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。

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。