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： 车辆—轨道耦合动力学   钢轨焊接接头   地铁   不平顺   轨下胶垫  

摘要： 受益于无缝线路平顺性高与整体性好的优势,无缝线路已成为现代铁路线路的首选,钢轨焊接无疑是无缝线路技术中极为关键的一项,焊接接头的平顺性也因此受到越来越多的关注。焊接平顺性对车辆—轨道系统的动力响应有着重要影响,并会对焊接接头的使用寿命产生影响,对钢轨焊接区动力响应进行研究极具现实意义与工程价值。 本文首先回顾了钢轨焊接接头研究进展与现状,之后基于车辆—轨道耦合动力学理论,建立了垂向耦合模型,并采用Fortran语言编程实现。依据对某地铁线路实际运营中出现的焊接接头不平顺的实地测量数据,运用所建立的耦合模型,对焊接不平顺激扰下的车辆—轨道系统动力响应进行了讨论,并对比了实测不平顺与谐波不平顺作用下的系统动力响应。对诸如行车速度、不平顺波长与波深、焊接接头位置、轨枕间距、钢轨质量、轨道结构形式等相关参数对系统动力响应的影响进行了全面的分析,并重点考察了扣件及轨下胶垫弹性的影响。 仿真计算结果表明,叠加不平顺所引起的系统动力响应同时具有长波衰减缓慢与短波瞬态冲击大的特点,最大轮轨力则由其中的短波成分决定。虽然实测焊接接头不平顺波形中并非数学意义上的谐波形式,但对动力响应起决定作用的是其中的主波成分,若谐波不平顺参数(波长、波深)选取得当的话,谐波不平顺可较好地再现实测不平顺的影响。 可通过以下措施改善车辆—轨道系统的动力响应,如降低行车速度、增大不平顺波长、减小波深、采用弹性较好的轨道形式。轨枕间距、钢轨质量的提高或降低则应根据实际运营情况决定。为改善扣件及轨下胶垫受载情况,应尽量保证焊接接头布置于两钢轨支点中间,避免其出现在支点正上方。轨下胶垫老化会造成焊接接头区轮轨动力响应的恶化,相反,提高扣件及轨下胶垫弹性可大大改善车辆—轨道系统动力响应。因此,有必要定期检查焊接接头区轨下胶垫使用情况,并及时更换老化胶垫。实际线路维护过程中,可以通过更换接头附近3～4个老化胶垫为正常或高弹性胶垫,以达到改善动力响应的目的,条件允许的话,可更换5～6个。

关键词： 轮轨滚动接触   向量式分析   惯性效应   大转动  

摘要： 由于轮轨滚动接触行为涉及接触问题并伴有连续体大转动,长期以来一直是铁路轮轨关系的研究难题。尽管研究轮轨滚动接触行为的计算方法很多,但大多数都难以考虑高速车轮转动带来的惯性效应。因此,研究真实模拟轮轨滚动接触行为具有重要的理论意义和工程应用价值。 在国家自然科学基金和973计划等项目资助下,本文以轮轨接触研究为主线,以近年发展的一种新颖的计算力学方法——向量式分析方法为理论基础,通过理论推导和编制数值程序,对轮轨接触问题进行模拟,尤其研究了考虑惯性力作用下的轮轨滚动接触力学行为。 开展的主要工作有： (1)介绍了向量式分析方法的基本理论及三角形单元的相关计算公式,与有限单元法进行了比较。表明向量式分析方法可以在考虑惯性力的条件下有效处理连续体大转动问题,为模拟轮轨滚动接触提供了理论依据。 (2)针对目前使用向量式分析方法模拟接触问题尚无定量验证的现状,在模拟静态轮轨接触问题时,将向量式分析、Hertz接触理论和有限元软件Ansys的计算结果(轮轨法向接触压力分布、轮轨接触斑宽度、最大轮轨法向接触压力、轮轨Von-Mises等效应力)进行比较,验证了基于向量式分析方法所建立的轮轨接触模型在模拟静态轮轨接触问题时的准确性。 (3)在考虑惯性力的条件下,利用本文所提出的速度控制方法,模拟了轮轨滚动接触行为。计算结果表明：在相同轴重情况下,与静态轮轨接触行为相比,当车轮以一定速度运行时,轮轨最大法向接触压力增加,轮轨法向接触压力分布出现不对称现象,车轮滚动前沿的法向接触压力偏大;随着车轮运行速度的增加,轮轨最大法向接触压力越大,并且轮轨法向接触压力前沿偏大的趋势越明显。在相同车轮运行速度情况下,最大轮轨法向接触压力、接触斑宽度随着车轮轴重的增加而增大。

关键词： wheel surface   contact surfaces   surface pollution   mathematical model  

摘要： The paper reviewed the proposed promising method for jet-abrasive treatment of contact surfaces of wheel and rail. The mathematical model of metal removal and the depth of penetration of abrasive particles, which are used in the method for determining surface roughness profile formed by jet-abrasive processing. Concluded that the choice of parameters and treatment regimes for optimal profile of the surface roughness.

