关键词： 钢轨裂纹   故障诊断   种群熵   种群方差   多种群  

摘要： 本课题是通过研究列车通过时的钢轨裂纹噪声信号，运用信号处理算法和智能算法结合的方法，提取其中包含的噪声信号特征，建立能够真实反映钢轨裂纹噪声信号的数学模型，进而实现对钢轨健康状况的实时动态检测，从而提高我国列车运输安全的检测水平。在此背景下，本文主要完成了以下工作：　　构建了基于Labview的高性能采集实验平台。该平台以MEMS麦克风为基础，结合运算放大电路，以NI公司的USB-6210高性能数据采集卡为核心，在Labview环境下，可以完成复杂声音信号的采集和储存。　　针对基本遗传算法改进的小波包分解算法收敛速度低、容易早熟、故障诊断准确率不高等问题，提出了种群熵和种群方差理论对基本遗传算法中的交叉、变异算予进行改进，之后，选用最优保存策略优化选择算子。性能测试结果表明：该算法总收敛概率比基本遗传算法和自适应遗传算法分别高34.9%和9.5%，最优适应度的方差最小且所用时间最少。但该算法的收敛代数需要人为设定，因此提出多种群理论对此算法进一步优化，性能测试结果表明：二次改进算法的总收敛概率比基本遗传算法最多高51%，比初次改进的遗传算法最多高6%，并且稳定性更好，迭代次数更少，最大的不超过70代，没有停滞现象，同时不受固定迭代次数的限制。　　在实验室搭建了噪声采集系统，对不同尺寸的横向裂纹信号进行了采集;在对钢轨裂纹信号特征进行深入透彻分析的基础上，构建了同时考虑时域和频域信息的故障判据函数和代价函数，实现了信息的有效提取。　　对不同尺寸的横向裂纹信号进行在线故障诊断，考察了本文所提出的两种算法的诊断准确率，并与基本遗传算法的诊断结果对比分析。结果表明：当算法类型相同时，横向裂纹尺寸越大，平均检测准确率越高;当横向裂纹尺寸不变时，平均检测准确率按照基本遗传算法、初次改进算法、二次改进算法的顺序递增;二次改进算法的故障诊断准确率可达95.33%，与其他两种算法相比有明显提升，这说明二次改进算法更易检测出裂纹故障，具有更强的检测优势。

关键词： 高速铁路   轮轨型面   滚动圆半径差   轮轨匹配   优化设计  

摘要： 随着我国车辆运行速度的不断提升,作为车辆—轨道系统动力学基本问题之一的轮轨关系显得尤为重要,轮轨接触关系的机理越来越复杂,轮轨之间的相互作用加强,这必然会直接影响行车平稳性、安全性。良好的轮轨型面匹配能够得到理想的车辆运行性能,包括脱轨安全性、曲线通过性能、运行安全性和平稳性。为了获得良好的动力学性能,改善轮轨作用力和行车平稳性,有必要根据现有线路优化出更加匹配的车轮型面。目前,我国高速铁路主要采用60kg/m钢轨,为比较CHN60、60N钢轨与LM车轮型面的匹配性能,建立了轮轨接触几何参数模型和动力学模型。结果表明:在轮轨接触几何方面,LM与60N匹配时,接触点对分布较为集中,等效锥度较小。在直线运行稳定性方面,LM与60N匹配时具有更高的临界速度、更好地车体横向稳定性,并且其他指标差异较小。在曲线通过能力方面,CHN60磨耗功小于60N钢轨型面,其他指标差异较小。因此,应该针对CHN60钢轨,以LM与60N匹配时的轮径差为设计目标,优化出与其更加匹配的车轮型面。滚动圆半径差是决定车辆动力学性能的主要参数之一,决定着轮对的运动学和动态性能。根据轮轨接触几何特性,给出一种轮轨型面反向设计方法,该方法包括车轮型面设计、对称钢轨型面设计和非对称钢轨型面设计三部分。其以滚动圆半径差为目标,在已知钢轨廓形(车轮廓形)、滚动圆半径差曲线的基础上,采用二分法、斜率控制法及循环迭代的数值方法,得出满足设计要求的车轮型面(钢轨型面),并编制了相应的Matlab程序。同时开展了轮轨型面设计方法的验证工作,通过对车轮型面、对称钢轨型面和非对称钢轨型面的反向设计,验证了设计方法的有效性。以CHN60钢轨为对象,以LM与60N匹配时的滚动圆半径差为设计目标,对车轮型面进行优化设计。优化车轮型面具有更合理的接触应力,临界速度提高了10.8%,车辆横向稳定性提高了7%左右;通过曲线时,除了轮对横移量稍大外,车轮磨耗功、脱轨系数和轮轨横向力均有所降低。

