关键词： 变轨距转向架   轮轴锁紧装置   轮轨型面匹配   接触分析   动力学性能  

摘要： 随着跨国、跨地区运输规模与日俱增,采用变轨距转向架技术进行跨国、跨地区运输具有省时便利的优势,我国对于变轨距车辆的需求越来越迫切。而国内的变轨距转向架研究工作开展较晚,技术尚不成熟,目前还在试验研制阶段。因此,转向架各部分的结构设计、研究与车轮选型,对于减少变轨距转向架关键部位的磨损,延长其使用寿命,改善变轨距车辆平稳性与安全性具有重要意义。针对变轨距转向架的接触性能及轮轨型面匹配,对国内外相关变轨距转向架结构设计及动力学性能研究现状进行了分类阐述与总结。本文研究不同轨距、车轮型面、轮轨横移量、轮轴间隙、横向力以及纵向力对轮轴轨垂向接触性能、轮轴锁紧装置横向、纵向接触性能的影响,以及变轨距车辆在不同工况下的动力学。主要研究内容与结论如下:(1)建立变轨距高速动车系统动力学模型,分析不同车轮型面与不同钢轨型面组合在两种轨距下的动力学性能,综合对比直线运行平稳性、曲线通过性能与磨耗数,可得XP55型面车轮在两种轨距下拥有较好的动力学性能以及较小的磨耗量。(2)建立轮轴轨多体接触有限元模型,计算轨距、车轮与钢轨型面、轮轨横移量以及轮轴间隙对直线线路的轮轨、轮轴接触性能的影响。结果表明:XP55型面车轮在两种轨距下的接触带宽都较大,其轮轨接触范围大,避免了轮轨磨耗位置太过集中,在轮轨标准型面匹配时XP55型面车轮在两种轨距时的磨耗都较为均匀;轨距变化对轮轴接触情况影响较小,轮轴间隙变化对轮轴接触情况的影响较大;随着轮轴间隙的增大,车轮轮座外侧边缘的应力增加,会导致结构出现疲劳裂纹。(3)建立轮轴锁紧装置多体接触有限元模型,模型的关键结构包括了传递横向力的垂向、横向4个销孔结构与传递纵向力矩的嵌套结构扭矩槽、扭矩块。计算轨距、横向力、纵向力矩对轮轴锁紧装置接触性能的影响。结果表明:锁紧装置在其孔边沿位置出现了应力集中现象;扭矩槽与扭矩块接触部分的边缘,以及扭矩块的根部出现了应力集中现象,受到较大的应力,可能会出现疲劳裂纹;在1520mm轨距使用时,车辆施加紧急制动产生的最大等效应力超过了材料屈服极限。对两种轨距对应的标准钢轨型面与三种国内常见的标准车轮型面,以及一种变轨距转向架轮对锁紧机构方案进行研究。对比不同轮轨型面匹配在不同轨距时的接触性能与动力学性能进行评价,XP55型面车轮兼具较好的不同轨距轮轨接触性能与动力学性能,为变轨距转向架车轮型面选型提供参考。

关键词： 高速列车   齿轮传动系统   钢轨波磨   车轮多边形   刚柔耦合   振动特性  

摘要： 齿轮传动系统作为高速列车动力传输的重要组成部分,负责将牵引电机输出的动力传递至轮对,对于保障高速列车的运行具有重要作用。随着列车运行环境不断恶化,轮轨间的磨耗和接触疲劳现象越来越严重,造成车轮磨耗和轨道不平顺等问题,由于车轮非圆化和轨道不平顺等影响,使得车辆零部件振动加剧。因此本文考虑了列车运行环境下的轮轨激励,主要有钢轨波磨、车轮多边形和武广谱激励,分析其对高速列车齿轮传动系统振动特性的影响,主要研究内容如下:首先,基于多体系统动力学建立车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,将钢轨和轮对考虑为柔性体,用谐波函数表示钢轨波磨和车轮多边形激励,考虑高速列车斜齿轮啮合特性,采用动力学软件中225号力元建立齿轮啮合模型,通过非线性临界速度验证和运行平稳性评定,并与已有车体振动加速度和频率等实验数据进行对比,验证了模型的正确性。其次,通过对轮轨激励研究现状分析,确定了激励参数研究范围,选取钢轨波磨波长100-150mm、波深0.01-0.05mm和车轮多边形阶数20-25阶、幅值0.01-0.05mm,同时分别设置车速为250、300、350km/h,对不同工况参数下车辆的振动进行动力学仿真分析,得到高速列车齿轮传动系统动态响应特性和车辆动力学指标,总结了影响车辆运行平稳性和安全性的工况参数。最后,从时域和频域上对比分析了柔性轮轨和刚性轮轨对齿轮振动特性影响,运用振动信号处理方法分析各工况参数对齿轮传动系统振动特性影响,探究不同工况参数对齿轮系统的振动影响规律,通过频域分析得到齿轮啮合过程中的频谱成分,分析了部分特定工况下齿轮系统异常振动的原因,总结出影响齿轮系统振动的主要工况参数,当考虑车速为300km/h时,在钢轨波磨波深为0.03mm、波长为140mm和波深为0.05mm、波长为120mm作用下齿轮系统振动加速度较大,当考虑车速为300km/h、车轮多边形阶数为20阶、幅值为0.03-0.05mm和车速为350km/h、阶数为21-22阶、幅值为0.01-0.03mm时,齿轮系统的振动响应较为剧烈,研究结果可为后期开展规划性钢轨打磨和车轮镟修提供依据。

