关键词： 焊缝区   上凸不平顺   下凹不平顺   磨耗深度   疲劳寿命  

摘要： 随着我国高速铁路的快速发展,车体的设计时速得到进一步提升,国家对于高速列车的行驶安全性及稳定性提出了更高的要求及标准。其中,无缝线路作为保证高速铁路行驶平稳性的有效措施,在当前的工程实际中得到了广泛的应用。同时,钢轨焊缝区作为铁路安全运营中的薄弱环节之一,时常面临轮轨接触瞬态冲击较大的情况,导致钢轨焊缝区出现明显磨耗及裂纹萌生。本文以高速铁路焊缝区为研究对象,基于钢轨表面粗糙度QI值分析四类焊缝区短波不平顺的质量高低,同时构建高速铁路车体-焊缝区耦合动力学模型,对比分析四类不平顺在固定运行速度下的动力学响应评价指标,筛选出两类典型不平顺。基于两类短波不平顺的典型特征波深及波长,分别进行不同运行速度下的动力学特征参数分析,得到两类不平顺的建议养护限值。基于Abaqus,建立钢轨焊缝区有限元模型,输入两类典型不平顺数据,对比200km/h条件下,车轮在不同横移量下通过钢轨焊缝区时的接触von-Mises应力及法向压应力;基于动力学模型及有限元模型计算结果,结合Archard及摩擦功理论对钢轨焊缝区磨耗进行分析,同时考虑不同通过次数,轴重及摩擦系数对于钢轨焊缝区的磨耗影响;基于Jiang-Sehitoglu多轴疲劳寿命预测模型及焊缝区关键截面有限元分析结果,得到三类焊缝区在轴重及摩擦系数影响下的最小疲劳寿命。结果表明:1)随着上凸及下凹型不平顺波深的增大,轮轨垂向响应明显增强,当大于0.4mm时,通过钢轨焊缝区的轮重减载率均超过0.6,大于国家安全限值;随着不平顺波长增大,轮轨垂向力越小,波长变化在0.8m到1.0m区间内,突变点轮轨垂向力变化明显小于其他波长区间,车体高速通过波长小于0.4m的上凸及下凹型不平顺焊缝区时,轮重减载率均超过0.6,大于国家安全限值。在幅值突变点处的轮重减载率及轮对垂向振动加速度达到波峰最大值,车体平稳性受到影响;建议以波深0.4mm及波长0.4m为焊缝区限值进行铁路钢轨养护。2)车体高速通过钢轨焊缝区时,随着轮对横移量的增大,由于短波不平顺的存在,导致车轮出现轮轨脱离的现象,致使接触区域的截面应力随之减小,其中通过无不平顺钢轨焊缝区时,von-Mises接触应力从460MPa降低到131MPa,法向压应力从833.5MPa降低到119.4MPa,分别降低71.5%,85.7%;车体通过上凸型焊缝区时,von-Mises接触应力从460MPa降低到438.8MPa,法向压应力从836.0MPa降低到527.8MPa,分别降低4.6%,36.9%;车体通过下凹型焊缝区时,von-Mises接触应力从460MPa降低到204.9MPa,法向压应力从804.28MPa降低到320.05MPa,分别降低55.5%,60.2%。3)在三类焊缝区磨耗对比中,随着通过次数的增加,三类焊缝区最大磨耗量分别为1.3mm,1.78mm,1.04mm,三类不平顺引起钢轨磨耗的增长趋势呈现近似线性关系;随着车体轴重的增加,三类焊缝区最大磨耗量分别为1mm,1.38mm,0.97mm,增长趋势呈现先增大后减小,即在较大轴重条件下,钢轨焊缝区磨耗增幅减小;随着轮轨摩擦系数的增加,三类焊缝区最大磨耗量分别为1.01mm,1.97mm,1.31mm,当不平顺类型为上凸型时,随着摩擦系数的增加,磨耗量增幅加大,轴重对于钢轨上凸型焊缝区的影响较大,摩擦系数对于下凹型焊缝区的影响较大。4)当摩擦系数为0.3时,三类焊缝区不同轴重条件下最小疲劳寿命分别为3.5×10次,3.6×10次,1.8×10次,当轴重为16t时,三类焊缝区不同摩擦系数条件下最小疲劳寿命分别为3.5×10次,4.6×10次,2.6×10次。下凹型不平顺在较大轴重及轮轨接触摩擦系数的影响下,对钢轨焊缝区寿命的影响较为严重,应在实际线路养护中注意下凹型不平顺的出现,及时进行钢轨打磨维护。

