关键词： 弹性车轮   间接测量   安全性评估   轮轨力  

摘要： 在低地板轻轨车辆中,采用弹性车轮的轻轨车辆,具有快捷、舒适、便利、噪声小等优点,成为了轻轨车辆发展的重要方向,目前投入使用的低地板轻轨车辆大多采用弹性车轮。准确的测量出轮轨力,不仅是评估车辆脱轨安全性指标的基础,也为进一步研究车辆运行性能和解决轮轨表面损伤等问题提供了理论依据。目前能够将刚性车轮加工成测力轮对从而进行轮轨力直接测量,而弹性车轮却还不能加工成测力轮对,也就不能直接测量得出轮轨力。对于具有弹性车轮的轻轨车辆,采用轮轨力间接测量方法进行线路动力学试验,对车辆的运行安全性进行准确评估,有着十分重要的工程意义。本文研究了国内外轮轨力测量的相关技术发展,分析了这些方法的优缺点及应用可行性。针对70%低地板车辆建立系统动力学模型,并将轮对结构考虑为刚性与弹性,对比了刚性与弹性结构轮对车辆模型的动力学差异。采用动力学仿真的方法,将轮轨力间接测量计算结果与仿真直接输出结果进行对比,进行误差分析,从而验证了轮轨力间接测量方法对于低地板车辆的可行性,并对其进行脱轨安全性评估,论证了联合脱轨安全域对低地板车辆脱轨安全性评估的适用性。

关键词： 激光熔覆   轮轨材料   Ni60基合金   耐磨性   摩擦系数  

摘要： 高速化是我国铁路未来发展的一个重要方向,高速容易导致轮轨的加剧磨损,影响铁路的快速发展。激光熔覆作为先进表面处理技术的一种,通过高能激光束照射熔覆材料使之和基体同时快速熔化,快速凝固,与基体形成良好的冶金结合,能明显改善材料的硬度、强度和耐磨性。本文以ER8车轮钢和钢轨钢为基体材料,熔覆材料是Ni60基合金粉末以及分别添加质量分数4%Mo,1%YO,5%ZrO后的Ni60基熔覆材料为研究对象,利用激光器设备分别对4对车轮和钢轨试样进行圆周表面激光熔覆处理,得到四种Ni60基合金熔覆层的轮轨试样,研究四种熔覆层的组织结构、硬度和耐磨性。对实验结果的分析,熔覆层主要由熔覆区、结合区和热影响区三个区域构成,其中熔覆区的组织性能最好。熔覆层组织主要由树枝晶、粒状和棒状的胞晶结构、粗大的树枝晶和平面晶组成。对硬度的测量分析,发现熔覆处理后车轮和钢轨的表面硬度提高了大约一倍。在轮轨试样的剖面上,熔覆区的硬度最高,而基体硬度最低。熔覆区硬度的提高是因为熔覆过程中存在固溶强化、晶粒细化和熔覆层组织中含有碳化物等硬质相。对磨损量和摩擦系数的分析,发现经过激光熔覆处理后试样磨损量比未经过激光熔覆处理明显减少,激光熔覆处理后摩擦系数减小,这归因于激光熔覆后熔覆层硬度、强度和韧性都得到提高,试样的耐磨性提高。

