关键词： 高速列车   轮轨黏着   气动翼   多体动力学  

摘要： 目的：升力翼产生的气动升力在实现列车减重的同时将会减弱轮轨黏着性能，容易引起车轮空转/抱死等问题。本文旨在探究气动升力、列车速度、轮轨接触条件和轨道不平顺等因素对轮轨黏着性能的影响机制，并提出轮轨黏着性能评价方法，为减少车轮空转打滑现象和保障高速列车在气动升力作用下安全平稳运行提供参考。创新点：1.根据典型轮轨黏着-滑动特性提出了将轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量作为轮轨黏着性能的评价指标；2.建立了气动升力协同高速列车动力学模型，并探究了多种升力工况下的轮轨接触力响应及轮轨黏着性能。方法：1.引入气动升力协同高速列车气动特性，建立考虑轮轨接触与悬挂系统非线性的气动升力协同高速列车动力学模型（图1）;2.根据轮轨黏滑特性提出轮轨黏着性能评价指标（公式(9)和(10)），并由Polach模型得到不同轮轨接触条件下轮轨可用黏着和轮轨垂向力及列车速度的映射关系（图5）;3.基于多体动力学仿真，开展气动升力协同高速列车的轮轨黏着性能参数研究。结论：1.气动载荷和制动力矩共同作用导致的轴重转移是四组轮对黏着状态不一致的主要原因；2.气动升力和列车速度对轮轨可用黏着和轮轨黏着裕量存在耦合影响；3.水、油等“第三介质”的污染会显著降低轮轨黏着性能，并导致在某些升力工况下的减载轮对达到黏着饱和；4.在一定误差范围内，轨道不平顺对轮轨黏着性能评价的影响不大。

关键词： 黏着控制   组合校正法   变步长梯度下降法   最优参考蠕滑速度  

摘要： 近年来,随着高速动车组的运营规模不断壮大,如何提高动车组轮轨的黏着能力成为了研究的重要课题。在高速动车组运行的过程中,轮轨表面的状况会非常复杂,有可能导致轮对滑行甚至空转,如果不能采取方法及时抑制,可能会造成动车组脱轨等严重事故。因此,关于高速动车组的轮轨黏着控制方面的研究显得尤为重要。本文主要针对高速动车组的轮轨黏着控制方法进行研究,首先介绍了轮轨蠕滑黏着的机理,并对其黏着-蠕滑特性曲线进行了分析。通过模拟仿真路况,得出了蠕滑速度和黏着系数在不同轨面下的关系曲线图。引入了几种重要的黏着力计算模型以及对影响高速动车组黏着的因素做了简单总结。其次建立了动车组的单动轴动力学模型,并对其进行仿真验证,证明了模型的可行性,最后还加入了空转模拟,为后续的黏着控制研究奠定了基础。然后分别使用传统的黏着控制方法和现代最优黏着控制方法在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,并进行仿真分析。传统的黏着控制方法选用的是组合校正法,分别在轮轨较差黏着和轮轨恶劣黏着的情况下进行了仿真对比验证。由仿真结果可知,基于组合校正法的黏着控制系统可以很好的控制电机驱动转矩以及有效的降低动车组轮对的空转。但是在使用此方法时,轮对空转可能已经发生,无法充分利用轮轨间的最大黏着力。为解决组合校正控制方法带来的不足,采用了基于变步长梯度下降法的最优黏着控制进行仿真验证。通过设计全维状态观测器进行极点配置和观测黏着负载转矩,然后使用带遗忘因子的最小二乘法求得黏着特性曲线的斜率。将激活函数变形得到了一种新的研究方法—变步长梯度下降法,用此方法可以快速搜索出最优参考蠕滑速度,波动范围小,超调量小,可以有效的防止轮对空转。与组合校正控制方法相比,基于变步长梯度下降法的最优黏着控制能够实现对黏着力的充分利用,充分发挥动车组的潜能。

