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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

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铁道科学与工程学报 2024年第5期21卷 1828-1842页

作者：马理超吴少培王健壹李得洋王剑锋李国芳兰州交通大学机电工程学院甘肃兰州730070 包头铁道职业技术学院铁道机车车辆系内蒙古包头014060

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... 详细信息

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。

关键词：高速铁路无砟轨道塑性损伤冻胀变形轮轨关系耦合振动

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动车组车体模态频率贡献度和改进方法研究

铁道科学与工程学报 2024年

作者：周韶泽张军兆文忠大连交通大学机车车辆工程学院

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。研究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... 详细信息

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。研究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三阶模态频率的影响。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。车顶部件对车体前三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，可提升一阶垂弯模态频率。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9.5Hz提升至10.2Hz，同时将车体重量增加控制在43kg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。

关键词：动车组车体模态频率灵敏度模态贡献度结构改进

高速铁路线路轨面坡度及竖曲线半径动态测量方法及应用研究

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铁道学报 2024年第3期46卷 176-183页

作者：王琰陈仕明魏世斌余宁杨飞费继友大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028 中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081

为揭示高速铁路线路纵断面参数变化,以及和轨道不平顺、路基大桥沉降关系,针对国内尚无轨道纵断面参数动态检测装备,提出基于惯组的轨面坡度及竖曲线半径动态测量方法。首先,建立转向架构架及惯性坐标系,并以重力加速度、水平加速度极... 详细信息

为揭示高速铁路线路纵断面参数变化,以及和轨道不平顺、路基大桥沉降关系,针对国内尚无轨道纵断面参数动态检测装备,提出基于惯组的轨面坡度及竖曲线半径动态测量方法。首先,建立转向架构架及惯性坐标系,并以重力加速度、水平加速度极小相关性为基准对齐两坐标系;其次,基于转向架构架纵向加速度解算轨面坡度,并补偿列车俯仰运动及与轨道平面纵向倾角误差;然后,以坡度测量值为基础解算竖曲线半径;最后,以高速综合检测列车为平台,在国内某新建高速铁路实车试验。结果表明:坡度和竖曲线曲率重复性偏差绝对均值分别为0.07‰、0.71×10^(-3)rad/km,极差分别为0.22‰、0.005 rad/km。

关键词：高速铁路线路纵断面轨面坡度竖曲线半径惯组轨道检测

采用径向转向架的大轴重内燃机车曲线通过研究

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中国机械工程 2024年第1期35卷 93-101,143页

作者：王波罗世辉马卫华王晨曲天威雷成西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031 石家庄铁道大学机械工程学院石家庄050043 郑州铁路职业技术学院郑州451460 中车大连机车车辆有限公司大连116022

为探究径向转向架在33 t轴重内燃机车的可行性,从径向转向架的概念、结构和原理出发,为大轴重内燃机车提供了一种径向转向架方案。在多体动力学软件中建立动力学模型,对比研究了采用径向转向架和传统转向架的重载机车通过曲线时导向轮... 详细信息

为探究径向转向架在33 t轴重内燃机车的可行性,从径向转向架的概念、结构和原理出发,为大轴重内燃机车提供了一种径向转向架方案。在多体动力学软件中建立动力学模型,对比研究了采用径向转向架和传统转向架的重载机车通过曲线时导向轮对的黏着系数、蠕滑率和磨耗功。通过计算分析发现,与传统转向架相比,径向转向架可以减少车轮的滑动量,提高机车通过曲线时的黏着利用率,降低轮轨磨耗和左右车轮的不一致磨耗,降低轮对镟修频率,该结论可为今后我国研制大轴重高黏着内燃机车提供一定参考。

关键词：内燃机车径向转向架黏着系数动力学蠕滑率

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面向列车司机室前窗区域流场的送风策略研究

铁道科学与工程学报 2024年

作者：高俊帅于德壮张玉琼高广军伍钒中车大连机车车辆有限公司中南大学交通运输工程学院

寒冷环境下高速列车司机室前窗结霜会导致驾驶员视野不佳，而司机室前窗内表面的流场则是表征前窗除霜性能的重要指标。本研究旨在优化高速列车司机室的送风策略，增大前窗内表面的风速及高风速区覆盖率。基于实车试验结果，建立了高速... 详细信息

