关键词： 高速列车   轮轨关系   磨损   滚动接触  

摘要： 随着我国铁路客运不断地发展，列车运行速度越来越高，其安全性变得愈发的重要。高速列车车轮踏面磨耗之后，各动力学性能也会不同程度地下降，进而影响列车的安全运行。为了提高列车运行的安全性和舒适性，研究高速列车轮轨接触磨损是十分必要的。本文分析和总结了高速列车轮轨接触磨损的研究现状，利用SIMPACK软件在特定的轮轨接触下的高速列车的临界速度，计算结果表明，现有轮轨参数满足设计要求。

关键词： 地铁车辆   LM磨耗型踏面   DIN5573磨耗型踏面   动力学性能   磨耗  

摘要： 随着社会经济的迅猛发展,城市化进程不断加快,地铁作为一种方便、快捷、环保的交通工具,在提高城市居民出行效率,缓解交通拥堵等方面发挥了重要作用。与大铁路车辆相比,地铁车辆运营速度较低,运行线路处于地下,而且具有曲线半径较小,运行线路固定的特点,这些特点导致了其较为特殊的轮轨关系。此外,城市轨道交通系统现已成功开行120km/h的快速地铁车辆,速度的提高不仅会影响车辆运行平稳性和安全性,还会影响轮轨间的磨耗。因此,研究不同踏面对不同速度地铁车辆的动力学性能、磨耗的影响具有较为重要的意义,也为地铁车辆的车轮踏面的选择和检修、曲线线路设计等提供了理论基础。本文阐述了国内地铁车辆的发展概况和地铁车辆的种类,简要叙述了国内外对轮轨磨耗研究的现状。本文以多体动力学基本原理为基础,通过基本假设和线性关系处理等方法,采用系统动力学仿真软件SIMPACK建立了地铁车辆的动力学模型。在相同条件和工况下,仿真模拟80km/h和120km/h地铁车辆分别匹配LM磨耗型踏面和DIN5573磨耗型踏面,对比分析其以不同速度运行时的稳定性、平稳性以及曲线通过安全性等动力学性能。本文从轮轨接触的几何关系角度出发,对比LM磨耗型踏面和DIN5573磨耗型踏面的滚动圆半径差、轮轨接触角差和轮对等效锥度,并介绍轮轨间磨耗的计算模型,同时,采用霍依曼磨耗指数和爱因斯磨耗指数,分别对地铁车辆通过直线和曲线的情况下不同踏面对轮轨磨耗的影响进行分析比较。此外,本文研究了曲线线路技术参数,例如曲线半径大小、超高设置、缓和曲线长度,对地铁车辆动力学性能和磨耗的影响,并对120km/h地铁车辆曲线线路参数进行了简单的计算分析。分析结果表明：80km/h和120km/h地铁车辆分别匹配LM磨耗型踏面和DIN5573磨耗型踏面以不同速度运行时,车辆运行稳定性、平稳性以及曲线通过安全性等指标基本满足要求。在相同条件下,LM磨耗型踏面具有良好的曲线通过性能,而DIN5573磨耗型踏面在直线上具有良好的运行稳定性;从磨耗角度来看,因为直线上只考虑踏面和轨面间的磨耗,所以DIN5573磨耗型踏面的磨耗要小于LM磨耗型踏面,而曲线上考虑轮缘和轮轨接触,所以LM磨耗型踏面在曲线上体现出较好的磨耗性能。曲线线路技术参数的合理设置可以在不同程度上提高车辆动力学性能、降低磨耗,如增大曲线半径、设置一定的欠超高、增加缓和曲线长度。本文研究不同踏面对地铁车辆运行动力学性能的影响、轮轨间的磨耗以及线路技术参数的选择对运行性能的影响,为踏面的选择、曲线轨道参数的设置提供了理论依据。

关键词： 轮轨材料   轴重   速度   磨损   损伤   磨损图  

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。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。论文研究主要结论如下：(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。(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。(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Fe203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。(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。(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κ处于1～10×10-4区间内。

关键词： 铁道机车   车辆轮轨   摩擦磨损   节能   降耗  

摘要： 本文通过地铁特点、摩擦管理与轮轨磨耗的关系以及摩擦管理在铁路客运线路上的应用进行简要分析。

关键词： 地铁线路   焊接区   轮轨   动力学  

摘要： 钢轨焊接接头在地铁中较为常见，是轨道结构中最薄弱的环节，易出现钢轨马鞍形不平顺、焊接接头低塌等缺陷。在轮重荷载作用下，该区域的轮轨相互作用会加剧，随着轴重的提高，钢轨焊接接头区域的轮轨相互作用更加剧烈。文章就展开对这一问题的简要概述。

