牵引电机悬挂参数对高速列车牵引传动部件振动特性的影响

基于车辆系统动力学理论建立包括柔性齿轮箱体与柔性轮对在内的刚柔耦合动力学模型，应用直接转矩控制理论建立了牵引电机控制模型，利用Simpack与Simulink联合仿真平台建立了机电耦合模型；考虑轮轨激励、车辆结构振动与谐波转矩等因素耦合作用，通过机电联合仿真对牵引传动部件振动特性进行了频谱分析，对牵引电机悬挂节点径向刚度、轴向刚度及阻尼在不同量级区间内的取值进行了研究。分析结果表明：在牵引电机谐波转矩和车轮多边形作用下，高速列车牵引传动部件出现较为明显的高频振动，牵引电机悬挂节点径向刚度为20～30 MN·m^-1时，牵引电机垂向振动达到极小值，齿轮箱体与牵引电机在6倍基波频率及车轮转频处振动加速度较小，且径向刚度较小时车辆安全性指标较优；牵引电机悬挂节点轴向刚度为4～6 MN·m^-1时，齿轮箱体与牵引电机受电机谐波转矩及车轮多边形高频激励的影响较小；牵引电机悬挂节点阻尼为0.1～40.0 kN·s·m^-1时，转向架部件振动有效值较小，阻尼的变化对车辆动力学指标的影响甚微，且车辆安全性及平稳性指标较优。     

基于电磁转矩的城轨列车电机-齿轮传动耦合系统故障诊断方法研究

针对城轨列车电机-齿轮传动系统中电气、机械部分难以耦合而导致各自独立研究问题,综合考虑电机非线性磁导和齿轮时变啮合刚度,建立基于电机等效磁路网络模型(PNM)的城轨列车牵引传动系统机电耦合动力学模型.在此模型上,考虑定子匝间绕组短路故障及鼠笼转子导条断裂故障,求得故障下机电耦合系统的动态响应;基于电磁转矩进行故障诊断,并与矢量控制单电机模型的诊断结果进行对比研究.研究成果表明:在低频域,PNM的电磁转矩频谱比矢量控制单电机模型的频谱在故障频率处幅值更大,更易于识别故障;在高频域,PNM电磁转矩诊断方法能识别到更为明显的电源频率的高次谐波分量,在机电耦合系统的故障诊断中更有优势;基于电磁转矩的故障诊断方法可以有效诊断城轨列车机电耦合系统故障,为无传感器的故障检测技术提供理论支持.     

轨道交通永磁同步牵引系统发展概况与关键技术综述

为系统分析和总结轨道车辆永磁牵引系统控制技术研究与发展趋势，介绍了永磁同步电机作为牵引电机应用于轨道交通领域的优缺点和国内外永磁同步牵引系统的应用情况；回顾了大功率牵引逆变器在低开关频率下的控制技术和永磁同步电机牵引控制技术，分析了脉宽调制策略、弱磁控制等关键技术的设计思想、研究方法等；总结了近几年国内外研究成果，讨论了各类控制方法的优点和局限，并展望了永磁同步电机在轨道交通牵引领域的发展前景和面对的挑战。研究结果表明:内置式永磁同步电机适用于直驱系统，具有体积小、效率高等优势；牵引逆变器通常采用混合脉宽调制策略，低频段采用异步调制，中频段为同步调制，方波工况下采用单脉冲调制，其中特殊同步调制下系统动态性能的提升和不同调制方法之间的平滑切换是牵引逆变器脉宽调制技术的难点；电机控制策略主要针对基于双电流调节器、电压矢量角弱磁控制和方波工况下弱磁控制这3种高速运行区的弱磁控制方法进行研究；在前期研究的基础上，应进一步考虑永磁同步电机的无位置传感器技术、故障在线诊断与预测和高精度参数辨识问题；牵引传动系统的机电耦合特性和短路故障处理是今后重点关注的研究方向。      

高速列车系统动力学理论及其应用

1西南交通大学牵引动力国家重点实验室简介 牵引动力国家重点实验室以轨道交通车辆为研究对象，重点开展以高速列车为核心的基础性、前瞻性、战略性创新研究。根据世界轨道交通发展趋势和轨道交通技术特点，围绕轨道车辆及牵引传动的结构设计、动力学和强度分析、检测和试验等相关研究内容，实验室确定了6个研究方向：     

无砟轨道路基不均匀沉降区高速列车动力特性

为研究路基不均匀沉降对无砟轨道损伤及高速列车动力响应的影响，基于混凝土塑性损伤理论，建立了可考虑无砟道床混凝土损伤行为的车辆-无砟轨道-路基耦合动力学模型，并与线弹性模型计算结果进行对比，分析路基不均匀沉降波长、幅值及行车速度对高速列车动力学特性的影响.结果表明：路基不均匀沉降会造成无砟道床损伤，塑性损伤模型计算结果更能反映轨道服役状态；在各车辆动力学指标中，车体垂向加速度受路基沉降幅值影响最大；车辆动力学响应对波长20 m以下的路基不均匀沉降较为敏感，应对其重点关注；行车速度的增大会增加车辆动力响应，使轮轨作用力明显提升，车辆平稳性指标呈现接近线性的增长趋势.     