关键词： 钢轨打磨   代表廓形   轮轨接触   动力学   相似度  

摘要： 随着我国铁路交通的发展,尤其是近年来高速铁路的快速发展,钢轨伤损已成为铁路运营中不容忽视的重大问题,严重影响着列车运行的安全性与稳定性。钢轨打磨是解决钢轨伤损问题的有效策略之一,美国、日本、澳大利亚等国的大量实践经验,证明了钢轨打磨在抑制钢轨伤损、提高行车质量、延长钢轨使用寿命和降低铁路维护成本等方面的重要作用。我国的钢轨打磨技术起步较晚,与发达国家相比仍有很大的差距。目前,国内使用的打磨设备多依赖进口,也没有形成统一的打磨模式和打磨标准。因此,开展钢轨打磨技术的研究,促进我国打磨技术的发展是非常必要的。代表廓形是钢轨打磨中的一个重要研究方向,它在钢轨廓形的优化以及打磨量和打磨模式的确定等方面具有很高的实用价值。然而目前国内关于代表廓形方面的研究非常匮乏,本论文的主要目标就是对代表廓形的计算方法和评价标准等方面的内容进行探索,以填补国内在代表廓形研究方面的空白,为代表廓形的后续研究提供参考。本论文提出了基于轮轨接触关系对代表廓形的算法进行设计和评价的研究方法,并对代表廓形研究中涉及的代表廓形计算方法及其评价指标等进行了分析和试验。首先,针对钢轨测量廓形可能存在的噪声干扰和位置差异等问题,对测量数据的平滑滤波和廓形对齐等预处理算法进行了对比和分析,并确定了利用Savitzky-Golay法进行平滑和以轨头侧面直线为基准进行对齐的测量廓形预处理方案;其次,设计了最小二乘距离法、算术平均法、加权平均法和散点重构法等四种代表廓形算法,并对直线和曲线两组实测钢轨廓形的代表廓形进行了计算;然后,基于轮轨接触几何关系及接触点位置的概率分布,分析了各算法所得钢轨代表廓形与一组实测钢轨廓形的轮轨接触关系的相似度;最后,通过建立货车动力学模型,基于代表廓形和钢轨测量廓形,分别对车辆在直线和小半径曲线上运行时的安全性和稳定性等指标进行了动力学仿真计算和对比分析。结果表明:在直线和曲线区段,算术平均法和散点重构法所得代表廓形与测量廓形组的接触几何相似性基本都能达到中等相关或强相关的水平,而最小二乘距离法和加权平均法所得代表廓形与部分测量廓形的接触几何相似度仅有弱相关水平;经进一步比较发现,算术平均法所得代表廓形与钢轨测量廓形组的轮轨接触关系相似度最高,散点重构法次之,而加权平均法和最小二乘距离法较差;通过动力学仿真和分析,四种代表廓形算法所得代表廓形的轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等动力学性能指标的统计特征和分布百分数曲线均比较接近钢轨测量廓形组的对应指标或趋于测量廓形组对应指标的平均水平。

关键词： ANSYS   接触应力   高速列车   有限元  

摘要： 轮轨关系是轨道与交通工程的重要课题,轮轨接触问题则是轮轨关系的基础问题。随着客运列车运行速度的不断提高,轮轨相互作用的情况越来越复杂,也带来了高速列车开行的一些问题,例如轮轨之间磨耗加剧、车轮踏面损伤增加、换轮换轨频数明显上升等等。轮轨关系问题如果得不到很好地解决,将会影响我国铁路运输的发展,所以说研究轮轨接触问题已经到了刻不容缓的地步。本文主要运用有限元方法,对不同影响因素下的轮轨接触应力进行了计算分析。本文首先介绍了课题研究背景以及意义,然后概述了轮轨滚动接触的国内外研究状况,进而介绍了经典轮轨滚动接触理论以及有限元轮轨滚动接触理论。在此基础上,运用有限元软件ANSYS为工具,建立轮轨三维有限元模型,并计算分析不同工况参数以及材料力学性能对轮轨接触应力的影响。基于此模型,计算分析了工况参数,如轴重、横移量、冲角、角速度等,以及材料力学性能,如弹性模量、屈服强度、泊松比等对轮轨接触应力的影响。结果表明,随着轴重的不断增大,轮轨Mises应力以及剪切应力均不断增大,并且增加幅度较大,轴重对轮轨接触斑形状,面积以及轮轨接触应力均产生了较大影响。而随着横移量以及冲角的变化,轮轨接触点位置会变化,进而轮轨接触区Mises应力以及剪切应力分布位置和数值都会发生变化。车速对接触斑形状,面积以及剪切应力影响很小,而车速超过了440km/h时,轮轨Mises应力将明显增大。材料特性中,弹性模量以及屈服强度影响Mises应力以及剪切应力的变化,泊松比主要影响剪切应力的变化,对Mises应力的影响较小。

