关键词： 高速电梯   耦合振动   非线性   随机参数   风致振动  

摘要： 伴随着高层、超高层建筑的不断涌起,电梯朝着高速、超高速方向发展已是大势所趋。高速电梯由于运行速度加快,会带来更加强烈的振动问题,严重影响电梯的运行安全和乘客乘坐舒适性。因此,探究高速电梯的振动响应机理对其设计、制造和安装环节均具有理论指导意义。在高速状态下,轿厢、导靴、导轨三者各自振动又互为约束,构成了轿厢-导靴-导轨耦合系统。由于制造误差和安装误差等给高速电梯所带来的随机参数和随机激励日渐突出,传统的确定性结构动力学分析方法已不能满足分析要求。此外,高速电梯大多应用在高层以及超高层建筑中,超高层建筑是一种典型的风敏感结构,其风致振动效应必然带来固定于其上的导轨的振动响应,因此,考虑超高层建筑风致振动响应的影响对高速电梯的理论建模提出了要求。另一方面,导轨和导靴滚轮是导向系统的主要组成部件,轮轨非光滑界面接触本构关系直接影响着高速电梯的动力学响应。因此,详细分析各随机性因素及超高层建筑风致振动对高速电梯耦合系统振动响应的影响,进行轮轨界面接触机理的研究以建立更加接近实际的分析方法,对高速电梯乘坐舒适性的提升具有积极意义。主要研究内容及成果如下:(1)根据Bernoulli-Euler理论建立了导轨的强迫振动微分方程,利用达朗贝尔原理分别建立起滚轮、轿厢的振动方程,通过它们间作用力与相对位移间的关系,最终建立起导轨-导靴-轿厢耦合系统振动模型。采用振型叠加法求解偏微分耦合系统数学模型,在分析导轨长度、导轨单位长度质量和导轨抗弯刚度三个导轨结构参数与导轨尺寸参数间关系的基础上,得出各结构参数对导轨动力特性的影响规律。计算结果表明,导轨的抗弯刚度主要影响导轨的振动挠度,导轨的单位长度质量主要影响导轨的颤动,导轨的长度对导轨的振动挠度和颤动均有显著影响。(2)高速电梯向大载重量、大提升高度及高速度的方向发展,必然加剧电梯在运行过程中轮轨间的非均匀磨损及超高层建筑风致振动对耦合系统动力学行为的影响。鉴于此,运用模型等效的方法,将轮轨磨损参数引入到所构建的高速电梯耦合系统动力学模型中,并首次引入建筑结构学中超高层建筑风致振动相关理论,运用变量离散下的逐步积分法,探究了轮轨磨损参数及超高层建筑风致振动对高速电梯耦合系统水平振动的影响规律。算例结果表明,为使电梯获得比较满意的动态舒适性,应严格控制滚轮表面不平度并防止由于滚轮不圆度过大造成的轿厢振动加剧;对于导轨支架松动问题,应避免几个连续导轨支架同时松动所造成的轿厢振动瞬间加剧现象。(3)针对高速电梯在制造、安装过程中客观存在的导轨结构参数随机性问题,在所建立的导轨-导靴-轿厢耦合动力学模型基础上,通过随机摄动理论将导轨动力响应表示为确定部分和随机部分,并导出各自的表达式。求解耦合系统导轨随机响应表达式并进行泰勒展开,然后比较各参数随机部分系数以推导出各随机参数对导轨动力响应灵敏度表达式。根据耦合系统响应灵敏度矩阵、位移响应协方差矩阵和随机参数协方差矩阵得到导轨动力响应的标准差特性并分析出各参数对响应的影响程度。算例结果表明,导轨的振动加速度响应对导轨的长度参数最为敏感,导轨的振动位移响应对导轨的弹性模量敏感度最小。(4)根据高速电梯滚动导靴的材料特性以及与导轨的非光滑界面接触关系,结合Hertz接触理论和界面力学理论推导出侧面滚轮与导轨侧面以及顶面滚轮与导轨顶面间的界面接触本构关系,建立起轮轨非光滑界面接触本构模型,进一步完善导轨-导靴-轿厢耦合动力学模型。(5)借助课题组合作公司—山东富士制御电梯有限公司现有120m电梯试验塔,搭建了高速电梯耦合系统水平振动试验平台。针对公司FJK-X-8000型7m/s高速电梯应用所建耦合系统模型进行仿真计算,得到水平振动加速度响应曲线;然后在水平振动试验平台上,采用DT-4A电梯加速度测试仪,对FJK-X-8000高速电梯进行水平加速度实梯试验;通过分析仿真计算结果和实梯试验数据典型数字特征,验证了文章耦合系统模型、轮轨界面接触机理及算法的正确性。

