面向服役安全的轨道车辆系统动力学与振动控制研究

This project is focused on the service safety problem of railway vehicles during operation process, and the methods, such as theoretical analysis, numerical calculation, and field test, are employed comprehensively in this project. Firstly, the vehicle-track coupled dynamics model will be established by considering the effect of the vehicle component service performance degradation and the traction transmission system coupling effect, and it is going to be validated and improved by field test. Then, based on the developed dynamics model, the following contents will be investigated: vehicle abnormal vibration caused by wheel out-of-roundness; wheel/rail longitudinal vibration performance with coupling effect of traction transmission system; vibration modes and adaptability of railway vehicles running on different track structures; revealing the characteristics of the complicated excitations and the transmission feature and law of the generated vibrations; and proposing methods for the vehicle vibration control and adaptability design between the vehicle and the track structure. Finally, some engineering application studies will be carried out with respect to the dynamics-related general supporting technology problems in Chinese railway vehicle design, operation, and maintenance processes, so as to control the vehicle vibration level and improve the service performance of the railway vehicles. The obtained research achievements could enhance the theoretical skill for keeping the railway vehicle’s operation safety, and supply technical support for railway vehicle design, operation, and maintenance, so as to finally guarantee the service safety of the railway vehicle system. These research achievements have significant theoretical research value and potential social and economic benefits.

本项目围绕轨道车辆系统运行过程中的服役安全问题，采用理论分析、数值计算与现场试验相结合的方法，建立考虑车辆部件服役性能劣化影响以及牵引传动系统耦合作用的车辆－轨道结构耦合动力学模型，结合现场试验验证与完善理论分析模型。基于建立的动力学理论模型，研究车轮不圆激发的车辆异常振动特性、牵引传动系统耦合效应下轮轨振动特性、轨道车辆在不同线路基础结构上的振动形态及适应性，揭示系统复杂激扰特性及其引起的车辆系统振动传递特性与规律，在此基础上提出轨道车辆系统振动控制方法以及车辆与轨道结构适应性匹配设计方法。以控制轨道车辆振动水平，提升服役安全性能为目标，对我国轨道车辆设计和运营维护中与动力特性密切相关的共性基础技术问题，开展应用研究。研究成果将提升我国轨道车辆安全运用保障理论水平，为提高轨道车辆设计与运营维护技术水平，进而确保轨道车辆系统服役安全提供技术支撑，具有重要的理论研究意义和潜在的社会经济效益。

本项目围绕轨道交通车辆系统动力学性能提升与服役安全保障问题，建立了考虑牵引传动系统的车辆－轨道耦合动力学模型，探明了各部件的相互作用机制，揭示了复杂内、外部激扰下轨道机车车辆的振动特性及传递规律，实现了理论方法在机车车辆系统动力学性能提升中的应用。主要研究成果包括：建立了考虑牵引传动系统动态效应的车辆与轨道耦合动力学模型，提出了时频结合的格林函数法等数值求解方法；探明了车轮不圆作用下的车辆－轨道耦合系统动态响应特性，获得了车轮不圆限值，揭示了牵引传动系统及轮轨黏着优化控制等影响下的机车车轮不圆演化机理；探明了轮轨激扰下牵引电机轴承轴向非均匀接触特性，提出了一种机车牵引电机轴承疲劳寿命预测方法；探明了机车关键部件故障动态激励机理及作用机制，获得了复杂车轨耦合系统振动环境下的典型故障动态特征；提出了轨道随机不平顺概率模型及反演方法，获得了大功率重载机车系统全局振动特性及分布规律；探明了不同车辆系统与轨道结构之间的动态相互作用规律，提出了系统参数优化匹配设计与振动控制方法。项目研究成果被成功应用于我国高速、重载等轨道机车车辆系统设计与运营过程中的动力学性能分析与评估中，提升了轨道交通运载系统动力学性能，保障了服役安全。.本项目按计划完成了各项研究内容，取得了预期的研究成果，全面达到了预期研究目标，部分研究成果在我国轨道交通工程中得到了实际应用。本项目出版英文专著1部，共发表学术论文97篇，其中，SCI论文63篇，EI论文26篇，授权国家发明专利16项；项目团队积极参加国内外学术交流，作会议学术报告30余次，其中大会或分会特邀报告15次。项目执行期间，项目组获国家科技进步二等奖（主持）和重庆市自然科学一等奖（参与）各1项；项目负责人当选美国国家工程院外籍院士，荣获2022年度陈嘉庚科学奖；团队成员6人获得国家级人才培养计划或项目的资助，4人获得省部级人才培养计划资助，培养硕、博士研究生23名，形成了一支高水平的铁路车辆动力学研究队伍。