关键词： 轮轨关系   摩擦热   热机耦合   粗糙表面   能量转换  

摘要： 铁路作为我国现代化交通运输体系的骨干性力量,承载着拉动我国工业体系不断向前发展的重要使命。随着铁路运输向高速化重载化方向发展,轮轨间因接触压力、启动制动中相对滑移速度增大而产生的大量摩擦热会造成轮轨表层材料变性、局部相变和热磨损等,严重威胁列车运行安全。为揭示轮轨间机械能与热能的转换、摩擦热的传输机理,本文建立考虑表面粗糙度的微观轮轨三维热弹塑性接触模型,采用数值仿真工具和子模型技术,研究摩擦副中的表面粗糙度对摩擦热生成、传输和摩擦应力的影响,对进一步研究高速、超高速铁路中的轮轨关系提供理论依据与数据支撑。本文的主要研究内容如下: (1)分析总结了表面粗糙度模型、摩擦学、摩擦热生成与传输和子模型技术的基本理论,为本文分析工作奠定理论基础。 (2)建立微观球冠状微凸体粗糙表面接触模型,采用子模型技术,研究了球冠状微凸体的堆叠度、球冠曲率对热区分布、温度场、应力场的影响,分析了变形位移、温度、实际接触面积等因素对应力场的影响,并与光滑表面接触模型的结果进行了对比,结果表明若不考虑接触面的粗糙形貌,摩擦热会被高估,应力值会被低估,对流换热消耗的热能大于应力增量产生的热能。 (3)建立长方体状微凸体接触模型,分析了微凸体数量,空间排布方式对热区分布、温度场和应力场的影响,温度场对应力场分布的影响,应力场对热区分布的影响等,结果表明:微凸体横向分布数量增加,应力值减小,最高摩擦温度降低;微凸体竖向分布数量增加,应力值减小,最高摩擦温度升高。滑动方向前方微凸体的温度始终低于后方微凸体温度。 (4)选取几种常用材料,计算分析了传热热阻对摩擦热传播的影响,传热热阻增大,热传播速率减小。 本文对表面形貌对轮轨关系的影响进行了有益的探索,为研究精细轮轨关系提供了理论基础与数据支撑。

关键词： 钢轨波磨   轮轨垂向力   时域分析   频域分析   时频分析  

摘要： 随着城市轨道交通的快速发展,地铁作为一种重要的出行交通工具,已经成为人们日常生活中必不可少的一部分。同时,规模庞大的交通网络也面临着诸多工程问题。其中,钢轨波磨是城市轨道交通中常见的一种在钢轨上呈波浪形的周期性病害。列车在通过钢轨波磨段时引起的车体振动,会对车体与轨道及各部件造成一定的损伤,减少其使用寿命,甚至影响列车运行安全。城市轨道交通中常出现的波磨为短波波磨,本文针对钢轨短波波磨检测效率低、准确度不高等问题进行研究。通过综合检测车采集轮轨垂向力数据,对钢轨波磨区段轮轨垂向力的时域、频域、时频域方面对钢轨波磨及其波长、波深进行识别研究。此方法在一定程度上能够提高地铁线路的维护检修效率。针对识别研究过程,本文开展了以下研究工作: (1)通过SIMPACK动力学仿真软件建立轨道-车辆动力学模型。依据钢轨波磨在线检测的基本原理,通过车辆与轨道的信息,利用SIMPACK动力学软件建立轨道-车辆动力学模型。以单一简谐波模拟钢轨波磨的波长与波深,通过单一简谐波、美国五级谱、实测轨道垂向不平顺数据对模型进行验证。 (2)基于轨道-车辆动力学模型对钢轨波磨的特征进行研究。通过设置不同波长、波深、列车运行速度,计算不同波长、波深以及列车运行速度对应钢轨波磨段轮轨垂向力的变化特征,同时对变化规律进行分析总结,确定基于轮轨垂向力数据对于钢轨波磨的识别具有可行性。 (3)通过小波阈值降噪滤波法对轮轨垂向力数据进行滤波处理。引入小波阈值降噪改进法对轮轨垂向力数据进行滤波处理,设置合适的小波基和分解层数对信号进行多尺度变换处理,选择合适的阈值函数将含干扰因素的轮轨垂向力进行筛选处理,将有效数据在最大限度上保留并重构理想信号。 (4)基于轮轨垂向力识别钢轨波磨及其波长、波深。首先,从时域、频域角度分析存在钢轨波磨段轮轨垂向力的幅值变化规律、频率响应关系;其次,利用希尔伯特黄变换对滤波处理后的轮轨垂向力进行分析,从时频域确定了列车经过存在钢轨波磨段时轮轨垂向力所对应的时间;最后,结合波磨固定波长机理计算钢轨波磨波长;依据3σ轮轨垂向力大值、波长与波深的关系估算钢轨波磨波深。 (5)对北京地铁某条线路真实轮轨力数据进行工程性应用分析。通过对北京市某条城市轨道交通线路的实测轮轨垂向力数据进行分析,确认了钢轨波磨存在的位置,以及钢轨波磨波长与波深值。经过与现场实测数据进行对比再次证明本文基于轮轨垂向力对于钢轨波磨识别方法的可行性。

