关键词： 轮轨接触应力   疲劳裂纹   轴重   摩擦系数   应力强度因子   有限元分析  

摘要： 近年来铁路运输不断向高速、重载方向发展,创造了巨大的经济效益和社会效益。然而高速铁路运输向科学研究提出了一系列挑战,许多关键科学技术问题急需解决,其中轮轨接触疲劳裂纹伤损问题就是铁路运输中最复杂的科学问题之一。接触疲劳裂纹的萌生和扩展与轮轨接触应力密切相关,所以求解分析轮轨之间接触应力就成为研究裂纹萌生和扩展状况的关键问题。本文采用三维建模软件Pro/E以车轮和钢轨实际的几何尺寸建立三维实体模型,运用有限元分析软件ANSYS建立有限元模型,然后进行了计算分析。首先研究了在不同轴重,摩擦系数和牵引力矩下轮轨接触应力的变化,阐述了接触应力的变化对接触疲劳裂纹萌生的影响。随后在原有模型的基础上,建立了含有裂纹的有限元模型,计算分析了不同轴重、摩擦系数和行车速度对裂纹尖端应力强度因子的影响。计算分析结果表明：在针对疲劳裂纹萌生方面,随着轴重和牵引力矩的增加,轮轨接触剪切应力和最大Mises应力会逐渐增大,加剧了塑性变形和塑性流动,加快了疲劳裂纹的萌生速度;摩擦系数的增加基本不会对法向接触应力和Mises应力产生很大影响,但是会使垂向剪切应力和纵向剪切应力有增大的趋势,这个趋势也会加快疲劳裂纹的萌生。在针对疲劳裂纹扩展方面,轴重对裂纹尖端应力强度因子影响较大,但是轴重的变化对三种类型裂纹的变化有不是十分明显的影响,随着行车速度增大应力强度因子逐渐增大,加快了疲劳裂纹的扩展速率,随着摩擦系数的增大裂纹尖端应力强度因子会逐渐减小。这说明钢轨涂抹润滑油在减小磨损的同时,反而会使应力强度因子增大,加快裂纹的扩展。这些研究结果有助于制定缓解疲劳裂纹伤损的措施。可以通过优化轮轨接触型面减小接触应力,本文对比优化前后轮轨接触Mises应力,优化后应力值明显减小,达到了优化车轮踏面的目的。预防性打磨技术利用疲劳裂纹向垂直方向增长速率开始增大的转折点,对钢轨轨头表面的疲劳裂纹进行控制,使裂纹在没有垂向扩展之前就消除掉。

