关键词： 高速列车   机器视觉   核相关滤波   模板匹配   蛇行运动   爬轨脱轨   轮轨相对横移量   脱轨评估方法  

摘要： 新时代十年,我国高速铁路发展取得了耀眼的成绩。随之而来的挑战是对高速列车安全平稳运行的更高要求。轮轨接触的监测视频图像可直观地分析轮轨接触几何状态,及时发现列车存在的脱轨风险。为此,开展基于机器视觉的轮轨接触几何状态检测与安全评估方法研究,对保障复杂服役环境下高速列车运行安全具有重要的理论意义与工程价值。 本文针对某高速列车横向异常晃动状态下轮轨接触安全问题,基于机器视觉算法和高速列车-轨道耦合动力学仿真,开展了高速列车轮轨相对横移量视觉检测及安全评估方法研究。主要研究工作包括:(1)详细介绍了当前脱轨安全评估方法和轮轨接触几何状态检测方法的研究现状,进一步指出基于机器视觉的轮轨接触几何特征检测算法和不同危险程度下轮轨相对横移量的脱轨风险多级预警方法研究的必要性。(2)研究提出了一种识别高速列车轮轨接触几何状态的KCF–Hash–Match目标跟踪算法,分析了像素坐标系下轮轨相对横移量检测结果的准确性。(3)建立了高速列车-轨道耦合动力学模型,仿真模拟了高速列车蛇行运动和爬轨脱轨现象,探明了轮轨典型极端接触条件下的轮轨动态相对横向位移与脱轨安全性指标的映射关系,构建了不同危险程度下轮轨相对横移量多级安全评估阈值。(4)针对某高速列车实测轮轨监控视频,分析了不同运行状态、不同运行速度和不同线路条件下轮轨接触几何状态与脱轨安全性能,验证了KCF–Hash–Match算法对于识别高速列车复杂轮轨接触状态的准确性,评估了不同危险程度下轮轨相对横移量安全阈值设置的有效性。 研究结果表明,KCF–Hash–Match算法可以有效识别高速列车轮轨异常接触几何现象,定位误差阈值为12个像素点时,不同速度工况下的识别准确率均可达到80%以上;实际应用中,该算法可在保证安全裕量的前提下,根据车速和相机帧率适当设置采样方法,满足脱轨时间一般仅为0.05 s的实时性要求;基于高速列车蛇行运动和爬轨脱轨仿真结果,探明了各典型安全性指标不同限值与轮轨相对横移量的映射关系,提出了轮轨相对横移量多级安全评估建议限值:一级预警(10 mm)、二级预警(16 mm)和三级预警(20 mm);经实测高速列车轮轨接触监控视频验证发现,KCF–Hash–Match算法对于识别轮轨异常接触几何状态的准确性良好,不同危险程度下轮轨相对横移量多级安全评估限值设置合理。

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： 轮轨黏着   黏着力矩   齿轮-轴承   动力学   齿轮疲劳  

