关键词： 轮轨接触   有限元   热力耦合   对流换热   基础刚度   迎顺缝不平顺  

摘要： 经济的快速发展推动着铁路的快速发展,铁路的快速发展又推动着经济的快速前进,尤其在我国,这种相辅相成已然形成。列车需要克服摩擦又要依靠摩擦来提供动力,从世界上第一条铁路建成以来,这个矛盾一直吸引着各国科研工作者去潜心研究、取舍。轮轨接触复杂,虽已被大量研究者研究详细,因高温、高速化辅助监控设备的缺失,轮轨摩擦学受这些方面的制约慢慢发展到瓶颈,还有部分影响轮轨接触的边界条件考虑不细致。文中首先介绍了轮轨接触研究现状和发展历程(从动力学到摩擦学),轮轨接触研究中ANSYS有限元软件的引入,以及轮轨接触相关理论。建立了轮轨接触有限元模型,详细介绍了应用软件建模的过程,以及轮轨摩擦的三维非线性热传导方程,体现了应用数值模拟软件来研究轮轨接触问题可以大量节省人力、财力,甚至达到试验无法观测的效果。通过大量的文献查找发现大量的科研工作者在研究轮轨摩擦中忽略了对流换热系数和轨底基础刚度对轮轨接触特性的影响,铁路线路跨区域大,形成区间环境复杂,轮轨间的对流换热和轨底基础刚度均因区域变化而不同,作者通过建立轮轨接触有限元模型,模拟分析了上述两种边界条件变化对轮轨接触特性的影响;结果发现,1m/s、2m/s速度下的轮轨接触区最高温度时程曲线在不同对流换热下的发展趋势基本相同,2m/s无对流换热工况对接触区温度、接触压力、应力、接触面积影响很大,照比有对流换热的接触区温度高很多,1m/s情况下有无对流换热系数对轮轨的接触特性影响不大,变相说明不同速度下轮轨滑动生热功率不同,受到对流换热系数的影响也不一样,建议目前将车轮滑动速度设为1m/s、2m/s、5m/s的轮轨摩擦研究中,甚至是滚动研究中,不要忽略对流换热系数对轮轨接触特性的影响,具体问题具体分析,最好采用实验实测对流换热系数来研究;在不同基础刚度下,500MPa基础刚度的轮轨接触区最高温稍大于其他两种工况,从总体时程曲线来看,基础刚度对接触区温度的影响不大。随着基础刚度的增加,轮轨接触区的接触面积逐渐减小,从滑动伊始到温度时程曲线最大温度,轮轨的接触面积增大到2.2倍左右。静力分析过程中,轮轨接触区的等效压力和等效应变均随着基础刚度的增加而减小,在最大温升时刻,三种基础刚度的最大等效应力数值相等且温度基本一致。轨道迎顺缝的存在对铁路行车安全和旅客舒适度以及线路维修养护均有很大的危害,通过对0.1mm、0.3mm、0.5mm三种迎顺缝高度的轮轨接触模拟分析,得出了迎顺缝两种轨道不平顺下的应力应变分布特性,随着迎缝高度的增加,碰撞接触区的最大温度越高,在滑动最终时刻,接触区温度已经达到1000℃之多,无论迎顺缝,不同高度间的轮轨接触区温度、应力、应变差别不大,原因可能是车轮滑动速度太小,对轮轨冲击效果不显著所致。

关键词： 直线电机   轮轨交通   磁悬浮   优势比较  

摘要： 直线电机轮轨交通方式兼具轮轨牵引交通方式和磁悬浮交通方式的优点，是两种交通方式的结合体，在工程建造、运营效果、环境友好方面都有突出的优势。自20世纪80年代起，加拿大、日本、美国、马来西亚、中国等国家在部分城市轨道交通线路上纷纷采用了直线电机轮轨交通系统。本文就其各自的不同之处分别论述和比较。

