关键词： 高频振动   噪声特性   有限元-边界元   车轮多边形   刚柔耦合  

摘要： 高速铁路运行速度的不断提高加剧了轮轨振动与噪声扩散。高速铁路向外辐射的噪声中主要成分为轮轨噪声,因此研究轮轨振声机理成为当下亟需解决的问题。本文分别建立轮轨子系统有限元-边界元分析模型,深入研究轮轨振声机理,精准预测振声特性,为轮轨子系统减振降噪提供了多方面的思路。根据刚柔耦合动力学理论,建立了精确的车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,以理想的车轮多边形作为输入激励,研究了系统结构的振动特性。为高速铁路轮轨振声预测提供了坚实的基础。本文主要研究内容如下: (1)分别建立了KKD车轮和CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的有限元-边界元模型,分析了车轮和钢轨的典型模态,分别采用模态叠加法和完全法分析了车轮和钢轨结构各部分的振动响应,鉴于轮轨结构特性,采用直接边界元法研究了车轮和钢轨声辐射特性,包括声压、声功率、声辐射效率和空间声辐射指向性,同时分析了车轮和钢轨各部分结构的声贡献量。 (2)以某型号列车为分析对象,建立了精确的车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,模型中采用前文分析的柔性轮对和柔性轨道,钢轨采用Timoshenko梁单元模拟,然后与相关文献进行对比,验证了模型建立的正确性。可以进行后续的轮轨结构振动特性分析。 (3)将理想车轮多边形作为车辆-轨道刚柔耦合动力学模型的输入激励,在时频域内分析了不同车轮多边形阶数、幅值和车体运行速度对轮对、钢轨和扣件的振动特性影响,然后采用瞬态分析的方法求解了不同车轮多边形阶数、幅值和车体运行速度对轮轨声辐射特性影响。

关键词： 重载列车   曲线通过   轮轨力分布特性   轮轨接触   运行安全性  

摘要： 随着列车轴重与编组长度的增加,重载列车纵向冲动和轮轨动力作用剧烈,且不同部位车辆运行性能差异化特征较为明显,对列车和货物的运行安全构成潜在威胁。建立考虑列车不同部位车辆三维运动特征的列车动力学模型,并开展理论仿真研究以揭示上述差异化特征已十分亟需,这对于保障重载列车运行安全、提高长期服役性能具有重要理论指导意义和应用参考价值。 本文基于列车纵向动力学理论与车辆-轨道耦合动力学理论,建立了一/三维混合编组的长大重载列车动力学模型,即一维模型仅考虑车辆纵向自由度,三维模型考虑车辆全自由度,同时验证了模型的准确性和可靠性。 利用建立的动力学模型研究了前、中、后三个部位车辆通过相同曲线的轮轨相互作用差异,以及不同制动初速、曲线半径及曲线超高对不同部位车辆的轮轨相互作用的影响规律;针对不同的制动操纵,统计了最大车钩力部位处车辆的轮轨力及轮轨接触应力的分布规律和轮轨接触斑的分布差异;研究了最大车钩力部位处车辆曲线通过性能,统计分析了制动初速、曲线半径和超高三种因素对列车脱轨安全的影响敏感性。 研究结果显示:列车在制动条件下通过曲线时,前、中、后三个部位货车在相同线路位置处的轮轨动力学参数有明显差异,多体现为前部轮轨相互作用大于中、后部车辆,在轮轨横向力、轮轨切向接触应力等指标中最大差异可达40%;曲线半径、曲线超高、制动初速度的变化在常用和紧急制动条件下对不同位置货车间,上述指标变化差异分别最大可达12%、23%。列车在不同制动状态下通过缓和曲线时,不同位置货车轮轨力分布规律一致,但在紧急制动条件下的轮轨力最大,相较于常规制动与惰行条件下的轮轨力差异可达50%。当列车以同样的制动操纵通过圆曲线段时,对于不同位置货车,其轮轨横向力靠近列车后部车辆时呈现出减小的趋势,降幅不足9%,外侧轮轨垂向力在靠近后部车辆时有增加趋势,内侧垂向力与之趋势相反,变化幅度在3%以内。从不同制动操纵模式而言,紧急制动操纵时,外轮轮轨横向力普遍高于常用制动和惰行工况30%左右。轮轨切向接触应力与轮轨横向力的分布规律类似,在紧急制动操纵时最大,在惰行工况下最小,惰行、常规制动、紧急制动时最大差异在20%以内。在列车制动条件下通过在圆曲线段时,粘着区面积在靠近后部车辆时呈现增大趋势。根据EFAST全局敏感性分析最大车钩力部位处货车的运行安全性,以脱轨系数和轮重减载率为考察指标,发现制动初速对重载列车安全性影响最大,其次是曲线半径与曲线超高。 综合分析表明,列车在通过曲线区段时,不同部位车辆的轮对承受的轮轨作用力差异显著,且这种差异会随着列车运行状态和曲线线路曲率的变化而变化。因此,车辆在曲线通过过程中,特别是在紧急制动情况下,需要注意各部位车辆受到的轮轨作用力及其变化趋势。面向列车长期服役性能保障,为获得前、中、后部货车具有较为一致的车轮磨耗演化状态及轮轨接触特性等,固定编组列车中,货车位置每隔一定时间采取适当的位置调整是有益的。

