高速列车高频激扰振动机理及传递规律研究

运行速度大幅提高后，列车通过各种高频激扰如道岔、低接头、轨道短波不平顺等的时间急剧缩短，致使列车产生激烈振动，影响列车运行安全性、舒适性和结构可靠性。运用车辆动力学理论、轨道动力学和结构振动理论，结合数值计算和数值分析技术，以系统振动能量和振动频率为突破点，在建立高速列车-轨道系统高频振动分析模型基础上，本项目研究复杂高频激扰下高速列车振动能量分布、结构频率特征、振动传递规律等，揭示系统振动能量与结构振动之间内在联系；研究列车运行速度与激振频率之间关系，探讨轨道短波不平顺波长容许限度；研究列车高频激振频率特性，探讨高速列车关键零部件结构设计合理截止频率；优化系统结构和参数，提出合理的高频激振抑制措施。本项目对提高高速列车运营安全性和乘坐舒适性、提升列车设计标准和轨道管理水平、减小系统振动和减少安全性事故等，具有良好的理论意义和工程应用价值。

运行速度提高后，列车对轮轨激扰的敏感性增强，轮轨激扰频率范围进一步增大，深入研究高速动车组振动及传递规律对全面认识车辆系统振动特性具有重要意义。.运用车辆动力学理论、轨道动力学和结构振动理论，结合数值计算和分析技术，本项目建立了高速列车-轨道系统高频振动分析模型，首次将车体、构架、轮对、钢轨、轨道板等全弹性化处理；提出了考虑三项振动加速度和速度项的新型数值积分格式，可使得计算结果更为合理准确。在此基础上，研究了复杂高频激扰如道岔通过、短波不平顺、扁疤等工况下高速列车振动能量分布、结构频率特征、振动传递规律等，揭示了系统振动能量与结构振动之间内在联系；研究了列车运行速度与激振频率之间关系，探讨了轨道短波不平顺波长容许限度，分析了高速列车关键零部件结构设计合理截止频率。理论研究方式有两种：其一是依据相关动力学理论建立数值仿真平台并验证的基础上完成研究工作；其二是结合ANSYS和SIMPACK商业软件建立动力学模型基础上开展研究。.理论研究结果表明，高速列车轮轴系统主振频率一般为400～600 Hz、构架为0～50 Hz、车体主要为0～2 Hz；随机激扰引起的振动中，轮对振动频率范围最宽，构架次之，车体最小；从轮轴、构架到车体这一振动传递过程中，车辆系统振动加速度功率谱密度和幅值一般呈两个和一个数量级衰减趋势；道岔通过时轮轨接触点和轮轨力在转辙区和心轨区有一个转移和分配过程且由此引起的振动将传递至构架和车体并影响乘坐稳定性和舒适性。典型周期性激扰频率如车轮旋转频率、扁疤冲击频率、短波不平顺以及高速道岔冲击频率等，将通过两级悬挂系统传递至车体。系统主要部件振动加速度对应的功率谱密度、频率对应的振动和传递规律等与试验研究结果基本一致。.本项目还开展了国内某型高速动车组振动及传递规律线路试验研究。通过对高速车辆系统主要部件上布置加速度和空气压力传感器并实际线路振动测试，分析了典型工况如高速直线、低速直线、道岔通过以及气动压力等工况下，列车系统关键部件振动加速度峰值、幅值、主振频率以及振动频率变化、能量衰减和传递规律等。研究结果表明，列车运行速度越高系统振动加速度峰值越大，道岔通过可激起车辆系统振动幅值更大的振动，隧道通过气压变化对车体振动有明显影响等。.本项目研究结果对认识轮轨系统缺陷特点和高速列车振动频率及传递特征等，具有良好的理论意义和工程应用价值。