关键词： 高速铁路   轮轨粗糙度   振动噪声   模态分析   声辐射  

摘要： 随着高速铁路大规模的建设和运营,噪声影响问题日益突出,系统开展高速铁路噪声控制技术研究已迫在眉睫。轮轨粗糙度是影响轮轨噪声的重要因素,并且影响车轮镟修和轨道养护。国外在轮轨粗糙度试验研究及仿真方面早已开展了大量的工作,并制定了欧洲的轮轨粗糙度限值谱。而我国在轮轨粗糙度测量及对噪声影响的研究方面起步较晚,缺乏大量系统性试验数据,并且没有适用于我国轨道及车轮的粗糙度限值谱。本文针对以上背景进行的研究及获得的主要结论如下:(1)总结国内外轮轨噪声及轮轨粗糙度研究现状。对轮轨振动和声辐射计算涉及到的结构振动学理论、模态分析理论和基于边界元的声辐射理论进行阐述。建立了轮轨垂向激励模型,对轮轨接触刚度特性和轮轨接触滤波特性进行了分析。(2)介绍车轮粗糙度测试设备及方法,对国内主典型动车组车轮粗糙度进行测量与统计分析,研究不同车辆在不同工况下的车轮粗糙度频谱特性。测试结果表明:镟修可以有效降低车轮短波段(30mm以下)粗糙度水平。车轮总体粗糙度水平受各个波段粗糙度水平的综合影响,一个镟修周期的不同时段主导波段不同。同时,风沙等极端天气对轮轨粗糙度也会产生显著影响。根据对多列动车组车轮镟修前后多个周期表面粗糙度的跟踪测试结果,参照BS EN ISO 3095:2005《铁路专用标准-声学-轮轨系统引起的噪声测量》标准,结合轮轨辐射噪声仿真计算,初步给出了我国动车组车轮表面粗糙度限值谱建议值。(3)介绍轨道粗糙度测试设备及测试方法,对国内主要高速铁路干线钢轨粗糙度进行长期跟踪测量与统计分析,得出不同线路区段的轨道表面粗糙度水平。并对多条干线进行了钢轨振动模态测试及钢轨动态衰减特性分析。对不同地区的钢轨粗糙度进行统计分析表明:华中地区短波段(63 mm以下)轨道粗糙度水平较低,华东地区中长波段(100 mm以上)轨道粗糙度水平较低。根据对多条线路多个打磨周期轨道粗糙度的跟踪测试结果,参照BS EN ISO 3095:2005《铁路专用标准-声学-轮轨系统引起的噪声测量》标准,结合轮轨辐射噪声仿真计算,初步给出了我国钢轨粗糙度限值谱建议值。(4)建立车轮有限元模型并通过车轮模态分析得到车轮的固有频率及振型。采用模态叠加法进行车轮频响计算,得出名义接触点处施加单位力径向激励下,车轮的踏面径向响应、轮辋轴向响应和轮辐轴向响应。并基于轮轨噪声模型,采用直接边界元法求解车轮外声场的声辐射特性,分析轮轨粗糙度对轮轨辐射噪声的影响,为车轮粗糙度限值谱和轨道粗糙度限值谱制定提供了依据。

