车辆系统精细化模型及振动传递机理研究

摘要

列车运用速度提高后，诸如轨道不平顺、轮对不圆、道岔等各种外部激扰的作用时间缩短，轮轨激扰的频带加宽，致使列车对激扰的敏感性增强，表现为轮轨相互作用加剧、构架激振失稳、车体局部位置出现颤振，影响车辆运行安全性和乘坐舒适性。振动传递特性是响应输出和外界激励输入的中间纽带，体现动力学系统最本质的特征。车辆在运用过程中的安全性和平稳性等诸多问题，很大程度上与系统振动传递特性相关联。精细化模型能拓宽响应的频率范围，并使部件间相互作用关系更接近真实车辆系统，为探究系统准确的振动传递特性奠定基础。
　　本文以动车组车辆系统为研究对象，围绕系统精细化建模方法和频域传递特性两个主要方面展开，并做出较为全面说明。主要研究内容及结论如下:
　　1.以多种经典车辆-有砟（无砟）轨道系统垂向和横向动力学模型为基础，采用统一形式的解析求解方式，建立了由轨道不平顺到车辆及轨道系统各部件的位移和加速度等频域传递函数。根据不同研究问题，构造了空间频域传递函数、功率流传递函数以及平稳性传递函数等与系统频域特征相关的新型传递函数。分析了不同类型频域特征函数在不同模型下的差异性。结果表明:运用速度为250～350km/h时，车辆部件主要能量传递带为空间频率0.4～1.2(1/m)和6～8.5(1/m)的两段。较小的加速度及其变化率，对传递特性影响远小于初速度。从激励到达车辆部件的功率流主要集中在几个低频区段，而流向轨下部件的能量集中在高频区段。常规范围内变化的抗弯刚度和结构阻尼比，对车体平稳性指数的影响并不明显。随速度增加，蛇行运动频率不断增大，该频段附近幅频传递函数也不断增大。接近临界速度时，较小的线路激励能引起较大能量的蛇行运动。
　　2.建立了包含全弹性车辆主体部件和牵引部件的车辆系统精细化模型。主体部件弹性化建模包括:结合传递矩阵法和模态叠加法的刚柔耦合动车轮对模型;采用有限元空间梁单元模拟动车构架和电机吊座动力学模型的建立;考虑垂向弯曲振动的车体刚弹耦合动力学模型。牵引部件精细化模型包括:转子动力学方法模拟齿轮和电机转轴振动;转子外伸端与联轴器间动态作用力求解;主、从动斜齿轮动态啮合动力学模型;齿轮箱和电机箱体等刚体部件动力学模型。
　　3.基于快速显式积分法，通过增加积分格式中加速度项的方式，构造一种适用于车辆-轨道系统精细化模型数值计算的显式积分格式及其预测-校正格式，结果表明:在求解频域传递特性问题时，本文积分格式的计算误差比快速显式法更小。结合IFFT方法，对随机相角进行重构获得了具有一定统计特征的不平顺随机序列以及两种加速工况下的不平顺随机时域序列，结果显示:无论是匀速还是变速工况，所得不平顺随机序列的功率谱均能与原功率谱较好地吻合。
