关键词： 高速   轮轨黏着   温度   弹塑性   表面粗糙度   数值分析   高速试验  

摘要： 高速轮轨黏着问题是轮轨摩擦学研究中的难题之一。列车的牵引和制动能力都受到轮轨黏着特性的制约。我国幅员辽阔,一万多公里的高铁线路都裸露在外,钢轨表面不可避免的会被水、油等“第三介质”污染,从而极大地降低了轮轨间的黏着特性,增加了轮轨的接触疲劳损伤。近年来我国铁路向着高速和重载方向发展,对于轮轨黏着力的发挥提出了更高的要求。由于轮轨黏着是个很复杂的摩擦学现象并且受很多因素的影响,因此目前对于高速轮轨黏着机理的研究十分有限。虽然在实验方面开展的工作较多,但是基本是在中低速条件下的双轮对滚实验,很难精确完整地揭示高速条件下的黏着机理。一般来讲数值模拟可以很好地弥补解释实验中的现象并且可以模拟较高的运行速度,但是相比于实验,研究数值研究鲜见报道。因此,有必要从数值和实验两个方面深入研究高速轮轨黏着的机理,为保障我国高速铁路运营安全以及黏着控制和增黏措施的选取提供理论依据。通过数值仿真和高速试验,本论文主要开展了以下几个方面的研究工作：(1)全面地介绍国内外在高速轮轨黏着研究方面的现状,提出了进行此方面研究的必要性,并简要介绍了本文的研究思路。(2)建立了在轮轨摩擦副间存在水和油污染时的热效应的三维全膜润滑模型,获得了油水存在时的接触特性。分析了速度和轴重对表面介质膜厚的影响。掌握了考虑温度和等温模型预测的界面流体膜厚的差别。通过此模型进行了二十组数值拟合,获得了适合水介质存在时的三维中心膜厚和最小膜厚与速度、材料参数、载荷及椭圆比相关的经验公式,为后续简化模型的应用提供理论基础。(3)系统地调查了基于统计方法的微观弹塑性模型,从微观角度分析了各模型的间隙-接触载荷和接触载荷-接触面积随塑性指数变化的规律;并且从宏观角度基于轮轨接触工况,通过Newton-Raphson法求解了各模型的方程组,获得了不同载荷和不同粗糙度参数下三种模型的接触压力分布规律,并对比了不同载荷下的各模型最大接触压力和接触斑半宽。通过以上对比分析,掌握了各模型间的差别和适用条件为后续混合润滑计算微观粗糙峰接触压力的计算模型选取提供理论基础。(4)针对轮轨界面存在水介质时且表面粗糙度较小而引起的低膜厚比(Λ<0.5)的工况,本文基于Grubin理论和微观弹塑性接触理论建立了二维和三维简化了的高速轮轨黏着模型。首次将入口区粘压温升、微观固体弹塑性接触及微观固体粗糙峰间的摩擦温升等因素耦合到一个模型中进行黏着分析计算。针对一般计算工况(Λ>0.5),首先建立了三维考虑微观粗糙峰的弹性变形的高速轮轨模型。然后首次将温度、弹塑性和界面流体流变效应耦合到一个二维高速轮轨黏着计算模型中,最后将前面两个模型拓展到更全面的考虑温度和弹塑性的三维高速轮轨黏着模型。成功地拓展了传统的热弹流计算方法使其能够适用于轮轨摩擦副的黏着计算。从数值角度解释了速度、表面粗糙度、轴重、表面纹理、温度、流变特性、滑移率等因素对高速轮轨黏着特性影响的机理。(5)利用JD-2高速轮轨滚动接触试验装置对轮轨间存在水、油和水油混合物时的黏着特性进行了试验,试验中最高模拟速度达到300 km/h。获得了三种轨面状态下的速度曲线。通过本文试验从另一个角度揭示了高速轮轨黏着机理,丰富了国内外在试验方面模拟速度在200 km/h以上的数据。将高速轮轨黏着理论模型的数值结果与试验结果进行对比验证。基于试验和数值结果可以为后续轮轨黏着控制和增黏措施的选取提供理论依据。