关键词： 轮轨垂向耦合   机车动力响应   机车蒙皮   梁单元   ABAQUS  

摘要： 随着全面建成小康社会进程的加快,势必要求铁路系统运营速度不断提高,列车载重量不断增加,从而引起轮轨作用力急剧增加,列车的平稳性与安全性由于剧烈的轮轨作用力而下降,甚至机车部件发生疲劳破坏,轨道变形严重、磨损加剧。为了解决这些问题,近年来车辆/轨道耦合动力学发展迅速,但作为一个大系统而言,包含自由度众多,为了突出分析某些问题,势必进行必要的简化。目前,车辆/轨道耦合动力学对机车车体结构分析比较少,在大系统中常常采用质量块简化,为了更加全面、准确的分析机车在轨道不平顺激励下的振动,有必要建立更加详细的机车/线路耦合模型。 本文首先回顾了车辆/轨道耦合动力学的发展与现状,然后建立机车/线路垂向耦合模型,模型中考虑了机车车体空间内部结构。建模时考虑了设备的附加质量,重点对比不同梁单元模拟计算的精确性,对比底架承载与整体承载的机车强度,分析了机车蒙皮的作用与简化效果;轮轨垂向关系采用接触弹簧代替,建立了轮轨接触模型,计算轮轨垂向弹簧刚度,并分析了钢轨弯曲、摩擦力以及道床等因素对接触区的影响,考虑了枕木周期变化对轮轨垂向刚度的影响;在建立机车/线路耦合模型基础上,对理想余弦不平顺、周期不平顺激励下的机车/线路耦合系统的动力响应进行了讨论。对理想余弦不平顺参数如不平顺波长、波深、机车运行速度等对轮轨垂向力的影响进行了系统的总结,重点分析了左右轨面不同激励对机车振动影响;讨论了周期不平顺参数如偏心距,左右轮偏心相位差对机车振动的影响;最后对比分析了刚性轨道与弹性轨道对机车振动的影响。 模拟计算表明,采用二阶插值Timoshenko梁以及三阶插值Euler建立机车模型时,计算精度不受网格大小的影响,而采用一阶插值Timoshenko梁建模,计算精度受网格大小影响比较大。机车整体承载强度大大优于底架承载强度,机车蒙皮在结构中起到了加强作用,不应该完全忽略,为了降低模型自由度,蒙皮的简化方法行之有效。 模型中考虑了摩擦以及材料的塑性变形、考虑了枕木周期变化的影响,轮轨接触计算得到的弹簧刚度值相对赫兹非线性理论计算得到的弹簧刚度更为合理。 左右钢轨激励不同时,由于轮重的重新分配以及同轴轮对动力响应相互影响,导致轮轨垂向力激增,机车扭转变形。车轮偏心引起的周期力对轮轨垂向力的影响很小,左右车轮偏心不同、相位不同能够略微增大轮轨的垂向力。对比刚性轨道与弹性轨道,对于机车转向架的振动无论从振动形态上还是峰值都有差异,然而对于机车车体的振动影响不大。

关键词： 非赫兹接触   车轮不圆   法向接触   磨耗  

摘要： 我国高速铁路迅速发展,已正式运营多条高铁线路,列车速度达到300km/h,车轮不圆对车辆动力学性能影响愈加显著。本文建立了考虑车轮不圆的精确三维轮轨模型。车辆运营一段里程后,车轮磨耗随之发生。车轮磨耗后,踏面的曲率无法准确求得。因此为避免经典赫兹理论求解对曲率的要求,采用非赫兹接触理论,推导了相应的轮轨接触模型,然后利用Matlab,编制了可求解任意轮轨外形的法向接触程序。 由于在考虑车轮不圆后,切向接触问题为非稳态接触,本文假设切向接触对法向接触不产生影响。以右侧轮轨为研究对象,只针对法向接触问题进行研究。首先,考虑车轮正常情况(无车轮不圆)下,通过改变轮轨几何参数,研究这些参数对法向接触的影响。其次,根据车轮磨耗长期跟踪测试,通过数据处理分析,总结车轮磨耗发展趋势,并分析磨耗量与法向接触的相互关系。最后,选取2阶、3阶和20阶不圆作为代表,详细研究不圆车轮滚动过程中法向接触的变化规律,对比总结车轮不圆阶数及幅值对轮轨法向接触的影响。 轮轨几何参数中,轨底坡与轮轨外形对法向接触影响较大,轮对横移量与摇头角的变化对法向接触也有一定影响。车轮经过镟修后,磨耗速率会增加,镟修周期缩短,车轮经过磨耗后法向接触应力趋于稳定,车轮滚动圆磨耗量与法向接触应力无明显关系。低阶不圆会产生低频次高峰值接触应力,高阶不圆会产生高频次低峰值接触应力,车轮不圆会导致接触斑外形发生明显变化。