关键词： 弹性车轮   等效刚度   动力学模型   轮轨磨耗   黏滑振动   刚柔耦合  

摘要： 随着我国交通事业的快速发展,城市轨道交通凭借其快捷、舒适、运量大、污染小及占地少等优点,日益成为城市现代化建设中的重要基础设施。但轮轨系统产生的噪声与振动对铁路沿线环境造成了较大的影响,弹性车轮在轮芯与轮箍之间装有带有阻尼特性的橡胶元件,能够有效地降低轮轨噪声与振动。弹性车轮由于结构中存在如接触非线性、橡胶材料非线性等众多非线性因素,给其分析研究带来了诸多不便。鉴于此,论文以某压剪复合型弹性车轮为研究对象,围绕着弹性车轮等效刚度、动力学性能、轮轨磨耗、纵向振动及动态特性展开研究。橡胶元件是影响弹性车轮性能的关键部件。通过对压力试验机获得的橡胶元件载荷-挠度曲线与有限元分析结果的对比,得到橡胶材料本构模型参数,并利用该参数对弹性车轮的性能进行分析。根据刚度矩阵、质量矩阵求解弹性车轮的振动模态,当频率大于250 Hz时,弹性车轮的振型主要由轮芯或者轮箍的振型决定,且弹性车轮振动频率与轮芯或轮箍的振动频率基本一致;当频率小于250 Hz时弹性车轮的振型表现为橡胶材料的变形。弹性车轮等效刚度直接影响弹性车轮的动力学性能,研究了橡胶元件预压缩量、材料参数、环境温度对弹性车轮等效刚度的影响。使用金属材料双线性随动强化弹塑性模型研究弹性车轮橡胶元件对轮轨接触关系的影响,弹性车轮轮轨接触面积较刚性车轮轮轨接触面积增加了17.4%,最大接触压力降低了3.5%,轮轨最大von Mises等效应力降低了3.4%。弹性车轮能够降低转向架的整体刚度,将会对车辆动力学性能造成一定的影响。以国内自主研发的70%低地板有轨电车为研究对象,在弹性车轮传统模型的基础上提出弹性车轮6自由度复合模型。采用一种基于代理模型及遗传算法的优化方法研究弹性车轮等效刚度与转向架悬挂参数的最优匹配关系,并证明该方法在车辆动力学分析中的可行性。结果表明弹性车轮车辆的横向平稳性要优于刚性车轮,非线性临界速度相对于刚性车轮降低了6.6%。通过曲线时轮轴横向力、轮轨横向力、轮重减载率及脱轨系数弹性车轮均有不同程度的降低。弹性车轮轴向刚度及偏转刚度增加对曲线通过性能有利,等效刚度变化对车辆平稳性基本无影响。弹性车轮能够降低轮轨动作用力,从而减轻轮轨磨耗。为了定量研究弹性车轮的磨耗问题,基于Archard模型建立了弹性车轮踏面及钢轨型面的磨耗预测模型。研究线路条件、弹性车轮等效刚度对弹性车轮磨耗性能的影响。对于弹性车轮磨耗性能的分析可知,线路条件越差,弹性车轮相对于刚性车轮的减磨效果越明显。对于半径为500 m曲线外侧弹性车轮的减磨效果最佳,磨耗降低比率明显高于曲线半径为100 m和200 m的情况,这主要是由于曲线半径小,运行速度低,轮缘与钢轨始终接触振动较小造成的。运行弹性车轮的轨道最大累积磨耗量比运行刚性车轮的轨道最大累积磨耗量降低了33%。诸多学者在刚性车轮的纵向振动方面做了大量的研究,但弹性车轮纵向振动方面的问题长期未受到关注。论文根据不同工况的黏滑特性建立基于Polach理论与Fastsim理论的弹性车轮纵向振动动力学分析模型,分别研究弹性车轮在起动工况、低黏着高速运行、高速考虑黏滑曲线负斜率特性工况以及惰行工况下纵向振动的规律及影响因素。在起动工况时,弹性车轮振动比刚性车轮振动更加剧烈,且弹性车轮在黏着极限时的滑动远大于非黏着极限时。在低黏着高速运行时,由于轮轨作用力的频率和幅值增加,当增加到一定程度激起了轮芯相对于轮箍的大幅振动,使弹性车轮产生共振。高速考虑黏滑曲线负斜率特性工况下随着驱动力矩的减小车轮恢复黏着时间减少。在惰行工况下提高一系定位纵向阻尼是抑制弹性车轮纵向振动的有效合理方法。弹性车轮黏滑振动对构架的振动产生一定的影响,但弹性车轮振动对车体的振动影响不大。轮对弹性变形将会对轮轨接触点和蠕滑率造成一定的影响,建立考虑轮轨弹性接触的刚柔耦合弹性车轮及刚性车轮动力学模型,对弹性车轮的动态特性进行研究。曲线工况时弹性车轮的名义接触点的弹性横移量约为刚性车轮的两倍,纵向蠕滑率曲线外侧弹性车轮大于刚性车轮,曲线外侧弹性车轮轮轨横向力比刚性车轮降低了7.5%。通过正弦激励时,弹性车轮轮轨名义接触点弹性垂向变形为刚性车轮的数十倍,大的弹性变形能够缓和轮轨刚性冲击降低车轮振动加速度,轴箱的振动加速度降低了29%。