关键词： 城市轨道交通   轮轨擦伤   危害   改善  

摘要： 随着城市化进程的加速，城市轨道交通作为一种高效、环保的交通方式，越来越受到人们的青睐。然而，随着城市轨道交通的快速发展，轮轨擦伤问题也日益凸显出来，对车辆运营安全、效率、维修成本等都产生了不利的影响。本文基于城市轨道交通轮轨擦伤的危害，分析了轮轨擦伤的原因，并探究了相应的改善措施，以期保障城市轨道交通的安全、高效及可持续发展。

关键词： 重载铁路   钢轨波磨   有限元模型   塑性流动   瞬态动力响应  

摘要： 钢轨波磨是铁路线路在服役过程中,在钢轨顶部工作面沿纵向出现的波浪形磨损现象,是重载铁路上钢轨损伤的主要形式之一。由于目前大多数研究是基于轮轨振动从中观与微观的角度分析钢轨波磨的产生与扩展,而从细观层面观测轮轨接触斑处应力应变规律的研究较少。为此,论文依托国家重点研发计划,基于现场的调查和测试,通过数值分析方法展开理论研究,分析重载铁路轮对在不同特征波磨的细观层面的动力学响应。论文的主要研究工作如下: (1)基于有限元基础理论和材料塑性流动理论,针对包神铁路现场实际运行的重载车辆及其特有的轮轨踏面特征,借助有限元仿真软件ABAQUS构建了曲线单侧波磨三维轮对-轨道有限元模型和直线两侧错位波磨三维轮对-轨道有限元模型,同时为确保模型能够真实反映实际运行状况,将其仿真结果与实测数据进行比对和分析,从而验证了这些模型的有效性和准确性。 (2)针对重载铁路钢轨波磨扩展的劣化行为机制,利用轮轨有限元模型进行仿真分析,从细观层面对波磨区段的轮轨动力学响应开展研究。通过对不同波长、波深的曲线单侧波磨进行有限元仿真分析,发现钢轨波磨的最大应力应变接触点不在波谷处,而是在波谷后方约8～40 mm处达到最大。基于该结果提出波磨扩展时的“刨切碾压”效应,并且解释了为何钢轨波磨波长在300mm后不再明显增长。该实验结果为深度分析重载铁路钢轨波磨劣化行为、探索重载铁路钢轨波磨劣化机理提供一定的参考。 (3)针对两侧存在钢轨波磨的区段进行细观层面的动力学行为特征研究,从不同波长、波深和相位差等影响因素出发研究两侧钢轨波磨之间的相关影响机制。结果发现:两侧波磨扩展的主要方向存在差异,这一差异随着波长的缩短、相位差的减小以及波深的增加,呈现出逐渐减小的趋势。该结论说明两侧波磨之间确实存在相互影响关系,而这种相互作用关系又受到钢轨波磨不同特征参数的影响。该实验结果为深入探究两侧波磨现象提供了理论依据,为两侧波磨研究提供了仿真实验支撑。

