关键词： 钢轨打磨   道岔   磨耗   动力学  

摘要： 以道岔钢轨为研究对象,对线路钢轨实施个性化廓形打磨,采用Simpack建立车辆系统动力学模型,分析钢轨打磨前后轮轨动力学性能变化。实验结果表明,钢轨实施打磨后轮轨接触几何分布较打磨前均匀,车轮横向力、磨耗系数、脱轨系数等指标均有所改善,分别下降了16.95%、11.61%、10.26%,通过道岔钢轨打磨可以有效提升车辆运行稳定性,同时对延长轮轨服役时间具有积极作用。

关键词： 载运工具运用工程   车轮磨耗   磨耗预测   城际动车组   研磨子   研磨子作用模式  

摘要： 针对站间距短、研磨子频繁作用的城际铁路,建立了集车辆系统动力学、研磨子―车轮接触和车轮磨耗等模型于一体的动车组车轮磨耗预测模型,车轮磨耗采用Archard模型计算,实现了研磨子―车轮和轮轨接触对车轮磨耗贡献的定量预测。以中国南方某城际线路上运行的某型城际动车组为例,模拟了动车组车轮LM廓形在一个车轮镟修周期内的演化,通过对比跟踪测试结果,确定研磨子所致车轮磨耗的磨耗系数取1.45×10^(-4),并完成了模型验证。上述城际铁路的模拟结果显示,该模型的车轮磨耗预测误差仅为5.00%。以0.30 MPa工作气压下的高硬度研磨子为例,发现其最佳工作模式为“工作20 s—停止工作25 s”的间歇式工作模式。为动车组研磨子系统的优化设计提供有效模拟工具。

关键词： 轨道交通   轮轨增压   环形电磁线圈   轮轨关系  

摘要： 针对列车制动时黏着力不足的问题,基于车轮结构和电磁学基本原理提出一种固定在转向架上的环形电磁线圈方案。该方案利用电磁线圈磁化车轮,使其对轨道产生垂向吸力以增加轴重。对所提方案设置内嵌环形线圈励磁模型和外置环形线圈励磁模型,并基于Ansoft Maxwell电磁场分析软件分析了两种模型的磁感应强度、垂向电磁吸力等参数。计算结果表明:在内嵌环形线圈励磁模型中,轮轨的增压效果不明显,其增加轴重的调节效果不显著;而在外置环形线圈模型中,轮轨接触位置产生了更稳定的励磁作用,轮轨处可获得较大的垂向电磁吸力,车轮增压效果明显。

关键词： Point contacts  

摘要： To improve the calculation accuracy of the simplified calculation method for wheel-rail multi-point contact, an improved calculation method for wheel-rail multi-point contact was proposed by considering the deformation coordination relationship of normal compression of multiple contact patches. Firstly, based on the geometric characteristics of wheel-rail separation function, the Kik-Piotrowski method was used to calculate and judge the wheel-rail multi-point contact. Then, considering the deformation coordination relationship of contact patches, the wheel-rail normal contact pressure-compression coupling equations were established, and the normal forces of wheel-rail multi-point contact were solved. Finally, the rationality of the proposed method was verified by the typical two-point contact model, and the calculation accuracy of the proposed method applied to the actual wheel-rail contact was analyzed. The results show that the calculation results of the proposed calculation method of wheel-rail multi-point contact are in good agreement with those of the Kalker's variational method, and the maximum relative error is only 7. 5 %. Therefore, this method can significantly improve the calculation accuracy of the Kik-Piotrowski method for solving wheel-rail multi-point contact problems. © 2023 Southeast University. All rights reserved.

