关键词： AUTOMOBILE springs & suspension   AFTERMARKETS   LOAD transfer (Vehicles)   STIFFNESS (Mechanics)   MECHANICAL engineering  

摘要： In this research, a four wheel drive (4WD) suspension of a vehicle has been modified by increasing the ride height to investigate stability and cornering potential of the vehicle through load transfer and variation of roll angle. Further investigation has been conducted to observe the characteristics which are deemed desirable for off road application but detrimental to the on road application. The Constant Radius Cornering Test (CRCT) was chosen as a base method for experimental investigation to observe the effect of the suspension modifications. The test was carried out by undertaking a known radius and cambered corner at a constant speed. For this test, the acceleration and gyroscopic data were measured to check and compare the accuracy of the analysis performed by OptimumDynamics model. The tests were conducted by means of negotiating the curve at the speed of 80 km/h and it was gradually achieved to allow a good consensus of the amount of body roll the vehicle experienced. Using a surveyor's wheel, the radius of the corner was estimated as 160 m and using the gyroscopic sensor, the corner camber was measured at 4 degrees. While comparing the experimental results with the simulation results, the experimental constraints led to higher values than those of the analytical results. The total load transfer reduced by 2.9% with the increased track size. It has been observed that the dynamic load transfer component is lesser than the standard suspension with the aftermarket suspension lift and the upgraded anti-roll bar (ARB). With the simulation of the fitment of the other modifications aimed to improve the characteristics of the raised vehicle, the vehicle showed a reduced tendency towards roll angle due to the stiffened anti-roll bar and the maximum increased wheel track demonstrated reduced lateral load transfer and body roll. Even with these modifications however, the decrease in load transfer is minimal in comparison to what was expected. [ABSTRACT FROM AUTHOR]

关键词： 高速铁路   轮轨关系   迹线法   蠕滑力  

摘要： 众所周知,随着“一带一路”政策的正确引导,我国高铁的运营里程不断刷新。高铁已成功地走出中国,迈向国际市场。所以,为了加大铁路运输的运能,合理缩减运营成本,增强市场竞争优势,高铁提速已是必趋之势。然而,伴随着这种大环境,装配式桥梁结构在铁路线路中的大量使用,铁路车桥耦合振动问题的研究就显得越来越刻不容缓。为了有效评估线路中既有桥梁的运行状态,全面合理地优化设计新建桥梁,分析有列车过桥的车桥耦合振动问题十分必要。列车沿轨道运行时,轮轨起着关键性的作用。轮对在沿着钢轨滚动的接触过程中,不仅承受着较大的载荷,还起到列车的牵引、制动和导向等重要作用。它们之间的作用行为直接影响着列车的运动稳定性和安全。轮轨滚动接触行为和很多因素有关,如轮轨接触表面状态、材料、环境、运动行为和轮轨的几何型面等。所以,轮轨滚动接触是十分复杂的问题。为了确保高速、重载、运输安全,进一步提高运输质量,必须深入细致的研究轮对与轨道的相互作用,而轮轨几何关系的确立则是首要解决的复杂课题。而在这过程中,弄清楚轮轨之间的耦合关系,并求得精确的轮轨力数值解,是解决轮轨关系问题的必要条件。计算机仿真是一种比较有效和经济的方法。本文运用车辆、桥梁耦合大系统的思想,建立了机车轮轨间的接触模型。借助数值仿真的思想及数学工具矩阵实验室(Matlab),并根据该模型的特点自主编程。重点研究了轮轨接触几何关系,轮轨之间垂向、横向相互作用力。给出了垂向Hertz非线性弹性接触力和横向Kalker蠕滑理论的推导过程。并着重介绍以迹线法为理论基础,整合耦合振动过程中所需的轮轨接触几何参数及我国标准轮轨互相配合的一些数据、轮轨刚性滚动接触过程中轮轨接触点坐标、接触角、侧滚角等作为边界条件,并利用Matlab的数值处理能力来求解蠕滑率及蠕滑力等等。