关键词： 防爆起重机   轮轨摩擦   实验台搭建   试验   有限元仿真  

摘要： 防爆起重机是一种重要的特种设备,广泛地应用于化工、石油、煤矿等行业。为了保证防爆起重机的作业安全,行业标准规定了起重机的运行速度上限,但根据调研发现该标准的制定缺乏依据。防爆起重机的运行速度上限过小,会严重损害企业的工作效率,而运行速度上限过大,又会威胁到作业安全,因此制定合理的起重机运行速度上限标准是十分必要的。防爆起重机轮轨摩擦温度和摩擦火花是影响运行速度上限标准制定的两个最主要因素,本文通过研究各主要因素对起重机摩擦温度和火花的影响,为标准修订提供数据支撑和理论依据。论文搭建了起重机轮轨摩擦模拟试验台,通过试验研究了速度、轮载、危险工况、车轮直径、轮轨材质等因素对车轮摩擦温度的影响,并利用有限元对轮轨摩擦温度进行仿真分析。本文所做的工作主要如下:首先,本文在原有简易的试验装置基础上进一步搭建本论文所需实验台,研制了啃轨约束装置、摩擦火花观测装置,搭建了恒温室,设置了安全保护装置,以及完善了温度测量装置等,为后续的轮轨摩擦温升试验提供了可靠的平台。其次,本文选择和制定了合理试验方法与步骤,通过试验研究速度、轮载、危险工况这三个因素对车轮摩擦温度的影响,并根据试验结果总结了上述因素对车轮温度的影响规律,从而为防爆起重机作业提供了有效、可靠的指导。再者,本文通过试验研究了正常工况下车轮直径、轮轨材质等因素对车轮温度的影响,总结了上述因素对车轮温度的影响规律。此外,本文还在低载条件下进行了抱死滑动试验,研究了材质对轮轨产生摩擦火花能力的影响。最后,本文建立了轮轨接触模型和传热模型,对起重机轮轨滚动摩擦温升和轮轨滑动摩擦温升进行了有限元仿真。结果表明轮轨滚动摩擦有限元仿真结果与试验数据比较接近,验证了试验数据的合理、可靠性,轮轨滑动摩擦有限元仿真得到了抱死滑动工况下轮轨摩擦温升特性,对实验研究进行了补充。

关键词： 高速铁路   钢轨打磨   打磨廓形   车辆系统动力学   容差性能  

摘要： 整个铁路运输系统里的主要组成部分包括钢轨和车辆,而钢轨承受着来自车辆的全部重量,必然会出现各种伤损。钢轨的养护维修,对延长钢轨寿命、提高铁路运行品质和安全性都具有重要意义。钢轨打磨作为钢轨养护的重要手段之一,通过钢轨打磨不仅能达到恢复钢轨原始廓形的目的,还能通过改变钢轨廓形,起到改善轮轨关系、预防钢轨伤损的发生和发展的作用。而在实际打磨作业中,由于打磨列车的工作状态和轨道线路的复杂状态等诸多因素会使得钢轨的实际打磨廓形与目标廓形之间产生一定的误差,这必然会引起轮轨关系发生变化,将这种钢轨打磨廓形容忍这些误差的能力定义为钢轨打磨廓形的轮轨关系容差性能。因此,研究钢轨打磨廓形的轮轨关系容差性能对于实际钢轨打磨作业具有很大的理论价值和现实意义,并能为制定钢轨打磨质量检验标准提供理论依据,本文的主要工作和结论如下：(1)首先对国内外钢轨打磨的研究现状进行了详细阐述,根据研究现状提出了本文的研究意义和方向。(2)调查发现国内常用的高速铁路钢轨打磨廓形主要有三种,包括CN60、60N和BST,并对比了三种打磨廓形的几何差异;通过轮轨接触几何和接触力学对钢轨打磨廓形的轮轨静态接触特性进行分析,并建立车辆系统动力学模型对钢轨打磨廓形的动力学性能进行分析,从以上两个角度对钢轨打磨廓形的性能进行综合评价。研究结果表明：将60 kg/m (CN60)以60N廓形为目标廓形所需的打磨量为39.6 mm2,而以BST为目标廓形所需的打磨量为11.4 mm2;三种高速铁路钢轨打磨廓形与LMa新轮匹配时的静态接触特性和动力学性能相差不大,而在与磨耗严重的LMa踏面匹配时的性能BST和60N廓形均优于CN60。(3)对国内某客运专线钢轨打磨进行了现场调研,分析钢轨打磨的工艺误差造成的廓形旋转、平移以及外形变化对钢轨打磨廓形性能的影响,研究了钢轨打磨廓形的轮轨关系容差性能。研究结果表明：钢轨打磨廓形对廓形旋转和平移具有较好的容差性能,而钢轨打磨工艺误差会造成打磨廓形几何外形产生不规则的变化,对其轮轨静态接触特性有一定影响,但对廓形的动力学性能影响不大。