关键词： 轮轨黏着   表面粗糙度   润滑不充分   制动   水润滑  

摘要： 高速轮轨黏着对列车的牵引与制动能力起着至关重要的作用,是高速轮轨关系中的难题之一。然而,列车在运行过程中,轮轨表面难免会被水、油等“第三介质”污染,极大降低了轮轨黏着,引起轮轨擦伤并引起轮轨异常振动,严重影响列车的运行安全。随着高速铁路列车速度的不断提升,列车的高加速和减速能力需要在充分掌握轮轨黏着机理的基础上,通过制定相应的牵引/制动策略来实现。因此,深入开展高速轮轨黏着特性的理论研究对保证列车运行安全至关重要。为了研究轮轨界面存在水介质时的轮轨黏着特性,本文基于确定性混合润滑模型建立了三维轮轨黏着数值模型。混合润滑是在轮轨接触表面间同时存在流体润滑和固体接触的润滑状态,此时轮轨间的载荷由流体和固体接触共同承担。该模型用二维数字滤波法生成的随机粗糙表面模拟实际轮轨接触表面。本文的研究结果更加全面地揭示了轮轨间的黏着机理,可以为后续增黏措施和黏着控制策略的选取提供理论支撑。主要研究内容和结论如下:(1)建立了轮轨界面存在水介质时的三维轮轨黏着数值模型。在光滑轮轨界面的特殊情况下,获得了水介质存在时的轮轨接触特性,分析了速度对水膜厚度的影响。考虑表面粗糙度时,从数值角度解释了速度、轴重和表面粗糙度对高速轮轨黏着特性的影响。仿真结果发现速度对黏着系数的影响最大,随着速度的增加黏着系数减小;黏着系数随着轴重的增大而增加;适当提高粗糙度有利于轮轨黏着的发挥。(2)针对列车在小雨或露水等天气中运行的工况,考虑轮轨接触处于供水量不足的润滑不充分状态,建立了水润滑不充分条件下的黏着模型,并分析初始供水量和运行速度对轮轨黏着的影响。结果表明随着供水量的增加,轮轨接触从水润滑不充分状态逐步向充分润滑状态变化,此时水膜厚度增加,固体接触载荷比减小导致黏着系数减小。无论是在水充分润滑还是不充分润滑状态,黏着系数都随着速度的增加而减小。水充分润滑条件下的黏着系数小于考虑供水不足润滑时的黏着系数。(3)为了体现列车在制动时的动态黏着行为,进一步建立了动态的轮轨黏着模型。考虑列车在直线轨道上紧急制动的工况,分析列车在制动时中心膜厚、固体接触面积比和载荷比随速度的变化规律,还讨论了制动初速度、粗糙度高度、表面纹理对动态黏着特性的影响。结果表明列车制动时中心膜厚急剧增加,而固体接触载荷比和轮轨黏着系数急剧减小。当制动初速度大于200km/h时,黏着系数低于0.06,极易导致低黏着现象的发生。随着表面粗糙均方根的增大,黏着系数增大。轮轨表面纹理方向对黏着系数有一定影响,控制轮轨表面为纵向纹理可以有效改善黏着特性。

