关键词： 轮轨材料   列车轴重   行车速度   滚动磨损   损伤行为  

摘要： 高速铁路与重载铁路是中国铁路两大发展趋势，即客运朝着高速铁路方向发展，货运朝着重载铁路方向发展，并逐步实现客货分运，以便更加合理有效地运营和管理铁路。同时，速度和轴重的增加对轮轨系统的安全性、轮轨材料的抗磨性能和抗疲劳性能提出了更高的要求。因此，系统地研究轴重和速度对轮轨材料磨损与损伤行为的影响、更加全面地分析不同轴重和速度参数下轮轨材料的损伤机制，对中国铁路未来的发展具有十分重要的指导意义。\n 利用WR-1轮轨滚动磨损试验机实验研究了五种轴重和四种转速工况下的轮轨滚动磨损与损伤行为。借助于电子天平、硬度仪、光学显微镜、扫描电子显微镜及X射线衍射仪等对轮轨材料的微观组织、磨损性能、表面磨痕、磨屑形貌和成分等进行了微观测试分析，阐明了不同参数下轮轨材料的损伤机制。\n 论文研究主要结论如下:\n (1)随轴重增加，轮轨材料磨损率、塑性变形层厚度以及硬化率都增大;随速度增加，钢轨试样表面硬度和塑性变形层厚度基本保持不变，车轮试样表面硬度和塑性变形层厚度呈减小趋势，轮轨硬度比减小，车轮材料磨损率增加，钢轨材料磨损率减小。\n (2)车轮材料磨损图分为轻微磨损区和严重磨损区，两区分界线对应的试样磨损率大约为2.0×10-6g/m。当轴重和速度较小时，车轮材料处于轻微磨损区，主要损伤形式为轻微疲劳磨损;当轴重和速度较大时，车轮材料处于严重磨损区，主要磨损形式随着速度的增加从严重疲劳磨损转变为粘着磨损和疲劳磨损。钢轨材料磨损图也分为严重磨损和轻微磨损。当轴重较小速度较大时，钢轨材料处于轻微磨损区，主要损伤形式为轻微起皮;当轴重较大速度较小时，钢轨材料处于严重磨损区，主要磨损形式随着速度的增加从严重起皮转变为严重块状剥落。\n (3)车轮试样表面疲劳裂纹沿塑性变形区内铁素体线向材料内部发展，最后疲劳断裂形成磨屑;钢轨试样表面裂纹发展到一定深度后折向表面形成块状剥落并产生磨屑。磨屑为片层结构，成分为Fe2O3和马氏体。随轴重增加，磨屑尺寸呈整体变大趋势;随速度增加，磨屑尺寸呈整体减小趋势，马氏体含量增大。\n (4)轮轨表面裂纹可分为单层裂纹和多层裂纹，多层裂纹中的夹层材料容易挤压破碎。二次裂纹沿着与主裂纹成小角度的方向发展，相对于钢轨试样，车轮试样中的二次裂纹较长，二次裂纹与主裂纹的角度较小。\n (5)轮轨试样单位接触面积磨损率随Tγ/A呈现线性增加趋势;轮轨试样接触状态处于“踏面接触区域”，轮轨材料Archard磨损系数k处于1～10×10-4区间内。