基于台架仿真模型的高速列车齿轮箱轴承动载荷获取方法

为获取高速列车齿轮箱轴承在服役振动环境下的动载荷，由动力学软件SIMPACK建立了某型高速列车齿轮箱台架仿真模型；基于谱修正的多点相干随机振动控制算法，通过虚拟激振器施加纵向、横向、垂向的轴箱实测加速度功率谱，再现了齿轮箱受到的多点相干线路激励；通过台架仿真模型获取了齿轮箱输入轴电机侧圆柱滚子轴承在服役振动环境下的轴承径向载荷、轴承中心轨迹和滚子与外圈滚道接触载荷。研究结果表明:通过谱修正控制算法，在优化速度指数为0.3，进行10次迭代后，轴箱的仿真与实测加速度功率谱相对误差趋于稳定，最大相对误差小于10%；不同的电机输入扭矩下，有无线路激励齿轮箱轴承动载荷表明，电机输入扭矩决定了齿轮箱轴承动载荷均值，而线路激励是齿轮箱轴承动载荷波动的主要原因；频谱分析显示，线路激励增大了轴承径向载荷在中低频带与齿轮啮合频率处的能量；同时线路激励增大了滚子与外圈滚道接触载荷，但是接触载荷的接触区和均值无明显变化；当无线路激励时，轴承中心轨迹沿齿轮的压力角振动，与垂直轴夹角为26°；线路激励使轴承中心轨迹波动范围更大、更随机，在方向上没有明显特征。可见，电机输入扭矩和线路激励是高速列车齿轮箱轴承动载荷的主要来源，台架仿真模型可为高速列车齿轮箱轴承动响应评估和载荷谱建立提供有价值的参考。      

谐波转矩对高速列车齿轮箱体与牵引电机振动特性的影响

为研究机电耦合作用下齿轮箱体和牵引电机的振动幅值、频谱分布及其随高速列车行驶速度的变化趋势, 分析了三相逆变器输出电压谐波频率分布与牵引电机谐波转矩, 建立了传动系统扭振模型; 基于直接转矩控制理论与车辆系统动力学理论, 搭建了牵引电机控制模型和高速列车多体动力学模型; 通过Simulink和SIMPACK联合仿真平台对比了恒力矩输入与含有谐波转矩的力矩输入模型, 分析了不同速度下牵引电机谐波转矩对高速列车齿轮箱体和牵引电机振动特性的影响。分析结果表明: 当高速列车以250 km·h-1的速度匀速运行时, 齿轮箱体大齿轮上方纵向振动、小齿轮上方纵向与垂向振动受牵引电机谐波转矩影响显著, 在700 Hz主频处振动加速度幅值显著增大, 该频率恰为牵引电机输出转矩基波频率的6倍; 在谐波转矩的影响下, 牵引电机在52 Hz主频处横向振动加速度幅值增加52.78%, 在49 Hz主频处垂向振动加速度幅值增加18.95%;随着高速列车速度的增加, 齿轮箱体纵向与牵引电机各向振动加速度逐渐增加, 牵引电机谐波转矩对齿轮箱体纵向振动加速度均方根的影响逐渐减小, 在6倍基波频率处, 齿轮箱体小齿轮上方和牵引电机纵向与垂向振动加速度均先增大后减小, 在速度为250 km·h-1时达到极大值, 且齿轮箱体和牵引电机的垂向振动受6倍基波频率谐波转矩的影响比纵向振动更为明显, 而其横向振动特性几乎不受谐波转矩的影响。      

