关键词： 轮轨力   测力轮对   轮轨力作用点位置   主分量分析   时频分析  

摘要： 轮轨作用力的测量对于车辆动力学、脱轨机理、轮轨接触理论研究和列车的安全检测都具有十分重要的意义。铁路运输不断向高速、重载、大运量和高密度方向发展,对轮轨作用力测量的精度和速度提出了更高的要求。测力轮对方法是目前最直接、最准确的轮轨力测量技术,它以车轮作为轮轨力的检测传感器,通过测量车轮辐板有限点处的应变实现轮轨接触力的连续检测。车辆运行过程中,车轮受到轨道不平顺作用,轮轨作用力是时变、非平稳的,轮轨力引起的辐板应变又被车轮转角所调制。测力轮对测量精度受到车轮均匀性、贴片工艺、车轮转速、轮轨力作用点位置变化和外界干扰的影响,测力轮对技术在测量理论和数据处理方法上都需要进一步研究。 论文在回顾了测力轮对的发展历程和国内外测力轮对的发展现状的基础上,分析了轮轨载荷作用下轮对辐板的应力分布,提出了消除车轮旋转影响的测力轮对测量方法,研究了轮轨力作用点位置对测量精度的影响和测力轮对数据处理方法,其内容与成果如下: 1、提出轮轨力测量模型 测力轮对技术经过几十年的发展,在车辆动力学试验中得到广泛使用,但在轮轨力连续测量中仍存在很多问题。目前的连续测力轮对技术要求轮轨横向力、垂向力产生的辐板应变组桥后沿圆周方向按正、余弦分布,这不仅对轮对的均匀性和贴片工艺提出了很高的要求,实际上在轮对辐板大部分区域是根本做不到,电桥输出中包含的高次谐波可能带来很大的测量误差。测力轮对存在的另一个问题是没有考虑轮轨作用点位置变化对测量精度的影响。车辆在运行过程中,轮对与轨道的接触点在滚动圆附近不停变化,尤其是在过曲线、道盆和蛇形运动时,接触点位置远离滚动圆。国内现有的测力轮对都没有考虑接触点位置变化,标定实验、数据处理都假设接触点在滚动圆上,测量结果误差较大。 论文在有限元分析和实验基础上,分析了轮对辐板应变在横向力、垂向力和作用点位置变化产生的弯矩作用下的分布规律,采用同一半径上多个应变片组合消除高次谐波,研究了需要消除的谐波分量阶次与电桥的数量、各电桥相位差之间的关系,为提高测力轮对测量精度提供了理论依据。在此基础上,建立轮对辐板应变与轮轨作用力、作用点位置的非线性方程组。 论文研究了测量模型非线性方程组的直接求解方法。非线性方程组一般没有解析解,通常采用迭代数值方法求解。迭代解法需要选择初值,初值不仅影响计算速度,同时影响计算精度,甚至导致计算不收敛,误差分析也比较困难。论文对非线性方程组进行合理简化,推导出方程组的解析解。 论文还研究了将非线性方程组简化为线性方程组的方法。使用主分量分析,得到各载荷单独作用时辐板应变信号的子空间,将测量信号投影到各个子空间从而建立线性方程组。可以利用线性方程组解的稳定性理论选择合理的贴片位置,减少应变测量误差对轮轨力计算值的影响。 针对实际轮对均匀性和贴片位置达不到测力轮对要求的情况,论文提出了新的解决方法。通过标定试验得到转角、作用点位置与对应的横向力、垂向力作用系数的数表,并用神经网络拟合辐板应变和车轮转角间的非线性关系,采用遗传算法获得最佳的作用点位置和电桥直流偏置,对每个电桥建立辐板应变与轮轨力间的线性方程组。这种方法可以有效地降低测力轮对的开发成本和研制时间。 2、提出轮轨作用点位置在线测量方法 轮轨作用点位置发生变化时,垂向力会产生一个附加弯矩,在轮对辐板产生附加应变,这一直被作为测力轮对的一个误差源对待。与横向力、垂向力在辐板上产生的应变相比,附加弯矩产生的应变比较微弱,论文提出的轮轨力测量方案,不仅提高了横向力和垂向力的测量精度,而且可以检测轮轨作用点位置。 3、分析车轮辐板应变的时频特性 轮轨力虽然是非平稳信号,但在很短的时间内可以看成平稳的。论文对滚动振动试验台实验数据进行了时频分析,结果表明用短时傅立叶分析是可行的。轮对辐板应变在纯滚动时为单频谐波信号,加轨道谱激振后变为调制信号,轮对蛇行时成为几个调制信号的叠加。分析车轮辐板在不同工况下的时频特性,有助于了解辐板应变信号的构成,根据信号的时频特性采用合适的信号处理方法滤除或减小噪声干扰。