关键词： 轮轨材料   激光毛化   摩擦系数   混合润滑   表面形貌  

摘要： “十二五”期间我国高速铁路的发展取得了举世瞩目的成绩，在国内外掀起了一股“高铁热”。同时，时速500公里试验列车也即将进行线路实车试验。随着列车速度的提高，第三介质，如油、水等，对轮轨间粘着特性的影响越来越明显，给列车的运行带来了比较大的安全隐患。因此，研究高速轮轨在混合润滑条件下的增粘方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。在此背景下，本文开展了如下工作:\n (1)本文通过对激光毛化工艺的研究，在高速列车车轮试样表面加工出了球冠状的微坑，并且设计了具有横纹，纵纹，菱形纹理的三种形貌。然后运用三维白光干涉表面形貌仪测量出了激光毛化形貌的表面轮廓，基于实测的相关表面参数，分别利用二维分段周期函数和随机函数完成了对车轮试样表面激光毛化形貌和钢轨试样表面未毛化形貌的表面重构，取代了传统方法中利用高斯函数来模拟轮轨表面轮廓的假设模型，更逼近轮轨表面的真实形貌。\n (2)本文针对轮轨混合润滑滚动接触的工况，对摩擦磨损试验机进行了改进，并且对控制系统做了开发，实现了滑差率连续可调的自动控制，以及恒定摩擦系数的控制，利用改进的RSW-2摩擦磨损试验机，研究了激光毛化形貌在无润滑条件突然加油、水后，摩擦系数的变化情况，并将其与未经激光毛化形貌进行了对比，实验结果表明，激光毛化形貌，特别是激光毛化的菱形纹理能明显提高轮轨试样在混合润滑条件下的摩擦系数，并且，在滑差率变化的情况下，三种激光毛化形貌对摩擦系数的影响规律基本没有变化。激光毛化时的离焦方式和激光毛化微坑密度对摩擦系数也有影响:相同的实验条件，相同的纹理表面，正离焦的摩擦系数大于负离焦的摩擦系数;微坑密度大的表面的摩擦系数大于稀疏表面的摩擦系数。\n (3)本文将Hu和Zhu提出的基于确定性形貌的混合润滑统一Reynolds方程三维数值计算模型运用到激光毛化形貌的轮轨接触问题的计算中来，模拟各种表面随时间演变规律，得出了油介质条件下表面的局部压力与膜厚的分布情况，以及摩擦系数的变化情况，计算结果与试验结果一致。在此基础上，从混合润滑的角度，研究了激光毛化形貌提高混合润滑条件下摩擦系数的原因，结论是:激光毛化形貌改变了混合润滑情况下轮轨接触区的压力与膜厚分布，有效的阻碍了液膜的形成，提高了固体接触区的载荷比。其中菱形纹理的固体接触区载荷比大于纵纹、大于横纹，因此，在三种激光毛化形貌中，菱形纹理对摩擦系数的提高效果最为显著，其次是纵纹纹理，再次是横纹纹理，计算结果与试验结果一致。\n (4)本文通过对高速轮轨水润滑条件的计算模拟得出:时速300公里和时速500公里水润滑条件下，激光毛化菱形纹理能使轮轨在水润滑条件下的摩擦系数提高2倍左右，对摩擦系数的提高效果，菱形纹理大于纵纹纹理，纵纹纹理大干横纹纹理。

关键词： 光纤布喇格光栅   轮轨垂向力   钢轨应变   有限元分析  

摘要： 提出基于光纤布喇格光栅(FBG)传感技术监测轮轨垂向力的方法。根据FBG传感特性和轮轨作用力的特点,给出FBG轮轨垂向力监测原理,并设计出可以实现分布式传感监测的监测系统结构。最后通过有限元仿真计算验证提出的轮轨垂向力监测方法的正确性。

关键词： 轨道规划   武汉市   评审   三轮   国家发展和改革委员会   轨道交通建设   网络体系   交通线路  

摘要： 近日获悉，武汉市第三轮轨道交通建设规划已通过国家评审，本轮规划是原轨道交通建设网络体系的必要补危和延伸。在未来6年内，武汉市将新建170km共10条轨道交通线路，估算投资1100亿元。受国家发展和改革委员会委托，