轨道车辆永磁直驱技术综述

概述了国内外采用永磁直驱技术的轨道车辆发展状况，归纳了永磁直驱转向架的结构形式，讨论了抱轴式直驱结构与弹性架悬式直驱结构的特点及其适用情形，分析了永磁直驱转向架的蛇行运行稳定性与曲线通过性；针对轨道车辆应用，从磁性材料、冷却系统、温升效应、电机质量、气隙磁密、反电势抑制、失磁故障、电路结构等方面论述了永磁直驱牵引电机的结构设计与优化方法，分析了传统的牵引电机控制策略，讨论了模型预测控制技术和无位置传感器控制技术的研究现状及其用于永磁直驱电机的可行性和存在的问题；总结了轨道车辆永磁直驱技术的现存问题并展望了其未来发展方向。研究结果表明:刚性抱轴式永磁直驱结构紧凑，但电机受轮轨振动影响较大且增加了列车簧下质量，仅适用于低速轨道车辆；高速轨道车辆直驱技术宜采用弹性架悬式直驱结构，但需要进一步研究永磁牵引电机和直驱转向架的弹性连接方式和最优匹配参数，优化簧上、簧下质量分布；内置式永磁直驱转向架可缩短车轴长度和减少轴距，具有质量轻、动力特性好等优势，较适用于复杂的地形环境应用；需要研究更为快速准确的永磁电机故障在线诊断、预警与抑制方法，可结合基于故障诊断及预测的智慧运维技术，为车辆提供维修决策建议；需对永磁直驱电机定子、转子拓扑结构进一步优化，并提出更为有效的冷却结构及精确的温升计算方法；传统矢量控制与直接转矩控制难以兼顾高转矩动态响应和低转矩脉动，模型预测控制因其结构简单、动态响应快等优点，较适用于轨道车辆这类低开关频率大功率应用，但仍需进一步研究以降低其运算负荷并提升其稳态性能；无位置传感器技术可节省电机内部空间体积，且能防止编码器故障带来的可靠性问题，适用于内部空间狭小的直驱转向架，现有中高速无位置传感器技术已具有较好的性能，零速和低速下采用高频信号注入法虽能实现较准确的位置估计，但其对电机控制性能带来的一系列不利影响还需要进一步研究。      

车辆传动系统变参小波流形融合故障诊断方法

应用流形学习方法非线性融合信号在不同小波参数下中央尺度对应的小波包络，研究了强背景噪声下车辆传动系统振动信号故障瞬态脉冲包络的有效提取问题，并与传统信号时频分解方法进行了对比研究；采用不同小波参数对振动信号进行连续小波变换，提取了每组参数下中央尺度上的小波包络；采用基尼指数选择若干包含故障瞬态脉冲信息的小波包络，构造了高维小波包络矩阵；采用局部切空间排列算法对高维小波包络进行流形融合，获得了反映故障瞬态脉冲包络本质结构的小波包络流形；为了验证所提方法的有效性和优越性，采用不同方法对轨道车辆轮对轴承和汽车变速齿轮箱的故障振动信号进行了对比分析。研究结果表明:在分析轴承外圈故障信号时，所提方法基尼指数比传统信号时频分解方法提高27.32%以上；在分析齿轮磨损故障信号时，所提方法基尼指数比传统信号时频分解方法提高26.74%以上。可见，所提方法通过综合具有不同形态的变参小波包络，可以在无需优化小波参数情况下，对车辆传动系统中的不同关键部件故障振动信号具有较好的自适应性，提取的故障脉冲包络中的带内噪声少，故障脉冲特性明显，容易识别其频谱中的故障特征频率，是检测车辆传动系统故障的一种有效方法。      

轨道车辆制动系统智能控制与维护技术研究进展

围绕轨道车辆普遍采用的微机控制直通电空制动系统，介绍了制动系统的结构组成、工作原理和控制原理，分析了制动系统的技术特性，总结和探讨了制动系统智能化的技术发展趋势，从制动系统的智能控制与智能维护两方面，对制动系统的研究现状、存在的问题进行了综述。研究结果表明:轨道车辆制动系统是一个复杂的“机电气(液)”耦合的动态时变非线性控制系统，其服役过程与故障行为具有不确定性、模糊性和小样本性的特征；在制动系统控制技术方面，相较于理论制动力控制，速度黏着控制和减速度控制2种制动控制模式在处理外界干扰影响时控制效果均有所提升；针对制动系统控制中存在的外界干扰、性能衰退或潜隐故障等不确定因素，基于参数辨识和闭环反馈的自主智能控制是制动系统智能控制技术的发展趋势，核心目标是实现外界干扰的自适应、性能衰退的自保持以及潜隐故障的自调节；在制动系统维护技术方面，制动系统运用维护主要涉及状态监测、故障诊断，对于故障预测与状态评估的研究还很少；充分利用制动系统服役状态信息，加强多源因素耦合作用下的制动系统服役行为与演化规律研究是制动系统智能维护技术的发展趋势，应进一步开展制动系统的服役性能一致性分析评价、传感器布局优化和剩余使用寿命预测方法研究。      