关键词： 机车   动力学   局部激扰   粘滑激扰   振动  

摘要： 在线路某些特殊的地点,易出现轨道局部不平顺。比如在桥梁的桥墩处易出现交点型局部不平顺,小跨度桥梁易呈现平顶型局部不平顺,轨道局部不平顺在机车车辆的作用下,会进一步发展恶化。本文通过MATLAB软件模拟局部不平顺,将轨道局部不平顺作为机车模型的外部激扰。运用SIMPACK多体动力学仿真软件,建立了某型机车的动力学模型,以机车动力学指标为依据,分析了不同波数的局部不平顺、局部不平顺的不同参数、局部不平顺的恶化对机车动力学性能的影响。当机车轮轨间有粘滑激扰时,分析了此时机车驱动系统、转向架构架及车体的振动加速度及频率。本文的主要工作如下：(1)应用数值模拟方法,利用MATLAB软件将空间域的美国5级线路谱转化为时域谱,作为机车的外部激扰,导入到机车动力学模型中,对所建立的机车动力学模型进行验证分析。(2)将模拟的轨道不平顺作为机车外部激扰,输入到机车仿真模型中,仿真分析了某型机车在轨道局部交点型不平顺及连续不同波数下机车的运行安全性及平稳性的影响规律,分析了小跨度桥的局部平顶型不平顺的幅值A、与不平顺波长相关的系数K和平顶长度L对轮轨系统动力性能的影响。结果表明：当轨道交点型不平顺幅值和波长一定的情况下,轨道交点型不平顺的波数越多,对机车运行安全性和平稳性的影响就越大,并且都大于仅有随机不平顺激扰的情况。平顶型不平顺的幅值A和不平顺的系数K的增大,对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值都有不同程度的影响;但平顶长度L对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值几乎没有影响。(3)轨道开通运营后,机车车辆与轨道之间的相互作用是轨道局部不平顺发生、发展及恶化的主要原因,轨道局部不平顺将进一步产生新的发展,各种初始不平顺将逐渐恶化。轨道局部发展恶化之后,会进一步影响轮轨间的动态作用。仿真结果表明：当谐波型局部不平顺发生沉降恶化和交点型局部不平顺发生凸起恶化时,即使恶化的幅值较小,也会造成轮轨动力响应的严重恶化,引起轮轨冲击振动;并且机车运行速度越大,轮轨动力作用越大。(4)当轮轨切向力达到饱和以后,轮对处于大滑动状态时,轮轨间的粘着系数随着蠕滑率的增加而下降,轮轨间粘着特性曲线的负斜率会引起驱动系统的部件(如：电机、转子、小齿轮)、机车轮对、构架在某些方向的加速度的增大。而这些部件的其他方向上,振动加速度与机车轮轨间无粘滑激扰时,无明显变化。

关键词： 轮轨   试验机   数据采集   虚拟仪器   LabVIEW  

摘要： 随着高速铁路技术的不断提升,铁路运输面临前所未有的挑战,关于轮轨磨耗问题就一直是许多国家重点的研究课题。许多问题的解决都需要借助与速度不断提高相适应的试验设备,高精度、高效率的高速数据采集系统在JD-2轮轨模拟试验机上的开发与应用具有深远的意义。在二十一世纪的今天,伴随着多功用、低成本和高性能计算机的普遍应用,大规模集成电路和通信技术的飞速发展,传统的测量仪器向着数字化的虚拟仪器发展已经成为一种必然的趋势。利用计算机强大的数据处理和存储能力,虚拟仪器充分实现了测量仪器的智能化、模块化、网络化,使仪器展现出了多任务、低成本、高精度、操作简便而被广泛的应用和发展。本文就是基于虚拟仪器思想,在数据采集理论的基础上,设计并开发了一套五通道的高精度、高速数据采集系统,并基本实现了试验机预期的各项功能。文章首先论述了数据采集系统过程中常用的一些基本理论,包括模／数转换原理、奈奎斯特采样定理和数字信号的两种采样方式。整个系统的设计主要包括2个组成部分：硬件系统的设计和上位机测控程序的开发。硬件部分的设计,数据采集卡采用研华公司生产的PCI-1711L,单通道最大采样率可达100KHz。IS0124P隔离放大器的应用,使电源与信号完全隔离,实现了信号的连续隔离放大。本课题还专门针对外界噪声对信号的干扰,设计了一个2阶巴特沃斯滤波器电路。这些硬件电路的选择和设计,使系统对信号的精度和稳定性等实现了良好的控制。软件部分,通过对比多种编程语言,最终采用美国NI公司开发的LabVIEW为开发平台。基于模块化的设计原则,软件系统划分为数据采集、数据处理、数据显示和数据存储四大模块。软件开发的最大创新点,就是以基于队列的生产者／消费者模型为主程序,有效解决了大数据的采集、处理、显示和存储等难点,此外,系统开发过程中还应用了包括PCI总线技术、多线程编程技术等多种技术手段,完美实现了模块之间的通信和数据传输。最后,通过设计对照实验,分析获取的各项实验数据,有效验证了系统的可靠性和稳定性。