关键词： 激光熔覆   轮轨材料   Fe基合金   微观组织   磨损性能   表面处理  

摘要： 重载化是铁路运输发展方向之一，重载铁路的主要特点是大轴重和大运输量。重载铁路技术的不断发展，为现代社会进步做出重要贡献，但重载铁路系统中的一些问题也逐渐暴露出来，而轮轨的磨损就是其中最重要的问题之一。激光熔覆作为先进的表面处理方法，许多轮轨研究学者已经将其应用于轮轨材料表面处理，通过激光熔覆技术对重载轮轨材料表面进行处理，使重载轮轨的磨损有所减缓，这不仅能够提高铁路运输安全性同时又可以减少铁路运输成本。\n 论文所用激光熔覆材料是Fe基合金粉末，以及添加0.4％、1.2％、2％氧化镧后的Fe基合金粉末，所用设备为CO2激光器(TR-3000)，对车轮和钢轨试样表面激光熔覆处理后，分别获得具有四种Fe基合金激光熔覆涂层的轮轨试样，通过维氏硬度仪测量激光熔覆涂层的硬度、使用扫描电子显微镜观察熔覆层微观组织结构、元素分布及利用X射线衍射仪分析熔覆层物相组成等。在干态下和油润滑条件下，利用MMS-2A滚动磨损试验机分别研究了激光熔覆处理轮轨试样的磨损性能及滚动接触疲劳性能，使用测量分析设备如维氏硬度仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪及光学显微镜等，对轮轨试样的磨损与损伤进行了分析。\n 所得出的主要结论如下:\n 1、轮轨试样的激光熔覆层组织均匀致密，未发现明显的气孔、裂纹，熔覆组织主要有两种，分别是晶组织和枝晶组织;结合区附近主要为粗大柱状晶组织，中部至表层出现胞状晶、树枝晶;主要组成相为(Fe，Ni)和Cr7C3;激光熔覆Fe基处理使轮轨试样表面硬度得到较大提高;氧化镧的加入，改变晶界的结构，降低晶界张力和促使晶粒长大的驱动力，使晶粒发生细化，从而使组织更加均匀，共晶组织结构明显细化并且弥散度增大。\n 2、轮轨试样进行Fe基熔覆处理后，枝晶组织具有较好的韧性，网状共晶组织具有较高硬度，二者相互作用，形成了特殊结构，使熔覆试样具有极高的表面硬度，同时具有较好的韧性，其抗磨损性能明显增强，磨损率分别降低了32％和42％，有效地减缓了试样的表面损伤、表层塑性变形及裂纹的扩展，Fe基熔覆处理使轮轨试样的磨损机制发生变化，由为疲劳磨损变为了轻微疲劳和轻微粘着磨损。\n 3、添加氧化镧后，氧化镧在晶界处偏聚，阻碍晶粒长大，使晶界得到强化，促使晶粒之间的滑移容易传递，有利于表层组织中微裂纹顶部的应力松弛，增大裂纹扩展的阻力，使材料的磨损降低，1.2％氧化镧对激光熔覆车轮和钢轨试样的强化作用最好，磨损率分别降低约为46％和76％，且抵抗表层裂纹出现及扩展的能力最好。\n 4、在油润滑条件下激光熔覆处理后轮轨试样的表面损伤轻微，试样的抗疲劳剥离性能明显提高;添加氧化镧后晶界杂质减少，熔覆层组织得到改善，晶粒不易碎裂，共晶组织细化弥散度增大，材料韧性增强，试样表面剥离损伤进一步减轻，其中添加1.2％氧化镧后，试样的滚动接触疲劳性能最好。