关键词： 结构光条纹中心提取   轮轨动态参数测量   短圆弧拟合   多线结构光三维重建  

摘要： 轮轨动态参数是对列车运营状态下车轮与钢轨相对几何关系的定量描述,对其进行高精度测量,有利于监测列车运行状态,对于分析相关异常病害的发生机理,保障铁路安全运营具有重要的意义。基于结构光的非接触式检测技术是近年来机器视觉研究领域发展迅速的热点方向之一,因其无接触、适应性强、精度高等优点,在国防、交通等领域得到了广泛应用。但由于列车运营环境的复杂性和测量条件的局限性,使得轮轨动态参数的高精度测量研究面临极大挑战。 本文研究复杂条件下基于多线结构光的轮轨动态参数测量方法。针对高速运动、采集条件限制以及轮轨材质的特殊性,提出基于多线结构光的轮轨动态参数高精度视觉测量方法,重点开展了多线结构光条纹中心提取、基于几何关系和时间一致性约束的高精度参数测量等关键问题的研究,研发了轮轨动态参数高精度测量系统并进行了平台测试验证。主要工作如下: (1)针对轮轨表面曲率大、金属材质所致的激光条纹成像严重不均等问题,提出一种基于主成分分析的形态自适应亚像素条纹中心提取方法。该方法首先使用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)实现区域点集线性判断,对于线性区域,沿其法线方向做双线性插值,利用加权灰度重心方法提取中心点;对于非线性区域,采用宽度自适应的高斯加权二维灰度重心方法提取中心点。本文基于低速轮轨实验平台构建了仿真和真实实验,实验结果表明,本文方法相比于Steger、传统灰度重心等方法具有更高的精度和鲁棒性。 (2)多线结构光重建的点云过于稀疏且钢轨几何形状具有自重复性,现有的点云配准方法无法实现轮轨动态参数高精度测量,针对此问题,本文提出了一种新的联合几何关系和运动轨迹时间一致性约束的轮轨动态参数测量方法,保证了复杂动态条件下车轮圆拟合的稳定性,提高了动态参数测量的精度和鲁棒性。本文分别在低速轮轨实验台和高速轮轨实验平台上构建了不同工况下的实验测试。实验结果表明,本文提出的方法可实现轮轨动态参数的高精度测量,横移量、沉浮量、摇头角和侧滚角等参数测试精度满足轮轨动态姿态关系研究要求。 (3)针对轮轨动态姿态关系研究的应用需求,研发了轮轨动态参数高精度测量系统。该系统设计了多光条纹分类模块,集成以上两个研究成果,实现了轮轨动态参数高精度测量。该系统还具有数据上传与导出、测量结果展示、轮轨动态三维可视化等功能,为轮轨动态姿态关系研究提供了应用技术支撑。

关键词： 地铁   轮轨系统P2共振   冲击载荷激励   疲劳损伤   钢轨焊接接头打磨  

摘要： 车辆系统在日常运行过程中,轮轨激励是引起车辆系统振动的主要原因。轮轨激励不仅会使车辆系统振动环境变得更为恶劣,同时也会给构架等部件造成疲劳损伤。其中轮轨冲击载荷就是轮轨激励的一种重要形式。构架作为地铁车辆走行系统的关键部件,当轮轨冲击载荷向上传递到构架时,会对构架的疲劳强度产生一定的损伤效应,存在疲劳破坏的风险。因此,开展轮轨冲击载荷对构架疲劳损伤的影响研究是必要的。 本文建立了车辆–轨道耦合动力学模型,利用马鞍形焊接接头不平顺作为冲击载荷激励模型,模拟地铁线路试验中构架某两阶模态因钢轨焊接接头冲击被激发的现象。基于该模型,从车辆参数和轨道参数两个方面开展了冲击载荷对构架疲劳损伤的影响研究,最终提出了钢轨焊接接头垂向幅值的打磨限值。本论文的主要内容如下: （1）在某地铁线路开展线路试验,通过运行模态分析发现在不同地铁站间以及不同速度等级下,该地铁构架发生了46 Hz的两侧梁反向点头+两电机同向点头模态振动,以及54 Hz的两侧梁同向点头+两电机反向点头模态振动。轴箱加速度测试结果表明,每隔标准钢轨长度25 m就会产生一次轮轨冲击,造成构架发生模态共振。通过理论计算和有限元分析方法,确定轮轨系统的P2共振频率位于上述两阶模态频率附近,由此推断,轮轨冲击产生的P2力向上传递至构架,最终可能会造成构架发生疲劳破坏。 （2）对地铁线路的车轮扁疤冲击模型、道岔冲击模型和钢轨焊接接头冲击模型的作用机理和公式等进行了汇总。由于马鞍形焊接接头存在短波不平顺、承受二次冲击和普遍性,最终选择该接头作为本模型冲击载荷的输入类型。为了更好地模拟车辆通过钢轨焊接接头产生冲击而造成的构架模态振动,本研究利用SIMPACK软件的FEMBS接口模块生成构架和轨道的柔性体.fbi文件,通过Flextrack模块识别柔性轨道编制.ftr文件,建立车辆–轨道刚柔耦合动力学模型,以进一步验证轮轨冲击的影响。 （3）通过车辆参数和轨道参数方面的研究证实,降低车辆运行速度、一系悬挂阻尼、簧下质量和扣件刚度,都可以减小冲击对构架造成的损伤。此外,冲击载荷激励模型-马鞍形焊接接头不平顺的短波参数也会对轮轨振动和构架损伤产生重要影响,尤其是当短波波长L2位于0.4～0.6 m范围内时,轮轨振动环境较好但造成的构架损伤较大;而当短波波长L2较小时,动态响应对短波波深a2的变化更为敏感。 （4）根据对马鞍形焊接接头不平顺的长波参数和短波参数的研究,确定了危险工况。为确保车辆系统通过钢轨焊接接头满足最大轮轨垂向力和轮重减载率要求,以及构架疲劳强度和构架振动环境要求,确定钢轨焊接接头的垂向幅值即长波波深a1的打磨限值为0.3 mm。建议地铁工作人员应定期检查钢轨焊接接头的垂向幅值并进行统计,当垂向幅值大于0.3 mm时,需要对钢轨焊接接头进行打磨作业。