关键词： 轮轨关系   材料温升效应   重载铁路   Archard磨耗模型   热损伤  

摘要： 随着我国经济的高速发展,重载铁路的载重量和行车频次显著增加,重载列车在线路上的调速较为频繁,轮轨间因滚滑和紧急制动纯滑动造成的轨道踏面热损伤日益加剧,严重威胁车辆的行驶安全。因此,加强轨道热损伤的机理研究对维护列车安全运营,降低铁路运营成本具有重要意义。车轮滑动和滚滑时摩擦副中产生的摩擦热使得轮轨接触斑附近的材料处于瞬时高温环境,材料的力学、热学性能参数均随温度发生变化。为了探究摩擦系数、打滑率和摩擦热传输对轮轨间接触特性和热损伤的影响,采用LM型车轮踏面和75kg/m型钢轨,创建了考虑和不考虑材料力学、热学参数随温度变化的轮轨三维热力直接耦合模型,比较不同仿真模型带来的分析结果差异,结果表明不考虑材料温升效应和塑性的模型较考虑材料温升效应和塑性的模型,在摩擦温升、等效应力峰值和磨耗深度峰值方面均偏大。将考虑材料温升效应的Archard磨耗模型引入轮轨三维弹塑性热力直接耦合有限元模型,分析不同打滑率、摩擦系数对轮轨接触压力、黏着力、接触斑大小和钢轨最大等效应力、法向应力、温度分布及变化、磨损深度与宽度的影响,主要研究成果如下:(1)轴重不变的情况下,轮轨接触压力与摩擦系数正相关,但幅值变化极小;黏着力与摩擦系数基本成线性关系,符合库伦摩擦定律;最大温升与摩擦系数、黏着力正相关,摩擦热传输范围主要局限于轨道接触斑附近区域,轨温沿深度方向指数级降低,超过3mm深度的区域基本为环境温度,接触斑短轴方向带宽15mm范围外区域为环境温度;轨顶接触斑次表层等效应力在车轮滚过后急剧衰减60%,后因摩擦热传输产生的热应力而回升至极值的50%左右,持续一段时间后逐渐降低消失;距离轨顶3毫米外区域的等效应力不受热应力的影响,呈脉冲形式;磨耗深度和宽度均与摩擦系数正相关,且随摩擦系数指数型增大。摩擦系数超过0.3后,接触斑闪温、接触压力、黏着力、轨道最大等效应力和磨耗量会明显增大、不利于行车安全。(2)轴重、摩擦系数不变,仅轮轨打滑率变化时,轮轨接触斑接触压力、黏着力、接触斑、轨道温升、轨道最大等效应力和磨耗量与摩擦系数单一变数时的变化规律相同。当打滑率小于10%时,各物理量对打滑率的增量不太敏感,但当打滑率大于10%后,接触斑附近材料的塑性应变、摩擦温升、等效应力和磨耗量等会指数级放大,打滑率超过50%会对行车安全不利。研究结果在某种程度上揭示了摩擦热传输对轮轨关系的影响,对重载列车摩擦系数和打滑率管控提供了一定的借鉴指导。

关键词： 固定辙叉   车轮踏面   磨耗   轮轨关系   轮轨动力学  

摘要： 车辆在长期的运营过程中,不可避免地出现车轮踏面的磨耗。固定辙叉因其轨距线的不连续性使得进入辙叉时车轮重心相较于区间线路更容易发生起伏,激发轮轨间的冲击振动。本文基于车辆与固定辙叉区轮轨接触几何关系理论以及车辆—固定辙叉耦合动力学理论,对磨耗踏面下固定辙叉区轮轨接触几何关系及动力学响应等进行了一系列研究,主要内容分为以下三个方面:1.车轮踏面磨耗状态下与固定辙叉区之间轮轨关系的研究基于迹线法及法向切割法等理论,提出了计算固定辙叉区轮轨静态接触几何关系的方法,并将其通过数值模拟软件编程实现。通过编程模拟计算了在不同轮对横移量的情况下,固定辙叉区心轨20mm断面处轮轨接触点坐标,以及对应的轮轨接触几何参数,结果表明车轮踏面磨耗使得辙叉侧钢轨横向结构不平顺减小,而竖向结构不平顺增大;当轮对横移量较小时,轮对侧滚角较小,随着轮对横移量的增大,轮缘与钢轨发生贴靠,轮对侧滚角急剧增大,车轮磨耗的加深使得这种增大更容易出现在轮缘与钢轨未发生贴靠之时,而滚动圆半径差的变化规律与轮对侧滚角类似;车轮磨耗的加深使得不同轮对横移量下轮轨接触点越集中在车轮轮缘与心轨内侧的轨距角处,不利于轮轨的均匀磨耗。2.车轮踏面磨耗状态下与固定辙叉区之间轮轨动力学特性的研究通过建立车辆—固定辙叉耦合动力学模型,实现时域积分下客车车辆与固定辙叉之间轮轨动力特性的研究,结果表明随着运行里程的增加,车轮踏面磨耗加深,除轮轨垂向力以外的轮轨间动态指标不再线性增加,增幅显著,各磨耗踏面下运行5万公里后的车轮踏面通过固定辙叉时其轮轨垂、横向力以及脱轨系数峰最小;运行25万公里后其脱轨系数峰值最大,而轮重减载率峰值则与之相反;各磨耗踏面下垂向振动加速度峰值均大于标准踏面,而横向振动加速度峰值则在标准踏面附近上下波动。3.参数化优化固定辙叉心轨廓形下轮轨接触关系的研究运用非均匀有理B样条曲线(NURBS)对固定辙叉心轨廓形进行重构,结果表明轨顶横坡k影响轨头廓形平缓度,而比例系数λ可提高心轨粗壮度;对重构后的固定辙叉与标准车轮踏面进行轮叉接触几何关系以及轮轨动力学的计算分析,得出方案4(k=1/10、λ=1/3)心轨承载断面宽度为各方案最大,不平顺幅值差异较小,轮对侧滚角和滚动圆半径差变化规律一致,且方案4下的车体横向振动加速度为各方案最大,但其轮轨横向力、安全性指标以及Sperling平稳性指标等在各方案中较小,综合考虑下是减少轮轨不均匀磨耗、降低维修养护成本等目标下较为理想心轨廓形;最后将最优心轨廓形与磨耗车轮踏面进行轮轨关系计算,结果表明方案4与磨耗踏面的匹配情况不理想,各动态指标呈非线性变化规律,除Sperling平稳指数外,其余的动态指标均远大于标准踏面。