关键词： 数据建模   轮轨力   载荷辨识   神经网络   机器学习  

摘要： 本文研究的内容是基于数据建模的轮轨力载荷辨识理论和应用方法。包括:轨道-车辆系统检测数据时频特征提取技术、多节点特征数据稀疏主成分分析的特征融合技术、基于特征数据神经网络建模的轮轨力载荷辨识技术及其在轨道质量状态评估中的应用方法。在对轨道-车辆系统检测数据的时频特征属性进行分析和提取的过程中,从经典时频分析理论出发,延伸到使用参数化时频分析方法获得信号的瞬时频率和稀疏分解,并提出一种基于变参数域和短时高斯线性调频基的自适应信号分解算法。这种方法较传统的时频分析方法更准确,可以为建立轮轨力载荷辨识数据模型提供有效的特征数据。轮轨力载荷辨识数据模型的输入是经过时频特征提取的轴箱、构架、车体加速度和轨道不平顺检测数据,模型的输出是经过时频特征提取后的轮轨力数据。经过时频特征提取的特征数据虽然在时、频域上有一致的对应关系,但却存在着相关性和多重共线性等干扰。直接用这些数据建模不但不能发挥预期的作用,还会带来维数灾难,耗费大量计算时间。针对上述问题,提出了一种多节点和稀疏主成分分析的特征数据融合方法,消除了多节点特征数据的相关性和多重共线性干扰,同时每个主成分具有可解释性,可作为训练轮轨力载荷辨识数据模型的输入数据,有助于更加准确的辨识轮轨力。在融合了多节点特征数据后,建立数据模型时需要用大量特征数据进行训练,因此对现有的神经网络和机器学习算法也提出了新的问题。本文在分析了现有的神经网络和机器学习算法后,提出一种基于多节点L1/2-Spase PCA-ELM神经网络的轮轨力载荷辨识数据建模方法。使用L1/2正则化条件增加稀疏性约束以确定隐含层神经元节点的个数,为ELM学习算法隐含层节点个数选择提供了依据。该算法具有稳定性好、泛化能力强、训练速度快等优点。使用仿真数据比较了该方法与其它神经网络数据建模算法的性能,并使用实测数据进行了验证。最后,提出一种基于轮轨力和轨道不平顺T2统计量的轨道质量状态评估方法。通过对七项轨道不平顺组成的综合变量在主元子空间投影向量单位正规化后求得T2统计量并利用它评价单个采样点和200米区段的轨道质量状态。使用综合检测列车在高速铁路和既有线路上采集的轨道不平顺和轮轨力数据进行验证,结果表明T2统计量可以更加全面的反映轨道质量状态。

关键词： 轮轨车辆   滚动轴承   故障模拟   稀疏诊断   调Q小波变换  

摘要： 近年来,我国轨道交通发展迅速,特别是高速铁路建设和地铁建设方面,然而轨道交通给人们带来更加便捷出行的同时也对车辆运行安全、车辆检修提出了更高的要求。滚动轴承广泛应用于轮轨车辆,是轮轨车辆十分关键且易损的部件,也是轮轨车辆运行过程中的主要故障源之一,保证其安全可靠地运行即发展轮轨车辆轴承状态监测与故障诊断技术对于轮轨车辆运行安全具有重要意义。本文研究得到国家自然科学基金项目“稀疏框架下信号瞬态成分提取及其机械故障预示研究”(编号:51375322)的资助,以轮轨车辆轮对轴承故障诊断为目标,研究轮轨车辆轴承故障模拟及监测诊断系统的搭建,以及基于双调Q小波变换的稀疏诊断方法,并将该稀疏诊断方法运用到轮轨车辆轴承故障模拟及监测诊断系统中,对轮轨车辆故障模拟、故障特征提取等相关问题进行深入地理论和实验分析研究。有效地对轮轨车辆轴承的故障进行模拟,是掌握轮轨车辆轴承故障机理的关键,也是对轴承故障诊断方法验证的基础。首先分析了轮轨车辆转向架结构特点,以及轮轨车辆轮对轴承运行时的受力情况,然后在此基础上建立了轮轨车辆轴承故障模拟及监测诊断系统。该系统由变频驱动电机驱动,由液压加载系统实现轴承径向力加载,可进行轮轨车辆轴承在不同转速、不同载荷情况下的单一故障或多故障模拟实验。针对传统线性信号处理方法和基于频率的分析方法的不足,研究了基于双调Q小波变换的稀疏诊断方法,首先利用不同Q因子小波表示轴承故障信号,再结合形态学成分分析方法和分裂增广拉格朗日收缩算法提取出轴承故障振动信号中低振荡的故障瞬态冲击成分。最后通过仿真信号、实际轴承故障信号分析及与均值滤波、小波阈值和经验模态分解方法的比较,验证了该方法的有效性和优越性。最后,基于轮轨车辆轴承故障模拟及监测诊断系统模拟轴承外圈、滚动体以及内圈故障,并采集不同故障状态下的振动信号,再利用所研究的基于双调Q小波变换的稀疏诊断方法分析不同故障状态下轴承的振动信号,成功提取反映轴承外圈、滚动体以及内圈局部故障的瞬态冲击成分,进一步验证了该方法在轮轨车辆滚动轴承故障诊断应用中的有效性和适用性。本文研究表明,轮轨车辆轴承故障模拟及监测诊断系统能够很好的模拟轮轨车辆轮对轴承故障时的运行情况;基于双调Q小波变换的稀疏诊断方法能够有效地提取轮轨车辆轴承故障模拟系统中轴承局部故障时所产生的瞬态冲击响应成分,这对于轮轨车辆轮对轴承状态监测与故障诊断研究具有重要的意义。