关键词： 轮轨   滚动磨损   疲劳   裂纹   钢轨非对称打磨   磨损量  

摘要： 随着我国重载与高速铁路的快速发展,轮轨滚动接触疲劳与磨损变得越来越严重,已成为影响铁路运输安全的重要因素。因此,轮轨接触疲劳与磨损机理及预防措施的研究对减轻轮轨损伤,提高铁路运输的经济效益和社会效益具有重要的指导意义。 本文利用JD-1轮轨模拟试验机和往复滚动磨损试验装置,借助光学显微镜(OM)、激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)、扫描电子显微镜(SEM)等表面分析测试设备研究了干态下轮轨滚动接触疲劳与磨损行为,分析了轮轨滚动磨损过程中磨损率对疲劳裂纹损伤的影响机理;利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT分析了轨底坡、轨距和曲线半径等参数对轮轨接触斑行为的影响;研究了疲劳与磨损钢轨预防措施的差异。取得的主要结果和结论如下: 1.车轮磨损量随制动力、蠕滑率和轴重的增加而增加,切向摩擦力增大会使车轮磨损机制从磨粒磨损向粘着磨损与疲劳磨损转变,导致疲劳裂纹及白层的出现,加剧了车轮的塑性变形及疲劳剥离。材料含碳量对车轮钢的滚动摩擦系数基本无影响,但改变车轮钢的磨损机制;降低含碳量可减轻车轮的疲劳剥离损伤,但由于材料耐磨性的降低会导致车轮磨损量的明显增加。 ***3钢轨的强度性能和耐磨性均优于U71Mn钢轨,但U71Mn钢轨表现出更好的抗疲劳损伤和裂纹扩展性能;疲劳裂纹沿钢轨塑性变形方向萌生并沿一定角度向深度方向扩展,且存在两种不同的裂纹扩展形态;增加轴重、减小曲线半径及施加制动力均会增加钢轨的磨损量,加重钢轨疲劳损伤及塑性变形。建立了带有一个随机变量的钢轨钢疲劳裂纹扩展速率的概率模型,利用极大似然估计法确定了概率条件下两种钢轨材料疲劳裂纹扩展速率不确定性方程的上限值,结果表明疲劳裂纹扩展速率的不确定性方程与试验结果相符。 3.利用BP神经网络建立了钢轨磨损量的预测模型,结果表明该模型具有较高的预测精度;利用训练良好的BP神经网络模型预测了试验参数对钢轨磨损量的影响,结果表明速度、轮轨冲角及轴重对钢轨磨损量具有不同的影响规律。 4.广深铁路钢轨疲劳斜裂纹与侧磨量的调查表明,钢轨侧磨严重时,钢轨疲劳斜裂纹现象就表现轻微;轮轨滚动疲劳损伤与磨损之间表现为相互竞争与制约的耦合作用关系,即磨损严重时,疲劳损伤往往较轻;而疲劳损伤严重时,磨损相对轻微;实际中增加磨损率能减轻钢轨的疲劳裂纹损伤,延长轮轨的疲劳寿命。 5.使用1/40轨底坡情况下磨耗型车轮踏面的轮轨接触行为不能达到最佳匹配状态,建议对磨耗型踏面进行优化设计;增加轨距能改变轮轨接触几何参数、蠕滑行为、接触应力和接触斑粘滑区的分布;减小曲线半径导致接触斑纵向、自旋蠕滑、摩擦功和总滑动量剧增,粘着区的减小;曲线轨道设计中,对于高速铁路应尽可能地增大曲线半径值。 6.重载铁路钢轨损伤主要以磨损为主,并伴随强烈的塑性变形;高速铁路钢轨主要表现为疲劳损伤。由于钢轨损伤形式不同,导致重载与高速钢轨在轮轨润滑、车轮型面、钢轨打磨等方面产生很大差异。根据疲劳裂纹损伤与磨损的耦合作用关系,提出了不同于重载曲线轨头非对称打磨的高速钢轨非对称打磨技术,结果表明打磨能有效预防和减缓钢轨斜裂纹的形成与发展。重载与高速铁路钢轨选材的技术要求不尽相同,应根据钢轨具体损伤形式而决定。