关键词： 轮轨冲击   车轮扁疤   应变率效应   制动热应力   有限元仿真  

摘要： 轮轨关系是高速铁路工程领域的重要研究课题。车轮扁疤作为一种常见的轮轨失效形式,其通常是在车辆制动抱死、低附着(轮轨黏着力局部降低)条件下,车轮在轨道上做滑移或滑转运动而产生。随着高速列车行车速度的不断提高,车轮扁疤循环撞击轨道,产生数倍于准静态轮载的动态周期性冲击载荷,可导致轮轨部件出现严重损伤,甚至可导致轮轨失效。此外,车轮扁疤引起的严重滚动噪声也会极大影响乘客的乘坐舒适度。本文采用有限元仿真模拟为主,试验研究和理论研究相结合的研究方法,开展了车轮扁疤引起的轮轨冲击力学响应与损伤规律研究。主要内容与成果包括以下几个方面:(1)开展了D1车轮钢的准静态和动态力学性能试验,得到了不同应变率下轮辋钢的应力-应变响应曲线,建立了基于Cowper-Symonds经验公式的动态本构关系。(2)基于Hertz接触理论,开展了轮轨冲击理论分析,详细描述了车轮扁疤的冲击过程。结果表明:轮轨冲击力随着列车速度的增大先增大后减小最后趋于稳定,在临界速度时轮轨冲击力达到最大值;轮轨冲击力随着扁疤长度和轴重的增大而增大;轮轨冲击力随着车轮半径的增大而减小。(3)建立了基于车轮扁疤真实几何形状的三维轮轨滚动接触有限元模型,考虑了轮轨动态接触的几何非线性、材料非线性和接触非线性。(4)进行了车轮扁疤引起的轮轨冲击力学响应仿真分析,讨论了列车速度、扁疤长度、轴重、轮轨材料应变率效应和制动热应力对轮轨冲击力学响应的影响。结果表明:车轮扁疤引起的最大轮轨垂向冲击力是准静态垂向载荷的2.6.4倍;列车速度、扁疤长度和轴重对轮轨冲击力学响应均有显著影响;轮轨材料应变率效应对轮轨垂向冲击力和最大XY剪应力均几乎没有影响,而最大von Mises等效应力和最大剪应力均相应增大,最大等效塑性应变相应减小;计及制动热应力时最大轮轨垂向冲击力、最大von Mises等效应力和最大XY剪应力均显著减小,而最大等效塑性应变显著增大。(5)针对车轮扁疤B点撞击钢轨时车轮和钢轨的接触压力和von Mises等效应力分布情况,讨论了轮轨材料应变率效应、制动热应力、列车速度、扁疤长度和轴重的影响。结果表明:车轮和钢轨接触压力和von Mises等效应力接触斑均成不规则椭圆形,且接触斑形状仅与扁疤长度有关;轮轨材料应变率效应对车轮和钢轨接触压力和von Mises等效应力均几乎没有影响,且对车轮和钢轨接触斑尺寸(接触斑在X方向和Z方向的最大尺寸)的影响也很小;制动热应力、列车速度、扁疤长度和轴重对车轮和钢轨最大接触压力、最大von Mises等效应力和接触斑尺寸均有显著影响。本文开展了车轮扁疤引起的轮轨冲击力学响应与损伤规律研究,揭示了一些关键参数对轮轨冲击力学响应的影响规律,可为轮轨系统的安全性设计与运营维护提供技术支持。

