关键词： 轮轨接触几何   牛顿方法   非均匀B样条曲线   高斯平滑   迭代分形  

摘要： 轮轨磨耗演变仿真的核心在于在动力学计算中实时更新型面曲线,动力学方程每个积分步均进行轮轨接触几何快速计算是其核心。研究了轮轨接触几何约束方程快速迭代算法,围绕轮对与钢轨的物理约束关系,建立相关约束方程组。首先研究了在不考虑摇头角的情况下,二维的约束方程迭代算法;再考虑摇头角,将该约束方程迭代算法扩展到三维。该算法能够解决不同匹配关系的轮轨型面在不同运动姿态下的轮轨接触几何关系问题。并基于Python平台开发了一套快速、准确计算轮轨接触几何关系的牛顿迭代实时算法,以满足在动力学仿真计算过程中,对型面曲线的实时更新以及计算量小的要求。以该算法为基础,通过单轮对系统的运动仿真,验证了该算法适用于车辆动力学仿真中轮轨匹配关系的实时计算。围绕该算法,做了以下几点工作:(1)基于轮轨型面曲线实时更新的需求,具有变截面轮轨匹配关系的车辆动力学仿真过程中,每次更新型面曲线只会改变部分数据点,采用具备局部支撑特性的三阶非均匀有理B样条曲线描述轮轨型面,局部控制点的变化不会引发全局形状的改变;基于计算过程中对轮轨型面的可导性、平滑度的要求,以接触斑横轴尺寸为高斯平滑窗口对型面和导曲线进行平滑处理,以满足雅可比矩阵数值稳定性要求。(2)为了使算法在全局上的计算量适当,避免在轮缘接触区迭代增量越界振荡,采用阻尼型牛顿迭代算法,选取步长缩放系数为0.5。(3)基于迭代分形图研究了不同区域的无条件收敛稳定域,迭代初值在精确值±2 mm的邻域可保证收敛稳定。根据轮轨接触本身具有连续性的特点,采用以上一接触点为迭代初值,并在接触点跳跃处根据横移速度方向进行调整的方法来满足算法对迭代初值精确度的要求。(4)采用实测的轮轨型面曲线,应用轮轨接触几何约束方程快速迭代算法,计算实测轮轨匹配关系,并与最小距离法的计算结果进行对比,验证算法的有效性;对比两者所需的运行时间,轮轨接触几何约束方程快速迭代算法在效率上具有明显优势;采用不同磨耗程度的踏面,应用轮轨接触几何约束方程快速迭代算法,计算实测轮轨匹配关系,验证算法的可靠性。(5)采用Hertz接触理论分析轮轨接触问题与蠕滑率公式,在Python平台上建立相关运动仿真程序,通过对单轮对系统的运动仿真,验证了轮轨接触几何约束方程快速迭代算法适用于车辆动力学仿真中轮轨匹配关系的实时计算。

