关键词： 载荷辨识   轮轨滚动接触   最优控制   轨道-车辆系统   安全综合评判  

摘要： 轮轨作用力是评价铁路运行安全性的重要参数,为保障高速铁路的运行安全,对运行中的轮轨力进行监测并基于监测数据对轨道-车辆系统进行状态评判十分必要,这不仅要解决测试方法问题,还涉及一系列基础理论问题,是高速铁路关键技术之一。考虑到监测的经济性,易于维护性等因素,发展基于车辆响应的轮轨作用力辨识技术具有较大的理论意义和实用价值。基于杜哈密积分,在时域内推导了动载荷反演方法,并建立了单车轮和轮对垂向力辨识模型。该方法可以做到在线实时辨识。将辨识结果与正演结果进行对比,单车轮辨识轮轨力与正演模型中力的相关系数达到0.81,轮对模型辨识轮轨力与正演模型力的相关系数达到0.9,具有良好的相关性。为了解决二维平面内轮对运动方程数不足的不适定问题,基于蠕滑理论、车辆动力学模型和轮轨几何接触关系,创新性地建立基于滚动接触理论的轮对横向力辨识模型,即RC轮轨力载荷辨识模型。该模型以轴箱加速度、构架加速度作为输入,利用Newmark积分方法和弦截法对模型进行求解,辨识得到轮轨横向作用力,并探索出一套轮轨接触参数动态辨识方法。辨识结果表明：轮对横向力、轮对横移量及其它轮轨接触参数的辨识精度均达到0.7以上。为了解决测量不足的不适定问题,基于最优控制理论推导了整车轮轨力辨识模型,即OC轮轨力载荷辨识模型。该模型首先对动力学系统方程进行变换,将其转换成空间状态方程的形式；然后基于最优控制理论,将载荷看作最优控制策略,以测试加速度作为理想输出,设计最优控制器,推导了载荷辨识方法。该方法本质上是一个反问题,为不适定问题,利用SVD分解技术进行奇异值分解,解决了矩阵求逆的奇异性问题及收敛性问题。引入卡尔曼滤波技术,利用实测加速度对辨识轮轨力进行了正向修正,提高辨识精度,优化了辨识结果。结合RC和OC轮轨力载荷辨识模型,建立全信息的轮轨力载荷辨识模型,即RCOC模型,可以实现对轨道-车辆系统全部轮轨力的辨识：首先基于车辆动力学理论,列出动力学运动方程,建立车辆系统状态空间方程；然后结合OC轮轨力载荷辨识模型辨识出车辆-轨道系统的轮轴力及轮轨垂向接触力；然后基于RC轮轨力载荷辨识模型,辨识出车辆系统左右轮轨横向力。横向力与垂向力的辨识结果与正演模型输入力的相关系数分别达到0.65及0.8以上。分别利用仿真数据和实测数据对辨识模型进行了验证。首先基于商业软件,建立了CRH3型车辆动力学仿真模型,并利用武广、郑西实测数据对其进行了直线、曲线性能验证。利用盘营联调联试的车辆响应数据,对轮轨作用力进行了载荷辨识,并与测力轮对测试力进行了对比验证。横向、垂向辨识载荷与实测载荷的相关系数分别达到0.51,0.69以上。多指标综合评判是轨道-车辆安全状态评判的一大发展趋势。对单轮对脱轨机理进行了仿真分析,然后结合轮轨力辨识模型,提出了结合脱轨系数及轮对抬升量的综合评判指标。最后利用该指标对轨道-车辆的安全状态进行了综合评判,结果表明：利用综合指标对轨道-车辆的安全状态进行综合评判可以有效甄别冲击引起的安全指标过大的问题,在保障安全运营的条件下,提高评判的经济性。

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： 轨道交通   直线电机   旋转电机  

摘要： 直线电机轮轨交通是目前世界上较为先进的城市轨道交通方式之一.它既有传统轮轨列车依靠轮轨关系易于进行支撑和导向的优点,又有磁悬浮列车不依靠轮轨驱动,易于在陡坡和小半径弯曲线路上运行的优点.本文从其原理、结构、性能、建设成本、节能措施进行论述分析.