关键词： 轮轨   有限元   踏面剥离   塑性变形   疲劳  

摘要： 轮轨滚动接触疲劳损伤是铁路工业界难以解决的技术问题。随着列车速度、轴重的提高,轮轨滚动接触疲劳损伤现象变得日趋严重,导致较高的铁路运输成本,直接影响铁路运输安全。虽然人们通过理论和数值方法对轮轨滚动接触疲劳损伤有一定程度的认识,但对于不同类型疲劳损伤形成机理并没有完全理解和掌握。因此,开展轮轨滚动接触疲劳损伤研究具有重要的理论指导意义和工程应用背景。本文在详细论述轮轨滚动接触疲劳破坏现象分类及其研究历史与现状的基础上,主要以车轮踏面滚动接触剥离损伤现象为研究对象,采用轮轨滚动接触理论与有限元仿真计算相结合的方法,研究移动载荷条件下车轮踏面剥离损伤的形成过程。主要研究内容如下:1、建立了车轮滚动接触三维弹塑性有限元模型。模型中接触斑形状、黏着区和滑动区划分、接触法向应力和切向应力分布由Kalker三维非Hertz滚动接触理论确定。采用能描述材料塑性累积的循环塑性本构模型,研究了不同滚动接触条件下车轮的残余应力、应变和变形,获得车轮材料在循环滚动接触条件下,应力、应变和变形的变化规律。2、通过车轮滚动接触三维弹塑性有限元模型,将仿真计算得到的应力应变历程作为多轴低周疲劳预测模型的输入量,用以预测车轮材料在滚动接触条件下疲劳裂纹萌生位置和萌生循环数等。最后车轮将滚动接触疲劳寿命预测结果与现有滚动接触疲劳双盘试验结果进行了对比分析,验证了滚动接触疲劳寿命预测方法的可行性。3、建立了带缺陷孔的车轮滚动接触弹塑性有限元模型。模型中考虑了循环移动载荷条件下车轮材料缺陷孔处残余变形累积。采用基于应变能的疲劳损伤参量和基于临界平面法的多轴低周疲劳模型,研究了法向接触载荷、缺陷孔深度和摩擦系数对材料缺陷孔处疲劳损伤参量和疲劳裂纹萌生循环数的影响,获得了疲劳损伤参量在不同参数影响下沿缺陷孔圆周的分布规律。4、建立了表面斜裂纹、亚表面裂纹和表面多裂纹三种不同形式裂纹的有限元模型,运用线弹性断裂力学理论分析了车轮在移动载荷作用下裂纹尖端应力强度因子的变化规律。研究了垂向接触载荷、表面摩擦系数、裂纹面摩擦系数、裂纹长度、斜裂纹角度、多裂纹间距和制造残余应力等因素对裂纹尖端应力强度因子特性的影响。基于裂纹尖端应力强度因子的变化规律,分析了不同作用工况下裂纹的扩展特性。5、基于以上对不同形式裂纹尖端应力强度因子特性的研究,采用适用于多轴非比例载荷作用条件下的裂纹扩展准则,研究了表面斜裂纹、亚表面裂纹和表面多裂纹三种形式的初始裂纹在多种工况下的裂纹扩展行为,得到了不同形式裂纹在移动载荷条件下的裂纹扩展路径,揭示了车轮踏面材料的剥离过程。6、研究了轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展和轮轨材料磨耗之间的耦合竞争关系。利用轮轨表面裂纹扩展和磨耗耦合分析模型,分析了表面摩擦系数、最大接触压力、裂纹面摩擦系数和磨耗系数等不同参数影响下,材料磨耗对滚动接触疲劳裂纹扩展的影响。

