关键词： 轮载扫掠力   轮轨系统动力学   载荷因子   速度因子   支撑刚度因子  

摘要： 纵观国内外轮轨系统动力学的研究现状,扫掠力作用下轮轨系统的动力响应研究有待进一步深入。测定运行中车轮对轨道的扫掠力作用,对防止脱轨的研究、机车车辆对轨道结构影响的研究、轨道结构的设计、机车车辆的运行安全性,以及对掌握轨道和机车车辆合理设计所需要的数据方面,都是不可缺少的。因此,对轮轨系统动力学的分析与研究具有重要价值。 借助监测实验台,综合考虑轨道与路基系统各部分组成,进一步研究轮载扫掠力作用下轨道的变形机理问题。本文分别从轮轨系统动力学理论、瞬态动力学仿真以及实验对比验证等方面对轨道结构的动力学性能进行研究。论文的主要研究内容如下： (1)对国内外轮轨系统动力学的研究成果与研究现状进行了系统的分析,提出了本课题的研究意义与价值;依据模型的简化原则对监测实验台进行必要的简化,针对轮轨系统的运动形式,采用哈密尔顿原理对简化后的模型建立轮轨系统的运动方程;结合监测实验台的参数,采用经典的龙格-库塔法对轮轨系统的动力学方程进行求解与分析,研究载荷因子,速度因子以及支撑刚度因子对钢轨动力响应的影响;(2)建立监测实验台的有限元模型,运用有限元分析软件ANSYS对钢轨进行瞬态动力学仿真分析,同样对载荷因子,速度因子以及支撑刚度因子与钢轨动力响应间的规律进行了研究;(3)分别从载荷因子、速度因子等方面对监测实验台特性进行实验分析与研究;将理论、仿真以及实验得到的规律进行对比分析,总结规律的相同之处,对三者产生的差异进行误差分析,为进一步的研究提供可行的研究方法。

关键词： 轮轨关系   滚动接触   函数型摩擦系数   mixed Lagrangian/Eulerian方法   接触疲劳寿命   接触裂纹扩展  

摘要： 轮轨关系是轨道交通系统中的基础问题之一，其中轮轨接触问题一直以来都是国内外学者非常重视且从未停止研究的重要问题。近些年，随着数值方法和计算机的发展，有限元方法在轮轨滚动接触问题研究中得到广泛应用。为了高效、准确的研究轮轨滚动接触问题，本论文采用有限元方法在并行计算环境中完成了轮轨接触静态、稳态和瞬态分析，并在此基础之上结合轮轨间函数型摩擦系数模型完成了轮轨接触疲劳寿命预测和轮轨接触表面裂纹扩展分析。 具体开展的研究工作如下： （1）针对轮轨接触区网格尺寸细化至1mm后，轮轨接触三维大规模有限元模型节点数在百万以上且在单机上难以完成计算的情况。采用非线性有限元软件ABAQUS的区域分解并行计算方式，在MPI通信模式的12节点并行计算环境中完成轮轨接触大规模有限元模型的并行计算。根据隐式计算和显式计算的特点，合理选择并行计算节点数以实现优质的并行计算效率，可以较好的解决有限元计算精度和计算效率的矛盾问题。 （2）以CRH2型动车组使用的LMA磨耗型车轮和我国标准CHN60钢轨为分析对象，按照Lagrangian方法建立轮轨滚动接触静态模型，重点研究轮对横移、冲角、轴重、转矩和摩擦系数对轮轨接触静态特性的影响。轮轨滚动接触稳态分析则采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型，其中车轮的滚动用Eulerian方法描述，而钢轨采用Lagrangian方法描述，轮轨网格无相对运动，采用隐式方法完成轮轨滚动接触稳态分析;以mixedLagrangian/Eulerian轮轨接触有限元模型的稳态计算结果为初始条件，按照Lagrangian方法建立轮轨滚动接触瞬态分析有限元模型并用显式方法完成计算。通过轮轨接触静态、稳态和瞬态分析结果发现摩擦系数对轮轨接触斑内纵向剪切应力和横向剪切应力影响较大，其值与摩擦系数取值成倍率变化，在轮轨滚动接触疲劳寿命分析和裂纹扩展分析中应予以重视。 （3）考虑到轮轨摩擦系数对轮轨滚动接触切向特性的影响，在有限元模型的接触定义中采用轮轨函数型摩擦系数替换传统的常数摩擦系数，并结合非线性有限元软件ABAQUS中集成的金属棘轮效应塑性本构模型进行轮轨滚动接触棘轮效应分析;在此基础上使用基于损伤因子的Jiang-Sehitoglu疲劳寿命预测模型进行轮轨滚动接触疲劳寿命分析;最后对滚动接触疲劳寿命分析结果与日本学者AKAMAM和瑞典学者Ringsberg的轮轨接触疲劳分析结果进行了对比，结果表明本文计算结果与日本学者计算结果更为接近，主要是因为轮轨材料参数以及计算工况等与日本学者AKAMAM所使用参数大致相同。 （4）扩展有限元方法是求解不连续力学问题的有效方法，在求解裂纹问题时不需要对裂尖进行高密度的网格细化，在模拟裂纹扩展时也不需要对裂纹进行网格重划。以轮轨滚动接触疲劳分析结果为基础，建立轮轨接触扩展有限元裂纹模型，重点分析了轮轨摩擦系数、裂纹位置和裂纹尺寸对轮轨接触表面裂纹扩展的影响。结果表明：轮轨表面裂纹尺寸在8mm左右时J积分值较大，超出钢轨材料在常温下的断裂韧度，裂纹易于扩展，可能导致钢轨横向断裂，该结果与现场观测结果较吻合。 已有的轮轨函数型摩擦系数虽然在一定程度上能反映轮轨间摩擦真实状态，但对于存在第三介质（如水、油、磁场）等多场耦合作用下的高速轮轨来说，还需要开展更深入的研究来揭示高速轮轨间的摩擦行为，建立更为准确的轮轨间函数型摩擦系数。另外，轮轨滚动接触疲劳寿命和表面裂纹扩展也与多因素相关，后续研究需要将试验手段和数值分析手段有效结合，系统开展轮轨滚动接触表面损伤的研究。