关键词： 曲线不同位置   轮轨界面综合摩擦系数优化   熵权TOPSIS法   综合性能评价指标   最佳摩擦系数匹配  

摘要： 地铁线路复杂多变,小半径曲线占比较大,轮轨磨耗问题严重。由于缓和曲线和圆曲线过渡段曲率突变而产生的轮轨冲击,会导致曲线不同位置的车辆动力学响应及轮轨磨耗特性存在差异;同时,随着车轮服役里程的增加,车轮型面不同程度的磨耗引起轮轨接触特性改变,进而影响车辆运行性能。这些因素使轮轨界面摩擦系数调控策略变得复杂,即车轮踏面/轨顶、轮缘/轨侧接触区的摩擦系数控制变得困难。因此,研究曲线不同位置和基于动态车轮型面的轮轨界面综合摩擦系数优化对改善轮轨润滑技术,减少轮轨磨耗,提升车辆动力学性能具有重要意义。本文针对小半径曲线不同位置和动态车轮型面变化引起的轮轨界面摩擦管理问题,研究地铁小半径曲线轮轨界面综合摩擦系数优化方法。运用SIMPACK软件建立车辆-轨道耦合动力学模型;针对小半径曲线设置了直线点、缓中点1、缓圆点、曲中点、圆缓点和缓中点2共六个不同位置,针对两种类型的车轮磨耗型面,设置了不同服役里程下的八个车轮型面,分析不同摩擦系数匹配下车辆动力学性能的变化规律;以轮轨磨耗性能、滚动接触疲劳特性以及曲线安全性作为综合性能评价指标,建立基于熵权TOPSIS法的多目标优化模型,研究曲线不同位置和动态车轮型面下的轨顶/轨侧摩擦系数最佳匹配,为地铁小半径曲线精细化润滑控制策略提供技术支持。本文主要内容如下:(1)以曲线不同位置为切入点,提出基于曲线不同位置的轮轨摩擦系数寻优评价方法。建立某B型车动力学仿真模型,设置R300、R400、R500和R600四种半径曲线工况,分析摩擦系数变化时曲线不同位置的轮轨磨耗性能、滚动接触疲劳特性以及曲线安全性的相应变化规律;通过熵权TOPSIS法建立多目标优化模型,以修正的Elkins磨耗指数、表面疲劳指数和脱轨系数作为综合性能评价指标,对曲线不同位置进行摩擦系数优化,得到不同半径下曲线不同位置的最佳摩擦系数区间和危险摩擦系数范围。研究表明:R300和R400半径下,相对于曲线其他位置,缓圆点和圆缓点的综合性能较差,最佳摩擦系数区间较窄;随着曲线半径的增加,缓圆点和圆缓点的综合性能得到改善,最佳摩擦系数区间呈现出逐渐变宽的趋势。(2)以R300曲线为研究对象,提出基于曲线不同位置的轮轨界面综合摩擦系数寻优评价方法。在地铁动力学仿真模型的基础上,引入轮轨界面综合摩擦系数管理模型,设置63种轨顶/轨侧摩擦系数匹配工况,分析轨顶/轨侧摩擦系数匹配变化时曲线不同位置的轮轨磨耗性能、滚动接触疲劳特性以及曲线安全性的变化规律;通过熵权TOPSIS法建立多目标优化模型,以修正的Elkins磨耗指数、轮对冲角、表面疲劳指数和脱轨系数作为综合性能评价指标,对曲线不同位置进行轮轨界面综合摩擦系数优化,研究小半径曲线不同位置处的最佳轨顶/轨侧摩擦系数匹配策略。研究表明,曲线不同位置的最佳轨顶/轨侧摩擦系数匹配不同:缓中点1为0.2/0.35,缓圆点为0.2/0.1,曲中点为0.25/0.1,圆缓点为0.2/0.2,缓中点2为0.2/0.3。(3)实测了两条线路不同运行里程下的车轮磨耗型面数据,提出基于动态车轮型面的轮轨界面综合摩擦系数寻优评价方法。建立地铁动力学仿真模型,分析不同轨顶/轨侧摩擦系数匹配下动态车轮型面的磨耗性能、滚动接触疲劳特性以及曲线安全性的变化规律;并通过熵权TOPSIS法建立多目标优化模型,以修正的Elkins磨耗指数、轮对冲角、表面疲劳指数和脱轨系数作为综合性能评价指标,分析基于动态车轮型面的最佳轨顶/轨侧摩擦系数匹配策略。结果表明,由于不同车轮型面在轮轨接触特性上的差异,不同磨耗类型及运行里程的车轮型面对应的最佳轨顶/轨侧摩擦系数匹配不同:轮缘磨耗型面车轮在0万公里、6.6万公里、11.7万公里和17.52万公里的最佳轨顶/轨侧摩擦系数匹配分别为0.3/0.1、0.25/0.1、0.2/0.1、0.2/0.1;踏面磨耗型面车轮在0万公里、5万公里、8万公里和14万公里的最佳轨顶/轨侧摩擦系数匹配分别为0.2/0.15、0.2/0.3、0.2/0.35、0.3/0.15。