关键词： 轮轨关系   磨耗   剥离   试验研究   有限元  

摘要： 轮轨磨耗及剥离问题会导致其服役寿命严重降低,随着铁路的高速重载化发展,轮轨磨耗及剥离所造成的破坏变得越来越严重,不仅大大增加了铁路的运营成本,而且会直接危害行车安全,因此针对轮轨磨耗及剥离开展深入研究具有重要的意义,针对某些具体轮轨损伤的研究方法,对于全面深入地分析其他种类损伤具有借鉴意义。本文采用数值计算与试验相结合的方法,对标准及磨耗后轮轨型面接触性能进行了计算分析,为了探讨多种第三介质对于轮轨接触性能的影响作用,进行了相关的试验研究;利用轮轨接触试验台针对机车车轮踏面剥离问题开展了试验研究,分析剥离的形成机理,并针对现场车轮剥离问题提出了改进方案,随后对执行相应改进措施后的车轮服役性能进行了跟踪测试,验证了研究结论的正确性。本文的主要研究内容和成果包括:（1）对现场轮轨型面进行实测,获得标准及磨耗后轮轨型面,应用有限元参数二次规划法建立三维轮轨弹塑性接触计算模型,对轮轨接触问题进行模拟计算,对比分析了标准及磨耗后轮轨型面接触性能随轴重及车轮横移量的变化规律。搭建了轮轨接触试验台,并于现场真实车轮及钢轨切取轮轨试件,进行多工况轮轨接触试验。试验与数值计算取得了一致的结果,磨耗后轮轨型面接触所得接触斑面积较标准型面更大,车轮接触应力及变形量更小。（2）针对水、油、砂等介质,进行了存在第三介质情况下的轮轨接触试验,分析了各种第三介质对于轮轨最大静摩擦系数及踏面损伤的影响规律。试验发现:相比于轮轨表面干燥清洁的情况,在接触面内存在水和油的情况下,轮轨最大静摩擦系数有很大的降低;在干燥、潮湿和有油的情况下,撒砂均可以显著提高轮轨最大静摩擦系数;河砂的增粘效果优于石英砂,但其造成的车轮踏面擦伤程度也远高于石英砂。（3）采用取样于现场的车轮及砂作为样本,进行撒砂试验,分析车轮硬度及增粘砂对于踏面剥离的影响规律。分析试验结果得出,石英砂不会造成车轮踏面形成麻点和鱼鳞状剥离;采用某些种类河砂作为增粘介质会导致车轮踏面出现麻点和剥离现象;对比分析各种增粘砂的属性及参数后得出,砂受碾压后的形态是主导因素,砂的摩擦系数、外形尺寸及粒度均匀性对于麻点有重要影响,砂粒硬度与车轮麻点状损伤程度之间的关系不明显;车轮表面硬度越低,麻点状损伤深度越大。（4）在试验台上再现了车轮踏面麻点及鱼鳞状裂纹,对出现裂纹的试件进行了微观组织分析,发现裂纹周边区域存在严重的塑性变形,裂纹根部组织存在褶皱现象,裂纹由褶皱组织周围形核扩展而成,得出车轮踏面的剥离机理如下,由于河砂受碾压后形态不良,于轮轨间存在厚度可观的砂饼,导致车轮表面发生严重的塑性变形,进而出现麻点状损伤;河砂反复作用后,车轮表层材料发生塑性变形累积效应,最终形成鱼鳞状剥离。即,河砂是导致车轮踏面出现麻点和鱼鳞状剥离的主要原因。（5）对现场机车车轮踏面剥离问题进行了调研测试,发现现场情况与试验所得结果高度吻合,根据研究结果提出了采用石英砂增粘的方案,运用部门据此更换了增粘砂,随后对车轮服役性能进行了跟踪测试,发现剥离问题得到了根本解决,验证了本文研究结论的正确性和工程实用性。