关键词： CRTSⅡ型无砟轨道   车轮   谐响应   高频振动   有限元   振动衰减  

摘要： 随着我国轨道交通的快速发展和列车运行速度的提高，铁路噪声污染日益加剧，而做为铁路噪声的主要来源，轮轨噪声的研究显得尤为重要。轮轨振动是引起轮轨噪声的主要原因，因此，对轮轨系统进行振动特性研究，可以为降低铁路噪声污染提供理论依据。 我国已经正式运营的京沪高铁采用的是CRTSⅡ型板式无砟轨道技术。列车在有砟轨道上运行会造成道砟粉化严重、线路维修频繁的后果，安全性、舒适性、经济性相对较差。但无砟轨道均克服了上述缺点，是高速铁路工程技术的发展方向。 本文应用有限元软件ANSYS建立了车轮三维有限元实体模型和CRTSⅡ型板式无砟轨道系统三维有限元实体模型，采用谐响应分析方法，得到了简谐激励下轮轨系统的振动响应特性，并用MATLAB软件编程得到轮轨系统高频振动响应图。本文展开了以下研究： 1．介绍国内外铁路振动噪声的研究概况以及目前提出的铁路减振降噪措施。 2．对轮轨系统高频振动分析的相关知识进行了基本的介绍，提出了本文轮轨高频振动特性的分析方法。 3．建立了车轮三维有限元实体模型，分析了车轮的高频振动特性。 4．建立了CRTSⅡ型板式无砟轨道系统三维有限元模型，分析了轨道系统的高频振动特性。 5．通过全文的分析研究给出了关于轮轨系统高频振动特性的相关结论，提出了一些今后仍需进一步研究的相关问题。

关键词： 轮轨关系   行星齿环滑块机构   优化   ADAMS  

摘要： 轮轨磨耗是世界铁路发展过程中的一个重要问题。在我国,山区线路占很大比重,曲线线路较多,随着轴重的增加和列车速度的提高,轮轨磨耗越来越严重。据铁道部统计,每年我国因轮轨磨耗造成的损失就达数十亿元人民币。除此之外,轮轨磨耗是造成轨道不平顺的主要原因之一,影响列车的乘坐舒适性。轮轨过度磨耗,使得列车在运行过程中,轮轨间会产生较大的作用力,容易引起列车脱轨事故,严重影响列车的运行安全。因此,轮轨磨耗问题亟待研究和解决。 试验是研究轮轨磨耗不可缺少的一种技术手段。对轮轨的磨耗试验研究主要有试验台试验和线路试验。后者更接近实际情况,但成本昂贵,不易单独测试某个因素对轮轨磨耗的影响。试验台试验经济快捷,便于单独测试各因素对轮轨磨耗的影响,同时,试验可以达到各种极限工况。性能良好的试验台对于研究轮轨磨耗具有很大的实际意义。 传统的轮轨关系试验台,主要基于轮-轮接触关系,与实际的轮-轨接触关系相比仍有差距。本文参考国外最新的基于轮-轨接触关系的试验台的发展,借鉴一种新型往复运动机构——行星齿环滑块机构,提出一种新型轮轨关系试验台方案,并完成相应研究。主要研究内容是： 1.分析对比行星齿环滑块机构与传统往复运动机构的运行特点,选择行星齿环滑块机构作为试验台传动机构。根据实际情况与相关标准,确定试验台加载方案。完成试验台关键部件的结构设计。 2.对齿环滑块机构关键部件进行运动学分析,从理论上掌握关键部件在机构运行的不同位置处对应的运动学特性,并得出不同结构参数对机构运动学特性的影响。 3.分析机构的受力部件在运行过程中的受力情况。得出受力部件在机构运行过程中受力的变化趋势,并得到不同结构参数对其受力的影响。 4.结合对行星齿环滑块机构运动学分析和结构设计约束,运用MATLAB优化工具箱对机构进行了优化设计。运用ADAMS软件对机构进行运动学仿真,二者结果相符。 5.运用ANSYS软件,对机构关键部件进行了强度校核。经校核,关键部件满足强度要求。