关键词： 轨边检测系统   轮轨力   轮轨运动间隙   信号降噪   评判阈值   故障识别  

摘要： 近年来,随着国民经济的快速发展,铁路货物运输需求也在大幅度增加,货车轴重的增加使得轮轨关系更加恶化,轮对故障逐渐增加,轮对作为列车重要的组成部分,其运行的平稳性是确保列车安全运行的必要条件。轮轨关系是评价车辆动力学性能和安全性最直接、最有效的评判方法。因此研究一套轨边安全检测装置,通过实时检测轮轨垂向力和轮轨运动间隙来评估车辆的动力学性能,进而为货车状态修提供理论依据。本文针对轮轨冲击力检测和轮轨运动间隙检测装置和方法进行了以下方面的研究: (1)根据所建立的钢轨有限元模型,分析了钢轨在受垂向载荷作用下的应变输出,确定了钢轨作为测力传感器的垂向力检测方法,排除了轮轨横向力对垂向力应变桥路输出的影响;应用电涡流传感器来进行轮轨运动间隙的测量。应用标定装置对两个子系统进行标定,均得到了线性度较高的换算系数。 (2)对轮轨力信号进行提取和数据统计,首先应用小波变换对轮轨冲击力信号进行高频噪声降噪处理,发现分解层数对降噪效果影响较大,分解层数为4层时,降噪效果最佳,并有效保留了原始信号特征,信号峰值误差在3%以内;其次通过数据拟合得到分布规律,应用阈值判据准则设定轮轨力的评判阈值,将180 k N和300 k N设定为C80车型的预警和报警限值,覆盖轮轨力分布区间为99.97%和99.99%,所对应的动载荷系数为1.5和2.5,应用此限值可有效对轮轨力数据进行故障检测和定位;对于检测到的车辆轮轨力还可进行货车超偏载状态的识别。 (3)对轮轨运动间隙信号应用曲线拟合基线消除方法进行去趋势项处理,基线拟合效果较好,信号噪声得到明显消除;根据轮轨运动间隙信号的分布状况,提出了一种蛇行失稳和车轮非对中运行状态的识别方法,将电信号限值确定为均值左右2.2个标准差,覆盖轮轨间隙信号分布区间为97.2%,并对轮轨运动间隙数据进行故障识别。

关键词： 既有重载铁路   货车提速通过   曲线轨道   轮轨相互作用   钢轨磨耗  

摘要： 随着重载运输需求的不断提升，我国亟需提高重载铁路的运输效能，而在既有重载铁路上提速运营是提高运输效能的重要方式之一。然而重载货车运行速度的提高势必引起轮轨相互作用加剧，同时会加剧钢轨磨耗，进而增加重载铁路的运营和维护成本，甚至影响行车安全性，因此针对既有重载货车提速通过曲线时的轮轨相互作用及钢轨磨耗加剧的问题进行研究具有十分重要的意义。本文拟结合轮轨相互作用计算分析、现场试验分析、钢轨磨耗仿真等研究手段，计算分析提速前与提速后的不同平面曲线参数下，重载货车作用下的轮轨相互作用变化及钢轨磨耗规律，评估其行车安全性，以期为我国既有重载铁路提速工程提供理论支撑。　　本文首先依据既有重载铁路 C80和 C64货车的结构特点和技术参数，运用多体动力学软件 SIMPACK，搭建了考虑轴箱止挡、中央悬挂装置以及钩缓系统等非线性结构的三编组重载货车分析模型，选取中间车作为研究对象，确定了主要的轮轨相互作用分析指标。计算分析了提速前与提速后的不同曲线半径、缓和曲线长度、外轨超高以及夹直线长度下轮轨相互作用的变化规律。结果表明，在不同平面曲线参数下，提速前与提速后条件下 C80货车的轮轨相互作用指标均满足要求;缓和曲线长度较短条件下，C64货车提速运行时的轮重减载率超出安全限值。选择合适的S型曲线夹直线长度，可以显著减轻车辆提速通过反向曲线的轮轨相互作用，但对于较短长度的夹直线，C64货车提速后的轮轨垂向力超出安全限值。　　随后，基于课题组开展现场试验获取的测试数据，选取轮轨力、钢轨位移以及钢轨轨枕垂向加速度作为评价指标，分析了实测条件下提速前与提速后的重载货车作用下的轮轨相互作用规律。分析结果表明：重载货车运行速度的提高会增大其轮轨垂向力、轮轨横向力;而重载货车提速对钢轨位移、钢轨及轨枕垂向加速度无明显影响;整体而言，提速前后各测试工况下的钢轨位移、钢轨及轨枕垂向加速度均未超过安全限值。　　最后运用多体动力学软件 UM，以钢轨型面、最大磨耗量以及磨耗面积作为分析指标，研究了提速前与提速后的不同曲线半径、外轨超高下钢轨磨耗的变化规律。结果表明：提速前后内、外侧钢轨磨耗的变化较小;随曲线半径增大，钢轨磨耗逐渐减小;较大的过超高会同时加剧内、外侧钢轨磨耗，较大的欠超高会加剧内侧钢轨磨耗;适当的欠超高可以显著减轻重载货车提速运行下的钢轨磨耗。