摘要： 沈志云的一生与铁路密不可分，无论是求学还是工作，是教学还是科研，始终没有离开过轮轨，可谓“一片丹心在轮轨”。在一本写于30年前、近百页的科研笔记里，详细梳理了各国高速铁路的技术特点、发展情况、各项配套设施和系统，以及各种国际性会议的讨论内容等。这本笔记的作者就是我国高速铁路领域的先驱科学家之一，中国科学院院士、中国工程院院士沈志云。沈志云的一生与铁路密不可分，无论是求学还是工作，是教学还是科研，始终没有离开过轮轨，可谓“一片丹心在轮轨”。

关键词： 物理信息神经网络   轮轨力   反演   卷积长短时   双向长短时  

摘要： 轮轨力不仅是判定行车安全的重要指标,还是评估轨道和车辆状态的重要依据。由于测力轮对与测力钢轨有成本高、维护难、使用限制多等特点导致现有的轮轨力测量装置普及率低。因此本文以低成本获取轮轨力为目标,从反演角度入手,以神经网络为手段,并在网络中添加一定的物理信息增加网络的泛化能力和网络的可解释性。本文的主要研究成果包括:(1)推导了基于物理模型轮轨力反演方法,并设计了不同曲率半径、不同超高的路线工况,检验基于物理模型的轮轨力反演方法在各个类路况中的反演精度。根据反演结果选出具有通用性的物理方程作为网络的物理约束,最终选择以轮对和转向架为隔离体的横向平衡方程和垂向平衡方程作为物理约束。并以1/2车辆模型为例,检验以平衡方程作为物理约束的有效性,结果显示:相同训练集下嵌入平衡方程为约束的可以在更简单的架构下达到与结构相对复杂的数据驱动神经网络的反演效果,相同的网络结构下,嵌入物理神经网络有更快的收敛结果。(2)本文针对有轮轨力标签对网络训练的情况,建立了以卷积长短时网络层为主体的嵌入物理信息的轮轨力反演方法(Physics-Informed ConvLSTM for Wheel-Rail Force Inversion Model,Phy＿CLFIM)。建立了精细化的车-轨模型和车-轨-桥仿真模型,并利用该模型对车辆在不同工况中的反演效果进行检验,检验内容包括车辆的行驶速度,路线的曲率半径、超高对反演精度的影响。结果显示,所提出的方法无论在直线路段还是曲线路段都有较好的反演结果,与现有的算法相比反演精度提升明显。(3)本文对比了Phy＿CLFIM和相同网络结构的无物理信息的数据驱动型网络(ConvLSTM for Wheel-Rail Force Inversion Model,CLFIM)。结果显示Phy＿CLFIM的收敛速度较CLFIM有小幅提升。(4)本文针对无轮轨力标签的对网络进行训练的情况,建立了以双向长短时网络为主体提出了无需轮轨力标签训练的轮轨力反演网络(Physics-Informed Bi＿LSTM for Wheel-Rail Force Model,Phy＿BLFIM),通过增加悬挂压缩量信息作为网络的输出,以轮对的垂向、横向、侧滚平衡方程作为网络约束,实现在无轮轨力标签的情况下实现轮轨垂向力和轮轴横向力的反演,该反演方法在直线工况中反演精度高。(5)本文开展了行车试验,利用本文所提出的轮轨力反演方法对1:10缩尺试验中车辆轮轨力进行反演,评估网络的泛化性能,评估结果显示嵌入物理信息的Phy＿CLFIM网络相较于数据驱动的CLFIM网络有更好的泛化性,Phy＿BLFIM的泛化性优于前两者。图81幅,表11个,参考文献108篇

