关键词： 点云轮廓提取   轮轨接触姿态   参数测量   边缘检测   角点检测  

摘要： 随着我国高速铁路迅速发展,高速铁路总里程已位居世界第一,我国已从大规模的铁路建设转变为长期安全运营阶段,因此,对列车运行状态进行监测从而保障铁路运行安全具有十分重要的意义。随着立体视觉研究的不断深入,点云数据的获取越来越准确高效,基于点云数据进行目标检测与测量成为研究热点。通过对目标点云轮廓信息的提取可以实现目标几何姿态的测量,但轮廓信息提取的精度对测量精度具有很大影响,因此本文主要对点云轮廓提取方法进行研究,并基于轮轨点云的轮廓信息实现参数测量,具体研究内容如下:(1)针对轮轨点云边缘点和非边缘点数量上的不平衡性以及边缘特征提取对邻域点的选取敏感的问题,提出了一种基于UNet++和注意力机制的点云边缘检测算法。该算法首次将图像领域UNet++网络应用于点云领域,增强了对细节特征的捕获能力;加入混合注意力机制,包括空间注意力和通道注意力,分别从空间位置的角度和特征通道的角度加强对边缘信息的感知能力;通过加权交叉熵损失函数加大边缘点对总损失的影响从而加强模型对边缘信息的学习能力。定性实验和对比实验结果表明,本文提出的模型在各个指标上都优于其他方法,并且对于稀疏点云和噪声点云的鲁棒性也更强。此外,通过消融实验证明了所提出各个模块的有效性。(2)针对多条边缘线交汇区域的轮廓信息检测不准确的问题,提出了一种基于局部邻域统计信息的点云边缘和角点联合检测算法。该算法首次对边缘检测和角点检测的联合任务进行研究,提出了一种基于点云局部邻域统计信息的轮廓特征表示方式,可以有效的对非轮廓区域、边缘区域和角点区域进行区分,并通过控制邻域点个数获得多尺度特征,将多尺度特征输入到一个简单紧凑的网络获得边缘和角点粗提取结果,最后将粗提取结果送入边缘-角点联合细化模块对两个任务的结果进行联合优化。定性实验和对比实验结果表明,本文提出的模型可以提取到更精确的边缘和角点。此外,消融实验也证明了所提出各个模块的有效性和参数设置的合理性。(3)针对铁路运行实时安全检测所要求的精度和速度问题,提出了一种轮轨关键结构检测及几何参数测量方法。首先针对缺乏有标注数据集的问题,构建了具有边缘标注和接触姿态参数标注的轮轨数据集,然后通过点云的轮廓提取算法对轮轨点云提取轮廓信息并基于轮廓信息获取关键结构,最后根据关键结构计算轮轨接触姿态参数实现参数测量任务。