关键词： 齿轮轨   化学热处理   半齿   渗碳  

摘要： 针对采煤机齿轮轨强度和刚度不足的问题,对齿轮轨热处理的渗碳工艺进行了渗碳工艺进行了改进;对改进的渗碳工艺进行了数值模拟分析,二次渗碳后的渗碳层厚度与预定值相差较小,二次渗碳工艺便可满足生产的需求;齿轮轨半齿不同位置的渗碳效果有所差异,但差距较小。

关键词： 高速列车轮轨   滚动接触疲劳裂纹   扩展机理   有限元分析  

摘要： 在高速铁路运输快速发展过程中,轮轨接触疲劳损伤问题日益凸显,影响了铁轨使用寿命。本文将采用有限元分析方法,对高速列车轮轨的滚动接触疲劳裂纹扩展机理进行分析,首先介绍了相关理论研究基础,进而通过构建有限元分析模型,研究疲劳裂纹扩展的具体影响因素,并提出几点缓解裂纹扩展的方法。

关键词： 轮轨关系   多边形磨损   瞬态分析   三维有限元   磨损系数  

摘要： 随着铁路运输向着高速化、重载化的趋势发展,轮轨磨损作为列车运行过程中产生的不可避免的危害显得愈发严重。为了做好铁路运营和维护工作,迫切需要对当前铁路的轮轨磨损规律进行深入研究,以便为相关部门制定镟修计划等提供技术支持。为了研究轮轨材料硬度匹配比对车轮磨损的影响,在中国铁道科学研究院金化所利用轮轨滚动接触的小比例试验台,进行不同轮轨材料硬度匹配下在干燥环境中的车轮小试样磨损试验。试验每进行1万转时,取下车轮试样进行多次清洗,利用电子天平称量其质量损失即车轮磨损量;利用自制的小轮多边形磨损测量设备测量试样车轮的周向形貌,即多边形磨损。取几组试样中硬度比为0.95的轮轨试样作为研究对象,发现其车轮试样每万转磨损量为0.176g;车轮表面具有明显的16阶多边形磨损。利用Hypermesh建立二维和三维的轮轨滚动接触瞬态分析的有限元模型,将小比例轮轨滚动接触试验台的工况加载到有限元轮轨模型上。根据轮轨接触理论,利用显式动力学分析程序LS-DYNA进行轮轨滚动接触瞬态分析。由于直接利用瞬态方法进行轮轨接触分析所需稳定时间长计算量大,因而我们采用隐式-显式序列分析算法,先计算静态模型的应力再将其导入动态模型中,使轮轨滚动接触模型获得了较好的稳定状态。在三维轮轨滚动接触瞬态分析模型的基础上,根据Archard磨损模型可以计算车轮模型的表面节点平均磨损深度。假定试验工况下轮轨间的磨损系数k为1,利用有限元仿真的平均磨损深度与小试样试验得出的平均磨损深度相比对,反算出真实的磨损系数值。再利用求出的磨损系数,分别建立5%、1.5%、1%轮轨蠕滑率下的车轮模型和幅值为0.014mm、0.02mm的16阶正弦多边形车轮模型,分析不同工况下轮轨磨损的变化规律。研究结果表明,利用轮轨磨损试验机得出车轮磨损量,再结合三维有限元模型对轮轨滚动接触进行瞬态分析求出其磨损值的数值解,反算出试验条件下的轮轨磨损系数是一种切实可用的研究方法;求出摩擦磨损试验中轮轨试样的磨损系数为3.9×10-5,车轮在转动6万转后呈16阶多边形磨损;车轮磨损随着轮轨滑差率的变化而变化,且呈线性增加;多边形磨损中,正弦波的波峰处磨损值远小于波谷处的磨损值。铁路运营维护部门可以利用上述数值模拟方法得出车轮镟修距离,以便进行及时维护。

关键词： 轮轨振动   轮对有限元模型   轨道有限元模型  

摘要： 本文通过CAD/CAE/CAM软件UG,根据现行铁路行业标准中的规定,建立了一个新的轮轨系统分析模型并进行了模型验证,论文成果可用于后续的轮轨噪声预测分析研究,对国内其他轮轨模型的建立有一定的借鉴作用。