关键词： 测力轮对   高频轮轨力   模态分析   谐响应分析   全相位滤波器  

摘要： 轮轨力测量是研究车辆动力学的基础。测力轮对作为目前最常用的轮轨力测量技术,它以轮对为传感器,通过测量轮对幅板上有限点处的应变实现轮轨力连续测量。常规动力学试验采用测力轮对测量时会经过低通滤波的处理,只能对低频轮轨力进行分析。随着列车运行环境的复杂化,列车在车轮局部损伤、车轮多边形磨耗、钢轨接头、钢轨波磨以及外部冲击的影响下,轮轨力往往具有明显的高频特性,扩展轮轨力测量频率,准确测量轮轨力对列车运行安全性、平稳性有着重要意义。而较高的轮轨力频率可能导致轮对产生模态共振,使得应变信号在共振频率处被放大,应变频响曲线在高频处出现峰值,这对高频处轮轨力的准确测量有较大的影响。本文针对测力轮对只适用于低频轮轨力测量的不足,以直辐板轮对为研究对象,设计全相位滤波器对模态共振产生的干扰进行修正,使辐板应变与轮轨力保持线性关系,测力轮对测量范围得到扩展,测力轮对方法能够测量高频轮轨力。具体研究内容如下:基于测力轮对连续测量原理,分析了不同组桥方案下,电桥输出的谐波阶次规律。建立轮对有限元模型,分析辐板应变分布规律并研究在不同半径下,垂向电桥与横向电桥输出的谐波阶次与分量大小,确定最佳布片半径。通过谐响应分析,分析辐板在0～1000 Hz频率范围内不同角度的应变响应输出,得到测力轮对频响曲线。结合轮对模态分析,研究轮对模态共振对应变频响曲线的影响。进一步分析了共振对组桥信号主频及主要谐波分量的影响。分析组桥信号的幅频特性,设计了全相位滤波器。对组桥信号进行滤波,修正共振产生的峰值对组桥输出的干扰,扩展轮轨力测量频率。研究了采样点数与窗函数等参数对滤波器性能的影响,优化滤波器性能。对比全相位滤波器与传统FIR滤波器滤波效果,分析理想频响与实际频响之间的误差。对轮对模拟加载时域激励,得到垂向力与横向力同时作用下,轮对应变的时域变化和频率特性。分析了滤波后计算得到的轮轨力值与真实轮轨力值的误差,验证了施加带有高频成分的轮轨力,滤波后的应变信号能够较为准确的计算轮轨力值。

关键词： 低温工况   水介质工况   摩擦调节剂   轮轨磨损   滚动接触疲劳损伤  

摘要： 轮轨黏着是影响列车运行的重要参数。现场中轮轨服役一段时间后经常出现异常磨损、滚动接触疲劳损伤等问题。目前,一般通过钢轨打磨、激光强化、轮轨黏着调控等方法解决上述问题。研究表明,采用摩擦调节剂对轮轨界面进行黏着调控,能有效控制轮轨异常磨损、钢轨波磨及啸叫噪声等问题的发生。由于我国铁路系统纵横南北,轮轨系统常面临低温工况。有诸多研究发现,低温环境会明显影响轮轨黏着,同时恶化轮轨的磨损与损伤,因此希望通过摩擦调节剂进行轮轨黏着调控以减轻低温环境中的轮轨磨损与损伤。目前针对低温环境下摩擦调节剂服役性能的研究较少。因此开展低温环境下摩擦调节剂对轮轨黏着与损伤行为的影响研究十分有必要。本文利用MJP-30A轮轨滚动磨损与接触疲劳试验机,研究了低温及水介质工况下摩擦调节剂对轮轨黏着的影响,针对低温工况研究了摩擦调节剂对轮轨磨损与损伤行为的影响。揭示了不同温度及水介质工况下摩擦调节剂对轮轨黏着的影响机制、低温工况下摩擦调节剂对轮轨磨损与损伤的影响机理。此外针对现有摩擦调节剂在低温工况下的性能不足,研发了适用于低温工况的新型摩擦调节剂。论文的主要结论如下:(1)低温工况下,随着温度的降低,摩擦调节剂的黏着系数表现出先增加后降低的规律,保持转数表现出与黏着系数相反的变化规律,原因是温度的变化影响了摩擦调节剂粘度和流动性。(2)水介质工况下,水量较小时水基摩擦调节剂易出现低黏着现象,且保持转数有明显的增加。水量较大时则不会出现低黏着现象,且保持转数明显减少。而油基摩擦调节剂在水介质工况下均会出现严重的低黏着现象,且保持转数明显增加。两类摩擦调节剂在水介质下黏着行为的差异是由摩擦调节剂与水的溶解性差异造成的。(3)随着温度的降低,干态轮轨磨损率逐渐增加,且出现了较严重的滚动接触疲劳损伤。未优化的摩擦调节剂在不同温度工况下均表现出了较好的减磨性能。在25℃工况下对轮轨滚动接触疲劳损伤有明显减轻效果,0℃工况下会轻微加剧滚动接触疲劳损伤,-40℃工况下出现了严重的滚动滚动接触疲劳损伤现象。因此未优化的摩擦调节剂不适用于低温工况。(4)与未优化的摩擦调节剂相比,优化后摩擦调节剂可使轮轨黏着系数更小,且保持转数更多。在各温度工况下,优化后的摩擦调节剂均表现出较优的减磨性能,同时轮轨滚动接触疲劳损伤有明显的减轻。因此优化后的摩擦调节剂更适用于低温工况。

