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： 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： 铁路噪声   铁路车轮   轨道   有限元   边界元  

摘要： 铁路运输网密度、运量和运输速度迅速增长导致一系列环境问题。这些问题之一是铁路环境噪声问题,它引起了人们的广泛关注。而目前铁路噪声的主要成份是轮轨噪声,它是将成为制约高速铁路和城市轨道交通发展的核心问题之一。本文的工作从研究轮轨振动入手,预测轮轨辐射噪声,从噪声源头考察降低噪声的可行性,是从根本上解决噪声问题的唯一方法。由于轮轨噪声问题涉及的学科领域非常广,其中牵涉的问题非常多,很多相关问题在世界范围内也还没有达到完全共识。为了满足我国轨道交通事业快速发展和国产化需求,本文对轮轨系统的振动-声辐射特性进行探索性的理论研究。论文的主要研究工作有: (1)以服役在我国线路上的车轮为研究对象,建立车轮三维实体有限元模型,详细分析了车轮的自由振动和频率响应特性;然后以振动响应的结果作为速度边界条件,利用声学边界元法计算车轮的辐射噪声。数值计算中,考虑了S型、直型和波浪型三种辐板型式车轮,比较了它们轮缘、名义滚动圆和车轮外侧三个接触点位置的振动-声辐射特性。结果表明,辐板型式和轮轨接触点位置对车轮声辐射具有较明显的影响。而且,不同辐板型式车轮在不同轮轨接触点位置下的声辐射特性也不相同。 (2)根据我国实际轨道结构,建立轨道系统的三维实体有限元模型,包括钢轨、轨下垫层、轨枕和道床。分析比较了本文轨道实体模型与已有轨道简化模型的数值结果,发现本文模型的数值结果在高频部分更加合理。利用该模型,研究了轨道系统的振动响应特性,并讨论不同轨道结构参数对轨道系统振动响应特性的影响。 (3)建立轮轨耦合系统三维边界元声辐射模型。考虑轮轨表面粗糙度激励和轮轨相互作用的影响,利用有限元-边界元相结合的方法,以有限元振动响应的结果作为速度边界条件,利用边界元法预测声辐射。与既有理论研究结果进行比较,验证了本文所建立的轮轨噪声模型的合理性。 (4)讨论了不同轨道结构参数、轮轨表面粗糙度、接触刚度以及列车运行速度对轨道声辐射的影响,以探求从声源上降低噪声的可行性。

摘要： The contact between wheel and rail has been studied for many years in the field and using different test approaches. The wheel/rail contact in this work was simulated by a rolling-sliding twin disc contact machine. Currently this approach is widely accepted as a technique for studying different aspects of the wheel/rail contact such as; wear, rolling contact fatigue (RCF) crack propagation and issues concerning wheel/rail isolation.

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C0-C0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： 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： 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： 轮轨作用力   车桥耦合振动   迭代方法  

摘要： 文章对文献[1]中的车辆-轨道的计算模型以及轮轨接触力迭代求解方法进行了改进。算例分析表明:改进后的数值计算结果与文献[2、3]给出的测试和仿真分析结果具有较好的一致性。此外,利用有限元分析软件ANSYS进行了建模、分析和验证。

关键词： 铁道工程   轮轨接触   摩擦温度   耦合热   有限元法  

摘要： 基于伽辽金变分原理,利用有限元方法,建立了轮轨摩擦耦合热弹性有限元分析模型,分析了轮轨摩擦热与钢轨接触区热膨胀位移、摩擦温度、应变和应力的关系。模型中温度场和位移场由耦合方程同时求解,但没有考虑惯性项和材料阻尼的影响。分析结果表明:耦合求解的温度场和位移场与非耦合求解的温度场和位移场的计算结果一致,钢轨表面各点滑动位移的方向与车轮滑动方向一致,垂向位移方向先负后正;钢轨表面各节点进入接触区后,温度快速上升,但高温持续时间短;在滑动方向上,钢轨接触点先受压应变后受拉应变作用,垂向受拉应变作用,滑动方向压应力明显高于垂向压应力,钢轨接触斑前后节点滑动方向应变符号相反;垂向高正应变区主要集中分布在接触斑后半轴上,最大剪应变与剪应力区在接触表层以下。

关键词： 直线电机轮轨交通系统   线路参数   安全性   耦合模型   特征匹配   城市轨道交通  

摘要： 直线电机轮轨交通系统采用直线感应电机牵引，轮轨系统支撑导向，是一种新型的城市交通系统。它具有技术先进、安全可靠、经济合理以及绿色环保的特点，已在世界上多个国家建成并投入运营。上世纪80年代，日本、加拿大几乎同期拥有了该领域的成熟技术，但我国尚没有完整的技术与自主知识产权。轨道交通线路设计参数的研究虽然历经百余年，已经有成熟的理论、原理、方法与结果，但对于直线电机轮轨交通系统线路设计参数及其匹配的研究，在特定的车辆类型和沿线工程建筑支撑下，尚缺乏针对性的论证和理论上的支持，进一步研究其线路设计参数具有非常重要的意义。\n 针对直线电机轮轨交通系统，本文在分析了其基本运营模式、车辆结构几何特征与物理性能特征的基础上，开展了如下几方面的研究：\n 1．直线电机轮轨交通线路设计参数体系研究：分析研究交通运输系统的构成、各构成部分及其对线路几何形态的影响；分析研究交通线路的基本构成与线形特征，提出了交通线路线路设计参数体系内容及评价体系。直线电机轮轨交通线路设计参数的极值特征、分布特征及相关特征是线路设计参数的重要内容，参数的研究必须包括5个方面，即：安全性要求：舒适性要求；工程建筑和设备可实施性要求；运动过程动力学合理性要求及工程经济合理性要求。\n 2．直线电机轮轨交通线路设计参数的评价体系研究：研究安全性集中在轮轨接触脱轨系数、轮重减载率及抗倾覆系数；研究舒适性集中在乘客乘坐列车过程中的纵横向加速度，研究公路铁路地铁线路设计参数的舒适性控制，提出舒适度控制值与列车运行速度有关及相应的计算公式。\n 3．建立直线电机车辆—线路耦合动力学模型，对线路设计参数动力学性能及匹配进行研究：本文通过车辆运动过程中坐标转换，建立任意线路状态下车辆在三维空间的动力学耦合模型。模型包括车辆各刚体、各方向的自由度共计41个，并用显函数表述了线路设计参数在车辆运动过程中的作用。\n 4．直线电机轮轨交通系统线路设计核心参数的极值研究：本文研究了线路设计核心参数的极值特征，包括线路最大横向坡度 (超高)、平面圆曲线最小半径及线路纵向最大坡度。\n 5．线路设计核心参数对系统动力响应分析及合理匹配研究：本文利用所建立的车辆—线路模型，从安全性角度出发，研究了线路核心参数对脱轨系数、轮重减载率的影响规律及其数学表述，从而得出圆曲线地段横向坡度、平面圆曲线半径、车辆行驶速度的动力学极值特征及合理匹配；从舒适性角度出发，研究了线路核心参数对车体横向加速度的影响规律及其数学表述，从而得出圆曲线地段横向坡度、平面圆曲线半径、缓和曲线长度、车辆行驶速度的极值特征及合理匹配。