高速动力车轴应力谱分析及疲劳寿命可靠性预测

结合车辆系统在随机轨道谱激励下的动力响应与疲劳强度理论,以"中华之星"高速动力车轴为例,建立了动车系统的非线性动力学模型,仿真车辆在典型线路上的运行特性,获取作用于轮轴上的随机载荷谱。引入车轴材料的非线性本构关系,进行轮轴的有限元分析,得到车轴关键部位的应力时间历程,对其进行统计分析后得到各危险点的应力谱。在此基础上,运用局部应力应变法和累积损伤理论进行了车轴疲劳寿命估算和可靠性分析,得到不同可靠度下的疲劳寿命。当可靠度为0.9时,其疲劳寿命为16年。     

高速铁路牵引供电系统安全风险评估研究综述

为降低高速铁路牵引供电系统安全风险整体水平,实现高速铁路全寿命周期内的安全可靠运行,对高速铁路牵引供电系统安全风险评估研究进行了综述分析.将牵引供电系统风险因素的来源归纳为设备性能衰退、服役环境和人为维修活动3方面进行论述,总结了国内外电力系统和牵引供电系统风险评估的研究现状.在高速铁路快速发展的背景下,分析提出了牵引供电系统安全风险评估面临的数据信息不完备性与不确定性、服役环境复杂性、故障诊断与维修模式不足等问题与挑战.在此基础上对高速铁路牵引供电系统风险评估研究方向进行展望,未来应重点研究数据获取、评估模型、风险融合和风险应用4个方面内容.      

铁路重载货车轮对弹性振动及其动态影响

为研究轮对弹性振动特性及其对重载货车动力学性能的影响，以30 t轴重重载货车为研究对象，对轮对刚、柔建模时的整车运动稳定性、曲线通过性能等进行了对比研究. 首先，给出了多体动力学中弹性体的数学建模方法；其次，建立轮对柔性体有限元模型，分析了轮对的弹性振动模态，进一步将其集成于多刚体系统中，形成重载货车刚柔耦合动力学分析模型；最后，针对货车多刚体和刚柔耦合两类建模方法，以干线不平顺叠加短波不平顺作为系统激励源，对比分析了重载货车的轮对振动响应、蛇行运动稳定性以及动态曲线通过性能的差异. 研究结果表明:相对刚性轮对而言，柔性轮对的变形能够缓和轮轨刚性冲击，同时弱化轮轨间的刚性约束能力，导致其振动幅度降低，使得车辆非线性临界速度下降约9%，通过小半径曲线时，轮轨横向力也降低了约13.7%，轮对弹性振动对重载货车动态性能的影响同样不容忽视.      

内轴颈高铁车轴结构设计与强度分析方法

针对高速列车的轻量化设计需求，分析了内轴颈高铁车轴独特的内支承结构与承载特点，建立了内轴颈高铁车轴受力状态和结构强度理论分析模型，提出了内轴颈高铁车轴设计极限载荷和疲劳强度的解析计算方法；在此基础上，制定了基于理论分析、有限元方法和车辆系统动力学的内轴颈高铁车轴结构设计方法，并以17 t轴重的内轴颈高铁车轴为例开展了应用研究；基于内轴颈高铁车轴受力状态的理论分析结果，确定了车轴的临界安全截面和详细尺寸方案；建立了内轴颈高铁车轴的有限元模型，评估并校核了车轴的疲劳强度；建立了轴箱内置式高速动车的刚-柔耦合系统动力学仿真分析模型，验证了车辆的动力学性能和车轴的动荷载。分析结果表明:17 t轴重的新型内轴颈高铁车轴的质量为273.6 kg，比同轴重传统外轴颈高铁车轴的质量低约30%；内轴颈高铁车轴各截面疲劳强度的安全系数均大于1.66，临界安全截面转移至轴颈与轮座之间的卸荷槽及轴颈与轴身之间的过渡圆弧区域；采用内轴颈车轴的高速动车能够以350 km·h-1的速度稳定通过半径为5.5 km的曲线线路，主要动力学性能指标优良；在选定曲线通过工况下车轴所承受的动载荷均能被设计极限载荷包络，据此开展的车轴结构设计和强度分析是稳健的。可见，内轴颈高铁车轴在实现高速列车轻量化设计方面有显著的技术优势，且高速适应性较好，在高速列车领域的发展和应用潜力巨大。      