关键词： 地铁噪声   噪声源   轮轨   隧道列车   降噪措施  

摘要： 地铁内部的噪声问题主要源自列车外部噪声传播和内部振动激励，受到轨道、列车和隧道三个方面因素的影响。轨道方面主要涉及轨道粗糙度、曲线半径和扣件情况；列车因素包括速度、车体材料、密封性和内部设备；隧道影响则包括运行环境、截面和吸声材料。文章总结了目前国内外有关车内噪声的相关研究方向、影响车内噪声的可能因素以及目前可采取的降噪措施，分析各自优缺点，为后续降低车内噪声提供了研究建议和展望。

关键词： 服役工况   重载货车   刚柔耦合模型   车轮损伤   钢轨损伤   限值计算  

摘要： 重载铁路是铁路运输的重要组成部分,因其承载重量大、运输效率高以及独特的经济性等特点,其在货物流通、资源配置领域发挥着重要作用。随着我国综合实力的发展,社会对于重载铁路的需求不断上升,铁路货车也不断向着重载化方向发展。然而随着车辆载重的增加,轮轨接触几何状态的改变不可避免,车轮与轨道结构更易生成磨耗与损伤,且车辆更易受到轮轨磨损的影响。本文针对这一问题,参考C80重载货车主要结构参数,在考虑轮对、钢轨、侧架以及摇枕弹性模型的情况下,建立了车辆-轨道刚柔耦合模型,分别探究了几种常见工况与轮轨损伤状态下,车辆动力学的动态响应,并以安全性指标为标准对轮轨损伤限值进行了计算。本文主要的主要内容如下: (1)建立了考虑车辆关键部件弹性的车辆-轨道刚柔耦合模型耦合动力学模型。以C80重载货车为参照依据,在Simpack软件中建立了多刚体车辆耦合模型。考虑到轮轨损伤会激发轮轨之间的高频弹性振动,对车辆系统造成影响,通过模态叠加法在Abaqus有限元软件中对轮对、钢轨、侧架以及摇枕模型进行了模态计算,将计算得到的模态结果通过Simpack软件的FEMBS接口导入到多刚体模型中,建立了车辆-轨道刚柔耦合动力学模型。通过了线路试验侧架振动加速度验证了模型的准确性最后详细阐述了下文仿真结果所需的动力学性能评价指标。 (2)考虑货车在服役工况下中会受到的影响因素,选取了几种较为常见的工况,分别探究了同向、反向、后轮、前轮4种典型轮径差对货车平稳性和安全性等动力学性能指标的影响。探究了车辆在不同位置车轮磨耗以及不同程度钢轨磨耗作用下以及在不同制动工况下的运行平稳性,以及在通过不同曲线半径线路时的运行安全性。同时探究了车辆在不同制动工况下的动力学响应。 (3)分别研究了车轮扁疤和车轮多边形两种常见的车轮损伤状态下车辆的动态响应。通过构建扁疤与车轮多边形的数学模型,探究了不同长度扁疤以及不同阶次与不同磨耗深度的车轮多边形下车辆的动态响应,通过对车辆垂向轮轨力,侧架振动以及摇枕振动展开分析,得出车轮损伤会引起轮轨之间产生高频弹性振动,对车辆系统造成影响,同时部分特殊情况下的车轮多边形还会引发P2共振,造成更大轮轨冲击。在20m/s速度下,扁疤限值为54mm,多边形幅值为7阶与9阶时所对应的深度限值为0.365mm与0.49mm。 (4)分别研究了钢轨波磨与轨道焊缝两种常见钢轨损伤下车辆的动态响应。通过控制变量法,分别探究了波深与波长两个参数对车辆系统的影响。另外通过建立包含长波不平顺与短波不平顺的焊缝模型,通过几何梯度这一参数将不同参数的焊缝不平顺程度图像化,探究了车辆在通过焊缝时车辆系统的动态响应。同时将不同焊缝作用下的垂向轮轨力,侧架振动以及摇枕振动进行时域分析。在20m/s速度下,钢轨波磨波长为100mm时波深限值为0.53mm,轨道焊缝短波波长为100mm时波深限值为0.588mm与波长200mm时波深0.664mm。