关键词： 论文   预报   轮轨滚动接触   接触问题   滚动接触疲劳   波浪形磨损   接触疲劳损伤   高速铁路   研究成果   铁路轮轨   试验研究   破坏形式   理论体系   理论分析   接触理论   机理研究   综述   学者   系统   历史  

摘要： 随着高速铁路的不断发展，轮轨滚动接触问题愈加突出，因此，倍受国内外学者的关注。轮轨滚动接触问题涉及的范围较广且较为复杂，并在一定程度上引发轮轨的疲劳损伤和波浪形磨损等破坏形式。基于理论分析和试验研究两个方面，着重对轮轨滚动接触的发展历史和研究现状进行了总结和分析，并综述了轮轨滚动接触疲劳和钢轨波浪形磨损的研究现状。从现有的研究成果来看，轮轨滚动接触理论已相对较为完善，而对于高速铁路轮轨滚动接触疲劳损伤的形成机理研究仍未形成系统的理论体系。

关键词： 棘轮效应   轮轨   损伤   机理  

摘要： 轮轨损伤影响着铁路运营安全和运营成本而棘轮效应对轮轨损伤有着重要的影响。本文基于循环载荷作用下轮轨的材料响应分析，以及数值方法对轮轨棘轮效应模拟结论，对棘轮效应影响下轮轨的损伤类型进行了研究。

关键词： 地铁钢轨波磨   振动特性   位移导纳   波磨增长率   波磨通过频率  

摘要： 近年来,随着城市规模的扩大和居民出行需求的增多,既有的城市公共交通系统已无法满足居民的出行要求。为了提高城市公共交通系统的运输能力,解决城市交通拥堵问题,我国许多城市相继开展了地铁的建设。然而,已开通线路的运营情况表明,钢轨波浪形磨耗问题不同程度地出现在我国各大城市的地铁线路上,其不仅降低了轨道各组成部件的使用寿命,增大了工务部门的养护维修工作量,更严重影响着列车运行的安全。因此,研究地铁钢轨波磨的产生及发展机理,提出减缓波磨的方法和措施,对确保列车的安全运营具有重大的现实意义。基于此,本文从轮轨系统的振动特性入手,揭示城市地铁钢轨波磨形成和发展的原因,具体如下： 1.选取位移导纳和波磨增长率分别作为波磨产生和发展的评价指标,介绍了二者的概念,重点介绍了波磨增长率计算公式的推导过程及计算方法。 2.建立了北京地铁普通短枕式、减振器扣件式、弹性短枕式和梯形轨枕式4种轨道结构和轮对的频域分析模型,通过模态分析和频响分析,确定了各轨道结构和轮对振动响应的峰值频率。通过比较上述峰值频率和波磨实际的通过频率,确定轮轨的振动与波磨形成之间的关系。分析结果表明：轨道结构一定频率下的垂向振动是导致相应波长波磨产生的重要原因;轮对310Hz左右的振动是减振器扣件式轨道钢轨波磨形成的重要原因,除此之外,轮对振动对其余三种轨道波磨的产生基本没有影响：轮对附加质量对长波波磨形成的影响较大,对短波波磨形成的影响较小。 3.建立地铁车辆-轨道-隧道耦合时域分析模型,首先计算得到了轨道动力指标在时程上的分布,而后转换至频域,研究轨道结构在列车荷载和轨道不平顺激励下的振动特性。分析结果表明：在1000Hz之内钢轨振动存在多个响应峰值,将响应峰值的频率与波磨的实际通过频率对比,发现二者的一致性较好,说明轨道固有的振动是钢轨波磨产生的重要原因。 4.基于波磨增长率对不同轨道结构的波磨发展机理进行了分析,在此基础上,研究了曲线半径、轨枕间不同位置、行车速度、轮轨摩擦系数对波磨增长趋势的影响规律。分析结果表明：钢轨波磨在实际通过频率附近具有较大的增长趋势;在四种类型的轨道结构中,减振器扣件式轨道最易发生波磨,普通短枕式轨道最不易发生波磨;在导向轮对、拖动轮对的4个车轮中,导向轮对内轮与曲线内轨之间的相互作用对波磨增长的贡献最大;增大曲线半径有利于减缓波磨的发展趋势;在中高频段,轨枕上方、轨枕跨中处钢轨的波磨发展趋势差异较大,由此可导致高频短波波磨的形成：行车速度对长波波磨形成的影响不大,对短波波磨形成的影响较大;减小轮轨摩擦系数会显著降低波磨的发展趋势。