关键词： 点云分割   对比学习   边界挖掘   对称结构   轮轨接触参数   参数测量  

摘要： 高速铁路是我国交通运输事业的重要组成部分,保持良好的轮轨关系对于高速铁路安全运营至关重要,而测量准确的轮轨接触参数并及时进行调整预防是实现良好轮轨关系的关键。点云分割是测量轮轨接触参数的基础,因此设计高精度的点云分割算法对于保障列车安全运行具有重要意义。然而,既有的点云分割研究在边界处分割性能欠佳,同时点云的稀疏性和无序性会导致特征提取不准确,此外对点云对称结构处相似特征的挖掘与利用也存在不足。对此,本文研究了面向轮轨接触参数测量的点云分割算法,主要工作与研究成果如下:针对点云分割任务中边界处分割精度不足的问题,本文提出了基于对比学习和标签挖掘的点云分割算法CL2M(Point Cloud Segmentation Algorithm based on Contrastive Learning and Label Mining)。CL2M引入基于位置编码的特征提取模块,降低了点云无序性和稀疏性的影响;并设计基于语义信息的对比边界学习模块,生成高维空间中的点云标签分布并计算标签向量分布间的距离,可以更鲁棒地划分正负样本,减少了硬划分导致的累计错误。在公开数据集S3DIS和Shape Net Part上开展的实验结果表明,CL2M在多个评价指标上优于对比模型,提升了模型边界处的分割精度,验证了本文模型的有效性。针对物体在对称结构处的相似特征挖掘不足的问题,本文提出了基于对称结构的轮轨点云分割算法SWRNet(Wheel-rail Point Cloud Segmentation Algorithm based on Symmetric Feature)。SWRNet在CL2M模型的基础上设计了多元特征融合模块,充分挖掘对称结构处的特征信息以增强分割性能。本文根据轮轨接触先验知识构建了625种不同轮轨接触姿态的标注数据集,并在公开数据集Shape Net Part及私有数据集上的实验结果表明,SWRNet模型的分割性能优于其他对比模型,在轮轨接触数据集上整体分割效果与轮轨接触参数测量精度均有明显提升,验证了SWRNet算法在轮轨应用场景下的有效性。