关键词： 测力轮对   轮轨力   接触点位置   回归分析   标定试验  

摘要： 轮轨作用力的测量是车辆动力学中重要研究课题。测力轮对方法是目前测量精度最高、应用最广泛的轮轨力测量方法,具体是将测力轮对作为传感器,在轮对幅板上组成电桥,通过标定试验建立电桥输出的应变值与轮轨力之间的本构关系。由于轮轨力接触点位置变化是对轮轨力测量精度影响很大,针对铁道车辆轮轨力测量精度的问题,如何准确测量轮轨力和接触点位置对车辆动力学的研究和保障车辆的安全运行具有重要意义。首先分析各种测量电桥组桥方案的特点,在通用的测力轮对测量方法的基础上,针对该方法中存在的不足之处提出了解决思路。其次利用测力轮对电桥理论建立测力轮对的有限元模型。模型综合考虑横向力、垂向力对测量电桥输出的影响,通过仿真计算,分析测力轮对的应变分布特性;根据有限元仿真结果进行模拟组桥,确定贴片位置和组桥方案;对横向力和垂向力测量电桥进行灵敏度分析,提出提高测量电桥输灵敏度的解决方法,获取耦合较小的位置作为电桥贴片位置,实现横向力、垂向力的解耦。再次利用回归分析开展接触点位置对轮轨力测量精度的影响研究。通过轮轨作用力在不同接触点位置建立参数方程组,对仿真结果进行回归分析等数据处理,确定轮轨力与接触点位置之间的关系,使传统测量模型中包含横向力、垂向力和接触点位置的三元线性方程组简化为只含横向力、垂向力的二元方程组。仿真结果表明考虑接触点偏移量误差的轮轨力测量模型能提高测量精度,同时可降低计算的复杂度。最后对测力轮对完成标定试验,根据上述方法对测力轮对标定试验结果与和仿真结果进行比较,验证了改进后轮轨力测量模型的有效性,为进一步开展测力轮对的试验研究提供理论依据。

关键词： 车辆轨道动力学   振动   轮轨力识别   轨道不平顺识别   车轴弯矩   Timoshenko梁   相干性  

摘要： 轮轨力是引起机车车辆与轨道线路系统振动、冲击、疲劳、损伤的直接根源,也是评价列车运行安全性的依据;同时,列车在轨道上运行时,轨道不平顺导致轮轨力动态变化,激起车辆系统振动,从而引发车辆部件的疲劳破坏。因此,准确识别轮轨力和轨道不平顺状况对保证列车运行安全和可靠性具有重要意义。本文主要研究工作及其结论有以下三点：(1)基于Fortran语言建立了车辆-轨道动力学系统,该系统包含三个模型：1)车辆模型,考虑了车体、构架和轮对的横向和垂向自由度,忽略其纵向自由度,一系(轴箱)和二系(中央)悬挂装置模型化为系统悬挂力,并建立整个车辆系统运动方程。2)轨道模型,将其考虑为钢轨-轨枕-道床-路基三层支承结构,建立轨道系统运动方程,并将实测轨道激扰施加于钢轨轨面。3)轮轨接触模型,采用迹线法处理空间轮轨接触关系,在进行轮轨接触参数求解时,考虑了轮对的横移和摇头以及钢轨的振动。将本文建立的车辆-轨道系统模型求解结果与相关文献中实测结果进行了对比,对比结果显示,该模型具有一定的可靠性,可为后续研究提供理论计算数据。(2)本文基于所建立的车辆-轨道动力学模型,进一步将车轴处理为带有集中质量和转动惯量的Timoshenko梁模型,考虑车轴的弯曲振动,在此基础上,提出通过车轴弯矩来识别轮轨力,即通过计算车轴6个特定截面的弯矩来反推一系悬挂力、轮轨横向力和轮轨垂向力,并给出计算公式和选点范围。结果显示,通过车轴弯矩能够很好地识别轮轨垂向力和一系悬挂垂向力,但随着车辆运行速度的提高,轮轨横向力的识别误差相对较大,低速时轮轨横向力误差在可接受范围内,建议运行速度低于250km/b时可以考虑这种方法。(3)本文提出了用轮对(轴箱)加速度二次积分的方法来识别轨道高低不平顺,即将轮对(轴箱)加速度仿真结果通过数值方法进行二次积分,得到轮对(轴箱)位移时域曲线,然后和轨道高低不平顺作对比来验证这种方法的准确性。结果显示,通过轴箱加速度二次积分的方法可以很好地识别轨道高低不平顺,但对轨道横向激扰识别效果有限,这是因为轨道横向激扰在轮轨间非线性蠕滑的作用下,得到一定程度的衰减,特别是对高频激扰的衰减。本论文研究结果可为轮轨力现场检测和轨道不平顺检测提供参考。