关键词： 驱动系统车辆耦合动力学   FASTSIM   粘滑振动   分岔   共振   极限环   参数匹配  

摘要： 驱动系统作为高速动车组簧下单元的重要组成部分,包含电机、齿轮箱等重要单元,各单元之间多采用弹性联接。在以往的车辆系统动力学研究中,多采用恒定速度,并未重视驱动系统的影响。事实上,由于车辆系统最基本的关系——轮轨关系的非线性,这体现在轮轨接触几何的非线性和轮轨力的非线性,车辆系统是一个复杂的非线性系统。驱动系统内的众多弹性元件也会对整个系统的稳定性造成影响。以往关于驱动系统的研究手段主要基于仿真和驱动系统的简化模型,并没有将驱动系统和车辆系统统一起来。作为车辆系统动力学的基础理论——轮轨接触理论已经大量应用于各种科研和工程实践,但对于大蠕滑工况下,蠕滑力随蠕滑率的增大而减小的现象,现有的轮轨接触理论并没有给出很好的解释,本文尝试在现有理论的基础上对简化理论程序FASTSIM进行修改,使之适用于大蠕滑工况下轮轨力的计算。轮轨间的粘滑振动对于车辆工程领域具有重要的影响,例如钢轨的波磨,车轮的磨耗,以及车辆过小半径曲线时产生的尖啸声。那么轮轨间的粘滑振动到底是怎么产生的,和哪些因素有关,如何合理优化设计参数来抑制轮轨间的粘滑振动,本文尝试从驱动系统——车辆系统耦合动力学的角度进行研究,并给出参数优化匹配的结果。本文主要工作有：(1)介绍几种理论对Kalker简化理论计算程序FASTSIM进行修改,使之适用于大蠕滑工况下轮轨力的计算与仿真。(2)建立详细的驱动系统动力学模型,对轮轨接触的非线性因素——蠕滑率、粘着系数进行线性化之后,得到系统的线性化模型,分析线性化模型的特征值,初步判断各参数对系统稳定性的影响。(3)建立包含非线性的轮轨接触关系、非线性轮轨力的轮对、单构架16个自由度以及驱动系统8个自由度公24个自由度的耦合动力学模型,并将其MATLAB中的仿真结果与SIMPACK中所建模型的仿真结果进行对比,验证了上述动力学模型的正确性。(4)利用上述模型分析了恒转矩牵引和恒功率牵引两种工况下驱动系统的相关参数对轮轨粘滑振动的影响,并发现了驱动系统与轮对纵向运动间的共振现象、驱动系统的分岔现象,以及轮对纵向振动的极限环现象。(5)提出了判断轮轨间粘滑振动稳定性的评判准则,根据轮轨间的滑动速度是否收敛,轮对的点头与纵向运动的稳定性得到了一系纵向刚度与齿轮箱吊挂垂向刚度的参数匹配曲线。

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： 直线电机   地铁车辆   动力学性能   轮对踏面   垂向电磁力  

摘要： 由于直线电机地铁车辆特殊的非黏着驱动方式,构建了考虑直线电机垂向电磁力的车辆动力学模型[1]。采用LM、S1002、JM33种不同轮对踏面,比较静态状况下轮轨几何接触关系,并分析施加垂向电磁力前后车体与构架动力学特性差异。主要对车辆平稳性指标、构架横向加速度、轮重减载率、轮轴横向力进行了动态仿真计算。分析结果表明:考虑直线电机垂向电磁力后其构架与车体的横向动力学指标会明显变差,但对垂向值影响不大,在60km/h的低速范围内总体上3种踏面动力学性能差异较小,但在高速范围S1002踏面明显好于LM和JM3踏面。

关键词： 弹性体轮对   轮轨接触   曲线通过性能   几何参数   动力学性  

摘要： 轮轨接触关系是轨道交通中的重要研究课题之一。随着列车运行速度提高,轮轨相互作用更加激烈,轮轨载荷也更加复杂。为了研究车辆在高速运行时更加真实的轮轨接触状态,本文以我国某型动车组为研究对象,建立了全弹性系统动力学模型,同时建立了与之完全对应的刚性系统动力学模型,并在此基础上进行相应的数值计算、分析和研究,结果表明： (1)低速时,刚性和弹性两种动力学模型的轮轨接触特性没有太大的区别;高速时,弹性系统动力学模型能够更加真实地反映轮轨之间相互作用;当两种系统高速曲线通过时,弹性模型更能体现这一特征。 (2)随着运行速度提高,轮轨之间相互作用加剧,脱轨系数和减载率均增大,对轮轨系统安全性影响明显。 (3)车辆高速通过不同半径曲线轮轨接触状态有所差异,曲线半径较小时轮轨间发生两点接触,导致轮轨磨耗增大,大曲线半径时轮轨间单点接触,轮轨磨耗小;相同曲线半径上,内外两侧车轮纵向蠕滑力大小相同方向相反,横向蠕滑力方向相同但幅值不一致。 (4)轮轨间的几何参数对车辆系统动力学性能有影响：临界速度随着轮轨间摩擦系数的增大而增大：改变轮对内侧距导致游间变化从而影响轮轨匹配关系;轨底坡变动同样会对轮轨匹配关系产生直接的影响,如滚动圆横向跨距和轮轨接触斑面积发生变化,即轨底坡越小接触斑面积越大等。 本文对弹性系统的轮轨接触特性进行分析和研究,研究结果对降低轮轨磨耗、提高列车运行安全性具有重要意义。

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。