关键词： 铁路轴承系统   时变非线性   耦合动力学   温度效应   润滑  

摘要： 目前铁路运输是我国的主要交通运输方式,对经济社会的发展起着关键性的作用。随着我国经济的迅猛发展,铁路运输的时效性已无法满足日益增长的需求。发展高速重载技术成为必然的趋势,对铁路车辆和轨道技术提出了进一步更高的要求。铁路轮轨系统是铁路车辆系统的关键部件之一。在车辆行驶过程中,由于钢轨不平顺的激扰等因素,受到强烈的振动冲击,铁路轮轨系统的振动是引起其疲劳破坏的原因之一,较大的振动将直接影响整车的运行安全性与平稳性。其次,铁路轴承系统多采用润滑性能好,使用周期长的润滑脂润滑,其性能的好坏将直接影响轴承系统的寿命。因此对铁路轮轨系统的振动特性和轴承系统的润滑特性的研究是一项既有学术价值,又有重要的实用意义和广泛的应用前景的研究课题。本文在结构动力学和流体力学的理论基础上,借助数值计算分析工具matlab为仿真手段,以铁路轮轨系统为研究对象,对铁路轮轨系统进行振动响应等方面的研究;在此基础上进一步研究了考虑温度效应的铁路轴承系统的润滑性能;最终在实际的工程案例中,验证了理论模型方法的正确性。本文的工作将为铁路轴承系统的结构优化设计,车辆稳定性研究及动力学性能评价提供一定的理论依据和参考。本文主要研究工作如下：(1)以轴承耦合接触模型和轮轨动态空间耦合接触模型为基础,采用集中参数和有限元相结合的方法建立轮-轴-轨系统的耦合动力学模型。模型中充分考虑了轮轴的柔性变形、时变的轴承非线性接触载荷、钢轨的振动等因素,通过分析各子系统的受力特点,依据牛顿运动的基本原理,建立了轮-轴-轨系统的振动方程,并与刚性轮轨模型作对比,分析轮轴柔性变形对轮-轴-轨系统的影响。(2)基于脂润滑的基础理论、铁路轴承的结构参数及运动关系,建立了考虑温度效应的双排圆锥滚子轴承的润滑分析模型。并分析工况参数、温度效应对润滑性能的影响。(3)最后,为说明本文理论模型方法的准确性,以某铁路货车轴承为实例对象,实例表明本文建立的轮-轴-轨系统动力学模型和润滑特性分析方法具有较高的可信度,可以为轮轨系统的设计校核和可靠性分析提供参照。