关键词： 无芯模旋压   轨迹规划   变进给比   弯曲量   环向应变量   综合加工量  

摘要： 在金属塑性成形领域,旋压作为一项特殊的加工工艺,因其具有无屑加工、产品精度高、功耗低等优点而越来越多的受到关注。本文针对无芯模旋压中加工量的表征方式存在的不足,首先对本课题组提出的弯曲量和环向应变量两种加工量在旋轮轨迹规划和变进给比方面进行对比,分析两者各自的优缺点,然后根据两种加工量推导出综合加工量,最后基于综合加工量进行轨迹规划和变进给比研究,并验证了基于综合加工量的轨迹规划和变进给比方法的有效性。本文分为六章,主要内容如下:第一章介绍了旋压的加工方法,并阐述了无芯模旋压的研究背景和意义,列出了无芯模旋压技术的国内外研究现状,给出了本文的主要研究内容和组织框架。第二章列举出了本课题组提出的两种加工量表征方式——环向应变量和弯曲量,介绍了本文所用的实验结合仿真的研究方法,给出了实验的平台和相关工艺参数,总结了旋压仿真中所用的有限元显式动力学理论并给出了仿真软件中相关参数的选取。第三章对基于两种不同加工量的轨迹规划与成形质量关系进行对比研究。控制理想形状曲线和工艺参数一致,分别设计各道次等弯曲量和等环向应变量的轨迹规划实验,得出等弯曲量的轨迹规划方式较等环向应变量的规划方式形状精度更高而壁厚减薄更严重的结论;在两种加工量的表征下,通过提高终道次的加工量占比进行轨迹规划优化,基于环向应变量的优化方法较弯曲量的优化方法对形状精度的提高幅度更大。第四章对基于两种不同加工量的旋轮变进给比与成形质量关系进行对比研究。控制理想形状和加工总时间相同,分别设计各道次等平均弯曲量变化速度和等平均环向应变量变化速度的道次间变进给比实验与终道次等弯曲速度和等环向应变进给比的道次内变进给比实验,得出基于弯曲量的道次间和道次内变进给比较基于环向应变量的变进给比方法得到的形状精度更高而壁厚减薄更严重的结论;在两种加工量的表征下,通过提高终道次的加工时间占比进行道次间变进给比优化以及提高道次内变进给比的道次数进行道次内变进给比优化,结果显示基于弯曲量的道次间和道次内变进给比优化方法较基于环向应变量的变进给比优化方法得到的形状精度更高而壁厚减薄更大。第五章提出了基于综合加工量的轨迹规划和变进给比方法。根据弯曲量和环向应变量推导出综合加工量的公式,基于等综合加工量进行旋轮轨迹规划,并通过终道次综合加工量占比的提高进行轨迹规划优化,结果显示基于综合加工量的轨迹规划和优化方法得到的形状精度高于基于弯曲量的方法且抑制了壁厚的减薄;基于等综合加工量变化速度进行道次间和道次内变进给比以及通过终道次加工时间占比提高进行道次间变进给比优化和道次内变进给的道次数提高进行道次内变进给比优化,得出基于综合加工量的变进给比方法在有效抑制壁厚减薄的前提下能大幅提高形状精度的结论。第六章总结了本文的主要研究成果,并指出了研究中存在的不足,对下一步的研究进行展望。