关键词： 轮轨黏着   摩擦调节剂   粘度   流变指数   涂覆量  

摘要： 轮轨作为轨道交通装备核心部件之一,其黏着(摩擦)性能是影响列车牵引和制动安全的关键因素之一。正常运行工况下,列车通过小半径曲线及特殊地段时,极易发生轮轨异常磨损(钢轨波磨和车轮多边形磨损)与啸叫噪声,影响轮轨服役寿命与乘客舒适性。针对上述问题,目前可通过摩擦调节剂进行减摩调控从而使轮轨界面黏着达到理想状态,避免黏着系数过高而造成轮轨异常磨损及噪声等不利影响。因此,摩擦调节剂作用下轮轨黏着行为研究对保障列车运行安全、指导摩擦调节剂现场应用与产品研发具有重要理论意义和技术支撑。 论文通过弹性流体润滑仿真计算和滚动接触模拟试验研究了第三体介质工况下轮轨黏着行为,围绕摩擦调节剂作用下轮轨黏着行为,分析了摩擦调节剂粘度、流变指数与涂覆厚度对轮轨黏着特性的影响,建立了摩擦调节剂作用下轮轨黏着理论模型,揭示了黏着系数与摩擦调节剂粘度、流变指数与涂覆量之间的关系,阐明了粘度和流变指数对轮轨黏着影响的机制,分析了摩擦调节剂作用下轮轨黏着特性规律,提出了基于轮轨黏着恢复特性的预测模型。 论文研究的主要结论如下: (1)针对摩擦调节剂作用下轮轨黏着性能进行分析,建立了试验室与现场工况下的轮轨受力分析和乏油弹性流体润滑分析模型。计算模型同时考虑了摩擦调节剂的非牛顿流体特性和润滑不足时的乏油润滑状态,给出了压力和部分膜厚比例的求解过程。分别对比了不同工况下经验公式计算和模型分析方法获得的最小膜厚和中心膜厚,结果表明模型计算结果与经验公式吻合较好,误差在10%以内。 (2)在水、油和摩擦调节剂等第三介质不能充满轮轨接触粗糙表面条件下,即当膜厚接近或者小于表面粗糙度时,此时润滑状态处于乏油润滑;随着第三介质加入量的增加,润滑液体膜承担的轮轨法向载荷逐渐增加,黏着系数逐渐减小;随着摩擦调节剂涂覆量的减少,入口位置向接触区域靠近,乏油现象更加严重,润滑膜承担载荷逐渐减小,表面金属微凸体承担压力逐渐增加,黏着系数逐渐增加。 (3)摩擦调节剂的粘度和轮轨表面粗糙度对轮轨接触应力和黏着系数有显著影响。随着粘度的增加,进入接触区域的摩擦调节剂增多,摩擦调节剂膜厚逐渐变大,膜厚比逐渐增加,摩擦调节剂在接触表面形成的润滑膜承担的压力增加,金属微凸体承担压力减小,表面接触应力波动减弱,黏着系数逐渐减小;随着表面粗糙度的增加,虽然摩擦调节剂膜厚增加,但膜厚比逐渐减小,金属微凸体承担的压力逐渐增加,摩擦调节剂承担的压力逐渐减小,黏着系数逐渐增加。 (4)表面粗糙度和摩擦调节剂有效膜厚对疲劳指数的影响显著。黏着系数随着轮轨表面粗糙度的增加而增加,表面剪切应力和次表面应力也会随之增加,疲劳指数逐渐增加,安定图中工作点主要集中在弹性安定、塑性安定和棘轮效应区;随着摩擦调节剂有效膜厚的增加,黏着系数逐渐减小,表面剪切应力和次表面应力也会随之减小,疲劳指数随之减小,安定图中工作点主要集中在弹性安定和棘轮效应区。 (5)相同条件下,与CHN60钢轨踏面工况相比,CHN60N钢轨踏面工况摩擦调节剂作用下膜厚较大,摩擦调节剂承担压力较大,金属固体微凸体承担压力较小,黏着系数相对较小。内侧轮轨横移量由-12 mm增加至12 mm时,轮轨黏着系数逐渐减小至稳定状态;随着外轨超高值的增加,膜厚比逐渐增加,黏着系数逐渐减小。同时,随着轴重的增加,摩擦调节剂膜厚逐渐减小,黏着系数逐渐增加;随着速度的增加,膜厚逐渐增加,黏着系数逐渐减小;随着蠕滑率的增加,黏着系数逐渐增加至稳定状态。 (6)提出一种预测摩擦调节剂作用下轮轨黏着系数演化的数值模型。模型通过摩擦调节剂的拾取、车轮和钢轨之间摩擦调节剂的重复转移以及摩擦调节剂的消耗来预测恢复过程中黏着系数的变化。当钢轨表面涂覆少量摩擦调节剂时,初始润滑状态处于乏油润滑。加入足量摩擦调节剂后,恢复过程中轮轨润滑状态先后经历弹性流体润滑、混合润滑、边界润滑,直至最后干摩擦。随循环转数的增加,摩擦调节剂的流变指数逐渐减小,摩擦调节剂承担压力逐渐减小,固体微凸体承担压力逐渐增加。 (7)摩擦调节剂涂覆量、粘度和流变指数对轮轨黏着行为有显著影响。钢轨表面涂覆摩擦调节剂后,摩擦调节剂的涂覆量影响轮轨初始黏着系数,随着涂覆量的增加,黏着系数逐渐减小,减小至一定值后继续增加涂覆量,初始黏着系数不再变化;随着摩擦调节剂粘度的增加,接触区域膜厚逐渐增加,黏着系数逐渐减小;随着流变指数的增加,接触区域膜厚逐渐增加,黏着系数逐渐减小;基于试验工况,当流变指数由1减小至0.75时固体承载率由1%增加至46%。

