关键词： 高速列车   轮轨横向位移   机器视觉   深度学习   关键点检测   行车安全性  

摘要： 轮轨横向位移响应是判断列车车轮是否脱离轨道的重要指标,对进行列车运行安全性评价具有重要意义。传统的基于位移传感器的轮轨位移测量手段,往往存在安装不便、应用场景受限等问题,本文结合机器视觉和深度学习的知识,提出了一种基于关键点的高速列车轮轨横向位移测量算法,实现了轮轨接触动态背景下轮轨横向位移的快速准确测量。同时将此轮轨横向位移测量算法应用于中南大学地震下高速铁路桥上行车试验系统,为进行地震下高速铁路桥上行车轮轨横向位移响应研究提供了试验数据支撑。并在基于试验数据验证的基础上,采用多体动力学软件SIMPACK进行了地震下高速列车-轨道-桥梁耦合模型仿真研究,详细探究了地震下高速列车轮轨横向位移响应的变化规律。本文开展的主要工作如下:(1)基于经典的关键点检测网络Hourglass设计了高速列车轮轨横向位移测量算法。根据轮轨横向位移测量的任务需求,在原有网络结构的基础上完成了尺寸修改网络和融合偏移量损失的预测网络结构设计,显著提高了轮轨横向位移测量的速度和精度。并通过设计不同工况的验证试验,采用与激光位移传感器数据对比的方式验证了该算法的准确性。(2)依托于现有的四台阵振动台系统基础上所搭建的高速铁路桥上行车试验平台,采用车载相机拍摄了几何缩尺比为1:10的高速列车在不同试验工况下的轮轨接触图像,根据本文所提出的高速列车轮轨横向位移测量算法对不同工况下的高速列车轮轨接触图像进行了精确的轮轨横向位移识别,并基于本试验系统采用轮轨横向相对位移指标对地震下高速铁路桥上行车安全性进行了分析与探讨。(3)采用多体动力学仿真软件SIMPACK建立了精细的高速列车-轨道-桥梁耦合系统动力学模型,并基于试验数据进行了模型验证,详细分析了在不同地震激励频谱特性、不同车速、不同地震强度下高速列车轮轨横向位移响应的变化规律,并通过将轮轨横向相对位移指标与其他高速列车运行安全性评价指标进行对比,进一步说明了轮轨横向相对位移指标在进行地震下高速列车运行安全性评价时的准确性。图71幅,表11个,参考文献104篇

关键词： 车辆关键部件   典型轮轨激扰   轮轨垂向力   振动频率特性  

摘要： 随着我国高速动车组速度的不断提高,轮轨冲击问题日渐严峻。轮轨冲击不仅会引起高速车辆的剧烈振动,对车辆的运行性能产生不利影响,严重时会使车辆系统零部件发生疲劳断裂,而且会对钢轨造成伤损甚至断裂,威胁列车运行安全。因此,国内外许多学者对轮轨激扰问题进行了研究。开展典型轮轨激扰下的车辆关键部件振动频率特性研究具有十分重要的工程意义。本文通过仿真分析和线路试验的方法开展了车轮多边形、车轮扁疤、钢轨焊接接头和道岔对车辆系统关键部件振动频率的影响研究。主要工作和结论如下:(1)对国内外有关车轮多边形、车轮扁疤、钢轨焊接接头、道岔激励对车辆系统关键部件动力学行为及研究方法进行了总结,明确了典型轮轨激扰下高速车辆关键部件振动频率特性研究的意义和方向。(2)针对高速动车组转向架关键部件进行了网格划分、主节点选取、子结构分析、模态分析等流程,完成了关键部件的柔性化处理,确定了各关键部件的模态频率范围及应力薄弱点。(3)基于SIMPACK多体动力学软件,建立了包含多柔性体转向架的车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,建立了车轮多边形、车轮扁疤、钢轨焊接接头不平顺的数学模型,并总结了轮轨动态作用评价指标。(4)利用仿真模型展开了车轮多边形阶次、幅值、车轮扁疤长度、钢轨焊接接头波长、波深和运行速度等参数对高速车辆关键部件振动频率特性的影响研究。结果表明:车轮多边形激扰下关键部件振动频率仅与激励频率有关,当多边形激励频率接近部件某一阶固有频率时,会引起较大的振动响应;车轮扁疤损伤下,车辆系统关键部件振动频率与车轮转频有关,当车轮转频的倍频接近部件模态频率时,会引起较大的振动响应,振动响应随速度的增大而减小,振动频率随速度的增大而增大;轮轨垂向力幅值随着钢轨焊接接头不平顺波深的增加而增大,随着波长的增加而减小,关键部件振动频率随着速度的增大而增大。(5)通过对实测线路加速度数据进行处理,对比分析了平稳运行状态和通过道岔时各关键部件的振动频率特性,并分析了车辆通过道岔时的振动传递特性。结果如下:车辆通过道岔时,轴箱振动频率集中在40～50Hz、300～400Hz、500Hz处;构架振动频率集中在30～50Hz;电线支架振动频率集中在40～50Hz、540～610Hz、860～870Hz频带范围内;轴箱较高的振动频率无法传递到构架上。