关键词： 重载铁路   车辆-轨道耦合动力学   轮轨磨耗预测   影响规律分析   钢轨型面优化  

摘要： 重载铁路运输运能大、效率高、运输成本低,是世界铁路货物运输发展的共同趋势。在铁路轮轨系统存在的诸多病害中,车轮与钢轨的磨耗现象一直是最为普遍并且难以解决的问题。轮轨磨耗引起车轮与钢轨型面的改变,进而会导致轮轨接触状态和系统动力性能发生变化,对列车运行稳定性、安全性及系统各部件使用寿命都会产生较大影响。对于重载铁路而言,轮轨磨耗问题尤为突出,养护维修工作巨大,磨耗超过一定限度如果没有及时更换,则可能引起列车脱轨等重大事故。本文针对重载铁路发展过程中凸显出的轮轨磨耗问题,在对既有研究进行调研分析的基础上,创建了较完善的轮轨磨耗演化发展的数值仿真预测模型,可对实际运营条件下车轮和钢轨的磨耗分布特征、发展过程、规律进行分析预测。首次对轨道柔性在磨耗计算中的影响进行了探索研究。对关键参数、措施对于轮轨磨耗具体分布发展的影响规律进行了系统的研究。提出了一种新的钢轨型面优化数学模型方法,并采用此方法对重载铁路R75钢轨型面进行了优化设计,给出了R75钢轨优化型面。主要研究工作和成果如下:(1)创建了轮轨磨耗演化发展的数值仿真预测模型·针对轮轨磨耗问题目前的研究现状及存在的问题,对重载铁路轮轨磨耗演化过程的数值模拟进行了深入研究,提出并建立了整套的轮轨磨耗演化发展预测模型。模型由车辆-轨道耦合动力学计算、轮轨滚动接触分析、材料摩擦损失模型、复杂运营条件的模拟策略、型面更新自适应步长方法等内容组成。基于Archard材料磨损理论模型,在车辆轨道耦合动力学仿真和轮轨局部接触分析基础上进行轮轨接触斑磨耗深度分布计算;通过多工况仿真并引入无量纲的权重因子来实现对实际铁路复杂运营条件的合理模拟;采用了一种自适应步长算法进行轮轨型面的更新,可有效减少误差累积、改善数值模型的稳定性和可靠性。开展数值试验对轮轨接触斑网格密度对于粘着区滑动区分布、蠕滑力分布、轮轨磨耗深度分布、轮轨磨耗速率指标等的影响进行了系统分析,对磨耗模型中合理的接触斑网格密度取值进行了探讨。(2)针对既有研究空白,首次对软道柔性对于轮软磨耗计算的影响进行了探索研究·既有磨耗数值仿真研究中均未考虑轨道柔性的影响,针对此研究空白,本文对柔性轨道对轮轨磨耗的影响进行了探索研究。首先,基于Pearce-Sherratt摩擦功磨耗理论建立了一种简化的轮轨磨耗计算模型,以提高磨耗计算速度。通过与所建立的精确磨耗模型对比,对简化模型的合理性进行了验证。然后基于有限单元浮动坐标方法(FE/FFR)建立柔性轨道模型,通过缩减模态技术减少钢轨振动变形模态坐标数目、消除高频模态以减小计算代价。然后通过合理的轮轨接触算法和钢轨几何型面更新策略实现车辆系统与柔性轨道系统的动力学耦合。最后基于所建模型通过数值试验明确了理想轨道条件下和不平顺轨道条件下柔性轨道对于轮轨磨耗发展的影响特性。(3)系统研究掌握了实际运营条件下重载铁路车轮及钢轨磨耗演化发展规律。通过系统的仿真分析,掌握了重载铁路直线地段和曲线地段钢轨的磨耗分布特征和发展规律、以及车辆通过曲线条件下不同位置车轮的磨耗分布发展特性,同时也验证了所建立的磨耗预测模型的合理性。并对大秦铁路实际线路运营条件下重载车辆各车轮的实际磨耗发展过程进行了数值仿真预测。(4)率先对关键材料、结构参数及措施对于轮轨磨耗分布发展的影响规律进行了系统研究,为线路设计、运营、养护提供了理论依据和参考。设计开展了系统的数值试验,对轮轨材料硬度、钢轨轨底坡、货车轴重、运行速度等主要的材料结构参数及钢轨润滑等减磨措施对于轮轨磨耗水平以及具体分布发展状况的影响规律、特点进行了系统研究,并提出了系列的建议和原则。为线路设计、运营管理及养护维修提供了理论依据和参考。(5)提出了一种新的钢轨型面优化模型方法,并给出了重载铁路R75钢轨优化型面,可有效改善轮轨动力相互作用,减缓磨耗发展。对重载铁路钢轨型面的优化设计问题进行了深入研究,提出了一种新的钢轨型面优化数学模型方法。将钢轨型面参数化处理,表示为一系列离散点坐标变化量的广义函数。然后以所有可能轮轨接触情形下接触点附近轮轨型面共形度最高为原则设计优化目标函数。在目标函数构造过程中,编制了轮轨接触几何算法以实现轮轨接触点位置的快速探测。为了满足一些基本限制,施加了一系列线性/非线性约束条件。这样,将钢轨型面优化问题创新性地抽象为一个典型的单目标多变量多约束非线性数学优化问题。采用序列二次规划算法(SQP)结合拉格朗日方程、拟牛顿方法实现对此优化模型的快速准确求解。基于所建立的优化模型,对我国重载铁路R75钢轨型面进行优化设计以更好地匹配LM型车轮型面,并提出了 R75优化型面。分别从型面几何特征、轮轨接触几何关系、车辆-轨道系统动力学性能并最终从轮轨磨耗发展方面对优化型面和原始型面进行了系统的对比分析。结果表明,优化型面可有效改善轮轨接触几何关系及