关键词： 轮轨摩擦   温度   弹性模量   摩擦系数   抗拉强度  

摘要： 轮轨摩擦是一个涉及到传热、机械、材料、化学等多学科的复杂基础问题。随着列车运行速度和轴重的不断增加,制动和加速牵引更加频繁,对轮轨摩擦问题研究的重要性更加凸显。稳定和足够的轮轨摩擦系数对于列车的安全运行至关重要。然而实际轮轨摩擦中产生的高温会导致接触面附近材料的组织和性能随时发生变化,从而影响摩擦稳定性,同时会加速车轮和钢轨表面的剥离、磨损,使列车安全运行存在隐患并增加运营成本。因此,研究温度对轮轨摩擦系数和磨损的影响就成为理解轮轨摩擦机理的一个非常重要的前提,并且对于延长轮轨寿命和保证铁路安全运行有着非常重要的意义。本论文首先在已有理论研究基础上,进一步进行归纳和推导,给出了温度对轮轨滑动摩擦系数影响的理论估算值;然后在自行设计的销盘式高温摩擦磨损实验台上,对不同温度下轮轨钢之间的摩擦系数和磨损进行了研究;最后将实验结果与理论估算结果进行了对比。主要研究结果包括:(1)在Popov等人的研究基础上,对轮轨钢弹性模量和抗拉强度随温度的变化进行了研究,最终得到轮轨摩擦系数随温度变化的估算公式。从该估算公式看,随着温度的增加,摩擦系数变化分为三个阶段,即缓慢上升阶段(10℃﹣300℃)、迅速减小阶段(300℃﹣700℃)和缓慢减小阶段(700℃﹣925℃)。(2)摩擦实验结果表明,轮轨钢摩擦系数随温度的变化比较复杂。从室温至高温,摩擦系数先急剧增大,在200℃达到最大值;随后又迅速减小,在400℃出现一个极小值后继续增大;温度达到500℃后开始缓慢减小,温度达到700℃后则迅速下降。(3)发现对于轮轨钢存在一个蓝脆区(200℃﹣400℃区间),在该温度区间内,轮轨钢表面发蓝,其抗拉强度和硬度随温度变化出现反常,并非逐渐减小,而是逐渐增加达到最大值。初步判断这可能是轮轨钢在300℃和400℃时摩擦系数发生较大变化的原因,有待进一步探索。(4)对比摩擦系数随温度变化的理论估算结果与实验结果后发现,两者无论在变化趋势还是高温时的数值大小上,符合都不甚理想。分析认为主要原因是在建立理论估算公式过程中未考虑到轮轨钢性能的一些反常变化,如蓝脆现象。尽管如此,本论文的实验研究对于理论估算模型的进一步完善提供了依据。

关键词： MG450F   提梁机   安装   施工   方案  

摘要： 高铁线路优先采用桥梁工程减少占用土地资源并尽量避免因路基工程对当地交通发展的阻碍，通过提梁机将箱梁提到桥上进行箱梁架设的施工方案被广泛采用。本文通过案例简要将提梁机拼装的前期准备工作和主要结构部件拼装作业程序、施工安全质量注意事项进行梳理。

关键词： 重载铁路   双线桥   车桥耦合   动力响应分析   加固分析  

摘要： 双线桥在我国重载铁路桥梁中占有很大的比例。由于上下行线列车偏载、既有线路设计之初未能考虑运输能力的急速增长、列车轴重增加和提速等原因,列车行车安全稳定性能和桥梁轨道结构的安全耐久性能出现严重问题。本文分析了上述问题产生的原因,并提出相应的改进措施。本文的主要研究工作和结论分为以下几个方面： (1)编制了基于车桥耦合的轮轨力仿真模拟程序。以MATLAB为编程工具,根据轮轨动态耦合关系,考虑轨道不平顺、轮对蛇形运动,利用迹线法、Hertz非线性弹性接触理论、Kalker线性理论,编制仿真模拟程序计算重载铁路上下行列车轮轨力。在程序编制过程中,采用了一种基于蛇形运动求解参数的计算方法,避免了传统研究中参数的随机指定,同时避免了复杂积分,为计算提供了方便。通过与实测值的比较,验证了该程序的可靠性,为重载铁路轮轨力的仿真模拟提供了一种有效的途径。 (2)利用有限元软件建立了重载铁路双线桥单层点支承轨道分析模型,结合实际工况,分析了不同工况下桥梁的竖向动力响应。通过分析认为：既有线路横向连接偏弱,造成竖向动力响应出现明显不同步性,对桥梁的安全性和耐久性非常不利;载重量和车速在竖向动力响应方面均有较大的影响;不同车速列车相同时间上桥或者有时间差上桥,桥梁动力响应基本一致;上行线重车对桥梁的影响明显大于空车。同时提出相应的桥梁加固方案。 (3)利用仿真模拟程序得到的轮轨力进行了车辆运行安全性、稳定性、车辆与轨道动态作用性能分析。通过分析认为：1、车辆运行安全性方面,重车安全性优于空车,当空车车速超过80km/h时,有脱轨危险;2、车辆运行平稳性方面,空车竖向和横向平稳性较重车差,当车速较大时,空车和重车横向和竖向振动较大;3、车辆与轨道动态相互作用性能方面,各项指标均符合规范要求,但随着车速的提高,各指标增幅较大,接近限制值,上行线将会出现规矩扩大和轨排横移的可能性。同时提出了加强既有线路养护、改善线路材料性能、升级转向架、改造结构等措施来提高车辆和轨道的营运性能。