关键词： 重载机车   柔性轮对   动力学特性   轮轨蠕滑   车轮磨耗  

摘要： 伴随我国重载铁路运输不断向提高运行速度和增大载运量方向发展,车辆运行的安全性和平稳性也成为大众日益关注的焦点问题。和谐号大功率电力机车是我国现役重载运输线路上的主要牵引装备,随着机车运行速度变快和运行路程加长,在运行过程中还会受风沙、雨雪等恶劣天气的影响,使机车运行安全得不到有效保障,还会影响到机车各部位的振动异常、轮轨伤损和轮轨磨耗等问题。鉴于此,本文基于机车车辆系统动力学,以和谐型六轴重载电力机车为主要研究对象,开展了考虑柔性轮对的刚柔耦合机车动力学特性研究,以及轮轨接触蠕滑极限动态行为分析和车轮磨耗演化规律同轨顶轨侧摩擦系数之间的匹配关系。首先,根据机车轮对的三维结构,使用Hypermesh及Ansys有限元分析软件通过模态叠加法建立柔性轮对模型,再利用多体动力学仿真分析软件UM建立刚柔耦合机车动力学模型和多刚体模型,并将轮轨横垂力与实测数据进行对比,由此验证了模型的正确性。同时,由于轮对的弹性作用,机车的非线性临界速度较刚性轮对降低10%以上。然后,考虑到轮对柔性结构对机车动力学性能的影响,针对脱轨系数、轮重减载率、轮轨力等动力学指标的对比分析,发现刚、柔建模对应的动力学指标的变化趋势基本相同,但由于柔性体结构发生变形及弹性振动,柔性轮对的动力学指标幅值都略小于刚性轮对的;柔性轮对内部发生弹性变形且能减缓钢轨对车辆的冲击作用,因此柔性轮对振动加速度的幅值要比刚性轮对振动加速度幅值小20%左右,因为机车车辆的悬挂系统具有很好的减隔振效果,车体和构架处的振动加速度也要比轮对轴箱处的要小。进一步,分析了机车牵引状态下轮轨接触蠕滑动态行为,结果表明机车在直线线路条件下运行时,基本处于粘着状态,而在通过300m、600m小半径曲线时轮轨力容易达到蠕滑极限状态而出现全滑动现象,此时合成蠕滑力等于极限摩擦力,但在机车通过1200m较大半径的曲线时却较难达到全部滑动的状态,车轮也处于粘着和滑动两种状态之间,随着牵引力的不断增大,粘着区接触斑的面积也随之增大,但对刚性轮对来说变化不明显,柔性轮对接触斑面积幅值较刚性轮对接触斑面积幅值更大,甚至能超出刚性轮对的30%以上,由于通过磨耗功率可以算出体积磨损,因此对比刚柔轮对的磨耗功率,可推断考虑轮对柔性时,车轮磨耗量要比刚性轮对小10%左右。最后,分析了定摩擦系数对车轮磨耗演化规律的影响,选用不同的轨顶轨侧摩擦系数总结其对车轮磨耗深度的影响。当轨顶摩擦系数一定时,轨侧摩擦系数越大车轮磨耗量也越大;当轨侧摩擦系数一定时,增大轨顶摩擦系数车轮的磨耗深度也随之变大,要使车轮磨耗量最小,综合考虑机车的牵引需求,较恰当的轨顶轨侧摩擦系数匹配关系是:轨顶摩擦系数选取0.2,轨侧摩擦系数选取0.05。