摘要： 轨道交通车辆具有运载能力强、运输效率高等优点,目前正成为中大型城市公共交通运输的主力,但是随着载重能力和运行速度的提升,传动系统作为整个车辆的核心子系统,其受到内部激励和外部激励使得传动系统的动态特性和疲劳可靠性变得尤为复杂。由于每个站台相邻一公里左右需要频繁的启停,在轨道不平顺激励以及复杂多变的运行工况下导致轮轨的黏滑特性发生改变,其黏着力矩的剧烈波动会影响齿轮的啮合响应并对传动系统造成振动与冲击,而齿轮本身的非线性因素又会反过来影响轮轨的黏滑特性,进而影响齿轮的可靠性导致严重的安全事故。因此,开展轮轨黏着特性对传动系统的动态特性以及疲劳可靠性的研究,对于提高轨道交通车辆的安全平稳运行性具有理论指导意义和工程实用价值。本文以地铁轮轨-传动系统为研究对象,针对轮轨黏着特性引起的黏着力矩,基于Polach接触模型和双线性模型,提出了能够同时考虑轮轨界面因素和大蠕滑条件下的轮对扭转振动的轮轨黏着模型。综合考虑齿轮传动系统的内外部激励,建立地铁传动系统的轮轨-齿轮-轴承耦合的多自由度动力学模型,通过动力学模型输出的响应,基于非线性疲劳损伤累积理论建立考虑剩余强度的齿轮疲劳可靠性模型,并通过摄动法求解其可靠性指标和可靠度。主要研究内容如下所示:(1)针对不同的轮轨黏着模型进行总结,并对比分析其适用工况和不足之处,最后求解四种轮轨黏着模型关于黏着力的计算精度和计算时间,为后续考虑轮轨黏着力矩的传动系统动力学模型提供激励。(2)对地铁的黏着特性进行分析,基于轮轨黏着特性的双线性模型和Polach接触模型推导了黏着力矩方程,综合考虑轮轨非线性黏着力矩、齿轮时变啮合刚度、非线性齿隙、轴承支撑力、轨道不平顺激励等因素,建立考虑轮轨非线性黏着力矩的齿轮-轴承传动系统多自由度动力学模型,分析不同黏着工况和不同参数下传动系统的振动响应特性。(3)通过建立考虑内外激励的传动系统动力学模型并求解其动态响应,然后基于非线性疲劳损伤累积理论建立齿轮疲劳可靠度的极限状态函数,最后求得齿轮的疲劳可靠度和可靠性指标。

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： 贝氏体钢   轮轨接触   摩擦热   数值模拟   热损伤  

摘要： 在重载铁路中,轮轨服役环境日趋恶劣,极大影响了传统珠光体轮轨的服役寿命,而新型的贝氏体钢由于其组织特性,在塑韧性方面表现良好,有极大的潜力成为轨道交通领域的下一代新材料。轮轨接触界面的温度、接触力、组织转变都对其服役表现有重大影响,但是由于搭建实验台架十分困难,且耗资巨大,导致轮轨接触的相关实验研究进展相对缓慢。 本论文利用有限元模拟方法建立了轮轨接触模型,分析了接触界面的温度、应力、微观组织、硬度的变化情况,结合实物实验,验证了计算结果的可靠性。并通过模拟计算方法对比了新型贝氏体钢与珠光体钢在不同工况下的表现差异。根据计算结果,通过冷热循环实验研究了不同循环上限温度对贝氏体钢热损伤程度的影响。主要结论如下: 模拟结果表明,车轮空转时钢轨表面的瞬时温度可达1000℃以上,热影响区集中在深度1.5 mm以内的表层。在升温初期两种材料的温度基本一致,但当温度达到700℃左右时,贝氏体钢轨钢的温度增速开始放缓,U75V钢轨钢的峰值温度会逐渐超过贝氏体钢轨钢。在空转结束后,贝氏体钢轨与U75V钢轨在表层附近的应力分布上存在一定区别,但两者都存在一个较明显的应力过渡区。 空转过程中贝氏体钢轨表层会较早发生奥氏体转变、硬度下降,但当硬度下降到一定程度会停止,直到温度超过贝氏体的相变点。而U75V钢轨内主要为珠光体组织,当温度达到相变点才会发生转变,但在条件合适时,其硬度下降速率与程度远大于贝氏体钢轨。在冷却后,贝氏体钢轨的硬度变化不大,U75V钢轨的硬度增大近一倍。通过热膨胀仪对模型的可靠性进行了验证,发现计算中的组织转变与硬度变化均与实测值近似,可见本模型能够为轮轨接触研究提供有效参考。 在对踏面制动与车轮滑移两种工况的模拟中,综合所有结果发现车轮踏面的热影响区深度在1 mm左右,并且不同工况下,踏面温度基本处于200℃至500℃之间,贝氏体钢车轮踏面温度平均比CL60钢车轮高4.6%,应力值则平均高出约20%。对踏面制动与车轮滑移温度场分布影响最大的因素分别为制动压力与滑移率。 根据模拟结果,对贝氏体车轮钢试样进行了四种上限温度的冷热循环实验,发现随循环上限温度的上升,热损伤程度会先缓慢增加再趋于稳定,最后迅速增大。并且在循环温度升高后,在晶界附近开始析出碳化物,且残余奥氏体含量逐渐下降,在温度达到400℃时,几乎减少为0。