　　4.基于刚性和精细化系统模型，比较了相同外界条件下和不同系统模型下主要部件时域响应和安全性指标特征。分析了不同速度及曲线条件下，车辆系统部件时域响应的差异性。借助短时傅里叶方法，给出加速和匀速过程中各主要部件加速度时-频响应。结果表明:对于不同模型，各部件加速度响应差异较明显，位移响应差异较小。速度相同时，不同模型下车体加速度量值较为接近;精细化模型下，构架和轮对加速度幅值均大于刚体模型的计算结果。二系悬挂衰减作用比一系悬挂更为明显，且垂向强于横向。牵引系统对沿该路径上传的振动一定的衰减作用。圆曲线上磨耗指数大于过渡曲线上的磨耗指数，并在进、出圆曲线位置磨耗指数出现极大值。高速线路曲线半径大，车辆安全性、磨耗以及振动等特点受曲线自身的影响相对较小，受外界激励影响较大。相同平均速度的匀速和加速过程，靠近激励源部件的加速度，在趋势和量值上的差异比远离激励源的部件更明显。轮对振动高能量区为75～90Hz和300～600Hz。经轮对传递至齿轮箱的能量以高频段为主。
　　5.基于时域响应结果，通过FFT和工况传递路径方法(OTPA)建立了一系和二系间总体幅频传递特性和路径传递特性，分析了不同模型和工况以及阻尼参数变化对部件间总体传递特性的影响，比较了不同路径的传递率和贡献量。结果表明:低频范围内，不同模型的总体传递特性差异较小。在车体弯曲振动、构架和电机吊架弹性振动以及齿轮箱刚体振动对应的频带差异较为明显。单纯改变阻尼参数不能使主体部件传递特性在较宽频带内获得优化。除车体刚体振动频率外的其他频段，经构架传至车体的振动传递率都相对较小。车体垂向振动的传递率和贡献量，直接传递路径在一定程度上高于其他传递路径。小于400Hz的范围，垂向路径总贡献量主要来源于两侧轴箱路径，大于400Hz的范围，垂向路径总贡献量主要来源于车轴与齿轮箱连接路径。低频范围，构架各位置横向振动能量主要来源于轮对横向振动，中高频范围，构架各位置横向振动能量主要来源于轮对垂向振动。
　　6.通过正线试验，获得车辆关键位置加速度信号，分析了系统关键部件的时域和统计特征，对匀速直线、曲线、加速过程等工况进行了区分。利用STFT方法，获取匀速和加速工况以及典型冲击工况下主体部件的时-频特征。采用FFT方法，给出加速、匀速等工况下，一系和二系主体部件间的总体传递特性。基于OTPA方法得到二系各传递路径的传递率和贡献量。结果显示:构架不同位置的加速度值差异较大，且以垂向最为明显。部件加速度时-频谱中出现与速度-时间历程形状相似的线条，与轮对各阶不圆、轨道板各周期性倍频不平顺相对应。加速过程中，当激励频率接近系统部件固有频带时，部件在该频率下振动能量有所增大。典型冲击作用时间一般为0.06～0.08s，振动能量集中在以31.5Hz，304Hz，505Hz为中心的频段。钢弹簧是一系悬挂最主要的振动传递路径，轮轨激励沿牵引系统上传到构架有较宽且稳定的频率范围。当振动频率接近齿轮箱刚体振动主频和电机吊架弹性振动主频时，由轴箱到电机和齿轮箱吊座的幅频传递特性存在局部峰值。车体垂向振动能量主要来自于构架上传递垂向振动。对车体横向振动的贡献，小于2.5Hz范围内，横向路径总贡献维持在50％～80％，大于2.5Hz的范围，垂向路径总贡献明显大于横向路径总贡献。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 铁道车辆动力学计算分析中采用的模型