关键词： 轮轨接触   有限元法   摩擦功   磨耗量   钢轨磨耗预测  

摘要： 地铁是当今城市客运交通的一项重要工具,随着世界地铁行业的飞速发展,轮轨间磨耗问题也在逐渐加剧;磨耗问题会导致车轮与钢轨型面的改变,降低列车行进的稳定性、安全性及各个部件的使用寿命,增大铁路的运营成本,甚至可能导致脱轨现象;如若建立一种高效准确的磨耗预测计算方法,可以定性定量地预测车轮通过一定次数后钢轨的累积磨耗量大小及钢轨磨耗廓形分布规律,则可以准确地预估钢轨磨耗型面、更换周期等,这对于地铁行业的发展来说,具有重要意义。本文针对地铁发展中的磨耗预测问题展开研究,对既有研究现状进行分析和总结,建立了轮轨滚动接触有限元计算模型以探究牵引力或制动力、轴重、横移量等因素对轮轨接触的影响;提出了一种基于有限元法的新摩擦功计算方法,对实际运营地铁钢轨进行磨耗预测,探究钢轨磨耗量大小及磨耗型面的演变、发展及规律。主要研究内容及成果如下:(1)建立了地铁轮轨滚动接触有限元模型并进行接触分析。运用北京地铁标准及实测轮轨型面,建立轮轨滚动接触有限元模型,针对地铁直线区段运行特点,探究牵引力、制动力、轴重、横移量等因素对轮轨接触的影响,充分研究了接触状态、接触力、表面及内部应力的分布及变化情况,并对比了标准与磨耗轮轨接触计算结果的异同点。(2)提出了一种新的摩擦功计算方法,为钢轨磨耗预测提供新的理论依据。基于有限元计算结果,提出了一种基于有限元法的摩擦功计算方法:接触斑上各节点的摩擦功等于节点上摩擦力与接触点对相对位移的乘积。新摩擦功计算方法的特点在于:摩擦功和接触点上的摩擦力及相对位移直接相关,符合功的物理意义;运用有限元模型可计算接触斑上任意节点摩擦功大小,并反映摩擦功在接触斑上的分布规律;接触有限元计算的轮轨摩擦力和相对位移分布规律,可反映轴重、随速度变化的轮轨间摩擦系数以及轮轨型面的影响;基于有限元法的摩擦功计算方法为轮轨磨耗预测提供新的理论方法。(3)运用新的摩擦功计算方法对钢轨进行磨耗预测,并探究了钢轨磨耗发展规律。运用新的摩擦功计算方法发展了一种磨耗量叠加计算方法,对钢轨累积磨耗量、磨耗深度及轨顶廓形磨耗发展情况进行了预测。研究发现,运用基于有限元法的摩擦功计算方法预测钢轨磨耗量及磨耗后轨顶廓形,与实测型面较为相符;钢轨累积磨耗量在轨头内侧靠近轨距角处最大;累积磨耗量、磨耗深度随着车轮通过次数的增加近似呈正比增大;采用磨耗后轮轨型面接触计算摩擦功预测钢轨累积磨耗量的曲线更为平整,与实测型面更加接近。

关键词： 高速列车   轮轨接触   表面粗糙度   接触刚度   接触阻尼  

摘要： 随着铁路列车不断向高速化发展,轮轨接触的要求越来越高,而高速轮轨接触面受到法向接触载荷作用时,容易产生微小的角位移和线位移,使得接触表面材料发生弹塑性变形,结合面既储存了能量又消耗了能量,表现结合面既有接触刚度又有接触阻尼,对高速列车的静动态特性造成了不良的影响。轮轨表面特性对接触刚度和阻尼的影响突出,利用TR100袖珍式粗糙度仪和AT100硬度计跟踪测试CRH2A高速列车组镟修后、运行2.5、5、7.5和10万公里时车轮表面的粗糙度和硬度数值。伴随运行里程的增加,粗糙度数值减小,硬度值先缓慢减小,5-7.5万公里之间基本平稳,后来又逐渐增大,镟修后粗糙度和硬度都达到最大值。分形维数是表达粗糙度数值的有效方法,采用均方根方法算得分形维数随表面粗糙度呈负指数变化。硬度参数可以通过弹性模量输入有限元模型,建立硬度和弹性模量的关系,得到它们之间几乎呈正线性关系。这些实测数据为后文精确计算轮轨接触刚度和阻尼提供必要条件。根据分形理论,通过Matlab编程得到不同粗糙度对应的轮轨接触数值模型,提取各点数据,将离散点云数据重构,构成不同粗糙度下的钢轨曲面。采用ABAQUS建立不同粗糙表面的轮轨接触简化模型,车轮为离散刚体,钢轨为柔体,接触处用CPS4I细化网格,根据不同工况设置不同的材料参数,将钢轨底面全约束,加载位移载荷,仿真计算轮轨接触刚度和阻尼。根据接触刚度和阻尼基本理论,探讨符合轮轨接触特性分形理论和有限元方法,分析法向接触载荷、摩擦系数、粗糙度、硬度以及运行里程对轮轨接触刚度和接触阻尼的影响。仿真计算结果表明:法向刚度随着法向载荷、表面硬度、运行里程的增加而逐渐增大,而与粗糙度的变化规律正好相反,摩擦系数对法向接触刚度的影响甚微;切向刚度与载荷、摩擦系数、表面硬度呈非线性变化,随着它们增加而增大,而与粗糙度的关系比较复杂,体现出先增大后减小,在粗糙度为0.6um左右取得最大的切向接触刚度,在列车运行10万公里之内,轮轨切向接触刚度基本控制在5000-7000(N/mm)之间,变化趋势有增长阶段、下降阶段,同时也有平稳阶段;法向阻尼随着载荷、摩擦系数、硬度、运行里程增加而增大,但与粗糙度呈负增长关系;轮轨切向接触阻尼随着法向载荷、摩擦系数、表面硬度的增加而逐渐增大,却随着粗糙度的增大先增大后减小,列车运行不同里程时,切向接触阻尼的变化规律不是很明显,增长和下降趋势并存。