关键词： 盾构隧道   解析解   下穿施工   弹性地基梁   轨道不平顺   动力响应  

摘要： 随着城市轨道交通与地下工程的快速发展,许多大城市的地铁线路逐渐网格化,地铁隧道之间的交叉已不可避免。新建隧道在下穿既有隧道时将引起既有隧道结构和轨道发生变形,进而可能对地铁列车运行安全性和平稳性等产生不利影响。因此,如何预测盾构下穿施工影响下既有线的变形值并评价下穿扰动下既有线的安全性状,给出相应的指标,将穿越工程对地铁结构以及列车运行的影响降低到可接受范围内,就显得尤为重要。本文在现有研究的基础上,主要开展了以下几方面的工作:(1)新建盾构隧道下穿施工引起既有隧道发生变形的解析解推导针对新建隧道正交下穿既有隧道工况,建立盾构下穿引起既有隧道竖向位移的理论计算模型。采用两阶段法计算盾构下穿施工对既有隧道受力和变形的影响,第一阶段计算盾构掘进引起的土体位移:通过汇源法求解盾尾土体损失引起的土体位移,基于Mindlin解采用数值积分方法得到盾构施工的正面推进力、侧壁摩擦力和注浆压力引起的土体位移;第二阶段分析土体位移对既有隧道的影响:将第一阶段计算的土体位移换算为荷载,基于Pasternak地基模型建立新建隧道的平衡微分方程,最终求解得到既有隧道由于下穿隧道盾构施工而产生的竖向位移解析解。该解析解可计算既有隧道因盾构下穿施工而产生的位移和内力。(2)隧道变形对轨道结构几何形位的影响基于经典的弹性地基梁理论,建立了钢轨-整体道床的双层叠合梁模型,得到了双层叠合梁的平衡微分方程并求得其通解,在此基础上推导了考虑盾构下穿施工影响的叠合梁模型的通解,并针对不同工况(有无下穿施工影响)下的叠合梁结构变形及内力进行了力学分析。为了建立一种更加简化的轨道变形计算方法,考虑轨道结构各层之间的连结关系,扣件系统简化为线性弹簧,整体道床与隧道底板之间的连结采用纯受压弹簧模拟,将钢轨与整体道床视为自由梁,基于经典力学理论推导了隧道沉降与钢轨变形间映射关系的解析表达式。简化后的映射关系能更加快速地确定盾构下穿施工引起的轨道几何形位的变化。(3)盾构下穿施工对轮轨动力响应的影响为了分析盾构下穿施工对既有地铁线路列车运行安全性和平稳性的影响,基于多体动力学理论、轮轨动力学原理以及有限元方法建立了车辆-轨道系统的垂向耦合动力学模型,并采用FORTRAN语言编制了相应的车辆-轨道系统动力分析程序(DRIS)。该模型全面考虑了盾构下穿对既有隧道的影响、隧道变形与钢轨变形之间的映射关系以及轮轨动态接触关系,可以快速计算分析下穿施工对既有地铁线路轮轨动力响应的影响。利用所编制的程序,计算分析了盾构施工前后车辆及轨道结构动力响应基本特性,并研究了施工引起的不同沉降幅值、波长以及列车运行速度对轮轨动力响应的影响。结果表明,车体振动加速度、垂向轮轨力、钢轨位移以及钢轨垂向加速度均随沉降幅值与车速的提高而增大,在沉降波长为14m、车速为80km/h的条件下,沉降幅值超过19.52mm时,车体垂向加速度超过了限值,因此,施工时应格外注意控制轨道结构的沉降幅值。本文研究成果可为盾构下穿类工程实践提供理论参考。