高速列车齿轮箱疲劳可靠性及故障诊断研究现状

随着高速列车速度不断提高牵引齿轮箱服役环境越发复杂,齿轮箱服役性能也面临更大的考验。基于齿轮箱内、外及耦合激励对其振动响应的影响,国内外学者对高速列车齿轮箱的振动特性和故障诊断做了大量的研究;针对已有的研究成果,主要从齿轮箱强度、可靠性及寿命、箱体故障诊断及监测方面归纳总结,详细阐述了高速列车齿轮箱振动特性分析及故障诊断所采用的方法和研究现状,并且对未来重点研究方向提出建议和展望。     

车轮非圆化磨耗问题研究进展

高速铁路在我国迅速的发展,显著改善了人民的出行方式和质量,大幅度缩短了出行周期,充分提高了工作效率.我国的高速铁路网已成为"国民经济建设高速发展的大动脉",但运营中的高速列车车轮因连续磨耗和定期的镟修,轮径不断缩小且在缩小的不同阶段发生不同程度的非圆化磨损现象,某些阶段还十分严重.列车车轮非圆化磨耗会使轮轨间作用力显著增大,导致铁路车辆和轨道产生强烈的振动和噪声,影响车辆的运行品质、旅客乘坐舒适度和车辆-轨道系统零部件的使用寿命,严重时将会威胁到行车安全.车轮各类非圆化磨耗类型,主要分为局部非圆化磨耗和全周非圆化磨耗,其中局部非圆化磨耗主要包括扁疤、剥离、脱层、塌陷等局部异常磨耗,全周非圆化磨耗主要为车轮多边形磨耗.近几年,在我国各类型高速动车组列车上均发现车轮多边形磨损,在车轮全寿命周期内的不同轮径情况下,多边形磨损的边数（波长）和发展速度不同,已经越来越受到行业内相关研究人员的重视.文章详细地综述了国内外对铁路车辆车轮非圆化磨耗的研究历史和现状,涉及到相关研究文献75篇,对车轮非圆化磨耗的研究主要分为3个方面:（1）车轮非圆化磨耗对车辆/轨道系统动力学行为、车辆噪声的影响研究,大量研究表明车轮非圆化幅值、波长、车速和轴重等因素对车辆/轨道系统动力学行为和车辆噪声均有显著的影响.（2）列车车轮非圆化磨耗发展规律研究和列车车轮多边形磨耗机理研究.车轮多边形磨耗产生的根源在于转向架系统的高频柔性共振,系统的共振频率、列车速度和车轮的周长在满足一定的条件下,车轮多边形磨耗发展速率较高,轮轨滚动接触界面严重的不平顺激励,将促使多边形磨损萌生和发展.到目前为止,对于车轮多边形磨耗发生和发展的机理,国内外仍众说纷纭,未达成共识,尚待开展进一步的研究工作.（3）列车车轮非圆化磨耗检测技术相关研究.最后,对该领域今后的研究方向进行了展望:发展车辆轨道刚柔耦合动力学模型再现车轮多边形演化过程,多边形形成的机理;通过改变运营方式来抑制多边形发展速率;研究车轮智能踏面修形器来消除或抑制车轮多边形的发展.      

不同线路条件及运行速度下高速列车振动性能分析

高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性．为了分析不同线路条件和运行速度对高速列车振动特性的影响,建立了车辆-轨道耦合系统模型,并以德国高速轨道谱和我国干线轨道谱产生的轨道随机不平顺作为耦合系统的激励,通过Newmark数值积分和Matlab仿真,计算了高速车辆在高速线路和提速干线条件下车体、构架、轮对等车辆各部件和轨道部件的振动响应．研究结果表明,随着列车运行速度的提高,高速车辆各部件振动响应均显著增大;线路条件对高速列车轮对及轨道系统振动的影响较对车体系统振动的影响明显．     

Study on dynamic characteristics of vehicle gearbox under multi-boundary conditions

With the development of vehicle gearbox to high-power-density and high-speed, how to predict and optimize the dynamic characteristics of vehicle gearbox becomes increasingly prominent. Aiming at the vehicle gearbox, this paper comprehensively and deeply studies the dynamic characteristics under the multi-boundary conditions. The generation mechanism of the multi-source excitations triggering the gearbox vibration is analyzed firstly. The vibration transfer path of the gearbox is explored. Secondly, the engine excitation, the gear meshing excitation and the bearing support load are numerically calculated. According to the finite element method, a fluid-solid coupling finite element model of the gearbox body is established to predict the gearbox dynamic responses based on the Galerkin method and the Hamiltonian variational principle. Finally, the effects of the excitation condition, oil height and reinforcement forms on the vibration responses of the gearbox body are thoroughly studied by simulation. The analysis indicates that it not only helps to modify and improve the method of forecasting the gearbox dynamic response, and also provides the theoretical and technical guidance for the gearbox design and optimization.     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。