关键词： 轮轨复合伤损   WJ-7扣件   弹条   动力学响应   疲劳寿命  

摘要： 扣件系统作为铁路轨道钢轨与轨下结构连接的纽带,用于固定钢轨位置,阻止钢轨纵横向移动,防止钢轨倾翻,同时还能提供必要的弹性和绝缘性能。而随着高速列车速度的不断增大和使用频率的提升,轮轨激励产生的振动冲击造成扣件系统疲劳劣化,而轮轨伤损往往不是孤立存在,关于复合伤损作用下扣件系统劣化疲劳特性亟需深入研究。基于此,本文围绕轮轨复合伤损激励下WJ-7型扣件系统劣化疲劳机理进行研究,主要研究内容如下:(1)WJ-7型扣件系统三维有限元仿真模型建立。以我国CRH380B型动车组和CRSTⅡ型板式无砟轨道结构扣件系统为例,构建精细化WJ-7扣件系统三维有限元模型、高速车辆轨道刚柔耦合系统动力学仿真模型和轮轨复合伤损激励模型。采用多体动力学理论和有限元联合仿真技术,通过动力学仿真模型获取轮轨复合激励下扣件系统承受的扣压力荷载,然后导入WJ-7型扣件系统有限元模型,为后续研究扣件系统静、动力学特性提供仿真平台和数据支撑。(2)WJ-7型扣件弹条静力性能分析。扣件系统在安装过程中受到的初始扣压力会影响扣件系统动力学性能,采用所建立的WJ-7型扣件系统三维有限元模型,研究不同初始扣压力作用下扣件弹条的应力、位移和塑性应变分布规律,通过研究发现,不同扣压力下弹条应力和塑性应变集中区域在弹条根部,随着扣压力的增大弹条应力和塑性应变最大值区域扩大,弹条位移最大值位于弹条中前端下颚,随着扣压力达到一定值时,弹条中前端下颚处紧贴铁垫板,造成弹条中前端应力增大。(3)WJ-7型扣件弹条动力学响应分析。采用所建立的WJ-7型扣件系统三维有限元仿真模型,分别研究轮轨伤损单一激励与复合伤损作用下扣件弹条作用力、振动加速度和Von-Mises等效应力变化规律,研究发现,复合伤损作用下扣件弹条作用力、振动加速度和Von-Mises等效应力随着参数的变化相较于单一伤损均有所增大;同时基于扣件弹条模态分析,从频域角度研究轮轨复合伤损参量与扣件弹条疲劳损伤之间的内在联系,发现在复合伤损作用下会引发弹条的共振效应,加大弹条振动幅度。(4)WJ-7型扣件弹条疲劳寿命预测。根据扣件弹条静、动力学性能分析结果,提出弹条疲劳断裂危险点,基于疲劳强度和寿命分析理论方法,利用扣件弹条S-N寿命曲线对弹条动力荷载作用下的疲劳寿命进行预测,分别研究轮轨单一伤损与复合伤损作用下弹条疲劳寿命,复合伤损下弹条疲劳寿命远远相较于轮轨单伤损明显降低,同时复合伤损下弹条疲劳寿命远远小于弹条设计疲劳寿命需求。

关键词： 时速400km+   轮轨高频振动   刚柔耦合系统   车轮踏面磨耗   车轮高阶多边形  

摘要： 近年来,我国高速铁路随着速度的提高,在运营过程中出现了如钢轨波磨、车轮磨耗等诸多突出问题,这些复杂的轮轨激励会导致高速列车轮轨系统出现较为严重的高频振动,加剧轮轨动力作用、增强列车振动以及破坏轨道结构等,严重影响了列车运行的安全性、平稳性与舒适性。鉴于此,本文拟针对时速400km+运营条件下车轮磨耗及轮轨系统振动机理开展前沿探索性研究,通过建立多柔性体车辆-轨道耦合动力学模型,研究超高速条件下车轮磨耗发展机理及轮轨系统关键部件时、频域振动特性,为降低超高速列车运行高频振动提供理论与技术支撑。主要研究内容及结论如下:(1)采用有限元软件UM、ABAQUS建立多刚体车辆-轨道动力学模型及考虑轮对与构架弹性的多柔性体车辆-轨道动力学模型,并验证模型正确性。(2)基于建立的刚、柔动力学模型研究运行速度对车-轨系统动力响应的影响规律,并对比分析了多刚体与多柔性体模型计算结果的差异及其原因。研究结果表明:多刚体模型与多柔性体模型计算结果类似,随着列车速度的增加,车-轨系统动力响应随之增大;轮对、构架柔性化在很大程度上会加剧轮对与构架的垂向振动,但是会适当减少轮轨相互作用,减缓下部轨道结构的振动。(3)基于Archard磨耗理论,探究了运行速度对车轮踏面磨耗的形成与发展影响规律,并分析了车轮踏面磨耗对车-轨系统动力响应的影响规律。研究结果表明:在列车高速运行下,车轮踏面会发生磨损,磨耗曲线呈现M型,磨耗集中在车轮滚动圆附近;车轮磨耗深度随着运行速度以及运行里程的增加而增大;车轮踏面磨耗对列车的垂向振动影响不大,但对列车横向振动稳定性有着较大的影响。(4)以多柔性体车辆-轨道动力学模型为研究对象,从时、频域两方面探究轮轨高频激励来源,研究运行速度、车轮高阶多边形幅值以及阶数对车-轨系统动力响应的影响规律,并提出了列车在不同运行速度下的磨耗限值,为列车安全运行提供理论支撑。研究结果表明:在初始高阶多边形条件下,随着速度的增加,车轮高阶多边形激励频率随之增大,各项动力指标的振动主频也随之增大;车轮多边形阶数与列车速度的耦合作用对车-轨系统动力响应有较大的影响;随着速度增大,多边形磨耗限值随之减少。图128幅,表10个,参考文献135篇