关键词： 轮轨   轴重   摩擦热   地基刚度   接触力   试验机  

摘要： 近年来,国家对高铁建设支持力度不断增大,高铁事业跳跃式发展,高铁建设和运营过程中,地基刚度和载重对高铁轮轨磨耗有重大影响,直接影响高铁运营寿命,所以如何取得一个合理地基刚度和合理载重非常重要。鉴于此,本文采用室内动载模拟试验机测试不同地基刚度和载重下,轮轨接触应力,磨耗量,轮轨温度和表面损伤情况。主要内容和结论如下:(1)轮轨接触特性理论分析,轮轨接触现象和接触力学以及接触模型等接触特性理论分析,轮轨滑动接触理想热模型和轮轨热传导研究。(2)轮轨模拟试验机运动研究,模拟准则和模拟参数选择等实验机本身构造的研究。对动态模拟实验机的实用性进行评价。(3)测定不同厚度下胶垫的刚度,研究胶垫刚度变化规律,选取试验刚度。(4)在其他条件不变的情况下,研究轴重和地基刚度对轮轨接触应力,轮轨温度,磨耗量和表面损伤的影响以变化规律。通过对试验数据分析,得出以下结论:(1)随着轴重的变大,轮子和钢轨竖向接触应力和动态荷载的变化幅值不断变大,轮子和钢轨之间的摩擦力也会变大,钢轨容易损坏。在轮子冲击频率不变时,轴重的变化对动态荷载的频率无影响。当轴重小于16t时,轮轨磨耗量随轴重变大而变大的速度很快,当轴重从16t变化到21t时,轮轨磨耗量的变大速度减慢;当轴重大于21t时,轮轨磨耗量随轴重变大而变大的速度明显变快。随着轴重的变大,钢轨磨损区域宽度不断变大,磨损区域的划沟不断增多,由于划沟的原因,在钢轨接触面上出现的沿相对滑动方向的划沟和沙砾变多,摩擦面的凸点和深坑变的密集,钢轨的磨粒和黏着磨损变重,钢轨摩擦面的磨耗变严重。(2)随着地基刚度的变大,轮子和钢轨法向接触力和动态荷载的振幅略有增大,轮子和钢轨间的竖向冲击也变大,钢轨的受力状况会变得更加复杂,这将加快钢轨的损坏速度,但影响程度很小。随着地基刚度的增大,钢轨摩擦温度在不断的升高,由于在地基刚度小时,单位地基刚度的增大,对于动载系数影响较大,轮轨间应力变化大,地基刚度较大时,单位地基刚度的变化引起的动载系数的变化较小,轮子和钢轨间压力变化小,当地基刚度变大到一定数值时,单位地基刚度变化引起的动载系数的变大将非常微小,可以忽略不计,所以温度升高速率在不断的降低。在一定地基刚度范围内,地基刚度和钢轨磨耗量成正相关,随着刚度变大,轮轨接触面积变化速率不断减小,局部损伤演变变慢,磨耗量增长速率在不断减小。随着模拟地基刚度的不断变大,划痕宽度不断变窄。磨损面的划沟现象变得越来越明显,由于划沟的原因,在钢轨表面产生的沿摩擦方向的沟痕和磨粒也越来越多,钢轨磨损面的损伤程度增加。