关键词： 列车编组   扁疤磨耗   谐波磨耗   轮轨作用力   蠕滑特性   摩擦损伤  

摘要： 重载列车由于其大轴重、运货量大的特点,对运输线路轨道会产生较大的摩擦损伤,道岔作为铁路中最薄弱的环节之一,由于其是组合型轨道的特点,其轨道型面在重载列车经过时更容易因为巨大的摩擦损伤而发生剥离、裂纹等缺陷从而不得不进行道岔部件的更换。随着重载列车运行里程的增加,列车车轮不可避免的会发生磨损。扁疤磨耗和谐波磨耗是两种的常见的车轮周向磨耗类型。在列车启动或者车轮发生抱死现象时,车轮会因为打滑从而加剧与轨道之间的摩擦,此时的车轮会因为轮轨之间摩擦的加剧从而使车轮踏面出现严重损伤,擦伤区域会随着车轮的转动不断与轨道产生垂向撞击,从而导致擦伤区域变大变为新扁疤,随着列车运行里程的增加、车轮磨耗的加剧,新扁疤周边的边缘尖角会因为摩擦逐渐变为圆滑,形成较为稳定的旧扁疤,这就是大部分车轮扁疤磨耗产生的原因,这会导致车轮踏面出现剥离、擦伤、熔渣等缺陷。车轮谐波磨耗主要是因为车轮在制造或者修璇过程中存在误差,圆心不在车轮中间,当列车运行时会发生偏心转动从而导致车轮产生不规则磨耗。本文考虑车轮周向磨耗,在UM中建立无磨耗车轮、扁疤磨耗车轮及谐波磨耗车轮三种模型,将1节机车与9节货车采用车钩编组作为研究对象,选取第4节车厢的前轮对,研究无磨耗模型在不同速度、轴重、承受不同大小的侧向风载复杂运行工况下经过道岔时轮轨作用力、蠕滑特性以及对道岔的摩擦损伤,同时分析两种周向磨耗模型对道岔尖轨和心轨轮轨作用力幅值、蠕滑率幅值及磨耗功率幅值的变化情况。

关键词： 重载货车   小半径曲线   轮轨接触   动力学性能   轮轨磨耗  

摘要： 近年来,我国铁路的得到了迅速发展,重载铁路运输已经成为了我国铁路现代化的一个重要标志,随着对货运量要求的不断提高,我国重载货车的轴重和编组在不断增大,同时随着运行速度的不断提高,轮轨磨损问题也愈发严重,尤其是在小半径曲线路段,轮轨磨损变得极为复杂。所以对于深入研究长编组重载货车通过小半径曲线路段的动力学性能以及轮轨磨损问题具有重要意义。本文主要完成的工作如下:(1)利用动力学软件UM建立了一维与三维混合长编组重载货车模型,编组数量参考我国3万t货运量重载货车,编组数量为303节,其中一维货车为300节,三维货车为3节,货车型号采用在我国重载货运线上运行的轴重为25t的C80货车,同时根据大秦线曲线路况,将大秦线最小半径500m的曲线路段作为本文的运行线路,同时建立了轮轨滚动接触模型。(2)调查分析了我国重载货车车轮的磨耗情况,发现车轮磨耗主要有两种,分别为主要磨耗为踏面垂直磨耗和主要磨耗为轮缘磨耗,在500m半径曲线钢轨上,外轨轨头顶面以及靠近轮缘的一侧磨损较为严重,而内轨轨头顶面磨损较为严重,对长编组重载货车通过500m半径曲线进行仿真,研究分析了踏面垂直磨耗严重的车轮和轮缘磨耗严重的车轮在500m半径曲线磨耗钢轨上运行过程中一位轮对(即前导轮)的轮轨接触和接触应力的变化情况。(3)对标准车轮和两种类型的磨耗车轮分别与标准钢轨和磨耗钢轨进行组合匹配,形成了6种轮轨匹配,通过对6种轮轨匹配组合状态下重载货车的动力学性能和轮轨磨耗进行仿真研究,最终分析了车轮磨耗以及钢轨磨耗对长编组重载货车通过小半径曲线的动力学性能和轮轨磨耗的影响。