关键词： 100%低地板车辆   钢轨焊接接头   车辆—轨道耦合动力学   轮轨相互作用  

摘要： 100%低地板轻轨车辆由于其运能适中,绿色环保,投资较低,舒适性强,外观漂亮等特点逐渐成为城市轨道交通的重要组成部分。然而,随着100%低地板轻轨车辆轴重的减小,轻轨车辆通过焊接接头区时轮重减载情况加重甚至出现轮轨脱离现象,危害车辆行车安全。本文分析研究了轻轨线路焊缝不平顺激扰对100%低地板轻轨车辆轮轨相互作用的影响以及焊缝不平顺参数的安全阈值,对改善轮轨动力响应性能以及减少钢轨焊接接头的养护维修量,均具有一定的现实意义。本文首先回顾总结了低地板轻轨车辆动力学以及钢轨焊接接头的研究进展与现状,并基于车辆—轨道耦合动力学理论,结合100%低地板轻轨车辆独特的结构特点,建立了100%低地板轻轨车辆—轨道垂向耦合动力学模型。运用该模型计算分析了100%低地板轻轨车辆通过凹型和凸型钢轨焊接接头时各轮对轮轨相互作用。结果表明：在焊缝不平顺激扰下,轮轨相互作用出现剧烈变化,钢轨焊接接头恶劣区域甚至会出现轮轨脱离现象,且各轮对在不平顺激扰下的轮轨动力响应基本相同。之后研究分析了凹型焊缝不平顺激扰下,轨道系统参数对100%低地板轻轨车辆轮轨相互作用的影响。针对本文计算工况,结果表明：在焊缝不平顺激扰作用下,车辆在T50轨下的轮轨相互作用优于T60轨和59R2槽型轨,而T60轨和59R2槽型轨下的轮轨动力响应基本相同。钢轨间距的增大能有效减小轮轨相互作用,提高车辆运行安全性能。轨下胶垫阻尼和刚度对轮轨相互作用的影响也很大：胶垫刚度过大时会恶化轮轨动力学性能,甚至造成轮轨脱离,但胶垫刚度较小又会引起钢轨位移过大;胶垫阻尼的减小会引起轮轨垂向力、钢轨—轨枕支座反力以及轮对振动加速度的减小,但会使钢轨位移增大以及各轮轨响应衰减变慢。弹性支承块式无砟轨道的轮轨动力学响应优于有砟轨道和长枕埋入式轨道。最后进一步计算分析了焊缝不平顺短波波长及波深对轮轨相互作用的影响,得出100%低地板轻轨线路钢轨焊缝不平顺波长和波深的安全阈值。结果表明：随着焊缝不平顺短波波深的增大以及短波波长的减小,轮轨相互作用加剧。在本文计算条件下,对于凹型焊缝不平顺,钢轨焊缝不平顺短波波深的安全阈值最大为0.45mm,对于凸型焊缝不平顺,钢轨焊缝不平顺短波波深的安全阈值最大为0.26mm;应严格控制短波波长在0.35m的以下的焊缝不平顺出现,且在钢轨焊接接头打磨时,建议将短波波长打磨至0.5m以上。

关键词： 轮轨滚动噪声   统计能量法   声屏障   吸声材料  

摘要： 高速铁路给人们的出行带来了方便、快捷和舒适,但随之产生的噪声给周边居民带来了严重的影响。作为铁路噪声的主要声源,本文针对轮轨滚动噪声的预测及控制展开了以下研究。(1)计算轮轨系统输入功率必需了解其导纳特性,本文对车轮进行了有限元建模,考虑了转动车轮的自振特性,利用模态叠加法求得导纳,并比较了模态叠加法相比于经典模态法的准确性。计算钢轨导纳时将钢轨视为支承在连续弹性基础上的无限长梁,钢轨视为三自由度振动体系。(2)根据轮轨相互作用的基本关系,研究了轮轨在表面不平顺激励下的轮轨耦合振动,考虑轮轨接触斑特性,推导了轮轨相互作用力功率谱的理论解析式。(3)本文利用统计能量法建立了轮轨垂向耦合噪声预测模型。由轮轨相互作用力功率谱推导并计算得到了车轮、钢轨的输入功率,同时确定了其他SEA参数,利用辐射功率和声能量的关系,将辐射功率转化得到了噪声级。并基于此模型,本文还对影响滚动噪声的多种参数进行了研究。(4)声屏障是噪声控制的有效措施之一,本文对吸声型声屏障插入损失计算方法进行了研究,给出了吸声降噪量计算模型。并针对目前吸声型声屏障仅用平均吸声系数作为评价吸声整体性能的问题,探讨了吸声型屏障各频程吸声系数对整体吸声降噪的影响。(5)本文利用统计能量法对含声屏障的铁路路段建立了降噪预测模型。该模型能够预测声屏障的辐射声压级及降噪衰减量。基于此模型,探讨了声屏障不同位置及高度对降噪衰减量的影响。并利用衰减量计算公式及统计能量法,评价了不同吸声型声屏障的降噪效果。