关键词： 轮轨接触力学   轮轨接触位置   薄层模型   计算模型   数值计算   疲劳寿命  

摘要： 基于轮轨技术的铁路运输在现代交通运输中仍然居于主要地位。轮轨接触受力及疲劳破坏一直是轮轨技术研究领域的重要方向之一。轮轨表面轮廓都是由多段不同半径的圆弧曲线和直线段组成,发生接触时的几何关系和力学性能较为复杂。目前,对静止状态、车轮直线运行以及通过弯道时的轮轨接触力学性能的研究尚不够深入,对轮轨滚动接触疲劳寿命的预测也没有形成公认的计算方法。本文以普通客运列车车辆标准LM型踏面车轮和CHN60钢轨为研究对象,系统研究了轮轨接触位置、轮轨接触力学性能及轮轨滚动接触疲劳寿命。本文主要研究内容和成果包括:（1）通过对轮轨接触的几何分析,构建了轮轨表面轮廓方程,通过对轮廓数学方程的数值求解,建立了考虑轨底坡时确定接触点位置的数值计算方法,实现了对轮轨接触位置的精确计算。通过MATLAB编程进行数值计算,研究了轨底坡分别取0、1:40和1:20时钢轨和车轮的接触点随轮轨相对位置的变化规律。（2）针对轮轨接触存在曲率变化过渡点的接触力学问题开展研究,采用轮廓几何干涉代替轮轨间的接触变形,将车轮表面离散化处理为若干薄层,利用Hertz线接触理论计算单个薄层的载荷和应力,构建了能计算任意形状接触斑内最大正应力和接触斑尺寸的“薄层模型”,并对该模型进行了修正,实现了轮轨接触面存在曲率变化过渡点的情况下对接触应力的精确计算。针对具体工况进行了算例研究,设计建立了具体的试验装置,对两接触体发生接触时,接触面内存在曲率过渡点的接触问题进行了试验测试,验证了理论模型的可靠性。（3）结合“薄层模型”计算轮轨接触正应力的方法,构建了能计算直线线路上轮轨任意形状接触斑内正应力、切应力以及粘着区与滑动区分布的方法。对接触面进行离散化处理,基于弹性力学理论,实现了对车辆直线运行时接触面以下基体内部力学性能的计算。通过具体的算例,计算得到直线线路上轮轨接触面最大正应力、最大纵向切应力以及纵向切向载荷随轮对中心横移量变化的规律,对不同轮轨相对位置下车轮接触面以下各点处的Mises应力和最大切应力分布规律进行了计算研究。（4）构建了计算和分析曲线线路上的轮轨接触面和接触体内部力学性能的计算方法,该方法通过构建曲线路段上的车辆受力分析模型,结合分析直线线路上接触面和接触体内部力学性能的方法,实现了对曲线路段上各轮轨接触面正应力、切应力和粘滑区分布的计算,实现了对曲线路段轮轨接触面以下基体内部Mises应力和最大剪切应力的计算。通过具体的算例,计算研究了曲线路段上的轮轨接触面应力、基体内部Mises应力和最大剪切应力随接触位置变化的规律。针对曲线路段上列车过弯道速度、弯道曲率半径、轴重、外轨超高值等因素对外侧车轮接触面应力和内部应力的影响进行了实例计算和分析。（5）分析了轮轨在实际运行过程的接触随机性特点,通过对车轮表面轮廓的离散化取点,采用正态分布函数,建立了利用正态分布计算车轮表面各点发生接触的概率的方法。结合疲劳损伤积累假说以及疲劳曲线方程,构建了计算车轮表面各接触点疲劳寿命损伤和预测各点疲劳寿命的方法,并针对具体线路进行了算例计算研究,实现了对轮轨接触疲劳寿命的理论计算。本文的研究内容以及取得的成果可为轮轨接触几何关系和力学性能的进一步研究,以及对轮轨滚动接触疲劳寿命进行预测提供有益的理论支撑。

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、变异算子进行改进,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： 移车台   动力响应   灵敏度   优化设计   结构支承优化   接触分析  