关键词： 高速铁路   轮轨噪声   边界元法   统计能量法   吸音板  

摘要： 随着我国高速铁路铁路和城市轨道交通的迅猛发展,列车运行时引起的噪声问题日益突出。我国在高铁建设中广泛采用无砟轨道的结构形式,而这种轨道结构的噪声辐射问题往往更加严重。因此,针对我国现有的高速铁路轨道结构形式,开展减振降噪措施的研究工作十分必要。本文就针对我国高速铁路所采取的铺设吸音板的降噪措施,研究影响其降噪效果的各个因素,并为分析其他减振降噪措施所取得的效果提供方法上的参考。 在采取减振降噪措施前,首先要对噪声源有着准确地认识。本文首先根据国内外所进行的各项针对高速铁路辐射噪声的测试及预测结果,分析了列车运行时的主要声源位置及产生机理,并针对重要声源—轮轨滚动噪声,采用有限元/边界元法进行了仿真分析。在计算中,对影响轮轨滚动噪声辐射的因素进行了总结,对其产生机理有了进一步的理解。 然后针对无砟轨道铺设吸音板的降噪措施,对其在高速铁路上所产生的降噪效果进行了评价。根据吸音板所采用的材料,利用多孔介质声学理论分析了材料参数对吸声性能的影响：根据吸音板表面所采取的不同处理方式,利用二维、三维边界元法分析了在实际应用中不同表面结构形式对吸音板的降噪效果产生的影响。另外,对具有不同表面吸声特性、不同安装高度的吸音板的声学性能也进行了理论分析工作。 统计能量法是求解高频声振问题有效的方法,在航天、船舶、汽车领域得到了广泛的应用。本文针对高速列车的运营条件,建立了包含列车-轨道-吸音板-声腔子系统的统计能量模型,并对列车运行时所辐射的噪声进行了预测。同时,从能量的角度,评价了铺设吸音板后的降噪效果,分析比较了不同吸音板表面结构形式、不同位置声源所产生的影响。对比以波动声学为基础的边界元法,统计能量法有着高频下计算速度快,计算结果能够反映研究对象的空间、频带内的平均结果等优点,比较适合在工程应用中,适宜对降噪措施所产生的降噪效果进行初步估计,在减振降噪工程领域有着广泛的应用前景。

关键词： 轮轨滚动噪声   转动效应   有砟轨道   粗糙度谱   自由辐射  

摘要： 随着铁路的高速发展，人们对生活品质的要求也在逐步提高，而我国铁路沿线的降噪问题却没有得到普遍的重视，因此切实解决列车运行时产生的噪声问题已经刻不容缓。轮轨滚动噪声作为铁路噪声的主要噪声源，研究其产生机理是铁路高速发展过程中亟待完成的工作。 轮轨滚动噪声主要是由轮轨表面粗糙度谱激励下的轮轨系统振动所引起的，因此，要预测轮轨系统辐射的滚动噪声，首先需要了解轮轨导纳特性。本文对车轮进行有限元建模，研究考虑了转动车轮的自振特性，并对不同列车速度对车轮导纳特性的影响进行了分析，除此之外还通过数值计算分析了有限元法求解车轮导纳相对于经典模态分析法的准确性。对有砟轨道系统建立有限元模型，采用完全法对轨道系统的竖向导纳特性进行了分析计算，另外还分析了钢轨振动沿钢轨长度方向的衰减规律。 其次，以轮轨线性接触模型为基础，结合Sato提出的轮轨表面联合粗糙度谱，在频域内分析计算了轮轨表面不平顺激励下的车轮和轨道系统的平均振动响应谱。 最后，将车轮考虑为运动的点声源，将钢轨看作一个有限长运动（通过观察点）的线声源，对一列列车通过时轮轨系统自由辐射的路旁滚动噪声声压级进行了预测。由预测可以看出，车轮辐射噪声在高频范围内较大，钢轨诱发的声辐射在中低频范围内起主导作用，轮轨滚动噪声的总声压级在低频范围内表现较为突出;运用有限元法导纳结果预测的噪声级比运用经典的模态分析法得到的结果更加符合实际;列车轴数每增加一倍，滚动噪声就增加4dB左右;观测距离每增加10m，轮轨系统辐射噪声降低约4.8dB。