关键词： 轮轨接触力   识别方法   有限元模型   轮轨力对比   不连续型轨道  

摘要： 轮轨系统是铁路及城市轨道交通运行的重要组成部分,但其在运行效率和安全性等状况上目前仍然存在诸多挑战需要解决。其中,与行车安全性相关的很多动力学指标如脱轨系数、轮重减载率等的计算都与轮轨接触力密切相关。由于轮轨接触冲击力的作用,轨道结构出现剧烈的振动、噪声和应力,对行车安全及车轮、轨道结构使用寿命造成了严重的威胁。因此,准确测量轮轨力对于理论分析和实践应用具有极其重要的作用。通过地面装置采集的轮轨力数据,可以实时监测列车的运行状态,并对其动力学特性进行准确评估,是顺利实施车辆状态检修的重要手段和途径之一。基于此,本文的主要内容包括以下几个方面:(1)提出了一种基于轨道动力响应的Newmark-α显式表达移动荷载(轮轨力)时域识别方法,分别推导得到了以位移响应以及应变响应为主的荷载识别传递矩阵方程,并通过最小二乘法以及正则化方法有效解决了方程病态问题。(2)建立普通板式轨道结构有限元模型,基于位移及应变响应分别论证了单移动荷载以及多轮对移动荷载识别情况。对比了最小二乘法以及正则化方法以模拟响应为主的荷载传递矩阵方程求解结果的优劣性,同时分析了测量噪声、车速及采样频率等主要外在影响因素对该荷载识别方法的影响。得到在有误差影响时,正则化方法比最小二乘法求解精度更高,降低噪声误差影响的效果更好,因此在后续模型求解中均选用了正则化求解方法。(3)通过实测应变数据,将识别轮轨力与波数域法计算轮轨力数据对比,识别轮轨力与波数域法轮轨力在各频率上的数值基本对应吻合,表明该方法识别轮轨力准确可靠。最后通过对识别轮轨力做频谱分析,得到其振动主要频率。(4)借助ANSYS有限元软件建立了更精细化的三维不连续轨道结构模型,通过ANSYS平台有效解决了复杂K、M、C矩阵的建立求解,并证明了该方法在复杂不连续轨道结构上的轮轨力识别可行性。同时通过对不同位置测点和不同频率的移动荷载识别结果分析,得到移动荷载通过钢轨向轨下基础传递时,频率越大的移动荷载越不容易向下传递,且以钢轨上测点直接来识别轮轨接触荷载效果最佳。