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： 高锰钢整铸辙叉   三维轮轨瞬态滚动接触   瞬态载荷特性   载荷谱   疲劳裂纹萌生寿命  

摘要： 车辆不断通过辙叉时产生的轮轨冲击极易导致辙叉产生疲劳伤损,而辙叉廓形变化较大,在长期服役过程中会受到繁杂的循环载荷作用,容易导致滚动接触疲劳裂纹的萌生,降低辙叉的使用寿命。本文深入地研究了车辆经过高锰钢整铸辙叉时的轮轨瞬态滚动接触载荷特性、不同因素对辙叉轮轨瞬态滚动接触载荷特性的影响、轮轨力载荷谱的编制,并且根据轮轨力载荷谱预测辙叉疲劳裂纹萌生寿命,主要的工作和结论如下: (1)阐述了利用三维轮轨瞬态滚动接触显式有限元模型来求解高锰钢整铸辙叉轮轨瞬态滚动接触载荷特性的必要性,并以9号高锰钢整铸辙叉为例,建立了具有真实几何型面的轮对-辙叉三维轮轨瞬态滚动接触显式有限元模型,获取了车辆经过辙叉时的轮轨动态垂向力和剪切应力,与既有文献的结果作对比,验证了本文数值模型的正确性。 (2)当轮对以80km/h的速度通过辙叉时,轮轨垂向力、纵向力和横向力最大值分别为105.76k N、25.57k N以及0.64k N。通过将加速度时频域结果与自由振动模态对比,找到了各结构的主要振型。轮轨垂向位移、接触应力、等效应力、剪切应力均在轮对冲击心轨时达到最大值。在轮载过渡位置附近,翼轨和心轨均因等效应力超过材料屈服强度而产生塑性应变。在轮对由翼轨过渡到心轨的过程中,心轨、翼轨和基本轨上的接触斑黏滑分布不对称且随着时间的瞬态变化特征也不一致。 (3)车辆逆向通过辙叉时各项宏观和介观轮轨瞬态载荷结果均大于顺向通过时的结果,说明逆向通过时更易产生伤损。此外,行车速度、轴重、轮对向辙叉一侧的横移量以及翼轨的磨耗量越大,宏观载荷结果以及介观载荷结果均越大,从而加强轮轨冲击的作用,降低辙叉的服役寿命。线路坡度对瞬态载荷特性的影响较小,可忽略不计。 (4)车辆逆向通过辙叉、行车速度越大、轴重越大、轮对向辙叉一侧的横移量越大以及翼轨的磨耗量越大时轮轨力载荷谱的整体幅值、波动中心的范围、最大频次载荷也越大,辙叉的整体受力情况也越差。而线路坡度越大,对轮轨力载荷谱的影响较小。 (5)选取心轨顶宽25mm断面、30mm断面、35mm断面、40mm断面以及45mm断面等薄弱断面为关键断面,根据轮轨力载荷谱以及Miner线性疲劳伤损累积定理,计算得出上述关键断面的滚动接触疲劳裂纹萌生寿命分别为46.61、10.60、10.54、23.89以及30.23万次,其中心轨顶宽30mm断面和35mm断面附近的位置为较易产生滚动接触疲劳裂纹萌生的位置,在伤损检查时应重点关注,并且在高锰钢整铸辙叉制造时增强该位置的材料性能。