关键词： 机车动力学   轮轨型面   磨耗   悬挂参数  

摘要： 机车在列车运行过程中起到动力牵引和轮缘导向的重要作用,其运行品质的好坏与铁路运输行业的蓬勃发展息息相关。随着机车运行速度的不断提高,对其动力学性能的要求也愈来愈高。 本文针对SS4型机车的动力学性能,以车辆／轨道系统动力学理论为基础,基于机车及轨道的实际参数,应用多体动力学软件SIMPACK建立完整的机车／轨道动力学模型。采用控制变量法,逐一分析机车及轨道的各项参数对机车动力学性能以及轮轨磨耗的影响,根据计算结果对参数进行优化,旨在提高机车的动力学性能,降低轮轨磨耗,延长轮轨的使用寿命。 跟踪测量了线路上运行的SS4型机车在不同磨耗时期的车轮型面,根据其磨耗量的不同将其分为4个磨耗阶段,并在每个磨耗阶段中选取一条典型车轮型面作为研究对象,分别与磨耗稳定期钢轨相匹配,研究不同磨耗阶段车轮型面对机车动力学性能以及轮轨磨耗的影响。结果表明：II型车轮型面与磨耗稳定期钢轨匹配时,机车具有更佳的动力学性能,同时轮轨匹配关系较好,能有效降低轮轨之间的接触应力,使轮轨具有更好的耐磨性。 机车运行过程中,车体与转向架一直承受着来自横向、垂向和纵向不同方向的载荷,以及由于机车本身的振动和线路不平顺等因素造成的动载荷。机车的悬挂装置在这个过程中起到传递和衰减载荷的作用,从而使机车更加安全平稳的运行。因此,悬挂参数的合理配置也是机车安全稳定运行的重要保障。本文在机车原始悬挂参数的基础上,改变其数值大小,研究悬挂参数的改变对机车动力学性能的影响并根据计算结果提出了组新的改进的悬挂参数,为机车悬挂装置的进一步优化设计提供了理论依据。 轨道作为轮轨关系的一个重要组成部分,其结构形式对机车的动力学性能以及轮轨磨耗也具有十分重要的影响。本文从轨底坡和曲线超高的角度出发,研究轨道的结构参数对机车动力学性能以及轮轨磨耗的影响。结果表明：当轨底坡为1／20时,机车具有更佳的动力学性能,同时轮轨磨耗显著降低;选择外轨超高80mm、曲线通过速度64km／h既能保证机车安全稳定地通过小半径曲线,又能使轮轨获得较好的耐磨性。