摘要： 在机车生产或检修作业中,移车台是一种常用的大型移送设备,主要用于机车在厂房内不同轨道间的移送作业。目前,由于移车台产品结构大多采用经验设计,且无统一的设计规范,相关的研究主要针对结构设计、静力学分析及电气控制等方面,对结构的动态性能及优化设计等方面研究较少。因此,本文以某型移车台为研究对象,对其结构静、动态性能,结构优化及轮轨接触等关键技术进行了研究。利用ANSYS/LS-DYNA建立移车台结构有限元模型,计算了移车台在移动载荷作用下的动态响应,并研究了不同机车质量、不同机车速度情况下移车台位移及应力响应。分析表明:额定质量的机车以2m/s的速度在移车台上运行时,远离支承点的横梁具有较大位移响应,结构悬臂处最大垂向位移已超出许用设计值;机车质量、牵引速度对移车台各节横梁垂向位移均有较大影响;在移动载荷作用下移车台结构动态应力未超出许用应力值,且有一定的富余量。在动力响应分析基础上,结合《起重机设计规范》与当前移车台结构研究现状,确定了移车台计算工况,针对移车台结构悬臂端刚度不足问题,对结构进行了改进及优化。首先,利用ANSYS对移车台结构各设计变量进行灵敏度分析,筛选出对结构目标响应影响较大的参数以减少设计变量数量,提高优化设计效率。其次,针对移车台结构特点,提出结构支承位置优化方法并探讨支承位置改变对整体结构刚度的影响。最后,联合ANSYS与多学科优化软件ISIGHT,建立两种优化模型,其一是仅对结构尺寸进行优化,其二除尺寸变量外,引入结构支承位置变量,对这两种数学模型进行优化设计并进行对比。结果表明:仅对移车台结构尺寸进行优化时,其自重仅减少6.39%,对第二种模型进行优化时,结构自重下降了33.72%,取得了显著的优化效果,大幅度提高了材料利用率,为移车台结构方案的合理制定及改进提供了参考依据。利用有限元软件ABAQUS建立了移车台轮轨接触有限元模型,对轮轨接触特性随不同轮轨接触影响因素的变化进行了比较分析。研究表明:随着轮压的增加、车轮半径的减小、以及轨道顶面曲率半径的减小,都会导致轮轨接触压强以及内部的应力、剪应力增加;轮对横移对各接触特性无明显影响,车轮材料屈服强度的提高,会使接触应力升高,但可以改善轮轨塑性变形的现状。

关键词： D2/U71Mn轮轨材料   滑动磨损   白亮层   形成   剥落  

摘要： 摩擦磨损是轮轨表面在循环应力下产生的必然现象,随着我国高速铁路的快速发展,因磨损引起的轮轨失效已成为影响铁路安全的重要因素。尤其当列车在启动、刹车或行驶至曲线弯道时,轮轨之间发生严重的滑动磨损,接触应力受离心力的影响增大,造成轮轨表面组织发生严重塑性变形,甚至产生白层。尽管白层具有的高硬度会增加轮轨的耐磨性,同时也会产生裂纹,造成剥落。因此,研究滑动磨损下的白层形成与剥落具有重要意义。本文在试验室条件下通过MRH-5A型环块磨损试验机对D2/U71Mn轮轨材料做系统的滑动磨损试验,并采用数码相机、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM),能谱仪(EDS)、显微硬度仪以及模拟软件对不同磨损转数下的白层形成与剥落过程进行系统的研究与分析。在不同转数的滑动磨损过程中,试环(U71Mn)的磨损量值基本保持不变,而试块(D2)的磨损量逐渐增加,即试环的耐磨性要优于试块。随着滑动磨损转数的增加,试块表面磨损形式由黏着磨损逐渐转变为磨粒磨损,而试环表面始终发生轻微的磨粒磨损,但表面氧化磨损逐渐加剧。环块试样在滑动磨损过程中表面都形成纳米晶白层,该白层由铁素体纳米晶和极少量渗碳体小颗粒组成,其形成机制属于塑性变形机制。从横截面角度观察,试块表面白层的形成过程主要分为五个阶段:1)在磨损犁沟内出现月牙形塑性变形层,珠光体组织发生细化;2)磨损表面形成相对均匀的严重塑性变形层,渗碳体碎化成短棒状甚至是颗粒状;3)犁沟内形成厚度小于1μm的白层,其内组织为纳米级的铁素体和渗碳体小颗粒;4)犁沟内白层增厚成月牙形;5)相邻犁沟内的月牙形白层相互连接,厚度可达10 μm。试环表面白层的形成过程与试块基本一致,只是在相同转数下二者因变形程度不同而导致白层厚度有所差别。环块表面白层剥落过程为:主要在脊缘处产生裂纹源,表面裂纹沿着与摩擦力成30°～45°角方向向犁沟内扩展并交汇,在表层沿着白层与变形层交界处或白层内部扩展,最后使表层金属分层甚至出现金属薄片(含有白层)剥落。对本试验条件下的环块接触面的温度场进行模拟研究发现,当滑动磨损过程中的闪温时间不超过60 ms时,环块表面的温升不超过300 ℃,该摩擦升温不会对白层组织的形成过程造成影响,即不会形成再结晶白层。白层表面的显微硬度最高,约820 HV,约为基体硬度的3倍。白层表面至心部组织的显微硬度呈递减趋势。