关键词： 轮轨黏着   黏着力矩   齿轮-轴承   动力学   齿轮疲劳  

摘要： 轨道交通车辆具有运载能力强、运输效率高等优点,目前正成为中大型城市公共交通运输的主力,但是随着载重能力和运行速度的提升,传动系统作为整个车辆的核心子系统,其受到内部激励和外部激励使得传动系统的动态特性和疲劳可靠性变得尤为复杂。由于每个站台相邻一公里左右需要频繁的启停,在轨道不平顺激励以及复杂多变的运行工况下导致轮轨的黏滑特性发生改变,其黏着力矩的剧烈波动会影响齿轮的啮合响应并对传动系统造成振动与冲击,而齿轮本身的非线性因素又会反过来影响轮轨的黏滑特性,进而影响齿轮的可靠性导致严重的安全事故。因此,开展轮轨黏着特性对传动系统的动态特性以及疲劳可靠性的研究,对于提高轨道交通车辆的安全平稳运行性具有理论指导意义和工程实用价值。本文以地铁轮轨-传动系统为研究对象,针对轮轨黏着特性引起的黏着力矩,基于Polach接触模型和双线性模型,提出了能够同时考虑轮轨界面因素和大蠕滑条件下的轮对扭转振动的轮轨黏着模型。综合考虑齿轮传动系统的内外部激励,建立地铁传动系统的轮轨-齿轮-轴承耦合的多自由度动力学模型,通过动力学模型输出的响应,基于非线性疲劳损伤累积理论建立考虑剩余强度的齿轮疲劳可靠性模型,并通过摄动法求解其可靠性指标和可靠度。主要研究内容如下所示:(1)针对不同的轮轨黏着模型进行总结,并对比分析其适用工况和不足之处,最后求解四种轮轨黏着模型关于黏着力的计算精度和计算时间,为后续考虑轮轨黏着力矩的传动系统动力学模型提供激励。(2)对地铁的黏着特性进行分析,基于轮轨黏着特性的双线性模型和Polach接触模型推导了黏着力矩方程,综合考虑轮轨非线性黏着力矩、齿轮时变啮合刚度、非线性齿隙、轴承支撑力、轨道不平顺激励等因素,建立考虑轮轨非线性黏着力矩的齿轮-轴承传动系统多自由度动力学模型,分析不同黏着工况和不同参数下传动系统的振动响应特性。(3)通过建立考虑内外激励的传动系统动力学模型并求解其动态响应,然后基于非线性疲劳损伤累积理论建立齿轮疲劳可靠度的极限状态函数,最后求得齿轮的疲劳可靠度和可靠性指标。

关键词： 电线支架   弹性振动   高速列车   轮轨激扰   疲劳强度  

摘要： 随着我国高铁的不断发展,对高铁安全性和舒适性的要求也在不断提升。转向架作为动车组的重要组成部分,其零部件如电线支架的安全性和可靠性对高铁的安全性和舒适性至关重要。而安全性和舒适性则主要体现在弹性振动发生时的相关数据限值,当超过某一限值则易于产生不适甚至发生危险。因此,本研究拟定某型高速动车组,利用弹性电线支架作为衡量振动情况的关键节点,在以往的研究基础上,建立合适的车辆系统动力学模型,以求分析多种激扰缺陷的存在对于高铁弹性振动的影响。论文主要研究内容如下:(1)本文对电线支架进行柔性化处理,以弹性电线支架作为衡量振动情况的关键节点,建立合适的车辆系统动力学模型,通过仿真得到电线支架和轴箱垂向振动加速度,相同激扰情况下,电线支架振动更加明显,振动加速度幅值更大,同时,根据限制加速度100g以下提出的轮轨激扰限值,电线支架的限值更为苛刻。(2)研究车轮多边形、扁疤以及钢轨波磨对结构弹性振动影响,提出抑制电线支架结构弹性振动的车轮多边形和扁疤及钢轨波磨控制限值。对电线支架危险节点动应力进行仿真计算,根据限制等效应力70MPa以下提出轮轨激扰限值,对比相同工况下根据加速度提出的限值。以加速度提出限值,18至24阶车轮多边形幅值限值建议为0.020mm以下;以应力提出限值,18至24阶车轮多边形限值建议为0.023mm以下。以加速度对250km/h至350km/h速度下车轮扁疤长度提出限值,建议扁疤限值为40mm以下;根据应力提出限值,建议扁疤长度为20mm以下。以加速度对钢轨波磨提出限值时,建议当波长为120mm以上时,波深限值为0.033mm。通过应力对钢轨波磨提出限值,钢轨波磨波长为120mm以上时,波磨波深限值为0.03mm。(3)研究典型轮轨冲击激扰引起的电线支架振动主频特性,提出系统轮轨冲击振动主频与电线支架弹性模态频率隔离限值或范围。针对电线支架弹性频率设计车轮多边形进行仿真计算,计算当速度变量、阶数变量产生差异时,出现多边形缺陷的车轮其加速度和动应力的幅值变化,提出抑制电线支架弹性振动的隔离频率范围。根据加速度提出抑制其弹性振动的隔离频率为其隔离频率为842Hz至920Hz。根据动应力提出提出抑制其弹性振动的隔离频率限值为小于833Hz。图126幅,表9个,参考文献92篇。