关键词： 城市轨道交通   轮轨滚动噪声   边界元法   动力吸振器  

摘要： 随着我国城市轨道交通运营线网加密、发车频次增加，列车运行引发的噪声问题对沿线居民的影响日益严重，在曲线段更为突出。为深入了解曲线段滚动噪声特性并针对性提出控制措施，本文以某地铁线路为原型，建立曲线半径为 550 m 的车辆-轨道耦合动力学模型得到轮对初始运动参数，结合隐式-显式有限元方法，建立曲线段轮轨瞬态滚振分析模型分析轮轨振动特性，并通过边界元法，建立曲线段轮轨滚动噪声计算模型，研究了轮轨滚动噪声辐射特性，最后根据现场实测数据进行了模型验证。基于实测的地铁曲线地段钢轨波磨特征，详细分析了不同波磨波长、波深和行车速度下的轮轨振动特性和轮轨滚动噪声特性。根据声辐射特性，设计并优化了一种声源抑制器，进行了降噪效果验证。论文得到的主要结论如下：　　（1）以某地铁线路为原型，建立曲线半径为 550 m 的车辆-轨道耦合动力学模型得到轮对初始运动参数，然后结合隐式-显式有限元方法，建立曲线段轮轨瞬态滚振分析模型，该模型考虑了车轮滚动效应和曲线段钢轨横向振动的影响，可消除多模型跨越的耦合不双向问题，并同时求解轮轨力和振动响应，确保了振动响应的求解准确;并通过边界元法，建立曲线段轮轨滚动噪声计算模型，研究了轮轨滚动噪声辐射特性。最后利用轨旁声压测点的实测数据验证了模型计算噪声响应的准确性。　　（2）基于实测的地铁曲线地段钢轨波磨特征，选择波磨波深和波长的研究范围，定量分析了不同波磨波深、不同波磨波长和不同速度下轮轨振动特性和噪声辐射特性。研究了曲线地段内外轨垂横向力、钢轨振动加速度等振动特性变化规律，以及测点声压级曲线、断面声压云图、轮对钢轨贡献量等噪声特性变化规律，为曲线地段减振降噪提供依据。　　（3）依据上述分析得到的声辐射特性，融合动力吸振和阻振机理，设计了一种包含动力吸振器和约束阻尼层的声源抑制器，并通过振动衰减率和位移导纳等指标作为评价标准对材料特性等进行了优化。通过现场试验验证了该声源抑制器具有较好的降噪效果。

关键词： U75V钢轨   热处理工艺   珠光体片层间距   磨损   滚动接触疲劳  

摘要： 目前我国铁路正向着“客运高速化、货运重载化”方向快速发展,行车速度、轴重和运输密度不断增加,钢轨伤损现象愈发严重,磨损和滚动接触疲劳是钢轨最主要的两种失效形式,两者之间存在相互竞争的耦合关系。铁路的发展进步推动了钢轨的高强化发展,目前铁路以珠光体型钢轨为主,在线热处理是钢轨高强化最有效最经济的生产工艺,即采用轧后加速冷却方式细化珠光体片层间距,提高钢轨力学性能。因此,开展钢轨在线热处理工艺研究和组织调控,实现磨损和滚动接触疲劳的耦合平衡发展,对提高钢轨使用性能和保障行车安全具有重要意义。本文系统开展了珠光体片层间距对钢轨磨损和滚动接触疲劳的影响规律研究,建立钢轨磨损和滚动接触疲劳的耦合模型,开发出钢轨珠光体片层间距和力学性能稳定控制的在线热处理工艺,实现了钢轨磨损和滚动接触疲劳的耦合平衡发展,主要研究工作和结论如下:(1)随着珠光体片层间距减小,钢轨试样磨损表面形貌由沟槽痕迹向着层片状起皮再向疲劳裂纹发展,试样磨损失重降低,表面塑性变形层深度变浅,塑性变形导致的加工硬化更加严重。钢轨试样的疲劳裂纹从表面塑性变形层萌生并沿着塑性变形线向材料内部扩展,随着珠光体片层间距减小,疲劳裂纹长度从21.3μm增加至60.2μm,裂纹与表面的夹角由10.6°增加至30.7°。通过建立U75V钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合模型,得到了实现U75V钢轨磨损和接触疲劳耦合匹配的珠光体片层间距范围为165.0-180.0 nm。(2)开展了U75V钢轨连续冷却转变热模拟和高温共聚焦试验,热模拟试验在1.5-2.0℃/s冷速下得到的珠光体片层间距为166.4-183.6 nm,高温共聚焦试验在1.5-2.0℃/s冷速下得到的珠光体片层间距为168.8-179.0 nm。随着冷却速度增大,钢轨珠光体片层间距减小,结合钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合匹配的珠光体片层间距范围,得到了U75V钢轨1.5-2.0℃/s的冷却速度控制范围。(3)确定了U75V钢轨采用喷风热处理工艺路线,设计开发了钢轨喷风热处理试验平台,确定了喷嘴布置形式,根据冷却速度控制范围,通过传热计算,得到了关键设计参数为喷嘴直径8 mm,喷嘴距表面距离48 mm,喷嘴纵向间距32mm,喷风压力5.4-8.1 k Pa,最终完成了试验平台的建设。(4)利用试验平台开展U75V钢轨热处理工艺试验,得到主要规律:随着开始冷却温度升高,轨头组织和性能稳定性保证能力增强;随着喷风压力增大,轨头力学性能增加,珠光体片层间距减小;随着喷风时间增加,轨头硬化层深度增加,横断面硬度梯度波动减小。喷风热处理过程中,轨头外层点冷却速度为2.19℃/s,内层点冷却速度为1.92℃/s。最终确定U75V钢轨的最优热处理工艺为:开始冷却温度850℃,喷风压力8 k Pa,喷风时间160 s。(5)工业化生产的U75V热处理钢轨的抗拉强度为1261.1 MPa,断后伸长率为12.7%,踏面硬度为370.2 HB,性能指标均满足我国铁路行业标准TB/T2344.1-2020的要求,轨头表面至10 mm深度的珠光体片层间距为165.4-170.6 nm,满足钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合的珠光体片层间距控制范围。(6)选取典型铁路线路运行6个月后,开展磨损和滚动接触疲劳性能的综合评价,建立了钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合程度的量化评价方法,本文工业化生产的U75V热处理钢轨磨损和滚动接触疲劳耦合量化评价指数为0.12,远低于常规工艺批量生产的U75V热轧钢轨和U75V热处理钢轨,充分验证了本文钢轨在实际线路中磨损和滚动接触疲劳能够实现有效耦合。