关键词： 地铁车站   隧道工程   浅埋暗挖法   轮轨力   施工技术   变形控制   运营安全  

摘要： 新建地铁隧道密贴下穿既有地铁车站工程风险大，施工容易引起既有地铁车站产生较大变形，严重时可能会影响列车运营安全，因此，迫切需要对此类工程施工风险控制措施以及轨道结构变形对列车运营的影响进行深入研究。本文以北京地铁两个典型的新建隧道密贴下穿既有地铁车站工程案例为背景，通过采用ANSYS、PLAXIS和ABAQUS三种有限元软件建立数值分析模型，结合现场实测数据，剖析了各种风险控制措施对既有车站变形的控制情况以及既有车站的变形规律，阐明了施工引起的轨道不平顺对列车运营安全的影响。本文主要开展的工作如下：　　1.采用ANSYS有限元软件，建立三维有限元地层一结构模型，分别在不同的风险控制措施下，对既有地铁车站变形情况进行分析，研究不同风险控制措施对既有车站变形的控制情况。　　2.采用PLAXIS有限元软件，建立二维渗流一固结耦合模型，分析施工降水对既有地铁车站变形的影响情况。　　3.采用ABAQUS有限元软件，建立三维有限元动力模型，结合理论计算公式，分析施工引起的轨道不平顺对轮轨力和列车运营安全的影响，并进一步分析轮轨力对轨道结构应力的影响。

关键词： 车轮   钢轨   硬度   载荷   磨损   塑性变形   磨屑  

摘要： 由于铁路在经济的发展中举足轻重的地位,向高速化和重载化发展成为各国发展铁路的目标。但是铁路的高速化和重载化发展给轮轨系统提出了更高的要求,同时新的服役环境也将使现有轮轨材料的匹配性问题置于更加突出的位置,因此对于目前还在广泛使用的钢轨、车轮材料进行深入的匹配性研究是具有重要的现实意义的。在实验室条件下模拟轮轨运动,研究轮轨材料之间的匹配性,对减少轮轨伤损,使铁路运输能够更快更好的发展具有重要的指导意义。 本文根据赫兹接触理论,利用MMS-2A微机控制摩擦磨损试验机研究了车轮材料CL60与四种国内常用的钢轨材料U71Mn热轧、U71Mn淬火、PD3热轧及PD3淬火钢在干态下模拟轴重为15t、21t以及25t时的匹配状况,并结合光学显微镜（OM）、维氏硬度仪（MVK-H21）、扫描电子显微镜（SEM）和XRD等表面分析测试设备,通过对摩擦副的磨损量、磨损量的变化、磨痕表面变化、表层结构变化以及磨屑的形貌与物相等的分析,对本实验中的轮轨材料的滚动接触疲劳与磨损行为,得到结论如下： 1)随着载荷的增大轮轨试样的磨损量都增大,但是载荷对车轮的影响比钢轨大很多,车轮是磨损增大,而钢轨是疲劳的比例增大。载荷增大使轮轨试样磨损量增加的速率增大;也使钢轨的塑性变形层增厚,对车轮的影响却不大,但是使裂纹出现的位置更靠近表面。 2)在同一个载荷下,钢轨材料的硬度提高,其磨损量减小,表面损伤减小,但是疲劳所占比例增大;而钢轨硬度的提高使车轮的磨损量增大,表面损伤增大,但以磨损为主。同时钢轨试样的磨损量增加的速率随着钢轨硬度的增大而减小,而车轮的情况与之相反。硬度越大的钢轨,其塑性变形层越薄,出现裂纹和空洞的位置越浅。钢轨的硬度几乎不影响车轮的塑性变形层的厚度,也几乎不影响裂纹出现的位置,但是钢轨硬度的提高使车轮试样的裂纹尺寸增大。因此,对于国内常用的车轮钢CL60,硬度最小的U71Mn热轧钢可以最为最佳的钢轨配副。 3)磨屑的形状受材料的影响,热轧钢摩擦副的磨屑基本上呈片状,大小相对比较均匀,而淬火钢摩擦副的磨屑大小不均,是粉末与片状磨屑的混合。四种摩擦副磨屑的XRD曲线几乎可以完全重合,没有大的区别,磨屑成分主要是Fe2O3和马氏体。载荷越大,峰的强度越高,说明Fe2O3和马氏体的含量越高。