关键词： 焊缝区   上凸不平顺   下凹不平顺   磨耗深度   疲劳寿命  

摘要： 随着我国高速铁路的快速发展,车体的设计时速得到进一步提升,国家对于高速列车的行驶安全性及稳定性提出了更高的要求及标准。其中,无缝线路作为保证高速铁路行驶平稳性的有效措施,在当前的工程实际中得到了广泛的应用。同时,钢轨焊缝区作为铁路安全运营中的薄弱环节之一,时常面临轮轨接触瞬态冲击较大的情况,导致钢轨焊缝区出现明显磨耗及裂纹萌生。本文以高速铁路焊缝区为研究对象,基于钢轨表面粗糙度QI值分析四类焊缝区短波不平顺的质量高低,同时构建高速铁路车体-焊缝区耦合动力学模型,对比分析四类不平顺在固定运行速度下的动力学响应评价指标,筛选出两类典型不平顺。基于两类短波不平顺的典型特征波深及波长,分别进行不同运行速度下的动力学特征参数分析,得到两类不平顺的建议养护限值。基于Abaqus,建立钢轨焊缝区有限元模型,输入两类典型不平顺数据,对比200km/h条件下,车轮在不同横移量下通过钢轨焊缝区时的接触von-Mises应力及法向压应力;基于动力学模型及有限元模型计算结果,结合Archard及摩擦功理论对钢轨焊缝区磨耗进行分析,同时考虑不同通过次数,轴重及摩擦系数对于钢轨焊缝区的磨耗影响;基于Jiang-Sehitoglu多轴疲劳寿命预测模型及焊缝区关键截面有限元分析结果,得到三类焊缝区在轴重及摩擦系数影响下的最小疲劳寿命。结果表明:1)随着上凸及下凹型不平顺波深的增大,轮轨垂向响应明显增强,当大于0.4mm时,通过钢轨焊缝区的轮重减载率均超过0.6,大于国家安全限值;随着不平顺波长增大,轮轨垂向力越小,波长变化在0.8m到1.0m区间内,突变点轮轨垂向力变化明显小于其他波长区间,车体高速通过波长小于0.4m的上凸及下凹型不平顺焊缝区时,轮重减载率均超过0.6,大于国家安全限值。在幅值突变点处的轮重减载率及轮对垂向振动加速度达到波峰最大值,车体平稳性受到影响;建议以波深0.4mm及波长0.4m为焊缝区限值进行铁路钢轨养护。2)车体高速通过钢轨焊缝区时,随着轮对横移量的增大,由于短波不平顺的存在,导致车轮出现轮轨脱离的现象,致使接触区域的截面应力随之减小,其中通过无不平顺钢轨焊缝区时,von-Mises接触应力从460MPa降低到131MPa,法向压应力从833.5MPa降低到119.4MPa,分别降低71.5%,85.7%;车体通过上凸型焊缝区时,von-Mises接触应力从460MPa降低到438.8MPa,法向压应力从836.0MPa降低到527.8MPa,分别降低4.6%,36.9%;车体通过下凹型焊缝区时,von-Mises接触应力从460MPa降低到204.9MPa,法向压应力从804.28MPa降低到320.05MPa,分别降低55.5%,60.2%。3)在三类焊缝区磨耗对比中,随着通过次数的增加,三类焊缝区最大磨耗量分别为1.3mm,1.78mm,1.04mm,三类不平顺引起钢轨磨耗的增长趋势呈现近似线性关系;随着车体轴重的增加,三类焊缝区最大磨耗量分别为1mm,1.38mm,0.97mm,增长趋势呈现先增大后减小,即在较大轴重条件下,钢轨焊缝区磨耗增幅减小;随着轮轨摩擦系数的增加,三类焊缝区最大磨耗量分别为1.01mm,1.97mm,1.31mm,当不平顺类型为上凸型时,随着摩擦系数的增加,磨耗量增幅加大,轴重对于钢轨上凸型焊缝区的影响较大,摩擦系数对于下凹型焊缝区的影响较大。4)当摩擦系数为0.3时,三类焊缝区不同轴重条件下最小疲劳寿命分别为3.5×10～5次,3.6×10～5次,1.8×10～5次,当轴重为16t时,三类焊缝区不同摩擦系数条件下最小疲劳寿命分别为3.5×10～5次,4.6×10～5次,2.6×10～5次。下凹型不平顺在较大轴重及轮轨接触摩擦系数的影响下,对钢轨焊缝区寿命的影响较为严重,应在实际线路养护中注意下凹型不平顺的出现,及时进行钢轨打磨维护。