关键词： 曲线啸叫噪声   摩擦   自激振动   有限元分析   复模态  

摘要： 随着铁路现代化进程不断推进,城际高速交通网络和城市轨道交通体系的建设得到蓬勃发展。在规划轨道线路时,由于地理空间的限制,小半径曲线轨道的铺设无法避免。然而,列车在经过小半径曲线轨道时,伴随而来的高频啸叫噪声严重影响着铁路沿线居民的正常生活。为响应绿色发展理念,解决铁路噪声问题刻不容缓,探寻曲线啸叫噪声的产生机理,并根据其特性找到合理的控制方法抑制啸叫噪声具有重大意义。本文依据我国铁道部规范并结合车轮和无砟轨道的基本结构,利用ABAQUS有限元软件建立车轮-无砟轨道的轮轨接触系统模型。基于复模态分析方法对该模型在0～5000Hz频域内的系统稳定性进行探究,分析轮轨曲线啸叫噪声的产生机理并对其发生趋势展开预测,主要研究成果如下:(1)利用复模态分析方法提取了轮轨系统失稳模态的模态特征。失稳模态的频率接近车轮与钢轨的共振频率,振型亦接近车轮与钢轨的共振振型,其中车轮主要以0节圆的轴向模态发生振动,钢轨主要以垂向弯曲的形式发生振动,车轮的轴向振动与钢轨的垂向振动发生耦合从而产生摩擦自激振动。(2)基于摩擦特性对轮轨系统稳定性进行了探讨。在摩擦力的激励下,存在一个临界摩擦系数使系统中潜在失稳的相邻模态出现频率重合,即产生失稳模态。但该失稳模态并不会一直发散,当摩擦系数继续增大会发生模态解耦而重新趋于稳定;系统失稳模态数量会随着摩擦系数的增大而增多,并且集中于高频区域,即增大发生高频啸叫噪声的概率;具有摩擦系数-速度负斜率特性的摩擦系数会增加系统失稳模态的数量,加剧系统的失稳。可见,轮轨间的摩擦特性是系统稳定性的最重要影响因素。(3)探讨了轮轨刚度匹配对系统稳定性的影响。钢轨与车轮弹性模量相差太大或太小都会增大啸叫噪声的发生趋势,适用的钢轨与车轮的弹性模量比值在1.2左右;轨道支撑刚度主要是由垂向支撑刚度决定,理论上存在一个合理的支撑刚度使得系统不稳定模态的负阻尼比处于一个较低的水平,即自激振动时输入系统的能量较低;亦存在一个合适的横向与垂向支撑刚度比使系统出现的不稳定模态数量减少。因此,可从轨道支撑刚度方面对轮轨曲线啸叫噪声进行控制。(4)分析了轴重对系统稳定性的影响。在摩擦系数一定的情况下,轴重的增大会增加较高频域内的不稳定模态数量,意味着发生高频啸叫的概率会增加,即垂向力对系统稳定性亦有影响。另外,轴重的增加虽然会引起滑动摩擦力的增大,但影响相比较于摩擦系数是较小的。