关键词： 摩擦调控   动力效应   滚动接触   三体全膜润滑   蠕滑  

摘要： 随着我国机车不断提速,以及重载铁路的大面积开行,钢轨伤损问题更加突出,钢轨踏面的波浪磨损和疲劳剥离是最常见的钢轨伤损模式,钢轨伤损不仅会大大缩短钢轨的使用寿命而且会对铁路的行车安全产生严重的影响,一直受到国内外铁路行业的普遍关注。随着轮轨润滑技术以及轮轨蠕滑理论研究的深入,开始尝试对轮轨踏面进行润滑与摩擦控制,使得轮轨间达到中等摩擦因数,在不降低牵引制动需要的粘着系数下,延缓钢轨的伤损。轮轨踏面摩擦调控技术作为一种新的概念被提出,并在重载货运线路不断得到应用,结果表明,轮轨踏面摩擦调控可改善轮轨接触状态,有效抑制钢轨波浪磨耗,减缓轨面磨损和疲劳剥离,延长钢轨使用寿命。然而目前国内外对于踏面摩擦调控技术的作用机理并没有形成统一的认识,也没有系统的研究轮轨踏面摩擦调控技术对于轮轨动力效应的影响。本文主要从实验和仿真两个方面,研究了轮轨踏面实施摩擦调控对轮轨动力效应的影响规律。借助Kalker关于“三体”模型的理论,建立了接触区存在固体润滑膜的“三体全膜润滑”轮轨滚动接触模型,并等效处理成两体滚动接触模型,以SIMPACK为数值计算平台,建立带柔性轨道的四编组列车动力学模型,采用实际运营线路为轨道参数,分别仿真计算了重载货运线、地铁站场线路条件下,干摩擦和轨面摩擦调控两种工况轮轨动力效应,并与线路试验结果进行对比分析,探究轨面摩擦调控技术对于减缓钢轨波磨和疲劳剥离的影响机理。在此基础上,进一步研究了轨面摩擦调控技术对于重载线路曲线通过的影响,对缓解地铁站场尖啸噪声的效用,以及对大铁、地铁等不同轨道线路条件下脱轨问题的影响规律。

关键词： 军转民   自主导航   高速列车   姿态测量   导航系统   惯性导航技术   重工集团   预警信息   位移测量   位移参数   数据分析   实时测量   技术开发   技术简介   转向架   中国   运用   运行   位置   轮轨  

摘要： 高速列车姿态测量及自主导航系统技术开发单位中国船舶重工集团公司河北汉光重工有限公司技术简介该高速列车姿态测量及自主导航系统主要用于高速列车自主导航及姿态、位置、速度、位移测量,可实时测量列车的运行姿态,车体相对转向架、轮轨之间的相对线位移参数等,并可通过数据分析确定预警信息,以及运用惯性导航技术实现高速列车自主导航.