关键词： 无人驾驶电机车   防滑控制   蠕滑率平衡点校正   永磁同步电机   负载转矩前馈  

摘要： 如今,煤炭仍承担着保障我国能源安全的“压舱石”角色,实现煤炭智能化开采对推动我国能源供给革命具有重要意义。矿用电机车作为煤矿辅助运输的关键设备,研究其无人驾驶控制技术对减少井下作业人数、降低安全风险具有非常重要的意义。无人驾驶电机车运行在复杂多变的巷道环境中,其轮轨接触环境也实时发生变化,而电机车在牵引或制动过程中一旦发生打滑现象,会造成车轮擦轨、电机车失控等风险,严重影响煤矿生产安全。设计一款适用于无人驾驶电机车的防滑控制器对保证智能化、无人化矿井辅助运输安全具有重要意义。论文主要工作内容如下:首先,介绍了轮轨滚动接触和粘着理论,分析了轮轨滚动接触区内存在相对滑动造成蠕滑现象。揭示了粘着系数与蠕滑率之间的关系,并分析了影响轮轨粘着的因素,为下文控制策略研究提供依据。其次,针对于电机车提速过程中发生的轮轨打滑问题,设计了一种基于蠕滑率平衡点校正的防滑控制方法。考虑到井下巷道环境复杂多变,轨面粘着状态也随之变化,设计了一种粘着系数观测器以及最优蠕滑率观测器,实现了对轨面粘着系数和最优蠕滑率的实时估计。此外,为了消除实际使用中传感器产生的噪声问题,设计了自适应最小二乘法斜率估计方法,使得粘着系数和最优蠕滑率实时估计结果平滑稳定。该防滑控制方法可以最大化利用轨道粘着力,有效抑制轮轨打滑现象。然后,针对电机车在定速巡航模式下,可能会出现的打滑现象,在传统永磁同步电机双闭环矢量控制的基础上,设计了一种基于负载转矩前馈的矢量控制方法。针对于传统龙伯格转矩观测器系统动态响应慢的缺点,设计了一种改进型转矩观测器,实现了对负载转矩的快速识别。该控制方法可以在轨道粘着力突变时,有效抑制了转速的快速升高,具有抑制轮轨打滑的作用,同时提高了永磁同步电机抗负载扰动性能。最后,分别在MATLAB/Simulink仿真软件以及所搭建的实验平台上对本文所设计的两种防滑控制方法进行了仿真和实验验证。结果表明所设计的基于蠕滑率平衡点校正的防滑控制方法能有效抑制电机车在启动过程中由于轨面环境突变导致的打滑现象。所设计的基于负载转矩前馈的矢量控制方法在电机车定速行驶阶段,能有效抑制轮轨打滑的同时提高了永磁同步电机抗负载扰动性能。