关键词： 钢轨打磨   钢轨廓形优化   轮轨接触   NURBS曲线   轮轨磨耗  

摘要： 轮轨接触问题是一个复杂非线性问题,而钢轨打磨廓形优化涉及的因素较多,优化的评判指标也不相同。目前钢轨打磨廓形优化设计主要针对标准打磨廓形,在特定工况下实现单一或较少的目标优化,研究对象缺乏普遍适应性。在提倡个性化打磨的趋势背景下,钢轨打磨廓形的优化设计需要结合实际线路特征和车辆运行情况,从廓形测量,到廓形数据处理、廓形的优化设计及性能检验应是一个完整的系统流程,当前的研究很少给出完善的优化设计方案。针对这些问题,本文对钢轨打磨廓形多目标优化设计方法进行了系统性研究,具体研究工作如下:(1)提出了一种钢轨廓形曲线测量数据的前处理方法,先利用局部加权回归法对测量样本廓形曲线进行平滑滤波,再使用算术平均法将样本廓形拟合成一个能综合表征线路病害特征的代表廓形,并从法线值、磨耗面积、垂磨值和侧磨值四个指标对代表廓形进行评估,最后建立代表廓形的3次NURBS曲线参数化模型,通过调整控制权因子,实现了对钢轨廓形曲线的精确数值计算和局部形状调整。(2)基于迹线求解法分析了轮对与钢轨的接触几何关系,计算得到轮轨接触的接触点位置、滚动圆半径差和接触角差等接触几何参数。基于三维非赫兹滚动接触理论,结合有限元分析方法,建立标准LMA车轮和60 kg/m钢轨接触的三维仿真模型,在ANSYS中进行轮轨三维接触静态分析,计算得到轮轨接触等效应力、接触斑和接触压力等力学性能参数;使用SIMPACK搭建车辆-轨道耦合动力学三维仿真模型,计算得到轮轨接触法向应力、滚动圆半径差和磨耗功等性能参数。(3)利用Isight设计仿真试验,搭建轮轨接触几何性能与轮轨接触力学性能RBF代理模型,结合NSGA-II算法,将钢轨参数化建模过程、轮轨接触匹配性能分析流程和轮轨接触性能多目标优化过程有机结合,建立了一个完整的钢轨打磨目标廓形优化系统流程,解决了传统轮轨接触几何和接触力学相关指标的计算存在计算量大、计算效率低等问题。运用个性化廓形打磨技术和非对称打磨廓形设计原理,分别对直线线路及小半径曲线线路的钢轨打磨目标廓形进行优化设计。(4)以NURBS可调权因子ω为设计变量,将轮轨累积接触应力平均值σ、平均最大接触应力值σ 和磨耗功W作为直线段代表廓形的优化指标,将滚动圆半径差Δr、轮轨法向接触应力值σ和磨耗功W作为曲线段代表廓形的优化指标,分别对直线段和小半径曲线段代表廓形进行多目标性能优化从而得到最优打磨目标廓形,并得到轮轨接触性能指标的最优Pareto解和对应的权因子解集,经过实际仿真初步验证了优化结果的准确性和钢轨打磨目标廓形的优化效果。