关键词： 轮轨相对位移   直方图均衡化   阈值分割   区域生长   meanshift算法   hough变换  

摘要： 高速铁路技术发展迅速给人们的生活带来了巨大的方便;由于机车运行速度的不断增大,以及客运量的增加,导致列车轮轨间的互相作用更加剧烈,容易引发磨损、疲劳和脱轨等故障。轮轨接触状态是轮轨关系最基本的研究内容,而轮轨接触点位置变化是分析轮轨接触状态最直接的反映。所以监测、分析轮轨接触点的位置对监测车辆运行的稳定性、安全性有着重要作用。本文以机车轮轨相对位移变化检测为研究目的,搭建一个基于Qt的数字图像检测系统,实现了轮轨相对位移的检测。在整个轮轨相对位移检测的过程中,本文开始提出一种检测轮轨相对横向位移的方法,该方法是基于摄相机和激光源相结合的轮轨相对横移检测方法,即将摄像机和激光源分别安装在转向架上并使其位于车厢底部,当发生横移时,可以利用激光点在轨道侧面的位移来反映轮轨的相对横向位移。经过更深一步研究,提出了基于摄像机垂直拍摄的轮轨相对位移检测方法,该方法是将相机垂直安装在转向架上,利用相机相对于转向架保持相对静止的特点,通过轨道在图像中的横坐标变化来测量轮轨的相对横向位移;同时把激光源也安装在转向架上并使激光照到轨道上,利用激光点相对相机静止的特点,通过激光点在轨道图像中的纵坐标变化来测量轮轨的相对垂直位移。方法一采集的轮轨图像明暗对比度低,用了直方图均衡化进行预处理,由于激光点在图像上映射成一片小区域,为了准确的提取出激光区域中心像素点位置,先采用了基于阈值分割的激光点粗略定位方法搜寻到激光区域中亮度最大像素点,然后采用了基于区域生长的激光点精确定位方法计算出了中心点位置,实现了横移的检测。方法二在无砟和有砟轨道两种不同条件下实现了机车轮轨相对位移检测、数据显示和存储。由于检测环境的影响,无砟和有砟条件下的轨道图像经过meanshift算法预处理后,才能够用hough变换有效的分割出轨道图像,从而确定轨道区域,以达到轨道边缘提取的目的,实现相对横移检测;而相对垂移检测方法跟方法一样,获取激光点在图片上的位置。通过分析相对位移检测误差表明,该系统不仅能显示轮轨相对位移,而且对检测环境有较强的适应性,这对进一步探索和评价机车运行安全性机理有着重要的意义。