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： 高速列车   非Hertz接触模型   法向接触   切向接触   磨耗模型   磨耗预测分析  

摘要： 列车运行过程中,车轮磨耗始终难以避免,磨耗过大会降低列车的运行品质且增大运营维护成本,对磨耗发展进行预测可以为车轮镟修及踏面优化提供理论基础。现有磨耗预测计算大多采用Hertz+Fastsim的轮轨接触模型,但随着踏面磨耗加剧,Hertz接触越来越偏离实际的接触情况,因此有必要引入更加准确的接触模型,并且探究不同模型的差异性及适用范围。本文对不同接触模型与磨耗模型进行匹配研究及长距离磨耗预测,主要研究工作如下: (1)针对轮轨法向接触问题,编写了Kik?Piotrowski模型、STRIPES模型以及ANALYN模型的实现程序,将三种非Hertz法向接触模型的计算结果与CONTACT理论进行比较。结果表明:三种非Hertz法向接触模型计算得到的接触斑廓形与CONTACT的结果普遍差异较小,在计算接触斑内法向应力分布时,Kik?Piotrowski模型与CONTACT理论差异较大,而ANALYN模型由于考虑了整个接触斑内部的曲率变化及接触间隙,计算结果与CONTACT理论差异最小。 (2)针对轮轨切向接触问题,编写了Fastsim算法及Fa Strip算法的实现程序,将基于不同法向接触模型的Fastsim算法及Fa Strip算法的计算结果与CONTACT理论进行比较。结果表明:无论法向是否满足Hertz接触假设,Fastsim算法计算切向应力及相对滑移速度的结果与Fa Strip算法的结果差异都较大。Fastsim算法得到的接触斑切应力在黏着区为线性增长,在滑移区满足抛物线牵引力边界,而Fa Strip算法得到的切应力在黏着区为非线性增长且在滑移区满足椭圆形牵引力边界,其结果与CONTACT理论拟合较好。Fastsim算法得到的相对滑移速度明显大于CONTACT理论,且滑移区占比偏小,而Fa Strip算法的结果与CONTACT理论差异明显更小。 (3)对不同接触模型与磨耗模型进行匹配及磨耗计算,探究了不同磨耗模型计算差异的产生原因。结果表明:当切向接触使用Fastsim算法时,接触斑单元的划分精度对磨耗影响较大,划分单元越少则单个接触斑磨耗计算误差越大,而对于Fa Strip算法,接触斑单元的划分精度对磨耗影响明显更小。对于Archard磨耗模型,切向接触使用Fastsim算法的磨耗量较Fa Strip算法更大,而USFD磨耗模型则相反。 (4)基于优选的轮轨接触模型建立了长距离磨耗预测模型,比较了优选接触模型与传统的Hertz+Fastsim模型在长距离磨耗仿真中的计算差异,同时探究了不同运行速度、不同牵引力对磨耗的影响。结果表明:在磨耗前期,两种模型得到的磨耗量差异较小,随着踏面磨耗加剧,轮轨接触关系越来越复杂,传统模型的计算结果与实测结果差异变大,而优选模型依然能得到较好的拟合结果。运行速度减小或者牵引力增大都会改变车轮蠕滑率,使得车轮磨耗加剧,并且优选模型对蠕滑率的变化更加敏感。