关键词： 地铁车轮   磨耗位置   轮缘磨耗   踏面磨耗   轮轨接触特性   车辆动力学性能   线路曲线占比  

摘要： 实际地铁线路中,由于曲线占比不同,导致车轮磨耗的位置存在较大的差异,当线路中曲线占比较小时,车轮磨耗主要集中在踏面位置,当线路中小半径曲线占比较大时,车轮的轮缘更易发生磨耗,车轮磨耗位置发生变化,引起轮轨接触特性改变,进而影响车辆的动力学性能,因此,研究不同车轮磨耗位置对轮轨接触特性及车辆动力学性能的影响对车辆镟修维护和安全运行具有较大意义。 目前研究主要集中于车轮磨耗对车辆动力学性能的影响,但没有进一步细分车轮不同磨耗位置对轮轨接触特性及车辆动力学性能的影响差异。本文跟踪测量了a和b两条地铁线路产生的轮缘磨耗型面和踏面磨耗型面。运用ANSYS建立了轮对-轨道弹塑性有限元模型,分析了不同车轮磨耗位置对轮轨接触特性的影响;运用SIMPACK建立了地铁车辆多体动力学模型,分析了直线、5种不同半径曲线和9种曲线占比线路下的车辆动力学性能;最后利用熵权法对不同曲线占比下两种车轮磨耗型面的线路适应性进行综合评估,论文的主要内容如下: (1)建立轮对-轨道弹塑性有限元模型,以实测服役14万公里的轮缘磨耗型面和踏面磨耗型面为研究对象,计算了不同轮对横移量下两种车轮磨耗型面的轮轨接触性能,结果表明:随着轮对横移量的增加,轮缘磨耗型面的等效应力、等效应变、剪切应力、表面接触应力的最大值先增大后减小,但轮轨接触斑面积呈现先减小后增大的趋势,踏面磨耗型面的变化规律与轮缘磨耗型面相反。轮对对中附近,踏面磨耗型面优于轮缘磨耗型面;当横移量较大时,轮缘磨耗型面优于踏面磨耗型面。 (2)在静力学研究基础上,建立了地铁车辆多体动力学模型,进一步分析了车轮不同磨耗位置对车辆动力学性能的影响。以服役8、14万公里的轮缘磨耗型面和踏面磨耗型面为研究对象,分析了两种磨耗型面在不同速度(50km/h、55km/h、60km/h、65km/h、70km/h)、不同曲率半径(R1000、R800、R600、R450、0R300)线路上的车辆直线性能、曲线通过性能及轮轨磨耗性能。结果表明:在直线工况下,轮缘磨耗型面的动力学性能和磨耗性能优于踏面磨耗型面;在不同车辆速度和不同曲率半径下,踏面磨耗型面的曲线通过性能和磨耗性能优于轮缘磨耗型面。 (3)分析了不同曲线占比与不同车轮磨耗型面的适应性,研究了不同曲线占比(0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%)下两种车轮磨耗型面对车辆动力学性能的影响,利用熵权法对不同曲线占比下两种车轮磨耗型面的动力学性能和磨耗性能进行分析,得出不同磨耗位置型面与不同曲线占比线路的最佳匹配策略,结果表明:当曲线占比较低时(5%～20%),踏面磨耗型面的综合得分更高,线路适应性更好;当曲线占比较高时(25%～40%),轮缘磨耗型面综合得分更高,线路适应性更好。