关键词： 轮轨   摩擦磨损   耐磨性   磨耗量   珠光体  

摘要： 研究轮轨摩擦副的摩擦磨损行为及损伤机理,对减轻钢轨磨损、提高轮轨运行寿命具有重要的学术价值和现实的经济及安全意义。本文根据赫兹模拟准则,设计实验室轮对试样尺寸和试验参数。在摩擦磨损试验机上模拟17 t轴重高速铁路和25 t轴重重载铁路实际运行情况。利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）对摩擦副轮对的组织进行观察,采用能谱仪（EDS）对磨痕进行成分分析,并对微区进行硬度测试。综合组织观察、表面成分分析、磨耗量测试等结果,研究干态摩擦磨损行为及损伤情况。研究的主要内容及结论如下:用U68CuCr钢轨、U75V钢轨试样分别与D2车轮钢试样组成摩擦副,模拟17 t轴重高速铁路实际运行。用U68CuCr钢轨、U75V钢轨试样分别与ER8车轮钢试样组成摩擦副,模拟25 t轴重重载铁路实际运行。磨损实验结果表明:相同条件下,同一组摩擦副中,车轮的磨耗量比钢轨的磨耗量大。与U75V钢轨匹配的车轮试样比与U68CuCr钢轨匹配的车轮试样的磨耗量大,U75V钢轨试样比U68CuCr钢轨试样的耐磨性差,这可能是因为U68CuCr钢轨有较细的珠光体组织,其更有利于提高钢轨的耐磨性。在重载条件下,磨损时间较短（5 h）时,轮轨试样只会出现塑性变形层。磨损实验时间较长（11 h）时,轮轨试样中塑性变形层和白层现象同时出现,且车轮试样严重受损;U68CuCr钢轨的磨耗量与U75V钢轨的磨耗量差异变小,U68CuCr钢轨匹配的ER8车轮的磨耗量与U75V钢轨匹配的ER8车轮的磨耗量差异增加。在高速（低轴重）时,轮轨磨耗机制以氧化磨损为主,磨粒磨损、粘着磨损为辅。在重载（高轴重）时,轮轨磨耗机制以氧化磨损、磨粒磨损为主,粘着磨损为辅。

关键词： 轮轨材料   表面疲劳裂纹   形成机理   垂向力   冲角   剪切力  

摘要： 由于高速铁路轮轨磨耗相对较小,轮轨表面滚动接触疲劳成为其主要损伤形式,对其的研究已成为轮轨关系中一个至关重要的课题。因此,研究轮轨材料表面疲劳裂纹的形成机理与演变规律,有助于现场轮轨材料表面疲劳损伤的预防,减少轮轨材料表面疲劳损伤而引发的各种问题。利用WR-1轮轨滚动磨损试验机在干态下开展轮轨材料表面疲劳损伤实验,借助电子天平、硬度仪、数码显微镜、光学显微镜、激光共聚焦扫描显微镜和扫描电子显微镜等手段,分析了干态下影响轮轨材料表面疲劳裂纹萌生和扩展的因素,阐明了轮轨材料表面疲劳裂纹的形成机理与演变规律。论文研究得出的主要结论如下：(1)随垂向力、横向力和冲角增加,车轮试样磨损率增大,表面塑性变形层厚度增加。随循环次数增加,轮轨试样磨损率和表面硬度均趋于稳定,表面塑性变形层厚度增加。随实验后期垂向力和冲角增加,轮轨试样磨损率增大,表面塑性变形层厚度增加,表面硬度降低：随实验后期垂向力和冲角减小,轮轨试样磨损率降低小,表面塑性变形层厚度降低,表面硬度增加。(2)垂向力、横向力和冲角对车轮材料表面疲劳裂纹的萌生与扩展有明显影响;随垂向力、横向力和冲角增大,车轮材料表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;大冲角工况下斜线状表面疲劳起皮萌生扩展明显;不存在冲角的工况下,车轮试样无斜线状表面疲劳起皮剥落损伤。(3)轮轨材料在周期性的循环载荷作用下萌生微裂纹并扩展成不同的表面疲劳损伤形貌;钢轨试样斜线状表面疲劳裂纹沿与剪切合力垂直的方向扩展,车轮试样疲劳起皮剥落沿着剪切合力方向向前扩展。(4)随实验后期垂向力增加,轮轨材料表面疲劳损伤均减轻：随实验后期垂向力减小,钢轨试样表面疲劳损伤加重而车轮试样表面疲劳损伤减轻。随实验后期冲角增加,轮轨材料表面疲劳损伤减轻;随实验后期冲角减小,轮轨材料表面疲劳损伤加重。(5)钢轨试样表面形成疲劳裂纹损伤后沿深度方向扩展的角度较大,车轮试样裂纹萌生后大多沿平行于滚动方向或折向材料表面扩展。实验后期垂向力增加使轮轨材料在同一接触区域内萌生大量表面裂纹与次表层裂纹并互相连接贯通;实验后期冲角变化使剖面裂纹在扩展过程中发生多次转向。(6)随循环次数增加,磨屑尺寸呈先增大后减小的趋势。磨屑随实验后期垂向力和冲角增加而尺寸增大。