关键词： 车辆动力学   轮对结构柔性   车轮多边形磨损   试验研究   仿真分析  

摘要： 传统的铁路车辆系统动力学模型通常把车辆各个部件视为刚体,其适用的频率范围一般在20Hz以内。随着铁路运输不断向高速重载方向的发展及车辆结构的轻量化设计,车辆和轨道系统自身的柔性特性对车辆系统动力学性能的影响不容忽视。针对车辆和轨道系统结构异常磨损、疲劳破坏及轮轨之间的振动和噪声问题,必须采用更高频范围的车辆系统动力学模型。而轮对结构柔性又是中高频动力学非常重要的一个部分,它不仅影响着车辆动力学性能,更重要的是直接影响着轮轨之间的蠕滑、磨损及噪声。本文以国内某地铁车辆为对象,开展以下研究工作： 1、对车轮多边形异常磨耗现象进行了现场测试,分析了车轮多边形磨损的特征,揭示了该地铁车辆车轮多边形形成的机理,即轮对弯曲刚度不足导致车辆在运行时轮对一阶弯曲共振模态被激发使车轮踏面发生不均匀磨损,在加粗车轴直径以提高轮对弯曲刚度后多边形异常磨损得到较好的抑制。 2、采用有限元法建立了地铁车辆轮对有限元模型,进行轮对的模态分析;在此基础上,利用多体系统动力学仿真软件SIMPACK建立了考虑轮对结构柔性的地铁车辆动力学模型,模型中引入无质量的刚性踏面与柔性体轮对上的一点固结,以传递力与运动学关系。比较了传统刚性轮对模型和柔性体轮对模型动力学行为的差异,指出了建立柔性轮对模型的必要性。计算结果表明,考虑轮对结构柔性后对轮轨动力行为有一定的影响,加粗车轴后可减小轮对的垂向振动,改善轮轨之间动力作用。另外,考虑轮对结构柔性的车辆动力学仿真结果表明,在随机激励作用下,轮对自身柔性明显被激发出来,尤其是轮对的一阶弯曲共振模态,结合上述试验研究,进一步解释了车轮多边形磨损形成原因。

关键词： 直线电机轮轨矿车   Solidworks Motion   轮轨关系   曲线通过   径向机构  

摘要： 内蒙古煤炭产量占我国总煤炭产量的17%，但是，因为崎岖的地形，存在严重的运输瓶颈问题。目前，大铁路运力严重不足，公路运输费用非常高昂，运输成本大幅度增加给煤电等企业带来非常大的压力。针对这一问题“十一五”期间，直线电机煤炭运输系统在内蒙古被提出。直线电机运输系统车辆具有运行平稳、爬坡能力强（普通轮轨车辆最大攀爬坡度为30‰左右，直线电机轮轨车辆最大为80‰左右），占地面积小，易于实现自动化控制，车辆运行噪音低，无有害气体排出，利于保护环境;运营、维护和耗能费用低。目前，直线电机运输系统研究成果，已成功应用于在呼和浩特市金山开发区建成的650米运输系统试验线。 本文以试验线系统的车辆部分为对象，对其曲线通过的问题进行具体研究。应用Solidworks建立车辆系统模型，给出了车辆行走系统的动力学模型，并在组件Solidworks Motion下对其在直线、曲线情况下运行时的动力学特性进行了仿真计算，给出了车辆在轨道曲线半径为25000mm的情况下，不同速度运行时的轮轨作用力、脱轨系数、轮对冲角、轮轨磨耗指数，发现现有车辆曲线通过性能基本满足要求，但是在车速达到一定值时，车辆曲线通过性能下降明显。针对这一问题，对车辆进行改良设计，解决的方案包括，轮对锥形踏面、悬挂弹性连接、以及根据现有车辆设计了一套被动径向机构，并提出主动径向系统的设计方案。通过动力学仿真计算，表明改良措施可以很大程度上改善了车辆的曲线通过性能，车辆轮轨横向作用力、脱轨系数、轮对冲角、轮轨磨耗指数都相应的减小。本文结论对车辆的进一步设计及制造具有现实的指导意义。

