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： 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： 轮轨垂直力   连续测量   移动荷载识别   基线漂移   模糊识别   向量匹配   相似性测度   形态学滤波   聚类分析  

摘要： 对铁道车辆的运行状态监测、诊断和预警是保障车辆行车安全的重要手段。通过轮轨力的监测可以及时发现列车设备的各种异常并做出诊断和预测,提出必要的整改措施,从而实现车辆的“状态修”,提高车辆及其设备的运用质量和使用效率。目前已经有很多不同的监测轮轨力的商业系统,但多数都只是峰值载荷的测试工具,或是需要对现有的轨道结构进行很大的改变才能实现连续轮轨力的测量与识别。基于这种状况,本文主要研究在不改变轨道结构的情况下连续测量与识别轮轨垂向载荷的方法。 本文从轨道分析模型入手,介绍了轨道分析模型在列车轮载作用下的响应,分析和研究钢轨在垂直载荷作用下的应力与变形,为有效测量轮轨垂直力提供理论依据。随之介绍了基于地面测量轮轨垂直力各种方法的力学原理和实现方法。分析不同方法对于轨道支撑状态的依赖性或敏感性,指出了它们存在的缺点和适用性。利用有限元分析软件建立起了钢轨有限元模型。通过对模型的加载与解算得到钢轨模型上节点对于移动的垂直荷载作用时的响应变化规律,具体分析了钢轨中性轴上的节点在载荷点移动变化时的剪应力的变化情况。通过对仿真结果数据的分析,找出了布置剪力传感器的最优的节点位置,并仿真计算了布点之后输出的灵敏性和线性度。仿真计算了同一钢轨截面上不同横向位置荷载时对测试系统响应输出的影响以及横向力对垂直力测试系统输出的影响。计算结果表明同一截面上荷载点位置的变化不影响测试系统的输出,当钢轨两侧的布点完全对称时,横向力对垂向力测试电桥输出的影响为零。为了验证有限元仿真分析的结果,实施了室内加载实验。试验的结果分析出,仿真分析与试验的结果得到了相识的波形,但在幅值上存在一定的差异。分析了出现幅值差异的原因。 针对轮轨垂直力测量数据中可能存在的基线漂移的干扰,本文详细研究比对了曲线拟合方法,移动中值滤波,数学形态滤波器和小波阈值去噪方法在去除基线漂移的效果,分析不同方法存在的缺点并提出了改进的意见与方案。结合轮轨垂直力信号的特点,提出针对平衡往复型的信号去除基线漂移的经验性的新方法,通过对分段数据的平稳性检验和对中值及方差的最近距离聚类,筛选出能够体现基线漂移走势的分段数据中值作为基线漂移基点,再基点进行曲线拟合得到基线。与简单的曲线拟合方法相比,本文通过数据分段的办法,尽可能多地增加了基点的数量,从而能够更细致地表达真实的基线。相比于移动中值滤波和数学形态学滤波,虽然这几种方法的本质都基于顺序滤波器,但由于本文的方法对于其他非基线的噪声对提取的基线的干扰有筛选的过程,使得其相对于另外两者有更好的表现。由于经过数据分段处理,使得整个过程的计算量大大地缩小,最后介绍了通过与小波滤波组合的方案来抑制提取的基线中含有其他干扰成分,从而获得了更好的消除效果。 本文最后部分提出一种连续测量和识别轮轨垂直力的方法。本方法基于梁格原理,将测试期间内的钢轨分成数量有限的梁单元,同时在钢轨上布置多组观测点。假设载荷点位于梁元内的任何位置时,所布置的所有观测点的观测值不变,而在不同的梁元上施加载荷时,所有观测值组成的响应向量肯定不同,由此可通过理论计算或现场测试的方法得到单位荷载下或固定荷载下所有观测点对于载荷位置在所有划分的梁单元上移动时得到标准的响应向量库。通过将单点载荷位置对应多观测点响应向单测点响应对应一群组载荷位置点的响应转换分析和验证了响应向量的适定性要求。在己获得标准响应向量库的情况下,利用相似性测度研究了实测任意时刻下的观测点的响应与响应向量库的每个向量的关系。比较研究了欧氏距离,夹角余弦和皮尔森相关系数三种多维空间向量相似性测度对于噪声的敏感性,以便于从中选取适当测度作为隶属函数。最后使用最大隶属度识别法认定当前响应向量最相似的标准向量,从而认为两个向量的载荷点在相同的梁单元上。得到荷载点位置信息后,利用两个向量的模的比例关系来确定荷载的大小。文中通过仿真数据检验了方法的有效性。并将其用于线路试验实测的数据中,取得了较好的识别效果。最后具体分析了引起该识别方法误差的可能因素。