关键词： 测力轮对   轮轨力   组桥方案   仿真分析   试验研究   标定试验  

摘要： 近年来我国城市轨道交通发展迅猛,国内多个城市已经形成密集的交通线网。运营安全问题一直是城市轨道交通运营中的重点,在对城市轨道交通车辆运行安全性评估方面,精确的获得轮轨力是一个重要的基础与前提。而测力轮对技术是目前测量轮轨力最为精确的方式,因此如何通过测力轮对技术更加准确的测量轮轨力具有十分重要的意义。基于此问题,本文建立了三维有限元模型对测力轮对进行了模拟组桥计算。后通过测力轮对标定试验台,完成了大量的试验测试,提出了新型测力轮对组桥方案。最后对新型测力轮对组桥方案的有效性进行了验证。本文的主要研究内容和结论包括:1、对测力轮对相关知识进行了研究。总结了国内外对于轮轨力检测方法的研究现状;介绍了轮轨力的组成和连续测量原理;阐述了惠斯通电桥测量原理并进行了单桥谐波的应变计算;介绍了国标GB/T5599-2019中测力轮对的测量方案。2、进行了测力轮对组桥方案仿真分析,选取了测力轮对组桥方案的贴片数量、组桥半径、贴片角度等参数进行计算,得到了仿真层面的测力轮对组桥方案。利用ANSYS软件建立车辆轮对三维有限元模型,通过仿真计算得到轮对辐板在静载作用下的应变分布,以拾取点对单一方向作用力的响应作为组桥半径的选取指标,得到了最佳组桥半径。通过梯度下降法,基于仿真分析得到的周期性应变-时间曲线,利用PYTHON软件分别对国标GB/T5599-2019中的组桥方案和单桥中含有4～8组轴对称应变片的多种工况进行了计算,以平均误差作为组桥方案的选取指标,提出了仿真层面的测力轮对组桥方案。3、进行了测力轮对组桥方案试验研究,得到了基于实测数据的测力轮对组桥方案。介绍了测力轮对试验系统,完成了1/4桥单片应变响应的静载试验、1/4桥单片应变响应的旋转试验。类似的,通过辐板的应变分布确定最佳组桥半径;利用梯度下降法,基于试验得到的周期性应变-时间曲线,利用PYTHON软件对试验采集数据进行分析处理,对单桥中含有4～8组轴对称应变片的多种工况进行了计算,以平均误差作为组桥方案的选取指标,提出了基于实测数据的测力轮对组桥方案。综合对比分析仿真与实测的计算结果,最终确定了测力轮对组桥方案。4、进行了直辐板测力轮对标定试验,对测力轮对组桥方案进行了验证。拟定了测力轮对标定方案,通过对标定试验采集数据的分析计算,完成了标定系数矩阵的求解。进行了直辐板全桥应变响应的旋转试验,利用标定系数矩阵计算得到实测轮轨力曲线。进行了测力轮对准确性的检验,将轮轨力实测曲线与实加曲线进行比对,验证了本文所研究的直辐板测力轮对组桥方案的有效性和准确性。