1．3 振动传递特性方面的研究

1．4 研究的主要内容

2 车辆-轨道系统频域传递特性解析求解及分析

2．2 车辆-轨道垂向耦合系统空间频域传递特性

2．2．1 模型自由度及分块矩阵说明

2．2．2 瞬态空间频响函数的建立

2．2．3 计算结果及分析

2．3 不同车辆-轨道垂向动力学模型下功率流传递特性

2．3．1 几种垂向模型描述及其分块矩阵说明

2．3．2 部件间功率流传递函数的建立

2．3．3 计算结果及分析

2．4 车辆与吊挂设备耦合作用振动传递及平稳性

2．4．1 车辆-吊挂设备耦合模型自由度及分块矩阵说明

2．4．2 基于Sperling指数的平稳性传递函数建立

2．4．3 计算结果及分析

2．5 不同车辆横向动力学模型下系统频域特性

2．5．1 轮轨横向相互作用的线性简化

2．5．2 横向动力学模型自由度及分块矩阵说明

2．5．3 车辆-轨道横向系统固有频率和幅频传递函数

2．5．4 计算结果及分析

2．6 本章小结

3 车辆系统弹性化和精细化模型

3．1 精细化车辆-轨道耦合模型及部件间连接关系

3．2 结合假设模态和传递矩阵法弹性车轴模型的建立

3．2．1 阶梯Timoshenko梁的车轴振型函数

3．2．2 带有集中质量和转动惯量的阶梯梁的轮轴模型

3．3 基于空间刚架单元的构架及电机吊架动力学模型

3．3．1 空间梁单元的简介及整体刚度和质量矩阵的构造

3．3．2 动车构架和电机吊架单元划分及模态分析结果

3．4 考虑垂向弯曲振动的刚弹耦合车体动力学模型

3．5 电机-联轴器-齿轮箱系统动力学模型的建立

3．5．1 基于转子动力学方法的齿轮和电机转轴动力学模型

3．5．2 转子外伸端与联轴器间动态啮合力求解

3．5．3 主、从动斜齿轮啮合动力学模型

3．5．4 齿轮箱体和电机箱体等部件刚体动力学模型

3．6 轨下系统动力学模型及轮轨接触模型

3．6．1 简支Timoshenko梁钢轨动力学模型

3．6．2 轨下支撑系统动力学模型

3．6．3 轮轨接触模型

3．7 本章小结

4 数值积分格式和输入激励模拟

4．1 考虑三加速度项影响的显式积分格式及其应用

4．1．1 积分格式的构造

4．1．2 积分格式的修正形式

4．1．3 计算结果及分析

4．2 结合相角重构法的轨道不平顺随机过程模拟

4．2．1 具有一定偏度值和峭度值的随机时域序列获取

4．2．2 变速过程非平稳随机时域序列的获取

4．2．3 数值算例及结果分析

4．3 轮对不圆顺激励构造

4．3．1 车轮多边形测试

4．3．2 车轮不圆顺激励数学模型

4．4 本章小结

5 车辆系统时域响应特征分析

5．1 不同计算模型下时域响应特征分析

5．1．1 不同模型及外界激励下轮轨力及安全指标

5．1．2 不同模型及外界激励对系统各部件响应特性的影响

5．2 不同运用工况下精细化模型时域特征分析

5．2．1 不同速度等级下车辆系统时域特征

5．2．2 曲线通过车辆系统时域特征

5．2．3 加速过程和匀速过程车辆系统响应特征

5．3 本章小结

6 车辆系统振动传递特性分析

6．1 不同模型下车辆系统各级部件间总体传递特性

6．2 不同工况和系统阻尼参数的变化对总体传递特性的影响

6．2．1 不同工况对总体传递特性的影响

6．2．2 系统阻尼参数的变化对整体传递特性的影响

6．3 各路径传递特性及振动贡献率分析

6．3．1 工况传递路径方法(OTPA)原理

6．3．2 二系各路径传递特性及振动贡献率分析

6．3．3 一系各路径传递特性及振动贡献率分析

6．4 本章小结

7 高速动车组振动测试及振动传递特征分析

7．1 测试准备、过程及测点信息的介绍

7．2 测试数据的时域响应特性和“时-频”响应特征

7．2．1 测点的加速度一时间历程的统计特征

7．2．2 加速和匀速过程各测点的“时间-频率”幅频响应特性

7．2．3 典型冲击工况下轴箱的“时间-频率”幅频响应特性

7．3 主体部件间幅频传递特性和二系工况路径传递特性

7．3．1 一系和二系关键位置间总体传递特性

7．3．2 二系传递路径分析

7．4 本章小结

8 结论与展望

8．1 论文的主要结论

8．2 论文主要创新点

8．3 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集