关键词： 高速铁路   机车车辆   轨道结构   无砟轨道   板式轨道   双块式无砟轨道   耦合振动   动力学   有限元   仿真分析  

摘要： 无砟轨道是以混凝土、沥青等材料代替碎石道床层的轨道结构,具有少维修、轨道稳定性好、平顺性好和耐久性好的显著优点,减少了线路养护维修工作,提高了线路使用率,还提高了曲线通过速度和安全性,减少了道砟这种不可再生资源的消耗,更为环保。长远来看,其经济性优于有砟轨道。当前世界各国大力发展高速铁路,应用现代高新技术建设高速铁路,无砟轨道成为高速铁路轨道结构的重要选择。为了缓解国民经济快速增长与铁路运输能力紧张的矛盾,我国大规模建设高速铁路客运专线。无砟轨道结构受力状况与轨道结构的安全性密切相关,而无砟轨道的动力性能则影响到行车安全性和旅客乘坐的舒适性。因此,开展无砟轨道结构受力和高速动车作用下无砟轨道动力学性能研究具有很强的理论意义和工程应用背景。 本文首先简要回顾了国内外无砟轨道发展和无砟轨道力学研究的历史与现状。然后,以车辆—轨道耦合动力学理论为基础,以目前国内应用效果良好的板式轨道和双块式无砟轨道为研究对象,采用我国自主研发的CRH2、CRH3型高速动车组,对高速铁路无砟轨道结构受力和动力学问题进行研究。开展的研究工作主要包括以下几方面: 建立了板式轨道和双块式无砟轨道三维实体有限元模型,主要分析了在设计荷载作用下板式轨道和双块式无砟轨道受力特性,包括轨道结构型式、轨道结构参数、路基关键参数对无砟轨道结构受力的影响。 基于车辆—轨道耦合动力学理论,采用多刚体动力学理论建立了车辆系统动力学方程,采用梁—板—板有限元模型模拟板式轨道,采用梁—板有限元模型模拟双块式无砟轨道,通过轮轨关系将车辆系统和无砟轨道系统联系在一起,建立了车辆—无砟轨道耦合动力学模型。采用德国高速低干扰谱作为轮轨激励进行无砟轨道动力学仿真计算,并与遂渝线无砟轨道综合试验段动力学测试结果对比,仿真计算结果与试验数据吻合较好,验证了模型的可靠性。 应用所建立的无砟轨道轮轨动力作用分析模型,对高速行车条件下,冲击型激扰、谐波型激扰和随机不平顺激扰引起的板式无砟轨道结构振动特性进行了分析。研究了不同弦长的车轮扁疤不平顺、不同凸起高度的凸起焊缝不平顺和不同长波和短波组合的凹陷焊缝不平顺、德国高速低干扰谱激扰下,板式无砟轨道结构动力响应,验证了现行铁路技术管理规程对高速铁路车辆车轮扁疤管理和钢轨焊缝打磨要求的合理性。并研究了车速在200～350 km/h范围板式轨道和双块式无砟轨道结构随机振动响应受车速影响规律,研究结果对高速铁路无砟轨道结构参数优化设计具有指导参考意义。 应用所建立的无砟轨道轮轨动力作用分析模型,研究了轨下胶垫刚度和阻尼、基床表层弹性模量、板式轨道CAM层弹性模量和双块式无砟轨道道床板厚度等参数对板式轨道和双块式无砟轨道结构动力性能的影响。