关键词： 车轮多边形   钢轨波磨   轮轨异常磨耗   车辆动力学  

摘要： 轮轨异常磨耗对列车的平稳和安全运行造成极大的影响。基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立刚柔耦合动力学模型。分别以谐波函数、余弦函数形式将车轮多边形、钢轨波磨进行表达，仿真研究了列车车轮踏面存在车轮多边形，轨道表面出现钢轨波磨两者都具备的轮轨异常磨耗对车辆动力学响应，提出了关于车轮多边形的安全限值，为列车、钢轨运营维护提供了技术支持。

关键词： 轮轨磨耗   轮轨接触几何   钢轨廓形优化   钢轨打磨量   动力学  

摘要： 轮轨接触几何关系是轮轨匹配性能好坏的关键指标,对轮轨及车辆动力学性能起着决定性作用。近年来我国高速、重载铁路及城市轨道交通飞速发展,轮轨之间的作用力加剧,轮轨振动冲击频发,轮轨接触关系问题日益突出,严重影响结构部件疲劳,缩减轮轨服役寿命。将钢轨打磨成设计目标廓形,可以改善轮轨接触关系,提高车辆动力学性能。对于轮轨接触特性计算分析,有助于进行钢轨廓形优化设计。本文对现场复杂状态从两个维度进行了定义,一是线路类型复杂,轮轨损伤类型多样、曲线线路半径及轨底坡分布差异明显。二是测试数据复杂,由于测试设备不同,导致了数据文件格式复杂、数据质量参差不齐、数据内容形式多样。针对实测线路复杂轮轨廓形,编写轮轨接触几何算法程序,进行接触几何关系分析,建立打磨钢轨廓形优化设计模型,并运用廓形优化设计方法建立不同的优化目标函数,进行钢轨廓形优化设计,分析优化钢轨廓形轮轨匹配性能。论文的主要工作和结论如下:(1)编写轮轨磨耗及轮轨接触几何关系批量化计算软件,实现轮轨接触几何关系计算报告一键自动化生成。运用自编软件,对实测线路轮轨接触几何关系进行计算分析,明确了该线路轮轨接触关系特性,明确了轮轨几何型面磨耗特征,掌握了复杂轮轨系统参数状态对于轮轨接触关系的影响特性。(2)建立了NURBS曲线参数化、遗传进化算法与车辆-轨道动力学模型相结合的钢轨廓形几何型面优化设计方法。该方法确定了设计变量,轮轨接触动力学优化指标,设计了优化目标函数及优化约束条件。通过多次实验对遗传算法优化参数调优,得到遗传算子及迭代停止条件阈值参数,求解获得优化钢轨廓形。(3)运用所建立的钢轨廓形优化设计方法,考虑车轮廓形不同磨耗状态下的轮轨接触性能及动力学指标优化设计钢轨廓形,并与只考虑标准车轮廓形条件下的优化钢轨廓形进行对比。结果表明,考虑多种车轮廓形不同磨耗状态所获得的优化设计钢轨廓形轮轨接触性能更优。(4)建立钢轨打磨廓形自动对齐算法及打磨量计算方法,运用所建立的钢轨廓形优化设计方法,着重考虑打磨量优化指标对钢轨廓形进行打磨廓形优化设计,并分别赋予轮轨磨耗、轮轨接触应力、钢轨打磨量不同的权重系数,对比分析优化钢轨廓形的轮轨优化指标迭代演化过程。结果表明,同时对轮轨磨耗、轮轨接触应力及钢轨打磨量进行优化的策略更好。