关键词： 车轮扁疤   车轮多边形   钢轨波磨   车轴动应力   高频激励  

摘要： 随着铁路的运行速度和激励频率的提升,高铁轮轨磨损现象频繁出现,其中车轮多边形、车轮扁疤和钢轨波磨不仅会导致轮轨间产生较大的冲击载荷,同时由这些缺陷导致的高频冲击会进一步上传到车轴和轴箱,进而影响车辆各部件使用寿命。为探究上述磨耗产生的高频激励对车轴载荷与应力的影响规律,本文以某型高速列车拖车为对象,利用Simpack建立整车刚柔耦合系统动力学模型,在考虑车轮扁疤、车轮多边形和钢轨波磨作为输入激励时,对比分析整车动力学性能与车轴应力在不同高频激励作用下的规律。具体研究内容如下:(1)根据某型高速列车参数建立了刚柔耦合动力学模型。对轮对和轨道进行了柔性化处理,将轮对柔性化前后的模态频率和振型进行了对比以验证柔性化的准确性。将轨道柔性化前后轮轨力时频域曲线进行了对比分析,结果表明柔性轨道会考虑扣件冲击和轨道振动对轮轨动力学性能的影响。(2)通过理论和仿真计算了车轴应力分布并进行了对比分析,确定了车轴关注截面和组桥方案。利用高速轮轨关系试验台进行了车轮多边形工况下的轮轴台架试验,测试了其在不同轴重和运行速度下的车轴动应力和轴箱加速度。同时验证了动力学模型的准确性。(3)分别对车轮扁疤和车轮多边形进行模型建立,在时频域内研究了各速度级下不同车轮扁疤和车轮多边形工况对车辆运行安全性、轴箱加速度和车轴关键截面动应力的影响规律。在车轮扁疤激励下,轮轨力、轴箱加速度和车轴应力都会随速度级提高出现峰值。对车轴动应力结果进行弹性模态分析,发现在高频激励作用下车轮-轨道耦合模态中垂向弯曲模态会被激振,导致动应力增大。(4)建立了短波钢轨波磨的数学模型,在时频域内研究了各速度级下不同钢轨波磨工况以及不同钢轨波磨与车轮多边形耦合工况对车辆运行安全性、轴箱加速度和车轴关键截面动应力的影响规律。研究发现轴箱加速度和车轴动应力在钢轨波磨激励频率与频率为468Hz的轮对耦合垂向弯曲模态靠近时会显著增大;在耦合工况下,轮轨垂向力、轴箱加速度和车轴关键截面动应力时域曲线会出现拍振现象,其影响规律与钢轨波磨和车轮多边形单独作用的叠加效果近似。图104幅,表7张,参考文献68篇。

关键词： 重载铁路   轴重   轮轨磨耗   疲劳裂纹   有限元仿真  

摘要： 现代化货运重载铁路朝着重载化、智能化的道路发展是必然选择。列车轴重持续增加会导致铁路用材料的损伤不断加剧,列车通常小半径曲线时由于侧磨会导致轮轨磨耗异常,而频繁的淘汰旧轨,使用新轨又造成成本增加和经济损失。为此,大力推进研究重载铁路不断轴重化对车轮和钢轨材料的磨损和损伤行为的影响对推动我国重载铁路的技术和材料发展有至关重要的作用。本文重点对重载铁路轴重30 t以上时轮轨材料的磨损性能和损伤机制进行了研究,利用自行研制的JD-DRCF/M试验机模拟了四种不同轴重工况下的轮轨滚动接触行为。通过分析研究,本文的主要结论如下:(1)四种轴重工况下的黏着系数随轴重增加而降低,同时四组黏着系数在整个磨损循环周期内存在持续下降趋势,轴重越大下降幅度越大;在轴重为40 t和45 t时,最小黏着系数均低于0.2。(2)轴重对轮轨材料的磨耗影响显著,车轮和钢轨的磨耗均随轴重的增加呈现增加趋势,在四种不同轴重工况中车轮试样磨损量是钢轨磨损量的6-10倍,当轴重由30 t增加至40 t时车轮材料磨耗表面出大幅度增加趋势,磨耗增加了1倍以上。结合车轮和钢轨材料的表面损伤形貌,车轮磨损表面存在许多剥落坑、材料起皮和疲劳裂纹;而钢轨磨损表面较为光滑,主要以剥层损伤为主,不同的损伤机制导致了车轮和钢轨材料的磨耗的明显差异。(3)车轮和钢轨的近表层疲劳裂纹扩展机制有着很大不同,车轮的裂纹往往是平行于材料表面扩展,起源于表面的裂纹扩展到一定深度时会产生分支裂纹;钢轨材料裂纹向着材料深处扩展,且裂纹数量明显比车轮材料多,轴重30 t以上时还会出现从材料内部萌生的细长裂纹。当轴重为45 t时,由于极端的正应力和切应力的共同作用,车轮材料和钢轨材料表层会出现两条平行裂纹中材料破碎现象,车轮表层分布着致密的数条裂纹,以至于难以分清主裂纹。(4)磨屑的形貌和尺寸由轮轨材料的去除形式决定,车轮材料的疲劳裂纹主要平行于表面扩展,导致车轮材料剥落面积较大和厚度较大;钢轨材料的疲劳裂纹向深处扩展,裂纹与裂纹连接导致较小的材料断裂。所以小尺寸磨屑主要来自于钢轨材料,厚而大的磨屑主要来自车轮材料。轴重与磨屑尺寸没有呈正增长趋势,其中磨屑尺寸呈现先减小后增大发展趋势。当轴重在40 t以上时,磨屑表面出现裂纹。