关键词： 轮轨接触   热力耦合   滑动接触   有限元分析  

摘要： 随着经济社会的飞速发展,我国铁路运输系统呈现出货运重载化和客运高速化的发展趋势。由于列车运行速度的提高、运量的增加、轴重的增大以及服役环境的恶化,使轮轨关系日益复杂。轮轨在滑动过程中产生热损伤,引起波浪形磨损、剥离、龟裂等疲劳破坏现象,由此引起车辆轨道产生激烈的振动和噪音,这不仅直接危害列车的行车安全,而且影响乘客的乘坐舒适性,增加铁路的养护和运营成本。因此,研究轮轨热力耦合滑动接触时产生的应力和温升,对深入理解轮轨热损伤机理、轮轨的选材和铁路的设计养护等具有重要的理论意义和工程应用价值。因此,本论文根据轮轨之间相互作用的特点,以车轮和60kg/m的钢轨为研究对象,基于轮轨摩擦学、弹塑性有限变形理论、固体接触力学和传热学,利用ABAQUS有限元软件,研究轮轨接触时车轮和钢轨的接触压力场、温度场和应力场等的分布特点。主要工作内容如下：1)基于有限变形框架构建了热力耦合循环本构模型,考虑引入温度相关的各向同性硬化和随动硬化律和热平衡方程、塑性耗散生热、温度场和应力场之间的相互作用,通过ABAQUS的用户子程序对该模型进行了有限元实现,通过与文献实验结果的对比,验证了本构模型分析的合理性。2)利用Hertz弹性接触理论解析解验证了二维轮轨接触有限元模型,模拟了静载时车轮和钢轨上的接触压力分布情况,研究了轴重对钢轨表面接触压力的影响。同时,利用轮轨热力耦合弹性接触解析解验证了热力耦合分析过程。讨论了轮轨热力耦合弹塑性接触时加载峰值、塑性耗散生热、热交换对接触压力的影响。结果表明：轮轨静载弹性和热力耦合弹塑性滑动接触时,随着轴重的增加,接触压力的最大值均逐渐增大,接触斑的半轴变长；轮轨热力耦合弹塑性滑动接触时,塑性耗散生热和热交换对钢轨接触压力的影响很小,几乎可以忽略。3)模拟了不同滑动工况下车轮和钢轨的温度场和应力场分布情况,研究了轴重、运行速度、摩擦系数、滑移距离、耗散系数、对流系数和辐射系数对钢轨应力场和温度场的影响。结果表明：不同工况下,钢轨表面的温升均最大；钢轨表面的温升受轴重和摩擦系数的影响最大,运行速度和摩擦系数的影响次之,滑移距离、对流系数和耗散系数的影响最小,几乎可以忽略；随着轴重和摩擦系数的增大,钢轨表面的温升逐渐增高；钢轨的最大von Mises等效应力值均发生在钢轨的次表层；随着摩擦系数的增大,钢轨发生最大von Mises等效应力值的位置由钢轨的次表层向表层方向移动。

关键词： 柔性轮对   Matlab有限元法   多向轴承耦合接触模型   柔性轮轨空间耦合动力学模型  

摘要： 随着铁路运输事业的快速发展,铁路货车的运行速度在不断地提高,轮轨间相互作用加剧,随之也使得一些关键零部件发生不同程度的损坏。刚性轮轨空间耦合动力学模型一直被作为研究轮轨系统的主要手段,但此模型只局限于研究低频动力学问题的研究,对于中高频动力学问题则不是十分准确。而考虑轮对的柔性则可以解决此问题,故柔性轮对动力学则成为研究的重点。本文建立的柔性轮对-轨道空间耦合动力学模型,考虑了双列圆锥滚子轴承的多向耦合接触模型、轮对的柔性以及轮轨的空间接触等因素。本文主要工作如下：(1)基于集中质量法建立了左右承载鞍、轴承外圈和基于模态叠加法的钢轨系统的柔性轮对-轨道动力学模型,并在模型中考虑了通过轴承多向耦合接触模型得来的轴承滚子与内外圈之间的非线性作用力;(2)采用基于Matlab的有限元法来表达车轴的柔性,利用空间梁单元来表达轴段特性,通过一致刚度矩阵和一致质量矩阵求得轴段单元的刚度矩阵和质量矩阵,并使用空间向量定位法得到了总体的质量矩阵、刚度矩阵以及载荷矩阵;(3)考虑了轮对柔性和钢轨系统的振动对空间轮轨接触关系的影响。对柔性轮对-轨道系统的接触参数进行了修正,使用迹线法和最小距离法求得了轮轨接触点及相关接触参数。通过赫兹非线性接触理论求得了轮轨法向力,并采用沈志云-Hedrick-Elkins理论来对Kalker线性蠕滑理论进行非线性修正,求解得到了蠕滑力／力矩,并对节点载荷进行了等效处理;(4)介绍了轨道不平顺的形成原因及现实意义,并对多种不平顺模型进行了分析比较,介绍了轨道不平顺的模拟方法;(5)通过以某铁路货车转向架为实例,在此基础上研究了轨道不平顺对于铁路货车运行平稳性以及轴承振动特性的影响。

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。