关键词： 快速货车   蛇行运动   参数优化   动力学  

摘要： 铁路是交通运输的大动脉,对国民经济的增长起着非常重要的作用。目前,各国都在大力发展高速铁路,并取得了一定的成就。我国也在积极发展快速化铁路运输。高速客运专线的开通为货运的快速化提供了有利的条件,同时也对货运列车的速度提出了更高的要求。因此,快速货车的研制就变得相当重要。自2000年以来,我国先后研制出一系列快速货车,并取得了一定的成果,但是离商业化运营的快速货车的成功研制还是有一定的距离,原因是目前的技术还不够成熟,没有形成相关的标准,列车在高速下运行时的一些关键技术还没有解决,尤其是列车在高速下运行时的运动稳定性和平稳性是亟待解决的问题。基于此背景,本文开展了快速货车横向运动动力学特性和系统参数优化的研究。本文结合我国快速货车的技术特点和运行速度的要求,利用经典的多刚体动力学理论建立起具有19自由度的快速货车系统非线性数学模型,模型中考虑了非线性轮轨间作用力以及心盘、旁承与车体间干摩擦等强非线性因素,应用数值积分方法分别对车辆系统在直线轨道和稳态曲线轨道上运行时的动力学行为及分岔特性进行了细致的研究,以全面了解车辆系统的运动特性。同时,还对车辆的部分悬挂参数和结构参数对车辆系统动力学性能的影响做了研究,以期优化车辆的动力学性能,为车辆优化设计提供理论参考。研究表明:车辆的一系悬挂纵向、横向刚度和二系悬挂横向刚度越大,车辆的临界速度越小,二系悬挂纵向刚度变大,车辆临界速度则先上升后下降。轮轨间摩擦系数和车辆轮对踏面等效锥度对临界速度的影响很显著,其中轮轨间摩擦系数增大,车辆的临界速度明显上升,而随车轮踏面等效锥度的增大,车辆临界速度则明显下降。在车辆超过临界速度运行的过程中,对称的系统中会出现不对称的运动过程,不对称的系统中也会出现对称的运动过程。随着这些参数的变化,系统还表现出不同的动力学特性,通过这些参数对车辆系统动力学性能影响的深入分析,获得了每个参数的最优取值区间,为改善车辆的动力学性能,设计出更高速度,动力学性能更优的快速货车提供了一定的理论参考。