寒冷环境下高速列车司机室前窗结霜会导致驾驶员视野不佳，而司机室前窗内表面的流场则是表征前窗除霜性能的重要指标。本研究旨在优化高速列车司机室的送风策略，增大前窗内表面的风速及高风速区覆盖率。基于实车试验结果，建立了高速列车司机室内流场的数值仿真模型，在满足司机室内热舒适性的前提下，通过改进送风风道结构，分析了前窗左右两侧出风口送风量、主/副驾驶员前窗视野区表面风速覆盖率以及表面平均温度变化。研究结果表明：优化方案1通过将前窗送风通道直径从60 mm扩大至106 mm，提高了前窗出风口流量，将更多热气流输送至前窗表面，前窗左右送风通道的流量分别为原始方案的3.57倍和3.56倍，与此同时，主/副驾驶员前窗视野区域的平均温度上升了1.03%和1.20%。此外，在优化方案1的基础上，优化方案2通过增加前窗出风口长度和缩短出风口宽度，进一步提高了前窗出风口流速与气流分布的均匀性，相比于原方案，主/副驾驶员前窗视野区流速大于1.5 m·s-1区域的占比分别从21.16%和21.69%上升至82.48%和80.84%，前窗表面的温度分布也更加均匀，主/副驾驶员前窗视野区域的温度变异系数分别由12.63%和20.68%降至7.70%和7.21%。此外，三种送风方案下，司机头部附近0.05 m范围内的平均流速大小低于0.3 m·s-1，舒适区内的平均流速均处于允许风速范围内(0.025～0.4 m·s-1)，司机舒适区风速满足标准要求。本研究提出的送风策略大幅提升了高速列车司机室前窗内表面的高风速区覆盖率，为探索前窗表面除霜提供了具有参考性的数据结果。

关键词：列车司机室前窗数值模拟送风优化除霜

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基于惯性的轨道平顺性动态弦测法研究

中国铁道科学 2024年第4期45卷 22-29页

作者：王琰赵兴魏世斌杨飞魏子龙从建力刘晓东费继友大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028 中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081

高速铁路轨道平顺性直接影响列车运行安全性及舒适性,而弦测法则是指导轨道高低、轨向不平顺养护维修的直接方法,其结果可直观指导轨道精调。针对静态弦测法效率低、工作量大及动态惯性基准法难以在现场直观找到测量基准的问题,提出基... 详细信息

高速铁路轨道平顺性直接影响列车运行安全性及舒适性,而弦测法则是指导轨道高低、轨向不平顺养护维修的直接方法,其结果可直观指导轨道精调。针对静态弦测法效率低、工作量大及动态惯性基准法难以在现场直观找到测量基准的问题,提出基于惯性的轨道平顺性动态弦测法。首先,基于惯性测量方法构建轨道平顺性动态短弦弦测值,通过矩阵推演动态长弦弦测值,并在国内主流GJ-6型轨道检测系统上实现应用;然后,分析动态弦测法误差来源,提出误差标准差计算式,得出动态弦测法误差标准差随基本弦长倍数成1.5次方增加;最后,通过轨道检测综合试验标定台模拟轨道不平顺激励验证10和20 m动态弦测值的稳定性。结果表明:10和20 m动态弦测值与等波长空间曲线幅值的平均倍比关系分别为2.007和2.045,符合中点弦测特性,可为轨道动静态检测关联分析提供理论及试验基础。

关键词：高速铁路轨道平顺性动态弦测法惯性测量中点弦测轨道检测

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基于协同粒子群优化算法的列车动态编组研究

铁道车辆 2024年

作者：尤富宇齐鲲鹏大连交通大学机车车辆工程学院

在列车运行控制领域，动态编组技术正受到日益关注。文章以降低列车牵引能耗为目标，围绕编组精确性以及抗干扰能力，提出了一种基于非线性权重的多种群协同粒子群优化控制方法(Particle Swarm Optimization based on multi-population ... 详细信息

在列车运行控制领域，动态编组技术正受到日益关注。文章以降低列车牵引能耗为目标，围绕编组精确性以及抗干扰能力，提出了一种基于非线性权重的多种群协同粒子群优化控制方法(Particle Swarm Optimization based on multi-population competition coevolution with nonlinear weights，MCPSO-NW)。首先，对动态编组建立了模型，然后建立了以低能量消耗和精确编组为目标的动态编组优化问题，分别使用MCPSO-NW算法和粒子群算法控制列车运行。仿真试验结果表明，MCPSO-NW算法具备更优的稳定性，在提高编组精度的同时具备更低的能耗，在外界干扰条件下，能够合理调整列车速度，实现低能耗的目标，以满足节能减排的需求。

