轨道状态进行了评估。     

1∶5铁道车辆滚动实验台的教学实验开发

在1∶5铁道车辆滚动实验台上开发了一系列教学实验。蛇形运动教学实验:测量转向架横向位移的时域波形,分析出蛇形频率和运行速度的关系,计算车辆踏面等效斜率以及临界速度;轮轨力的测量实验:提出轮轨力连续测量的实验方案,测出轮轨横向力和垂向力;车体振型测量实验:采集车体振动信息,辨识出车体的5个振型及其对应的频率;车辆故障检测实验:测量踏面模拟故障状态的加速度,给出踏面故障的频率规律。     

关联车体响应的轨道不平顺各项指标相对权重分析

车体加速度是评价高速列车运行安全性、舒适性的重要指标,其数值大小受线路的几何状态影响,包括高低、轨向、轨距、水平及三角坑5类不平顺.考虑到现有轨道动态不平顺管理标准没有区分各项指标对车体振动影响程度的相对重要性,利用不同线路板式无砟轨道的轨检车实测数据,将5类不平顺作为自变量,以此分别建立了横向加速度、垂向加速度与5类不平顺之间的逻辑回归及线性回归模型.采用优势分析方法,计算得出不同板式无砟轨道、不同运营时速下,动态不平顺指标的相对重要性.研究结果表明：对于横向加速度,轨距、水平的相对权重较大,均大于30%,某些工况下轨距相对权重能达到90%以上;对于垂向加速度,高低不平顺的相对权重最大,占比超过90%.基于优势分析相对重要性结果,结合不同加速度产生的原因及线路实际情况分析,结果与分析基本一致,从而验证了本文方法的可靠性,可用于指导现场的线路养护维修.     

1∶5铁道车辆滚动实验台的教学实验开发

在1∶5铁道车辆滚动实验台上开发了一系列教学实验。蛇形运动教学实验:测量转向架横向位移的时域波形,分析出蛇形频率和运行速度的关系,计算车辆踏面等效斜率以及临界速度;轮轨力的测量实验:提出轮轨力连续测量的实验方案,测出轮轨横向力和垂向力;车体振型测量实验:采集车体振动信息,辨识出车体的5个振型及其对应的频率;车辆故障检测实验:测量踏面模拟故障状态的加速度,给出踏面故障的频率规律。     

新型柱板式高墩大跨度刚构桥车-桥耦合振动影响因素分析

以黄韩侯铁路线纵目沟特大桥为工程背景,建立车辆动力模型、桥梁有限元模型并考虑轮轨关系,以蛇形运动和轨道不平顺作为系统的自激激励源,利用大型有限元软件ANSYS以及UM动力学分析软件联合进行仿真分析.探讨桥梁结构刚度、行车速度、轨道不平顺以及货车编组情况等因素对新型柱板式高墩大跨度刚构桥梁车-桥耦合系统的影响.研究表明:桥梁横向刚度的减小对车-桥耦合系统的横向振动影响比较明显,对其竖向振动影响较小;桥梁竖向刚度的改变对车-桥耦合系统的竖向振动影响较为显著,对其横向振动影响较小;轨道不平顺的增加将导致车-桥耦合系统振动明显加剧;空载货车的横向稳定性较重载货车的弱,易发生脱轨事故.     

考虑柔性轮对的车辆系统刚柔耦合动力学响应分析

为研究柔性轮对对高速列车动力学性能的影响，采用刚柔耦合动力学仿真方法，基于CRH380高速列车模型建立了柔性轮对结构条件下的车辆—轨道刚柔耦合动力学模型。分析了轮对柔性与全刚体结构条件下的车辆模型的安全性、轮轨动态相互作用及通过性指标。仿真结果表明，在车速300 km/h时，两模型在动力学指标上具有明显差异，主要表现在柔性轮对车辆模型轮轨垂向力幅值及轮重减载率幅值都低于全刚性体车辆模型，车辆振动加速度、脱轨系数及轮轴横向力波形结果差距较小。