关键词： 轮轨型带式输送机   架空轨道   振动响应   辐射噪声  

摘要： 轮轨型带式输送机是一种颠覆传统托辊支撑结构的新型带式输送机，能耗是传统输送机的50％,是符合国家“双碳战略”重大需求的新一代绿色、节能、高效输送装备。其工作原理是使用托车组承载输送带与物料并在架空轨道上行走，消除了输送带压陷阻力，极大降低了带式输送系统运行阻力，但该新机型中存在运行噪声较大的问题。本文针对托车与架空轨道间动态作用所引起的振动噪声问题，采用有限元联合边界元的方法对轨-架结构的振动响应和辐射噪声特性、轨缝处轮轨瞬态接触行为进行分析研究，提出轮轨型带式输送机减振降噪技术方案，为轮轨型带式输送机的结构优化和减振降噪措施的制定提供一定的理论支撑，主要研究内容如下:　　（1）根据噪声的产生机理及传播特性，从振动和声学特性两个角度出发，采用有限元联合边界元的方法建立了轨型带式输送系统的轨-架结构声振联合分析模型，通过实验验证模型的可靠性，并以此开展对轨-架结构的振动及辐射噪声特性研究。结果表明，在托车速度为2m/s的工况下，共振主要发生在10～50Hz低频段，最大位移响应主要出现相邻扣件间轨道段，结构噪声敏感频段主要出现在185～300Hz范围内，且该频段内的噪声主要由轨道的扭转弯曲振动贡献，并进一步求解得到了轨道结构的声学面板贡献量。　　（2）基于轨-架结构声振联合分析模型，对轨-架结构声振特性的影响因素展开分析。分别研究了托车速度、扣件刚度以及托车间距等参数对轨-架结构的振动响应及辐射噪声的影响。结果表明，托车速度对系统的振动响应及辐射噪声的影响显著，随着托车速度的增大，振动响应和辐射噪声均相应增加;扣件刚度对结构的振动响应和辐射噪声影响相对较小;托车间距的增大有助于降低结构在高频段的振动和辐射噪声。　　（3）基于轨道结构的声学面板贡献量，提出了复合阻尼轨道减振降噪方案，分别研究了阻尼层和约束层的厚度、材料等对轨-架结构减振降噪效果的影响。结果表明，适当增加约束层的厚度有助于增强减振降噪效果，而增加阻尼层厚度的效果则不明显;选择储能模量更大的阻尼材料有助于减振降噪，选择钢制约束层相比于铝制约束层具有更好的效果。　　（4）建立了三维轮轨滚动接触有限元模型，开展了轨道接缝处轮轨接触行为瞬态动力学分析，研究了轨缝结构参数和橡胶材料对轨缝处轮轨接触行为的影响。结果表明，随着轨缝倾斜角度减小，轮轨接触产生的垂向接触力和振动加速度均相应减小，在轨缝处填充橡胶有助于减小轨缝处的振动，轨下胶垫有助于减小轮轨垂向接触力。