关键词： HIGH speed trains   VIBRATION (Mechanics)   HARMONIC motion   FRACTURE mechanics   SIMULATION methods & models  

摘要： Spalling in contact surface of rail is a typical form of rolling contact fatigue, which is a difficult problem to solve in railway. Once the spalling occurs in the rail, the wheel-rail dynamic interaction will become more severe. The wheel-rail dynamic interaction is investigated based on the theory of vehicle-track coupled dynamics in this paper, where the excitation modes of the rail spalling failure are taken into consideration for high-speed wheel-rail system. A modified excitation model of rail spalling failure is proposed. It can enable the investigations on two kinds of excitation modes in wheel-rail system due to the rail spalling, including the pulse and the harmonic excitation modes. The excitation mode can be determined by the ratio of the spalling length to its critical length. Thus, the characteristics of wheel-rail dynamic vibration excited by two kinds of excitation are simulated in detail. Consequently, the limited value of the spalling length is suggested for high-speed railway.

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： 轮轨材料   磨损   塑性变形   轴重   硬度   疲劳损伤  

摘要： 随着铁路运输高速化和重载化的不断发展,轮轨损伤问题变得日益显著,而且新的服役环境也将使现有轮轨材料的匹配性问题置于更加突出的位置,因此对于目前还在广泛使用的轮轨材料进行深入的匹配性研究是具有重要意义的。本论文根据赫兹接触理论,首先在JD-1轮轨模拟试验机上对比研究了四种不同成分车轮材料的耐磨性和抗疲劳性能,然后在MMS-2A摩擦磨损试验机上研究了不同轮轨材料的损伤行为,主要结论如下：1.车轮材料的C元素和Si元素含量升高会使得车轮材料的硬度显著增加。硬度的增加可以显著增强车轮材料的耐磨性,同时降低其抗疲劳损伤性能。2.在不同车轮试样与U71Mn热轧钢轨匹配试验中,随着车轮试样硬度升高,车轮试样磨损量线性减少,而与之匹配的钢轨试样则线性增加。随着车轮试样硬度增加,车轮试样的疲劳损伤越来越严重,而钢轨试样则越来越轻微。3.在不同车轮试样与U75V热轧钢轨匹配试验中,随着车轮试样硬度升高,车轮试样磨损量线性减少,而与之匹配的钢轨试样则线性增加。随着车轮试样硬度增加,由于此时轮轨间具有较大的接触应力,车轮试样和钢轨试样的疲劳损伤均变得更严重。4.在不同轴重匹配试验中,轴重的增加会显著加重轮轨试样的磨损。在轴重较低时,相对严重的磨损能够将车轮试样表层材料萌生的疲劳裂纹磨除,而钢轨试样疲劳裂纹则继续向试样心部扩展；在轴重较大时,大的接触应力会使得疲劳裂纹扩展速率和磨损速率变快,此时钢轨更优的材料特性使得其疲劳损伤更为轻微。5.综合讨论轮轨匹配试验的损伤分析情况可以得出：当车轮试样硬度接近钢轨试样硬度,此时轮轨之间发生的轻微氧化磨损可以显著降低轮轨的磨损；同时具有更优显微组织结构的U75V热轧钢轨可以显著降低轮轨的磨损。

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： 轮轨垂向力   有限元分析   连续测量   小波变换   去噪   Labview   测试  