关键词： 轮轨力   应变测试   交流调制检波   电桥调零   ZigBee技术  

摘要： 随着我国高速列车的迅速发展,铁路运输不断向高速、重载、大运量和高密度方向发展,对轮轨作用力测量的精度和速度提出了更高的要求。轮轨力测量是车辆动力学理论与实践的重要环节,测力轮对是测量轮轨力最直接最准确的方法。以机车车辆的轮对作为力传感器来测量轮轨间的相互作用力的方法,是所有轮轨力测量方法中精度最高的方法。测力轮对测量精度受到车轮均匀性、贴片工艺、车轮转速、轮轨力作用点位置变化和外界干扰的影响,本文是基于测力轮对优化贴片方案,设计了一套适用于测力轮对测试轮轨力的高精度的、体积小的无线测试系统。 本文在介绍应变测量原理及桥路的交流调制及检波原理的基础上,对系统的组成、硬件、软件工作原理和控制方法进行了详细的分析、说明和计算,并在交流调制、检波及桥路输出调零等方面做了详细的说明和计算。在系统设计中,没有采用将应变片传感器的应变电信号输出通过集流环传出来,再经过放大器、模数转换、最后交由计算机处理的传统做法;而是将整个放大采集部分都安装在测力轮对上,而将测试结果传送到无线数据发送节点,再将数据通过无线节点传输到计算机,大大降低了系统的成本,减小了布线的难度,提高系统的精度和抗干扰性能。在数据传输部分,设计中采用的是基于ZigBee协议的CC2430模块。ZigBee技术是近几年发展起来的短距离无线传输的一种新协议,具有功耗低、成本低、方便使用的特点。最后对测试系统进行了实际测试验证,分析其测试数据,达到系统测试要求。

关键词： 车辆工程   高速列车   轮轨系统   动态相互作用  

摘要： 为了探明高速铁路轮轨动态相互作用特征,运用铁道机车车辆-轨道耦合动力学理论,考虑了轮轨系统参振的影响,研究了高速运营条件下曲线轨道上的轮轨动态接触几何关系,分析了安全性指标和舒适性指标的随机振动特性.研究结果表明:在高速运营条件下,曲线轨道上的轮轨动态接触几何关系具有明显的特点,在160～300 km·h-1速度范围内,减载率及车体振动加速度的敏感波长分别为1.0～2.5 m与40～50 m,控制该波长范围不平顺对提高动车组的安全性及舒适性十分有利.

关键词： 转向架构架   疲劳寿命   瞬态动力学分析   轮轨冲击  

摘要： 铁路运输方式区别于其他运输方式的特点是轮轨动态相互作用。轮轨之间的相互动力作用,以轮轨接触点为分界面,向上传递给机车车辆,向下施加于轨道结构。在我国铁路交通面临大发展的今天,这势必会给铁路运输带来更大的挑战。那么,由轮轨动态相互作用引起的机车车辆和轨道结构的疲劳问题就显得更为突出。本文基于轮轨动态相互作用和结构疲劳寿命预测等相关领域的研究成果,对轮轨动态相互作用给机车车辆关键部件带来的疲劳损伤问题进行研究和探讨。 论文参考国内外最新研究成果,将轮轨冲击简化为三自由度系统的垂向振动问题,得到该系统的运动微分方程,通过龙格-库塔积分法获得轮轨冲击的载荷时间历程;其次,利用有限元分析软件建立C-C机车的车体、构架、轮对轴箱的有限元模型,为了验证模型的准确性进行静力分析与模态分析,并采用瞬态动力学分析方法得到构架结构的应力时间历程;然后,对应力时间历程进行雨流计数与平均应力修正;最后,结合材料的S-N曲线和Miner线性损伤累积准则,采用疲劳分析软件nSoft的Fe-Fatigue模块对构架结构的疲劳寿命进行计算,得到轮轨冲击下构架的疲劳寿命。 分析结果表明:在轮轨冲击作用下,构架的疲劳寿命比较短,尤其是一系垂向减振器座与侧梁焊接的部位在受到来自轮轨冲击产生的脉冲型激扰时,更容易导致结构的疲劳破坏。