关键词： 高速列车   轮轨激励   振动特性   热机耦合   制动盘   应力强度因子   疲劳损伤  

摘要： 制动盘作为高速列车制动系统最为关键的部件之一,近些年随着列车速度提高,制动盘在运行期间暴露出一些问题严重影响行车安全,对制动盘的要求越来越高,相关研究也更贴近实际情况。因此本文考虑轮轨激励对制动盘热机耦合特性及其疲劳的研究,主要研究内容如下:(1)利用动力学软件基于车辆系统动力学,建立带刚性轴装制动盘的整车动力学模型,分别对模型进行平稳性和临界速度指标进行验证以保证仿真所用模型具有可靠性和准确性。在此基础上分别计算不同车轮多边形阶数和波深与武广谱耦合工况下制动盘的振动数据,分析制动盘在时域和频域上的振动特性,选择制动盘振动加速度较大的数据作为后一章节制动盘热机耦合的振动激励。(2)建立了三维瞬态热机耦合有限元模型,对不同制动初始速度和制动压力在紧急制动工况下轴装制动盘热机耦合特性进行计算,研究采用仿真软件利用摩擦功率法进行直接耦合计算温度场载荷,得到有、无轮轨激励对轴装制动盘热机耦合的影响及其温度场和热应力场的分布规律。分析了盘面产生多个摩擦半径的原因,制动盘温度与热应力随厚度和径向方向的变化趋势,盘面最高温度随制动压力和制动初速度的变化规律以及轮轨激励对制动盘产生的影响,发现有轮轨激励工况下制动盘面温度大于无轮轨激励工况。(3)根据热机耦合结果在制动盘面温度最高区域插入裂纹,建立带裂纹的制动盘有限元模型,利用主导制动盘产生裂纹的残余周向应力,选择合适的应力强度因子计算方法。分析了有、无轮轨激励工况下应力强度因子随不同裂纹角度的变化规律,双裂纹状态下副裂纹对主裂纹作用参数的影响,得到应力强度因子随裂纹角度增加而减小。(4)利用温度场和应力场的耦合作用结合疲劳分析方法与S-N曲线分别计算制动盘在有、无轮轨激励工况下制动盘疲劳损伤及裂纹萌生寿命。在裂纹应力强度因子计算的基础上计算有、无轮轨激励工况下制动盘裂纹扩展寿命分析其与裂纹长度之间的关系。随着裂纹长度的增加,裂纹扩展寿命越小,达到裂纹极限长度时,制动盘发生失效。

关键词： 轮轨噪声   山地城市   地铁高架线   车-轨-桥耦合   声辐射特性  

摘要： 近年来,城市轨道交通因其运量庞大、安全可靠、运行准时、无交通堵塞等优势,在我国迅速崛起,且发展迅猛。其中,高架线路施工周期短、维修养护方便、线路布置灵活,是城市轨道交通中重要的线路敷设形式。随着城市轨道交通的发展,它虽然有效地减轻了城市的交通负担,但是给周边的居民、工厂和学术机构造成了严重的噪音污染。为了缓解轨道交通带来的噪音污染,我们需要对其产生的轮轨振动声辐射进行精确的预测,从而确保在城市轨道交通在建设运营的全过程中,能够采取有效的减振降噪措施。本文以重庆轨道交通1号线石井坡-双碑段地铁高架线为工程背景,针对山地城市噪声空间分布展开预测研究,主要研究内容及成果如下:(1)山地城市地铁高架沿线声辐射实测特性分析。对沿线噪声进行了监测,包括桥梁结构噪声、轮轨噪声和敏感点噪声,得到了各测点的1/3倍频程声压级,为声学模型的验证提供参考依据;借助各测点1/3倍频程声压级进行能量分析,比较低频、中频和中高频声能量占比,得出中高频噪声占比最大,轮轨噪声是主要噪声贡献源;对沿线声环境进行评价,分析得出山地城市地铁高架线噪声超过规范限值10d B。(2)山地城市地铁高架线路耦合振动与声辐射模型建立。首先建立车辆子模型、轨道子模型和桥梁子模型,并利用轮轨关系、桥轨关系建立车-轨-桥耦合振动模型,其次以轮轨响应数据作为声学边界,建立声辐射模型,最后验证模型的准确性,通过桥梁主要模态频率验证桥梁子模型,通过非线性临界速度验证车辆子模型,以实测噪声数据验证轮轨耦合声辐射模型,声辐射模型数据得出的1/3倍频程数据与实测数据误差在4%以内,本文建立的模型能较好预测轮轨噪声。(3)山地城市地铁高架线路轮轨系统声振特性分析。首先对车轮和钢轨子系统分别进行模态、谐响应、声辐射效率、声功率、声指向性和声贡献率进行分析,其次分析了山地城市轮轨耦合系统的空间声场分布,得出山地城市条件下的最大声压级分区域均匀分布,最后分析了速度对轮轨动力特性和声辐射影响,得出降低速度能够优化动力特性和声环境。(4)山地城市地铁高架线路声辐射控制措施。依据第四章建立的山地城市轮轨耦合系统提出了四种噪声控制措施:弹性车轮、阻尼钢轨、全封闭声屏障和建筑布局。首先分析了弹性车轮和阻尼钢轨的声辐射特性和动力特性,发现两类指标均得到优化,能降低噪声2～3d B,其次研究了全封闭声屏障的降噪效果和它对桥梁的影响,得出该措施能降噪10d B,但是它使桥梁挠度增加了一倍,最后对建筑布局进行优化,改变建筑朝向与线路呈45°角,能降噪3.3d B左右,让建筑远离声源,在50m之后声压级变化变得极小。