关键词： 大滑移   轮轨黏着模型   摩擦热效应   固液协同承载   黏着改善  

摘要： 轮轨黏着问题的研究已持续了将近一个世纪,一直是轮轨关系研究中的重点和难点。随着轮轨关系研究的不断推进,大滑移阶段的轮轨黏着问题开始进入国内外学者的研究视野,成为轮轨关系研究的前瞻性和基础性问题。传统轮轨黏着模型建立在洁净光滑的理想轨面条件的基础上,对实际复杂多变环境中运行的车辆而言,其适用性较差;传统的轮轨黏着模型采用的负斜率摩擦系数,决定了所计算的黏着力在达到饱和点以后只能下降,而无法表征大滑移阶段黏着力更加多变的形式。本文的研究目标是建立可适用于水介质的反映粗糙表面的制动大滑移轮轨黏着模型,并在此基础上研究制动大滑移阶段轮轨黏着的变化机理和变化规律。研究了制动大滑移过程中的轮轨界面固液传热问题,构建了轮轨界面热分配机制并建立了界面含水介质的轮轨接触温升模型。基于传热学理论分析,构建了热流在轮轨表面以及固液之间的二级分配机制。研究了Hertzian热源的近似等效和平均等效方法,建立了界面含水介质的轮轨接触温升解析计算模型。对比了解析模型和有限元模型得到的计算温度,结果表明30%滑移率范围内两种模型温度计算结果的差异不超过15%。计算了不同滑移率、速度、摩擦系数和轮载工况下的轮轨表面温度和水膜温度,研究了轮轨材料和水介质参数的温变特性。基于弹塑性接触力学理论建立了可适用于粗糙表面的固体微观接触模型,并结合流体动压理论建立了考虑界面流体热蒸发的固液协同承载模型。通过统计学方法,将单个微凸体接触分析拓展到接触斑全域多个微凸体,基于弹塑性接触力学理论建立了考虑材料温变特性的涵盖弹性、弹塑性和塑性变形全过程的固体微观接触模型,分析了表面形貌参数、材料参数和运行工况参数对轮轨微观接触性能的影响。在Tomberger流体夹层模型的基础上,考虑了水介质因吸收制动大滑移所产生的轮轨摩擦热而导致的热蒸发和温变特性,修正了流体控制方程中的质量流量,建立了考虑界面流体热蒸发的固液协同承载模型,实现了制动大滑移过程中轮轨界面固液承载和摩擦系数的动态变化。建立了可适用于水介质的反映粗糙表面的制动大滑移轮轨黏着模型。基于Hertz接触理论,建立了轮轨法向接触模型。建立了考虑热效应、表面膜润滑效应、速度效应和法向载荷效应的摩擦系数模型,将其集成到固液协同承载模型进行迭代计算,得到不同固液承载比下的界面摩擦系数。将输出的界面摩擦系数集成到轮轨切向接触模型,从而建立了制动大滑移轮轨黏着模型。基于全尺寸转向架结构形式的黏着试验台,开展了水介质条件下的轮轨黏着试验。试验速度范围100～200 km/h,试验轴重范围9～14 t,试验滑移率最高可达30%。结果表明:试验滑移率范围内计算黏着系数-滑移率曲线(简称黏-滑曲线)与试验曲线表现出高度的一致性;试验滑移率范围外,计算黏-滑曲线的变化趋势也与试验曲线的可能走势基本吻合,验证了所建立的轮轨黏着模型的有效性。揭示了制动大滑移过程中的轮轨黏着变化机理和规律。明确了典型的黏-滑曲线分为小蠕滑上升阶段、初次下降阶段、再上升阶段和二次下降阶段四个变化过程。研究结果表明大滑移产生的摩擦热导致水膜减薄是黏着系数再上升的关键原因,摩擦热通过材料的温变特性影响到固体和流体的承载能力,并进一步导致黏着系数发生改变,轮轨材料温变特性对黏着系数的提升效果要比水介质温变特性更明显。接触区水介质完全蒸发后黏-滑曲线达到干轨状态,实现二次下降。速度越高,黏着改善越容易,但速度过高,黏着改善量反而会降低。有限度地增大滑移率能够有效提高黏着可利用水平,但滑移率过大以至于黏-滑曲线处于二次下降阶段时,黏着反而会降低。表面越光滑,黏着再上升特征越明显,实现再上升所需滑移率也越小,同时黏着改善量也越显著。初始水膜越厚第一峰值越低,黏着可再上升的空间越大,达到干轨条件所需的滑移率也越大。