关键词： 有限容积法   轮轨关系   接触斑   接触应力  

摘要： 轮轨接触关系是车辆正常运行的基本条件,肩负着承载、牵引、制动等重要使命,轮轨关系是车辆轮轨系统中最基本而又十分复杂的问题,随着铁路运输重载化和高速化的发展,准确分析轮轨关系对铁路运输的经济性和安全性具有重要的意义。机车车辆在轨道上运行时,轮轨接触关系涉及到多种物理现象:车轮在轨道上运行,承受巨大的载荷,轮轨之间存在弹塑性滚动接触问题,这是固体力学问题;轮轨接触过程,车轮在轨道上将发生摩擦产生热量,热量须及时传输,这是典型的传热学问题;列车高速运行,相对于车轮,其周围的空气在迅速流动,且车轮转动会诱导空气流动,这是典型的空气流动问题。轮轨接触因摩擦而产生热量,空气流动加速热量的散失,热量的及时散失有利于轮轨之间的相互作用。因此列车运行过程中轮轨接触关系是一个典型的固体力学-传热学-流体力学耦合的问题。为此,发展一种基于同一理论基础的数值方法解决上述多学科耦合的轮轨关系问题具有重要的意义。本文采用有限容积法求解轮轨接触应力场,有限容积法是基于守恒原理的一种数值方法,其离散格式和边界条件的处理十分规范。论文基于赫兹接触理论,对轮轨接触关系进行了定性分析,阐述了接触斑的产生和接触斑的划分。轮轨接触问题是固体静力学问题,论文将固体静力学方程和流体流动方程进行类比,找到了适合有限容器法求解的固体静力学方程,并对方程和边界条件进行了离散。论文以单侧车轮和钢轨为模型,建立轮轨静止接触模型进行计算,结果表明车轮上接触斑和钢轨上接触斑大小基本一致,接触斑均呈椭圆形分布。钢轨上接触斑半长轴、半短轴与赫兹理论计算的接触斑半长轴、半短轴之间的误差分别为:5.93%、6.32%,说明用有限容积法求解轮轨接触问题是可靠的。车轮和钢轨接触斑表面,应力随接触斑也呈椭圆形分布,接触斑中心附近应力较大,由接触斑中心向外,应力逐渐减小。车轮和钢轨接触斑大小一致、位值相对应,接触斑上应力的分布也相互吻合。接触斑上应力从接触斑表面向内传递,使得接触斑附近应力在空间上呈椭球形分布。钢轨接触斑表面平均应力为:708.8 MPa,最大接触应力为951 MPa,最大应力大于钢轨材料的屈服极限883.0 MPa,这部分大于屈服极限的应力可能会造成钢轨表面点蚀、脱落等失效形式。

关键词： 轮轨   曲线半径   重载运输   货物运输   轮轨磨耗   损伤行为   影响因素分析  

摘要： 本文针对国内外重载运输运用情况、重载运输轮轨伤损的原因及影响因素,提出轮轨损伤问题的防范和治理措施的解决方案。在重载铁路运输行业起到提升重载列车综合性能、铁路劳动生产率和铁路车辆运行安全性的作用。如付诸现实将产生较大的社会效益和经济效益。

关键词： 地铁车辆   型面匹配   有限元   动力学   型面优化  

摘要： 轮轨关系问题一直是城市轨道交通的重要研究课题,伴随着我国地铁建设的大量开展,地铁线路轮轨的磨耗问题将会更加严重,其中地铁直线段线路长度占地铁总线路长度很大比例,车轮踏面与钢轨轨顶处的型面配合情况将决定轮轨的磨耗速度。地铁车辆高速行驶时在某些直线地段上车辆的平稳性能较差,极大的影响了乘客乘车的舒适性。良好的轮轨型面匹配不仅可以减少轮轨磨耗、提高车辆运行平稳性,同时可以减低城市轨道交通的运行成本,提高地铁的运营效益。本文以北京六号线地铁车辆和某段直线线路作为研究对象,通过对现场实测获得了大量不同磨耗程度的轮轨型面,并挑选出具有代表性的磨耗状态型面。对标准/磨耗轮轨型面进行交叉匹配并建立了四组轮轨接触三维有限元模型,计算分析了空载、定员和满员的地铁车辆在不同轮对横移量下的轮轨接触斑和最大轮轨等效应力。利用动力学软件SIMPACK分别对四组轮轨型面匹配下,不同载员和不同速度时地铁车辆直线段运行时的临界速度、轮轨作用力、车辆平稳性与舒适度和轮轨磨耗功率等动力学性能进行分析。根据轮轨接触情况和动力学性能的分析对地铁直线段钢轨型面进行优化,分别用标准/磨耗车轮型面与优化后钢轨型面进行匹配,计算并分析了车轮与优化后钢轨的接触情况和车辆动力学性能。结果表明:优化后轨顶和钢轨侧面的接触情况得到有效改善,优化钢轨型面后车辆的临界速度、横向平稳性和舒适性提高,轮轨横向力和磨耗功率均有所降低。为地铁直线段轮轨的减磨、提高车辆运行平稳性和钢轨型面优化提供一定的理论依据。