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： 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： 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： 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： 轮轨接触状态   测力轮对   粒子滤波   无线检测  

摘要： 轮轨接触状态的测量是车辆动力学理论与实践的重要环节,对于车辆动力性能研究、脱轨机理研究、轮轨接触状态研究及列车运行安全监测都具有重要的意义。随着中国铁路运输向高速、重载方向发展,轮轨作用力的测量在精度和速度上都有了更高的要求。测力轮对方法是以轮对作为检测轮轨力的传感器,通过测量轮对特定位置的应变实现轮轨力的连续检测,是目前最准确、最直接的轮轨力测量技术。由于车辆在运行过程中,轮对受到轨道时变、非平稳的作用力影响产生应变,这种应变又被轮对转动所调制,因此测力轮对的测量精度会受到多种因素的影响,如：贴片工艺、车轮均匀性、车辆速度(车轮转速)、轮轨力作用点位置变化及其它一些干扰因素,所以需要对车轮辐板应变测力轮对技术的测量理论和数据处理方法做更深入的研究。 论文综述了测力轮对的发展历程和目前国际国内测力轮对的发展现状,分析了轮轨载荷作用下轮对辐板和车轴的应力分布,提出了适用性较强的测力轮对测量模型及其对应的计算方法,并研制了基于精密时间测量技术的无线测力轮对检测系统。其主要内容与成果如下： 1、提出以轮对整体为检测对象的轮轨力测量模型 在车辆动力学试验中广泛使用的测力轮对技术,虽然经过了几十年的发展但在轮轨力连续测量中仍存在欠缺之处。目前的国标方案基于两个前提：1、轮对辐板上能找到只含一次谐波输出的组桥半径;2、轮对辐板上能找到横向力和垂向力输出没有交叉干扰的组桥半径。这些对于现在大部分轮对(特别是动车组直辐板轮对)很难完全做到,并且,国标方案认为轮对沿名义滚动圆滚动,没有考虑作用点位置变化对输出信号的影响,测量存在较大误差。 论文在对目前列车轮对进行仿真分析的基础上,分析了轮对辐板和车轴在横向力、垂向力和作用点位置变化作用下产生应变的分布规律,采用在同一半径(辐板)和同一截面位置(车轴)布置多个应变片组合来消除对应的干扰谐波。以车轮为测量对象的方案在组桥方式上易于实现,但是针对目前常用的高速动车组的直辐板轮对,不易在直辐板上找到适合的半径适合其假设条件。以轮对为测量对象的检测方法理论上适用所有型号的测力轮对,但其具体应用还要考虑具体型号轮对的安装方式的客观条件。 2、提出基于现代信号理论的测力轮对轮轨接触作用力估计方法 根据经验可知,在车辆正常平稳行驶阶段的任意较短时间内,导致轮对应变桥输出改变的作用因素的状态变量(包括横向力、垂向力、作用点位置和轮对旋转角度)在时间上存在一定的延续性。也就是说,在正常行驶状态下,只要保证采样时间足够短,则可以认为当前状态是在前一时刻状态基础上作出微小改变,这就导出了作用状态变量横向力、垂向力、作用点位置和轮对旋转角度在时间上的变化规律和递推关系。 论文通过研究的轮轨接触状态的变化特点,建立了测力轮对检测系统关于时间的递推模型,并讨论了各种条件下各种粒子滤波类算法对测力轮对模型的适用性。 3、研制了基于精密时间测量技术的无线测力轮对检测系统 基于精密时间测量的应变检测技术不同于常规的惠斯通电桥测量方法,通过测量应变片对精密电容的充放电时间计算应变值,具有高稳定性、较小增益误差和低功耗的特点。论文针对测力轮对的实际应用需要,研制了无线测力轮对应变采集方案,并通过测试试验对检测系统进行了验证。