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： 高速列车   轮轨匹配   等效锥度   轮轨摩擦系数   动力学仿真  

摘要： 车轮和钢轨型面匹配关系是影响车辆动力学性能的关键因素,在我国高速铁路运营中,跨线运营会导致不同的轮轨匹配关系,尤其是等效锥度曲线形状发生变化,轨距、轨底坡和轮轨摩擦系数等参数具有随机性,造成车辆动力学性能差异较大。本文针对某时速400 km高速列车,采用典型的轮轨匹配关系,仿真研究等效锥度曲线形状、轮轨蠕滑理论、摩擦系数等参数对蛇行运动稳定性、运行平稳性和运行安全性的影响规律,为车辆动力学优化和动车组安全运营提供参考,研究结果具有理论和工程参考价值。 首先,建立了时速400 km的高速动车组拖车动力学模型,生成了具有典型等效锥度曲线的轮轨匹配关系,简要分析了恒定摩擦系数对车辆动力学性能的影响。以轮对横移1.5 mm和3 mm两个位置的等效锥度为控制参数,就可以得到各种形状的等效锥度曲线。 然后,研究了典型轮轨匹配下蛇行失稳对应的临界摩擦系数,得到蛇行分岔图。针对不同的等效锥度曲线,对比分析了蠕滑理论、Kalker权重系数、轮轨摩擦系数等轮轨界面因素对蛇行运动稳定性的影响。结果表明:随着轮轨摩擦系数变化,部分工况会发生超临界Hopf分岔的蛇行运动;蠕滑理论对蛇行运动分岔速度有一定影响,但对蛇行分岔类型和幅值影响不大;轮对横移3 mm等效锥度相同情况下,1.5 mm的等效锥度对蛇行运动影响巨大,过大或过小锥度均容易导致轮对小幅值蛇行运动,甚至到很低的速度才收敛。 之后,研究了一系定位刚度、蠕滑理论、摩擦系数和Kalker权重系数对车体振动加速度和运行平稳性的影响,结果表明:3 mm等效锥度0.1时,一系纵向定位刚度增大导致横向平稳性指标增大;3 mm等效锥度0.4时,一系纵向定位刚度增大导致横向平稳性指标减小,尤其是等效锥度具有明显负斜率时。3 mm等效锥度0.1时车辆横向加速度主频1～1.5 Hz,其中,Polach理论下的主频比其余两种蠕滑理论下低0.2 Hz左右;3 mm等效锥度0.4时车体横向加速度主频7～9 Hz,Polach理论下的加速度幅值较小;大等效锥度下,摩擦系数0.3和0.55时7～9 Hz的主频明显,摩擦系数降低时不再明显,尤其是锥度没有负斜率时该主频消失。 车辆运行安全性的仿真结果表明:轮轨摩擦系数对车辆通过小半径和大半径曲线时的运行轮轴横向力、脱轨系数等指标影响均比较明显,随着摩擦系数的增加,各种指标均有增大趋势,尤其是轮轨磨耗数显著增加。各种蠕滑理论下的运行安全性指标也有差异,其中Poalch理论下的磨耗数明显小于其余模型,其余指标不如1.5 mm等效锥度的影响明显。 综上所述,轮轨匹配关系和摩擦系数、蠕滑理论等对高速列车动力学性能影响明显,尤其是轮对横移1.5 mm的等效锥度不容忽视,针对不同的分析工况,需要选择合适的蠕滑理论、摩擦模型和参数。