关键词： 安全监测   轮轨动态作用   车轮失圆   轮轨力连续测试   轮轨力解耦  

摘要： 对列车关键部件进行实时的安全监测是确保列车运行安全性的重要手段,通过实时的记录、分析与诊断,及时发现存在严重安全隐患的车辆,并查找出故障的位置与原因,实施扣车检修,对保障铁路行车安全具有十分积极的作用,具有显著的社会与经济效益。本文正是在中国铁路跨越式发展背景下,以轮轨动态作用安全为主题,从列车和轨道线路整体大系统的角度,综合研究列车与轨道动态相互作用安全问题。主要进行了如下的研究工作： (1)轮轨力连续测试的实现 根据轮轨相互作用的特点和轨道的约束条件,通过仿真计算研究了轮轨垂向力与横向力测试问题,详细分析了荷载在移动过程中轨道的响应的变化以及不同位置测点的应变输出,确定了连续测试方案中测点的布置位置,并通过室内试验进行了验证。以此为依据,在现场测试中提出了一种基于径向基函数神经网络的轮轨力连续测试方法,以及一种基于灰色理论、遗传算法与神经网络的组合模型的轮轨力连续测试方法。通过现场试验,证明了其高精度与可行性,并降低了传感器误差对测试结果的影响。 (2)轮轨力解耦问题的研究 通过仿真计算研究了横向力作用下的垂向力测点的应变输出以及垂向力作用下的横向力测点的应变输出,发现横向力和垂向力间存在串扰问题,同时在室内试验中也发现了此现象。针对此问题,本文提出使用一种改进的独立分量分析算法对轮轨力的串扰进行解耦,为高精度轮轨力测试提供了一种新的手段。 (3)车辆轨道耦合动力学仿真分析模型的建立 以车辆轨道耦合动力学理论为基础,以高速列车为研究对象,采用铁道车辆动力学仿真技术,系统地分析车辆轨道耦合系统的轮轨接触和相互作用问题,分别建立车辆和轨道结构的力学模型和动力学仿真分析模型,采用Hertz接触理论和Kalker滚动接触理论,研究轮轨滚动接触关系中车轮失圆时的轮轨相互作用的过程和轮轨作用力,为研究车轮失圆对轮轨系统动力特征的影响提供基础。 (4)车轮失圆对轮轨动力作用的影响分析 车轮失圆是影响行车安全的重大隐患。对车轮失圆形式进行定义分类,结合所建立的车辆轨道耦合动力学仿真分析模型,研究车轮扁疤、车轮周期性多边形磨耗等常见的车轮失圆类型所造成的轮轨冲击振动的特征,从而为轮轨力实时监测系统的建立提供理论基础。 (5)基于轮轨力的车轮失圆的识别 利用车辆轨道耦合动力学仿真模型,计算了80组不同长度、不同深度的车轮扁疤作用下的轮轨冲击力,根据轮轨力的大小将车轮分为3种类型：正常车轮、问题车轮和严重问题车轮。首先通过特征提取方法对原始数据进行压缩,避免维数灾难,再详细分析了3种分类器：BP神经网络、学习向量量化神经网络和支持向量机对车轮进行分类识别情况。 (6)基于轴箱振动加速度的车轮失圆的识别 车轮失圆将会引起轴箱的异常振动,通过安装在轴箱上的加速度传感器可能对车轮失圆情况进行识别。本文提出一种基于改进的EMD的Hilbert谱方法,利用实测数据及仿真计算,有效地对车轮失圆问题进行了定性的识别,该方法不仅能判断车轮是否存在失圆状况,还能判断失圆类型是车轮扁疤还是车轮多边形化,且不受车速的影响。同时,利用小波包分解还能对失圆程度进行定量判断。

关键词： 轮轨接触   接触垂向刚度   赫兹非线性理论  

摘要： 目前在机车/线路耦合动力学研究中,常采用赫兹非线性理论计算轮轨接触刚度,由于赫兹理论存在局限性,本文采用有限元计算方法,建立了三维轮轨接触模型,考虑了钢轨弯曲对接触区的影响,计算出合理的轮轨接触状态,考虑枕木周期变化对轮轨接触刚度的影响,考虑了道床对轮轨接触刚度的影响,计算得到轮轨接触刚度并与基于赫兹非线性理论的轮轨接触刚度进行比较。