关键词： 载荷   轮轨   磨损   疲劳损伤   有限元  

摘要： 随着我国客货共线铁路的快速发展,轮轨磨损疲劳损伤问题越发严重,因此加强对轮轨疲劳和磨损机理的形成、影响因素和预防轮轨损伤的措施进行研究,可以为重载高速铁路的发展及轮轨损伤防范措施提供了重要的指导作用。本文首先通过对现场重载钢轨损伤情况进行宏观和微观测试,研究分析了重载线路钢轨损伤机理;同时利用JPM-1B滚动接触疲劳试验机研究了不同载荷下轮轨材料磨损行为及其疲劳损伤;并应用有限元软件ABAQUS对试验过程进行数值模拟。通过以上工作得到以下主要结论：(1)重载钢轨出现严重损伤现象具体表现为：轨面表现为剥离损伤,钢轨内侧表现为侧磨损伤。剖面硬度表明钢轨轨顶区与钢轨侧磨区加工硬化主要集中在材料表层。(2)重载损伤钢轨轨顶区塑性变形严重,沿着塑性流变线出现大量宏观斜裂纹产生,裂纹以穿晶形式扩展。侧磨区出现轻微塑性变形,同时伴随着轻微剥离现象,非接触区几乎无宏观裂纹和塑性变形。(3)随着载荷的增加,滚动摩擦稳定阶段摩擦系数增加,轮/轨材料的磨损量均随载荷增加而呈上升趋势;根据轮轨材料截面硬度值变化趋势可知,轮/轨塑性变形层厚度亦随载荷增加而逐渐增加。(4)相同工况下,车轮材料磨损量及其塑性变形程度均大于钢轨材料,钢轨与车轮试样表面损伤皆表现为典型的滚动接触疲劳现象,其中车轮试样疲劳损伤较为严重,且车轮材料更易萌生裂纹。(5)通过有限元分析获得了钢轨接触面的残余应力和塑性变形分布情况,根据有限元结果可以进一步证实实验结果中裂纹最容易在钢轨的表层和次表层萌生。

关键词： 高速铁路   钢轨裂纹声发射信号   AR模型   卡尔曼滤波   去噪  

摘要： 声发射检测技术作为一种动态无损检测方法,具有敏感性、快速性、实时性等特点,已应用于压力容器、金属结构、岩石探伤等方面,并取得很好的效果,适合用于钢轨裂纹的动态检测。区别于传统的超声和电磁感应钢轨探伤方法,能够提高工作效率,减小成本,为我国高速铁路的飞速发展加强安全保障。但是目前将声发射技术用于钢轨损伤裂纹检测的还很少,由于声发射检测技术敏感性强,容易受噪声干扰,车速较大时噪声幅值较大致使有效信号淹没,所以对声发射信号去噪必不可少,是后续的钢轨裂纹声发射信号特征提取与分析工作顺利进行的前提。本文在模拟轮轨接触运动实验设备基础上,对实测信号进行分析与处理,得到适用于不同速度的钢轨损伤裂纹信号去噪方法。1)提出铅芯碾压信号模拟实际钢轨裂纹信号作为有效声发射信号的实验方法,并论证了该模拟方法的可行性;2)基于典型声发射信号的特征,分析了不同速度下实测声发射信号的统计特性和时频特性,以及速度对以上特性的影响,确定去噪问题的关键和难点;3)提出基于卡尔曼滤波的有效声发射信号检测去噪方案,建立噪声信号AR模型及噪声信号状态方程,去噪后能够检测到有效声发射信号的发生时间、波形和信号前后时刻的关系;4)为进一步确定有效信号的幅值,提出有效信号提取去噪方案,分别建立噪声AR模型和有效信号时变参数AR模型,建立有效信号状态方程,直接对有效信号进行估计,进而达到提取有效声发射信号的目的。经实验实测数据分析与去噪,证明本文提出的方法可以用于钢轨裂纹声发射信号去噪,在检测裂纹发生的基础上可以达到提取裂纹声发射信号的目的,并由模型精度对去噪效果的影响分析,证明本文提出的去噪方法同样适用于超出实验范围的高速情况。