关键词： 磁悬浮列车   电磁悬浮   轮轨   综合交通系统   上海   示范线   磁浮列车   高速列车   磁悬浮交通   低速磁浮车辆  

摘要： 磁悬浮列车安全性高、维护量少、技术成熟,是综合交通系统的重要组成部分,基于上海示范线的长期运维经验及引进消化吸收的大量工作。发展磁悬浮利于提升我国在国际交通技术领域的竞争力,打破受制于人的困局,促进产业升级,推动"中国制造2025"高端装配制造业进程。

关键词： 高速列车   滚动接触疲劳   瞬态接触特性   轮轨关系  

摘要： 随着列车运营速度从120km/h到200km/h甚至更高,轮轨滚动接触几何和动力学参数发生了较大的变化,尤其是对高速列车的滚动接触疲劳损伤有重大影响。列车的运行速度提高了,则轮轨间相互作用的周期冲击载荷也相应的加剧,从而使得轮轨间滚动接触疲劳损伤产生。采用有限元理论求解轮轨滚动接触的法向和切向问题突破了传统限制,这为计算轮轨间的相互作用力从而准确计算出轮轨间的疲劳损伤提供了必要条件。目前大多数学者建立的轮轨滚动接触有限元模型是三维静态或稳态弹塑性轮轨滚动接触模型,难以真实有效模拟轮轨实际的工作状态,为了解决这一问题,本文建立轮轨瞬态滚动接触有限元模型,采用瞬态模型求解更能反应轮轨在实际运行过程中接触形态变化和较为准确计算轮轨接触特性。以动力学参数为初始条件的高速瞬态滚动接触有限元模型可以较好计算轮轨滚动接触疲劳问题,本文第四章中阐述首先以CRH2型高速列车为研究对象,运用多体动力学软件UM参数化建立头车模型,使列车在直线轨道上以速度在300km/h下高速行驶,得到轮对蛇形运动状态下不同运行时刻的横向位移和冲角等接触几何参数;然后以得到的动力学接触几何参数为初始条件,运用非线性有限元软件ABAQUS建立三维高速瞬态弹塑性轮轨滚动接触有限元模型;最后以仿真计算得到轮轨接触斑内的最大Mises应力、纵向和横向蠕滑合力等接触斑参数作为安定图、损伤函数疲劳模型的输入参数。为了研究高速列车谐波磨耗车轮滚动接触疲劳特性,本文第五章中,建立了谐波磨耗车轮高速轮轨滚动接触数值分析模型。首先以CRH2型高速列车为研究对象,运用多体动力学软件UM参数化建立高速列车动力学数值模型,使列车在直线轨道上以速度300km/h高速行驶;然后对实测统计数据中最常见的一阶,六阶和十一阶谐波磨耗以及波深0.1mm,0.3mm的六种不同形式下车轮的蠕滑率/力进行分析;最后以不同阶数、波深车轮的蠕滑特性参数为疲劳模型的输入参数,进一步研究谐波磨耗车轮的疲劳特性。分析表明:无谐波磨耗车轮处于弹性安定状态,1阶波深0.1mm和0.3mm车轮和6、11阶波深0.1mm车轮都处于处于棘轮效应状态,6、11阶波深0.3mm处于塑形安定状态;低阶小波深车轮以疲劳为主,高阶大波深车轮以磨耗为主;相对于阶数的增加,波深的增加会促进车轮蠕滑力/率的进一步快速增大,从而车轮的切向力迅速增大,所以滚动接触疲劳、磨耗对波深的变化更为敏感。