关键词： 激光熔覆   重载轮轨   摩擦磨损   钴基合金粉  

摘要： 重载作为铁路运输发展的一个重要方向,正受到世界各国前所未有的重视。随着铁路重载化发展,一些亟待解决的关键技术问题不断出现,其中主要的是轮轨磨损问题。因此,开展重载轮轨材料激光熔覆试验研究,提高轮轨材料摩擦磨损性能以降低轮轨磨损,将有利于提高重载铁路运输的安全性,对我国重载铁路发展具有一定的现实意义。 论文利用CO2激光器在重载车轮和钢轨材料表面激光熔覆一层Co基合金粉,分析了熔覆层的微观组织结构和显微硬度。根据Hertz接触理论,利用MMS-2A滚动磨损试验机研究了轮轨材料激光熔覆Co基合金粉前后在25T、32T、35T轴重工况下的摩擦磨损性能;利用光学显微镜（OM）、维氏硬度仪（MVK-H21）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等微观测试设备,系统分析了轮轨试样的组织结构、磨损量、摩擦系数、磨痕损伤形貌变化等情况。所得出的主要结论如下： 1、激光熔覆可获得厚度1mm左右、无气孔、裂纹且与基体冶金结合的优质激光熔覆层,熔覆层组织主要由γ-Co、Cr23C6等相构成,熔覆区主要有平面晶区、胞状晶区、树枝晶区;重载车轮和钢轨熔覆层的显微硬度分别比基体提高约43%、45%。 2、25T轴重工况下,激光熔覆后轮轨试样的摩擦磨损性能明显优于轮轨基体,耐磨性比轮轨基体提高约4倍。激光熔覆后轮轨试样磨损机理主要表现为磨粒磨损,未激光处理轮轨磨损机理主要表现为剥落和粘着磨损机制。 3、随轴重增加,激光熔覆前后轮轨试样的磨损量和摩擦系数均呈现增大趋势。随轴重从25T增加到35T,激光熔覆处理轮轨磨损机理由磨粒磨损向粘着磨损和剥落损伤转变,未激光处理轮轨磨损机理由粘着磨损向深层剥落和氧化磨损转变。

关键词： 重载铁路   小半径曲线   轮轨磨耗   线路参数   摩擦系数  

摘要： 随着我国经济的迅猛发展,铁路货运量逐年增加,重载运输已成为我国铁路货运的发展方向。但是,车辆运行速度及轴重不断增大,一方面导致列车对线路动力破坏作用加剧;另一方面,轨道线路对行车安全性及轮轨磨耗问题的影响愈加敏感。传统铁路线路轨道结构参数设置缺乏充分考虑车线之间复杂的动力相互作用以及对轮轨磨耗的影响。因此,从动力学角度进行重载铁路小半径曲线轮轨磨耗影响因素的分析,从而采取相应的措施减缓轮轨磨耗,具有重要的理论价值与工程意义。 本文采用SMPACK多体动力学分析软件建立重载货车动力学分析模型,考虑了货车系统中的非线性环节,分析中以爱因斯磨耗数为评价指标,研究重载铁路小半径曲线轮轨磨耗问题。 然后,本文分析了轨道结构参数(主要包括曲线半径、超高、轨底坡、缓和曲线等参数)对轮轨动态相互作用性能及磨耗的影响规律。通过分析发现,不同磨耗阶段下的钢轨型面对车辆曲线通过性能有较大影响;曲线半径为影响轮轨磨耗的决定性因素;适当的超高设置有利于减轻导向轮外轮和钢轨的磨耗;适当增大内轨轨底坡可明显改善轮轨接触状态,改善车辆曲线通过性能;提高缓和曲线线型可改善缓和曲线各衔接点处的轮轨相互作用力。 最后,本文通过仿真模拟内外轨面摩擦系数的变化分析了轮轨接触面状态对轮轨磨耗的影响,并且研究了曲线内外轨摩擦系数的合理匹配。结果表明,轨面摩擦系数的变化对车辆曲线通过性能产生重要影响,曲线外轨磨耗量取决于外轨摩擦系数,并且受内外轨摩擦系数差值大小的影响;曲线内轨磨耗量在小摩擦系数区间内取决于内轨摩擦系数,而在中等摩擦系数区间时,取决于外轨摩擦系数。合理的内、外轨摩擦系数匹配,可有效降低轮轨磨耗。