关键词： 高速动车组   车轮多边形   高频振动   镟修  

摘要： 从国家铁路规划从四纵四横到现在的八纵八横,我国铁路处在高速发展期,高铁线路运行规模越来越大,高铁动车组开行的数量越来越多,运行速度不断提高。高铁动车组在高速运行中,车轮磨损出现多边形化、钢轨波磨加剧等问题。轮轨匹配关系不良使动车组高速运行中产生轮轨高频振动加剧,进而使车体发生抖动、车辆转向架局部零件出现损坏、车体舒适度恶化、平稳性降低,严重时会对安全性产生影响。本文首先对高频振动的问题进行了综述;分析轨道的不平顺以及轮轨接触理论。取某型动车组进行试验,利用实验仪器设备m/wheel对动车组轮对进行镟修前、后不圆度测量。得出试验轮对动车二车3轴存在27阶多边形,最大幅值13dB(0.0045mm),在200km/h速度下的主振频率为548Hz,镟修后高阶多边形消失。对该型动车组进行线路试验,结果表明,总体状态良好,镟修前后轮对测点的振动加速度最大值56.31g;轴箱振动加速度最大值31.88g;构架横向、垂向振动加速度最大值0.36g与2.3g;车体横向、垂向平稳性最大值2.06与3.11;一系垂向最大位移10.4mm。通过分析振动加速度全程时频图,发现轴箱、构架、车轴存在主要频率有:轮对弯曲频率80Hz、267阶车轮多边形频率540Hz、波长80mm轨道波磨频率720Hz、动车组固有频率800Hz、波长600mm的钢轨波磨频率80000 Hz。切除电制动运行试验时,盘毂、轴箱、制动梁的振动加速度未出现异常大值;在K1724与K1952区段紧急制动也未出现异常振动。制动横梁在制动时存在等间距的主频率。K17701830区段的振动加速度幅值明显大于其它区段,振动加速度主频为80000Hz,对应轨道波磨波长为600mm;波磨区段的80000Hz主振频率由车轴、盘毂传递至轴箱与构架,该频率传递至车体时明显降低。轨道振动试验结果表明,下坡段轨道的作用力大于直线段。从镟修后钢轨、弹条(扣件)、轨道板振动加速度频率分析发现,钢轨的主频率为940100Hz;弹条的主频率为51050Hz;轨道板频率与钢轨相似。镟修前在直线轨道测到弹条存在560Hz左右的频率,镟修后该频率消失。车轮镟修降低了轨道测点的振动加速度,降低幅度为15%6%。

关键词： 脱轨系数   轮重减载率   横向位移   垂向位移   安全性评价  

摘要： 随着列车不断提速,列车动力学问题越来越突出,如何评价和预测列车运行安全性是目前研究的一个重点。本文分析了目前国际上常用的车辆脱轨评价标准的特点及不足,在研究传统安全性评价准则的基础上,通过分析轮轨间几何位置和传统安全评价标准之间的联系,提出了根据轮轨相对横向位移与垂向位移以及横向位移与垂向位移比值的限值,来判定列车运行安全的评价指标,并通过仿真分析进行了验证,仿真结果表明了所提新的评判方法的可行性。