关键词： 高速列车   轮轨激励   制动盘   闸片   温度场   磨损  

摘要： 列车运营速度不断提高的同时,对列车的制动技术及其安全性能也提出了更高的要求。制动盘是列车制动系统的重要组成零部件之一。在紧急制动过程中,钢轨波磨引发的轮轨激励可能会诱导制动盘疲劳损伤的加剧,直接影响列车制动系统的制动性能。因此,本文以某型高速列车制动装置为研究对象,利用有限元仿真软件,研究了实际服役工况下,轮轨激励对高速列车制动盘温度场分布及闸片接触表面磨损的影响,主要研究内容如下:首先,利用动力学仿真软件建立了高速列车动力学模型。在钢轨波磨作用下,对制动盘紧急制动过程进行模拟仿真。分析了不同制动工况下制动盘的垂向与横向振动幅值,并将振动幅值作为边界条件,用于后续研究轮轨激励对制动盘温度分布及闸片表面磨损的影响。其次,根据制动盘实际尺寸,建立了制动盘三维模型。为提高有限元仿真分析效率、节省仿真时长,将模型结构进行简化并导入有限元仿真软件。对模型进行网格划分、设置仿真分析的相关参数、确定载荷及对应的边界条件,建立了制动盘有限元仿真模型。在此基础上,考虑了钢轨波磨引发的轮轨激励,利用ABAQUS有限元软件对制动盘热-机耦合过程进行了模拟,分析了紧急制动过程中轮轨激励对制动盘温度分布的影响。选取制动盘不同方向上的不同节点,对比分析有、无轮轨激励作用下,节点的温度变化曲线。采用控制变量法对不同制动工况下的制动盘进行模拟仿真,分析了轮轨激励对制动盘温度场分布的影响。最后,在热-机耦合有限元模型的基础上,根据Archard线性磨损理论,结合ALE网格自适应技术,对模型进行二次开发。考虑了钢轨波磨引发的轮轨激励,对闸片磨损过程进行模拟仿真,分析了轮轨激励对闸片接触表面磨损分布的影响。选取闸片接触表面径向和周向上的不同节点,对比分析有、无轮轨激励下节点的磨损变化曲线。采用控制变量法对不同制动工况下的闸片进行磨损仿真,分析轮轨激励对闸片接触表面磨损分布的影响。

关键词： 导纳   高频振动   板式轨道   边界元法   声辐射   轮轨噪声  

摘要： 铁路作为一种高效便捷的出行方式,越来越深受人们的喜爱,但随着列车运行速度的加快,随之而来的铁路噪声问题也影响着人们的正常生活,而铁路噪声中占主导地位的当属轮轨噪声,所以分析预测并降低轮轨噪声是至关重要的。本文的列车车轮为LMA型踏面,轨道板形式为CRTSⅡ型板式轨道板,以此为研究对象,展开介绍了国内外分别对轮轨噪声的研究历程。通过了解结构导纳的基本知识后,在有限元软件ANSYS中按照实际尺寸分别建立了车轮和轨道系统,并将单位力施加在车轮与钢轨的名义接触点上,结果表明本文导纳幅值与参考文献求得的导纳幅值基本吻合,即验证了有限元模型的正确性。随后对轮轨耦合进行讲述,求得频率在100 Hz～4000 Hz内的轮轨力,将频域下的轮轨力输入到有限元模型中,即可求得轮轨的振动响应。另外,介绍有关声学方面的基础知识,以及声辐射特性理论公式等,在声学软件LMS ***中分别建立车轮、钢轨及轨道板的边界元模型,并验证所建立的边界元模型是正确的。将在有限元模型中求得的振动响应转移到边界元模型上,利用边界元的方法求得不同频率下不同测点的轮轨噪声,结果表明:速度为300 km/h时,在标准点C处,轮轨的最大声压级为88.12 d B(A),在2500 Hz以下时,钢轨对总噪声的贡献量最大,在2500 Hz～4000 Hz时,车轮的贡献量最大,由于CA砂浆弹性模量已经达到7000 MPa,所以轨道板的噪声贡献量一直低于车轮和钢轨。通过更改模型中的部分参数来比较对噪声的影响,首先是分析了200 km/h、300 km/h及400 km/h时的轮轨噪声,发现随着列车行驶速度的增大,轮轨的最大声压级逐渐增大。又通过改变钢轨质量、车轮幅板以及扣件的垂向刚度和阻尼,发现在低频和高频时钢轨质量对轮轨噪声有影响;车轮幅板的厚度与车轮噪声呈负相关;扣件垂向刚度和阻尼越大,轮轨的最大声压级越小。为方便后续减振降噪的继续研究,又对车轮和钢轨的各部件进行声学贡献量分析,结果表明:车轮声压贡献量从大到小依次为踏面、幅板、轮辋、轮缘、轮毂,钢轨的声压贡献量从大到小依次为轨腰、轨顶、轨底。