关键词： 轮轨关系   接触应力   有限元分析   Ansys  

摘要： 在ANSYS5.5平台上,采用有限元方法对轮轨接触的简化模型进行接触应力分析,并结合实际轮轨形状对模型进行优化,对真实情况进行模拟。

关键词： 铁路   轮轨振动   有限元模型   辐射噪声  

摘要： 铁路运输是我国主要的交通运输方式之一,随着国民经济的发展,列车运行速度也随之提高,同时导致列车振动的加剧,这也决定了其相应的噪声特点。振动与噪声是相同的物理现象,是弹性波在不同介质中传播的两个方面而已,振动的频率和强度决定其影响效果。 本课题在研究轮轨振动噪声的基础上,利用有限元分析法结合ANSYS软件在频率域建立轨道以及轮轨耦合作用的垂向动力学有限元模型。仿真结果证明该方法是十分有效的,为以后研究钢轨的不平顺性、判定钢轨的寿命以及为设计合理的防振减噪措施提供科学的、原始的现场实测数据。 对建立的钢轨有限元模型进行模态分析,通过分析有碴轨道的振动辐射噪声特性,得出钢轨振动时的敏感区域。以铁路有碴轨道轮轨垂向耦合系统为分析对象,建立轮轨垂向和轨道子系统的力学模型,通过仿真研究对比了不同轮轨模型的计算精度和适用范围,研究有碴轨道三种模型的振动特性和辐射噪声特性。 研究探讨了轨道振动的参数设置,其对钢轨的屈服等效应力及塑性形变有影响,引起钢轨的振动,带来辐射噪声。重点研究建立无碴轨道在频率域的力学模型,得到钢轨和轨道板的振动位移公式；通过仿真计算,对于双块式无碴轨道而言,有限元模型的钢轨动柔度及振动衰减率都优于解析梁模型,而对于板式无碴轨道,钢轨振动响应几乎不受垫片以下支承结构的影响,轨道板及其支撑部件的设计参数仅对轨道板的振动响应产生影响；考虑轨道上载荷幅值和相位的差异,由于板下砂浆层刚度较大导致其影响主要局限在轨道板上。 预测不同的轨道辐射噪声,通过与已有的轮轨噪声TWINS(Track-Wheel Interaction Noise Software,轮轨噪声预测软件)模型对比分析,充分证明了建立的预测模型的有效性。从噪声源及传播途径提出了一些防治噪声的措施,研究结论可以为以后的工程设计及施工提供参考理论依据。

关键词： 行车安全性   轨道不平顺   轮轨力   人工神经网络   预测  

摘要： 随着铁路运输向着高速、重载、大运量和高密度的方向发展,保证列车的安全平稳运行成为当前的一项重要任务。轮轨力是造成列车脱轨、轨道损伤/失效、列车部件损伤的主要原因,我们可以根据轮轨力来评定列车运行安全性和平稳性,为限速提速提供依据,因此轮轨力的预测具有重要的理论与实际意义。 与传统建模和控制技术相比,人工神经网络具有良好的稳固性和容错能力,同时具有较强的自学习能力及并行处理能力,其仿真速度远高于传统建模方法。因此,在工程领域,人工神经网络广泛应用于模式识别、非线性系统建模与控制中。本文以精确预测轮轨力为目的,主要讨论了基于多种人工神经网络的轮轨力预测方法,并提出一种适用大型NARX神经网络结构的训练算法。 本文首先介绍了轮轨相互作用系统的相关知识,包括轨道不平顺和轮轨力定义及其对列车安全行车的影响;然后阐述了人工神经网络的基本概念、发展历程及其研究内容和应用领域;其次讨论了静态神经网络与动态神经网络的优缺点,选定了BP、FFTD、NARX神经网络结构对轮轨力进行预测建模,采用经验遍历法确定隐节点数目及时间延迟阶数,仿真结果表明动态神经网络更适合轮轨力的预测;在NARX神经网络的基础上,提出了一种适用大型NARX神经网络结构的训练算法,完成实验仿真,实现轮轨力的预测;最后,对BP、FFTD、NARX和改进NARX神经网络的四种预测模型的预测效果进行了比较分析,结果表明基于改进NARX神经网络的预测模型的预测精度最高,从而验证了人工神经网络用于轮轨力预测的有效性和可行性,并证明了本文所提出的改进NARX神经网络算法的优越性和有效性。