关键词： 重载   货车   转向架   动力学仿真   轮轨磨耗  

摘要： 随着我国铁路货运量的迅速增长,重载运输已成为我国铁路货运的发展方向。然而,随着列车重量的增加,大功率内燃、电力机车的使用以及大轴重货车的投入运营,导致轮轨磨损日益严重。轮轨磨损不仅从小半径曲线扩大到大半径曲线,而且磨损率也在日益加剧。车轮和钢轨的维修及更换周期大大缩短,不仅使铁路运输成本增加,而且还对铁路正常运输带来一定的影响。 轮轨磨损是轮轨系统所不可避免的,引起轮轨磨损的机理复杂。研究表明,轮轨磨损是多种因素综合作用的结果,而重载货车转向架性能对轮轨的磨损起着重要的作用。因此,研究和分析重载货车转向架的轮轨磨耗,将有利于降低运输成本,减少环境污染和提高货物的运输效率,对我国重载运输事业的发展具有一定的现实意义。 本文综述了国内外重载运输的发展及现状,分析了重载运输引起轮轨动作用力变大、轮轨磨损加剧等问题。然后,对轮轨接触关系、磨损机理及评定轮轨磨耗程度所采用的方法进行了简要的分析,并总结了各项指标所适应的前提条件。根据三种重载货车转向架的结构特点,应用多体系统动力学仿真软件SIMPACK建立了各自的动力学仿真模型。 在上述分析及建模的基础上,研究了三大件式转向架相关参数对轮轨磨耗的影响,分析了轴重与轮轨磨耗的关系,比较了三种典型的重载货车转向架结构形式对轮轨磨耗的影响;另外,就曲线相关参数对轮轨磨耗的影响进行了分析;最后,采用RCF损伤函数,研究了影响轮轨滚动接触疲劳的主要参数。 分析结果表明:轮对纵向定位刚度、心盘、旁承的摩擦系数、三大件转向架的抗菱刚度、曲线半径、欠超高和轨底坡对轮轨磨耗影响较大;轴重增加使得轮轨接触应力增加、轮轨动作用力变大和轮轨磨耗加剧;副构架自导向式径向转向架能够显著地减少轮轨磨耗;曲线半径和转向架特性对钢轨的滚动接触疲劳有较大影响。因此,合理设置悬挂参数和线路参数有利于轮轨磨耗和钢轨滚动接触疲劳的降低。

关键词： 提速道岔   辙叉   接触应力   奥贝氏体钢  

摘要： 跨区间无缝线路是与高速重载铁路相适应的轨道结构,是提速重载道岔必须采用的关键技术。目前我国铁路提速道岔大多数使用的是高锰钢整铸辙叉和钢轨拼装式组合辙叉。高锰钢整铸辙叉整体强度较低,使用寿命离散度大和可焊性差;而钢轨拼装式固定辙叉机械性能差,心轨较早的出现了压塌和剥离掉落,致使辙叉很早下道。由此可见,这两种辙叉满足不了我国铁路提速的要求,因此我们就必须要找出一种更好的辙叉代替这两种辙叉。 随着通过能力高、强度高的合金钢组合辙叉的出现,已经慢慢代替了高锰钢整铸辙叉和拼装式组合辙叉。但是由于翼轨采用的是PD3钢,而心轨采用的是奥贝氏体钢,心轨强度高于翼轨,当车轮通过时,翼轨的破坏比心轨厉害,因此需要计算出翼轨受力区域和接触压力的大小。因此本文利用有限元分析方法建立起弹性基底约束条件下的合金钢组合辙叉区轮轨接触计算模型,并考虑车轮和钢轨的真实的几何形状和边界情况,对从咽喉到心轨顶宽20～50mm范围内进行分析,通过改变轮轨接触的摩擦系数、轴重、不同接触位置、基底竖横向刚度、心轨降低值和半径,对心轨和翼轨的接触压力进行较为细致的分析,为道岔合理设计提供一定的数据支持。 研究表明,心轨半径、轴重和心轨降低值对轮轨接触的影响最大,其次是摩擦系数和竖向刚度,横向刚度对轮轨接触影响不明显。在咽喉至心轨顶宽30mm段,翼轨应力比较大,长期下来容易造成破坏,对运营非常不利,在设计中应考虑对翼轨的加强。