摘要： 随着列车速度的提高和车辆轴重的增加,车辆与轨道之间的相互作用更加激烈,铁路运输的安全形势变得更加严峻。对于轨道交通而言,轮轨关系是最为重要的关系,而轮轨力的监测又具有非常特殊的意义,通过对轮轨力的记录与分析可以对轨道及列车设备的各种异常情况作出诊断和预测,并对故障位置进行检修,从而保障了铁路行车安全。本文在中国铁路事业大力发展的大背景下,以轮轨垂向力连续测试为主题,主要进行了如下的研究工作:(1)从车轮与钢轨相互作用的特点及轨道真实的约束条件出发,利用有限元分析软件ANSYS建立了钢轨的有限元模型,通过对钢轨轨腰中和轴应变的预分析,探究了如何选取所要研究的应变方向,确定了进行有限元计算时荷载的施加位置。通过对模型的加载与计算,得出了轨腰中和轴节点在不同位置移动垂向荷载作用下的应变分布,分析了变化规律。根据仿真计算结果,确定了应变片的粘贴位置和测试桥路的组桥方案。根据剪应力法测试电桥与本文测试电桥之间的关系,得出了对分段取出轮轨力时进行分段点位置的判别。仿真计算了横向力对垂向力测试的影响,结果表明横向力的存在对垂向力的测试没有影响。仿真计算了轮轨力的反演,反演的轮轨力具有一定的准确性。最后仿真分析了三个参数对连续测试方案的影响,结果表明本文的方法可以适用。(2)针对轮轨力测试中常见的基线漂移和粗大白噪声,本文提出了基于小波变换的综合去噪法。针对基线漂移,在理想轮轨力信号的基础上,构造了两种含有基线漂移的含噪信号,使用最为常见的三种小波基对基线漂移进行滤除,比较了不同小波基阶数对去除基线漂移效果的影响,确定了合适的小波基。针对粗大白噪声,在理想轮轨力信号的基础上加入随机白噪声构成了含噪信号,分别讨论了硬软阈值函数下小波基和阈值规则的降噪性能,确定了用于降噪的小波基和阈值规则的组合。(3)基于美国国家仪器公司的硬件产品及图形化编程语言Labview开发了轮轨力测试系统,该测试系统可靠性高,稳定性好,能够适应各种恶劣环境,并且实际操作时也很方便。在60kg/m的标准轨道上进行了离散点的加载试验,与仿真的计算结果相比得出了相同的变化规律,验证了连续测量方案的可行性。在缩尺轨道模型上进行了轮轨力的连续测试,得到了连续轮轨力输出,为到标准正线轨道做轮轨力连续测试奠定了基础。

关键词： 提梁机   PLC   变频调速   同步控制  

摘要： 在国家“十二五”规划期间,我国铁路新线投产达3.05万公里,根据国家“十三五”发展纲要,我国预计再建铁路专线2.3万公里,这说明我国铁路专线大规模建设将继续展开。由于铁路铺设时对桥梁架设的要求较高,施工难度较大,而保障工程得以顺利实施的相关设备成为了铁路建设中不可缺少的硬件支撑。其中,提梁机是服务于现代化高速铁路建设中混凝土梁制造和安装的关键型设备之一,主要用于客运专线建设中整孔双线箱梁的起吊、转移及装运,以及预制场内钢筋骨架和模板的吊装,也可辅助完成架桥机和运梁车的安装。由于轮轨式提梁机在高速铁路建设中优势明显,市场容量逐年递增。轮轨式提梁机工作条件复杂,工作现场大量不确定因素如风速、载荷、电动机不同步等均对工作的稳定性造成干扰。作为提梁机最重要的子系统之一,起升机构负载较重,在多卷扬机联动时需要保持吊钩的同步性,其动态特性将直接关系到整机的操作稳定性。本文对某公司生产的900t轮轨式提梁机做了大量的研究与分析工作,从简便实用的角度出发,以设计一种合适的控制系统为研究目的,满足轮轨式提梁机提升机构的工作要求,使同步控制系统在多卷扬机联动时得到较高的同步控制精度。本文的主要研究工作如下:1.以900t轮轨式提梁机在铁路建设中的应用为背景,分析轮轨式提梁机的应用及提梁机起升机构的机械组成及工况;分析轮轨式提梁机国内外发展现状及发展趋势;2.研究当代工业控制系统的现状,结合轮轨式提梁机起升机构的工作内容,确定一种以PLC、传感器、变频器为核心控制元件的控制方式;3.研究现代多电机同步控制策略,结合几种经典同步控制策略及提梁机起升机构卷扬机的工作要求,建立数学模型,确定基于速度差的偏差耦合控制策略;4.对提梁机起升机构控制系统软件、硬件系统进行设计;利用实验室设备对设计结果进行模拟调试;对实验数据进行整理分析,验证起升机构控制系统设计的正确性;同时起升机构四卷扬机系统工作平稳,证明了控制策略的合理性。项目的研究成果为轮轨式提梁机起升机构控制系统及四卷扬机同步控制系统的设计和优化提供了理论基础和实验依据,证明基于PLC的多电机同步控制策略在轮轨式提梁机起升机构控制系统设计中具有广泛的应用前景。