关键词： 轮轨接触   蠕滑   传热   接触特性  

摘要： 随着国家经济快速发展的需求,以及人民对于美好生活水平的期盼,对于铁路运输领域逐渐提出了更高的要求。在追求客运高速化的同时,我国的工业化建设也对货运重载化提出了高层次的要求,其中比较著名的就是大秦铁路,为我国的经济发展、工业化建设以及科技的进步做出了显著的贡献。随之而来的就是日益凸显的轮轨接触问题,例如波磨、压溃、剥离,严重的甚至裂纹断裂等,这就对科研工作者的研究工作提出了严峻地挑战。轮轨接触关系的探索与分析,一直以来都是各国家铁路领域研究的重点,并逐步取得了一系列可观的成果。本文的研究工作在总结分析前人工作的基础上,采用数值模拟的方法,使用ABAQUS仿真软件建立全尺寸三维轮轨滚动接触有限元模型,综合考虑材料本构模型、蠕滑接触状态、轴重、摩擦系数等因素,将轮轨接触问题的研究角度定位于蠕滑接触传热以及该传热结果对轮轨接触特性的影响,旨在准确地预估轮轨接触摩擦的温升情况以及应力应变状态,为轮轨的维护和使用寿命的预测提供参考。本文的主要研究内容如下:1、根据论文所选的接触模型,建立有限元模型,同时考虑材料本构模型的合理性,对双线性硬化本构模型(BKIN本构)和Johnson-Cook本构模型(JC本构)的研究结果进行分析,得出结论:在接触斑的面积、形状以及黏滑区分布问题上,JC本构模型更为合理的反映了研究结果,即滚动过程中接触斑的面积略小于BKIN本构模型,其接触斑的形状更加接近椭圆形结构,同时黏着区面积占比略小于BKIN本构模型;BKIN本构模型对于轮轨接触的应力和应变状态的结果预估过高。2、基于接触理论、传热理论等,展开轮轨蠕滑接触传热研究,分析轴重载荷、蠕滑状态以及摩擦状态等因素对接触传热的影响,研究结果表明:轮轨接触承受不同轴重载荷影响时,随着轴重载荷的增加,轮轨接触摩擦热逐渐增加;轮轨接触过程中蠕滑率的增加,致使轮轨接触摩擦热逐渐增加;随着摩擦状态的改变,即其摩擦系数的增加,轮轨接触摩擦热逐步增加。综合本部分传热结果,JC本构模型较BKIN本构模型的温升结果大,其受到的热冲击效应愈加明显,两本构模型均且仅影响接触表层区域。3、对蠕滑过程中的接触特性展开研究,主要侧重蠕滑率的变化、JC本构模型的计算结果,分析传热结果对接触区域内面积、形状以及黏滑区分布等影响,重点分析了接触摩擦热对接触应力应变、残余应力应变的影响,结果表明:蠕滑接触过程中产生的摩擦热不足以引起接触斑面积、形状和黏滑区分布的变化;当处于车轮和钢轨的接触区域内时,接触摩擦热能降低表面最大Von-Mises等效应力;处于车轮的接触区域外时,接触摩擦热能降低表面的残余Von-Mises等效应力,而钢轨则刚好相反;发现轮轨蠕滑接触摩擦热能够降低车轮和钢轨的等效塑性应变,且在热效应影响下,等效塑性应变最大值逐步向次表面移动。