关键词： 高速铁路   车轮踏面   轮轨耦合   加工工艺  

摘要： 随着铁路客运运行速度的日益提高,轮轨系统中存在的轮轨磨损、疲劳、脱轨等问题日趋严重,引起了各国铁路的高度重视,而这些问题的解决都必须以轮轨接触关系的研究为基础。此外随着我国铁路不断提速,对钢轨和车轮的耐磨性、韧性和尺寸精度要求越来越高,所以以低成本、高效率地生产出高质量的钢轨和车轮,是摆在我国面前的一项迫切的任务。 本论文在轮轨接触几何关系研究中,论述轮轨接触几何关系计算的基本原理,并通过计算,分析比较不同类型高速车轮踏面与不同钢轨配合使用时的接触几何状态,并详细探讨了轨距、轮对内侧距等因素对轮轨接触几何关系的影响。在轮轨滚动接触研究中,阐述了赫兹接触理论及其在轮轨接触斑面积计算中的应用,研究了蠕滑率及蠕滑力的求解方法。 根据国内外生产经验及高速用钢轨和车轮的要求,确定高速用钢轨、车轮的工艺流程,对确定的钢轨和车轮的相关的设备和工艺进行重点论述,并分析其技术的先进性和生产的经济性。

关键词： 独立轮对   有限元   参变量变分原理   接触力  

摘要： 城市现代化的发展和人口的持续增长,不仅使城市公共交通发生了数量上的变化,而且也在质量上提出了更高的要求。轻轨交通作为解决城市交通问题的途径之一己被广泛接受,并得到了系统性的研究。低地板轻轨车辆同传统轻轨的主要区别是采用独立旋转车轮转向架。首先,要想实现低地板,独立轮组系统比传统转向架的轮轴系统有很大优势。采用独立旋转车轮结构,即去掉车轴或采用阶梯车轴,可以顺利的降低地板高度,以此实现100%低地板的轻轨车。 独立旋转车轮转向架车辆由于不存在轮轨纵向蠕滑力产生的回旋力矩,故具有较高的运动临界速度,对高速机车车辆具有很大的潜在应用价值;同时,由于车轴可做成曲轴或采用无公用轴,可实现城市轨道轻轨交通车辆的部分低地板或百分之百低地板,国内外机车车辆研究人员在这方面进行了大量的理论研究和试验研究。 本文利用参变量变分原理和由其推导出的有限元参数二次规划法,并结合多重多支子结构技术求解低地板轻轨车辆的轮轨弹性接触问题。分别建立100%低地板轻轨车轮所采用踏面5个不同位置模型, 70%低地板轻轨车轮采用踏面3个不同位置的轮轨接触模型。计算不同踏面、不同轴重、踏面不同位置、曲线通过时不同速度和不同牵引力对轮轨接触状态的影响,分析轮轨接触力随着上述参数变化的规律,并以三维曲线图、数表和曲线的形式将这些关系反映出来。计算结果表明,100%低地板车轮踏面实现了轮轨接触对中位置附近列车更加平稳运行,横移量较大时具有更大横向力,可以更加有效的实现独立轮对的自动对中,比70%低地板车采用的踏面更满足独立轮对的要求。文中对计算结果进行了详细的分析,得出了踏面不同位置的接触斑和接触力变化规律,不同工况踏面的接触力分布规律,为低地板轻轨车踏面设计的进一步优化提供一定的理论依据。