关键词：列车控制动态编组非线性权重多种群协同粒子群

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高海拔下内燃机车车顶热流输运特性研究

铁道科学与工程学报 2024年

作者：于德壮刘慧颖周丹项盼高广军辽宁轻工职业学院中车大连机车车辆有限公司中南大学交通运输工程学院

内燃机车车顶排放的高温浮射流对列车外流场分布和下游设备的散热性能产生影响，研究高温浮射流对车体周围气动特性的影响有助于评估下游设备的散热环境状况。采用三维、非定常、可压缩雷诺时均Navier-Stokes方法的Realizable k-ε两方... 详细信息

内燃机车车顶排放的高温浮射流对列车外流场分布和下游设备的散热性能产生影响，研究高温浮射流对车体周围气动特性的影响有助于评估下游设备的散热环境状况。采用三维、非定常、可压缩雷诺时均Navier-Stokes方法的Realizable k-ε两方程湍流模型，对5节编组高速列车进行数值仿真模拟计算，并与实车试验结果进行对比验证。此外，还分析了不同海拔高度、列车运行速度下的高温浮射流扩散效应。结果表明：随着海拔高度升高，大气密度减小，柴油机排放的高温气体所受的惯性力加强，气流向上运动趋势增加，列车表面最高温度降低。在运行环境的海拔高度由3000 m上升至5000 m时，内燃机车车顶最高温度由117℃下降到86℃。而列车运行速度加快致使柴油机释放的高温气流更贴近列车表面，导致车顶表面最高温度上升。当列车以80 km/h运行在3000 m海拔高度时，列车车顶最高温度为81℃，列车运行速度提高到160 km/h时，最高温度为143℃。该研究阐明了高海拔、低气压、低密度的环境中，内燃动力车驱动列车以不同运行速度在明线运行时，柴油机出风口产生的高温气流对列车外流场气动特性的影响机制。

关键词：内燃机车高海拔低气压高温浮射流数值仿真

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钝头型市域列车尾流吸气主动控制减阻研究

铁道科学与工程学报 2024年

作者：杨帆杜俊涛杨明智唐银瑜中车大连机车车辆有限公司中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室中车青岛四方机车车辆股份有限公司

为探究钝头外形的市域列车运行时尾部吸气控制对列车气动阻力的影响，缓解列车因提速造成的阻力增加问题，采用Realizable k-ε两方程模型的DDES数值仿真方法开展研究，通过风洞试验验证数值模拟方法后，以数值仿真得到的速度场、压力... 详细信息

为探究钝头外形的市域列车运行时尾部吸气控制对列车气动阻力的影响，缓解列车因提速造成的阻力增加问题，采用Realizable k-ε两方程模型的DDES数值仿真方法开展研究，通过风洞试验验证数值模拟方法后，以数值仿真得到的速度场、压力场及各节车的气动阻力分布及组成，分析吸气控制对钝头型市域尾车气动减阻的影响原因。研究结果表明：钝头型市域列车的尾车流线型表面由负压强主导，因此压差阻力占比较大，并且空气绕该部位流动时形成了两个比较明显且对称的流动分离泡，导致了尾车阻力系数尤其是压差阻力系数急剧增大，使得尾车压差阻力比重最大，占整车阻力的36.71%；在列车尾部进行吸气控制能提升列车尾部中心区的压力，使得尾车的压差阻力显著减小，进而实现整车减阻；在不同吸气方案下，尾车减阻率随着吸气面的增加而增加，当设置的所有吸气面工作时，对尾车的气动减阻率最高可达21.6%；列车离吸气面越远的部位减阻效果越不明显，位于尾部吸气控制上游较远的头车最大减阻率仅为1%，而中间车的减阻率为4%；随着吸气速度从0.2U提升至0.6U，尾车减阻率从17.9%提升至21.6%，整车减阻率从8.3%提升至10.3%，尾车流线型区域后方的正压区也越接近尾车流线型表面。研究结果为钝头型市域列车主动控制的气动减阻提供参考。

关键词：市域列车气动减阻尾部吸气流动控制数值仿真