关键词： 轮轨粘着   部分弹流润滑   多重网格法   轴重   滚动速度   粘度  

摘要： 随着世界经济的发展,高速与重载铁路成为铁路发展的主要方向。列车在运行中,其牵引和制动都是通过轮轨接触斑间的切向力来实现的,即轮轨粘着。目前轮轨粘着研究的主要任务是找出最佳的粘着接触点,对其进行控制,来提高牵引和制动时力的利用率。 本文应用Carter的二维滚动接触理论和粗糙面之间的稳态部分弹流的理论,使用数值的方法在不同粘度接触介质条件下时,应用Patir和Cheng的平均流量的模型进行假设,建立起轮轨的二维粘着的数值模型,并使用多重网格的方法对其进行了求解,研究了滚动速度、轴重、粘度等对粘着力和油膜厚度的影响;并应用CONTACT接触理论计算了我国现用的两种车轮踏面在运行中,各种影响因素如曲线半径、横向位移、摇头运动和轴重对轮轨接触斑面积的影响,及其中粘/滑区面积占总面积的比重,得到了如下的结论： 1.随着粘度和滚动速度的增大,无量纲流体动压力P增大,无量纲粗糙峰接触压力Pa减小,Pa与无量纲总压力W的比值(Pa/W)降低,轮轨之间的粘着系数下降,无量纲中心膜厚和最小膜厚都增大,将提高油膜的承载能力;随着轴重的增大,无量纲流体动压力P变化甚微,无量纲粗糙峰接触压力Pa与无量纲总压力W的比值(Pa/W)增大,轮轨之间的粘着系数增大,无量纲中心膜厚几乎无变化,无量纲最小膜厚减小。 2.对于磨耗型踏面和锥形踏面,轨道曲线半径对轮轨接触斑内粘/滑区面积的分布有较大影响。小曲线半径时,车轮基本处于滑动状态,易导致出轨,车轮在直线轨道上行进时,较为安全,且锥形踏面的总面积和最小安全曲线半径值都大于磨耗型的对应值;列车横移量对轮轨接触斑面积影响较大,当横移量超过10mm时,接触面积骤减,且接触斑内粘着所占比重也下降严重,磨耗型踏面的接触面积受横移量影响较大,而锥形则较小,粘/滑比重随横移量变化趋势基本相同;轮对摇头角对轮轨接触面积影响较小,随着摇头角的变化,接触斑总面积变化很小,当摇头角大于0.4。时,粘着占总面积比重迅速减小到零,对于两种踏面,轮对摇头角对于接触斑总面积和粘/滑比重的影响相同;对于我国现在常用的两种踏面,锥形踏面的接触区总面积,及在各种曲线半径时,粘着面积都大于同种工况时磨耗型的结果。

关键词： 轮轨磨耗   润滑装置   故障分析  

摘要： 通过对内燃机车轮轨润滑构造、工作原理及作用的介绍，结合实际分析了常见故障的原因，并提出了解决对策。

关键词： 轮轨力   应变片   BP神经网络   连续化  

摘要： 伴随着高速铁路行驶速度的日益提高,轮轨力的精确测量显得尤为重要。轮轨力的检测对于车辆动力学和脱轨理论的研究有着重要的意义。在轮轨力众多的检测方法中,地面测试轮轨的方法是成本较低且较为精确的方法之一。其方法的基本思想是在钢轨上粘贴电阻应变片,并按照一定的方法组成电桥,通过电桥的输出反算求得轮轨力数值。这样的测试方法可以在既有线路上方便进行而且不会破坏线路结构,能够非常方便的在各种轨道线路上进行。但现有的地面测量轮轨力技术不能实现轮轨力连续化测量,本文针对这个问题,主要工作如下： 1、该测试方法是基于钢轨应变的测试方法,所以首先从轨道结构力学行为入手,分析轨道的结构力学性质。 2、分析现有的在轨道上粘贴应变片的方式,根据轮轨间的复杂力学状态合理选择一种贴片和组桥方式,这种测试方式需要能够尽最大可能消除轮轨垂直力偏心、轮轨横向力偏心、轮轨纵向力等因素的干扰。 3、根据线路实际情况,设计出在一个区段内进行轮轨力连续输出的布置测点、贴片和组桥方式,采用这种方法能够使得当列车轮对通过这一测试区段时,轮轨间作用力能够连续测量。 4、将传统的BP神经网络用于轮轨力的连续测量中,验证其可行性,与采用径向神经网络所获得的连续轮轨力数值进行对比,比较二者误差。证明BP神经网络对训练轮轨力数据具有较好的泛化能力,可将BP神经网络用于地面连续测量轮轨力中。

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。