关键词： CRH2型动车组   滚动接触   弹塑性分析   棘轮效应  

摘要： 近年来我国动车组飞速发展，运营里程不断增加、运营速度逐步提高，这便产生了一系列新的问题和挑战。轮轨接触问题是其中的关键问题之一，它关乎着动车组运营的安全性、舒适性以及经济性。这一问题的有效解决对列车的安全运营和运输成本的降低以及高速列车的发展具有重要的意义。 随着有限元技术的发展与成熟，利用有限元法解决轮轨接触问题变得简便、快捷，并能够得到较为准确的分析结果。车轮在轴载及牵引力矩作用下，轮轨接触分析以弹塑性分析为主。而车轮滚动过程中，轮轨间循环载荷所产生的轮轨渐进塑性变形(即轮轨滚动接触的棘轮效应)是轮轨滚动接触分析中的主要问题。 本文以CRH型动车组为例，应用非线性有限元软件ABAQUS对轮轨接触弹塑性及棘轮效应进行了分析，主要工作内容如下： (1)建立了过直线工况下轮轨接触有限元模型。对不同轴重、不同横移量、不同摇头角、不同轮轴过盈量、不同牵引力矩、不同摩擦系数对轮轨接触特性的影响进行了分析，并探讨了轮轨接触应力及应变随以上因素的变化规律。 (2)建立了过道岔辙叉区轮轨接触有限元模型，对车轮贴靠护轨工况下的轮轨内部应力、接触应力、接触状态进行了分析。结果表明，辙叉区心轨所受的应力较大，塑性变形严重，容易产生磨损与损伤。 (3)建立轮轨滚动接触有限元模型，利用与ABAQUS无缝集成并考虑棘轮效应的非线性各向同性/随动硬化模型，对循环载荷作用下的轮轨滚动接触特性进行了分析。并根据理论计算结果和现状调研数据对棘轮效应所产生的轮轨损伤进行了初步分析。结果表明：随着车轮滚动次数的增加，钢轨Mises应力逐步减少，残余Mises应力逐步增大，都在滚动10次后稳定。塑性变形的棘轮应变先增大后减小，最终趋近于零，钢轨材料达到棘轮安定状态。 通过以上研究，为CRH型动车组轮轨接触研究提供了理论依据，并为进一步研究棘轮效应下轮轨损伤问题奠定了理论基础。

关键词： 横移船架   轮轨接触   轨缝冲击   有限元分析   压力试验  

摘要： 横移船架是船舶下水过程中的一种重要装置,其走轮系统由走轮(平衡轮、边轮)、轮轴、轴承以及轨道等结构组成。在超低速运行过程中受力十分复杂,尤其在轨缝间冲击剧烈,容易引起瞬时超负荷,接触应力增大,导致走轮、轮轴等结构出现变形、断裂的现象。走轮系统一旦损坏将严重影响横移船架运行的安全性与平稳性。随着船舶工业的迅速发展,新建船舶的吨位和体积越来越庞大,这给船舶下水工作带来了更加严峻的考验。为了排除潜在的危险,提高船舶下水的安全性,必须研究横移船架的可靠性。 本文以某横移船架轮轨系统为研究对象,开展了有限元仿真与试验分析,探讨了轮轨接触应力以及轮轴和轴承的应力、应变的变化状况,分析了行进速度、载荷等参数对走轮在轨缝处所受冲击的影响水平,进行了走轮承载能力试验,验证了理论计算和有限元分析结果。主要工作及成果如下： (1)根据经典公式,计算不同载荷下平衡轮和边轮轮轴的弯曲应力、挠度、轴承的比压值p及pv值,以及走轮与钢轨之间的接触压力。结果表明,当横移船最大载荷为400kN时,以上参数均在许用范围之内。 (2)建立了走轮系统的有限元模型,对平衡轮与边轮的轮轴与轴承在不同载荷作用下的压力、变形状况以及轮轨间的接触压力情况进行了有限元仿真计算。结果表明走轮轮轴、轴承的压力和变形以及轮轨间的接触压力随外载荷的增大而线性增大。 (3)利用ANSYS/LS-DYNA动态分析功能对横移船架在轨缝处的冲击状况进行仿真分析。在冲击过程中,最大von Mises等效应力、最大接触应力和等效塑性应变都随行进速度、载重的增大而增大。行进速度和载重对钢轨的影向响比较明显,而对走轮的影响相对较小。为保证走轮系统的安全性,走轮行进的最大行进速度应不大于6m/min。 (4)对走轮系统进行压力承载试验。根据试验数据,分析有限元计算误差的原因,并对有限元模型进行修正。结果表明有限元计算结果与试验数据比较吻合,误差2.5%以内,走轮轮轴与滑动轴承各项指标满足设计要求,走轮与钢轨之间的接触应力在许用应力范围之内。