关键词： 有轨电车   固定辙叉   轮轨接触   瞬态响应   黏滑分布  

摘要： 有轨电车 3 号道岔固定辙叉旨在为行驶的列车提供连续的滚动接触面，这使得车轮踏面与轮缘之间轮轨接触点的过渡比普通辙叉更加复杂，特别是轮缘承载期间和过渡期间的多点接触，轮载将从踏面传递到轮缘再回到踏面，导致了严重的轮轨摩擦滚动接触行为和轮轨冲击。然而目前尚未有对这种轮缘承载式辙叉的动力学研究，为了更深入理解列车通过有轨电车 3 号道岔固定辙叉时瞬态滚动接触行为的机制，并为有轨电车 3 号道岔固定辙叉的设计优化提供一定的理论指导，本文系统分析了有轨电车3号道岔固定辙叉结构不平顺激励下轮轨的瞬态响应。主要工作如下：　　（1）介绍了有轨电车的研究背景，阐述了岔区轮轨摩擦滚动接触及车辆-道岔动力学的研究现状，并指出深入研究有轨电车3号道岔固定辙叉轮轨瞬态响应的必要性。　　（2）基于显式动力学有限元理论，建立了有轨电车3号道岔固定辙叉瞬态滚动接触有限元模型，并计算了轮载过渡前轮轨的垂向作用力。　　（3）以时速25km的轮对直逆/顺向通过有轨电车3号道岔固定辙叉为例，详细分析了轮轨宏观动态相互作用以及微观接触解，进而分析车轮滚过 3 号道岔固定辙叉真实的滚动姿态。　　（4）基于仿真模型，对3号道岔固定辙叉进行关键结构参数的动力仿真，探索轮缘槽深、轮缘槽坡度角对轮轨动态响应的影响，为 3 号道岔固定辙叉的结构参数设计提供一定的理论依据。　　（5）为了探明影响有轨电车3号道岔固定辙叉瞬态滚动接触及伤损行为的关键因素，利用正交表设计方法和图形分析法，研究了多个参数对有轨电车 3 号道岔固定辙叉瞬态滚动接触行为的影响，确定了轴重、速度是关键因素，并分析了其对轮轨瞬态滚动接触及伤损的影响。

关键词： 高速列车   道岔通过   轮轨接触关系   动力学响应  

摘要： 道岔是铁路线路的重要组成部分，车辆在道岔线路运行的环境有别于区间线路，在道岔区轮轨多点接触、结构不平顺和随机不平顺等运行环境的影响下，轮轨接触关系更为复杂，车辆的振动更加剧烈。因此研究车辆通过道岔区的动力学性能尤为重要，本文建立了60 kg/m的18号高速可动心轨道岔模型，结合理论计算与动力学仿真，分析高速动车组车辆通过道岔的相关动力学问题，主要开展的工作如下：　　（1）变截面高速道岔模型建立：介绍了道岔的结构特征，根据18号高速道岔平面布置图和道岔基本参数，通过理论刨切和插值的方法获取道岔建模的关键截面，在Simpack中建立了考虑钢轨变截面特性、轮背与护轨接触特性的道岔动力学模型，并计算道岔区的结构不平顺，拟合中国高速铁路无砟轨道不平顺。　　（2）道岔区轮轨接触关系研究：介绍轮轨接触几何关系和轮轨接触力学关系的求解理论，采用最小距离搜索法确定道岔区轮轨接触点的位置，计算轮轨接触参数，基于半赫兹接触理论计算岔区的轮轨接触斑。发现在没有轨道随机不平顺的影响下，车辆通过道岔时变截面侧的轮轨接触点逐渐外离，滚动圆半径不断减小，在转辙区，距离尖轨尖端5～8 m的位置处接触点会发生突变，同样在辙叉区，距尖轨尖端54.6 m和58.4 m 的位置也会发生接触点突变，轮载发生转移，接触斑内的法向应力增大，产生较大的瞬时冲击。　　（3）车辆通过道岔的动力学响应：在Simpack中建立50自由度的单车多刚体车辆模型，对车辆–道岔相互作用模型进行验证;以区间线路的动力学评价标准作为参考，结合道岔区的轮轨冲击特性选取动力学评价指标，仿真车辆通过道岔的动力学响应。发现直逆向通过道岔时尖轨处的横向冲击和心轨处的垂向冲击较大，但其评价指标远小于安全限值;侧逆向通过道岔时尖轨的横向冲击和护轨对轮背的横向冲击影响很大，动力学指标普遍大于直逆向过岔的指标。　　（4）道岔区的蛇行稳定性分析：分析直逆向高速通过道岔时出现的晃车现象，仿真复现岔区的蛇行运动。发现在极小的等效锥度下，车辆以350 km/h的速度通过道岔时会出现主频为1.26 Hz的低频晃车;在车轮过度磨耗后，车辆蛇行稳定性不足，通过道岔时其结构不平顺导致车辆出现主频为8.06 Hz的转向架蛇行。通过调整车辆的悬挂参数可以抑制岔区蛇行，但固定的参数不能兼顾两种蛇行运动，需要根据车辆的失稳形式主动调整参数可以提高车辆通过道岔的安全性和平稳性。