高速列车车体下部悬吊部件振动行为及可靠性研究

The high speed trains in China have the features of high continuous operating speeds and long operating distances which brings us the challenges of how to ensure the dynamic performance and fatigue reliability for high speed trains in long service period. The vibration behavior and reliability of carbody underneath suspended parts directly affect the ride quality and running safety, but not enough attentions are paid on these problems home and abroad, and the research works are insufficient. In this project, the CRH380 high speed trains will be taken as application objects, and the coupled vibration behavior between carbody and underneath suspended parts and the reliability problem are intensively studied. Through the actual tracking tests of high speed trains, the vibration behavior and dynamic stresses of carbody underneath suspended system in the service process are grasped and the basic data base is established. Through building up the flexible-rigid coupled system dynamic models for high speed trains, the vibration transmitting relations and coupled vibration performance between suspended parts and carbody are extensively studied. The arrangement and parameter optimization of carbody underneath suspended system are researched, and the dynamic load spectrum, structure fatigue strength and vibration limit values are also investigated. Finally, the vibration reduction theory, design methodology, abnormal vibration diagnostic measure and fatigue strength method are proposed.

我国高速列车具有持续运行速度高、运行时间长的特点，这给如何保证列车长期运行的动力学性能和疲劳可靠性带来挑战。高速列车车体下部悬吊部件振动行为及其可靠性问题直接关系到列车的运行平稳性和安全性，国内外对这方面的研究关注不够，研究还很不充分。本项目将主要以CRH380高速动车组为应用对象，重点开展高速列车车下悬吊部件和车体的耦合振动行为及悬吊系统的疲劳可靠性研究。通过高速列车线路跟踪试验，掌握服役过程中车下悬吊系统振动行为和动应力特性，建立基础数据库。通过建立高速列车刚柔耦合系统动力学模型，深入研究高速列车的振动传递关系以及车下悬吊部件和车体的耦合振动特性。开展高速列车车下悬吊系统布置和参数优化匹配研究，悬吊系统载荷谱和结构疲劳强度研究，以及振动容限研究。形成高速列车车下悬吊系统减振理论体系、设计方法、异常振动诊断方法以及疲劳强度评价方法。

针对CRH380B高速动车组，开展了车下悬吊系统振动特性的线路跟踪试验研究，并总结归纳已积累的试验数据，分析了线路条件、气候条件、运行速度、运营里程和悬吊方式等对动车组振动行为的影响，掌握了高速动车组在服役过程中车下悬吊系统的力学行为，建立了基础数据库。应用多体系统动力学和有限元方法，建立了高速列车刚柔耦合系统动力学仿真平台，考虑了轮轨激扰、气动激扰、悬吊部件的旋转激扰以及列车纵向冲动，并采用实验室台架试验和高速列车线路跟踪试验进行模型验证。以减轻车体弹性振动为目的，研究了车体下部悬吊部件被动和主动控制的减振方法，分析了悬吊部件与车体间设置半主动减振器的减振机理；开展了车下悬吊系统的悬吊方式和参数优化匹配研究，研究了弹性悬吊和刚性悬吊振动性能的差异，合理布置弹性和阻尼元件，改善了悬吊部件与车体间的振动传递特性；研究了悬吊方式、结构形式、参数对振动模态的影响，分析了车体整体和局部模态与悬吊系统模态的关系，提出悬吊系统参数优化、模态匹配和频率设计原则，进而提出了车下悬吊系统的设计方法。基于车下悬吊系统振动特性的理论和试验，提出了车下悬吊系统随机振动载荷的可靠性评估方法，通过概率统计方法将随机载荷等效处理成简谐振动载荷，指导车下悬吊研究了振动载荷与疲劳损伤的相互关系，进而提出了车下悬吊结构的优化设计原则以及对振动容限的要求。针对现有CRH380B高速动车组的线路运行情况和车下悬吊的结构特点，开展了车下悬吊系统的改进研究；并将研究成果应用于时速350公里“复兴号”中国标准动车组，提出了车下悬吊系统设计方案。