关键词： 试验台   缩尺车轮—环轨   有限元法   轮轨接触   固有特性  

摘要： 轮轨试验台是研究轮轨滚动接触及损伤行为的重要工具,其轮轨接触行为与现场的异同决定了其适用性。西南交通大学牵引动力国家重点实验室建立的“轮轨滚动行为模拟试验台”属于缩尺车轮—环轨型轮轨试验台,与传统的双轮对滚试验台相比,可考虑轨下离散支承特性。但该试验台的模拟特性及适用范围尚不明确,其应用亦处于起步阶段。鉴于此,本文运用有限元方法对轮轨滚动行为模拟试验台的轮轨接触特性开展数值模拟研究,为该试验台的应用提供有意义的理论参考。首先指出有限元模拟该试验台的轮轨接触行为、分析其模拟特性的必要性,就国内外轮轨试验台应用现状、轮轨滚动接触求解方法、试验台模拟特性分析等方面开展文献综述。以轮轨滚动行为模拟试验台的设计参数建立了试验轮轨的静态接触和瞬态滚动接触有限元模型,可获得时域轮轨力、接触应力、蠕滑率等结果,结合Tγ磨耗模型(T、γ分别为轮轨切向力和蠕滑率)可进一步求解钢轨磨耗深度。相应地,以同样的方法建立了线路服役轮轨的静态接触和瞬态滚动接触有限元模型,用于试验轮轨模拟特性的定量分析。以Hertz接触最大法向接触应力等效准则确定试验车轮垂向载荷,分析车轮纵向位置、车轮冲角、车轮横移量对试验轮轨静态接触的影响,并与同等条件下的服役轮轨进行了比较。结果表明,试验轮轨具备精确模拟服役轮轨静态接触的能力,车轮纵向位置和车轮冲角对其静态接触的影响很小,但由于侧滚自由度的差异,车轮横移量需控制在-1.0～3.0 mm才能定量地再现服役轮轨的接触应力、接触斑几何、轨内Von Mises等效应力等静态接触特征。在轮轨表面平顺的条件下,求解了试验轮轨典型工况(速度116.7 km/h、牵引系数0.1、黏着系数0.5)下的瞬态滚动接触,探明了牵引系数、速度、黏着系数对其瞬态滚动接触行为的影响规律,以1:3的速度缩比和350 km/h的服役轮轨进行了定量对比。结果表明,试验轮轨具有偏高的轮轨横向力、切向接触应力、自旋蠕滑率、钢轨磨耗深度,其速度的增大使轮轨力波动更加明显,牵引系数增大会显著提高轮轨纵向力、切向接触应力、纵向蠕滑率、钢轨磨耗深度,黏着系数降低使得其纵向蠕滑率和钢轨磨耗深度分别显著增大和减小。对于高速(350 km/h)条件下的试验轮轨瞬态滚动接触模拟,通过在隐式积分中考虑轮轨初始转速,改善了模型求解效果。引入轨面单个凹坑和连续波磨两种高频激励,得到激励下的轮轨瞬态滚动接触行为以及不平顺的发展趋势,探明了凹坑长度与深度、波磨波长与波深对试验轮轨瞬态滚动接触的影响规律,定量对比了典型激励下试验轮轨和服役轮轨的瞬态滚动接触行为。结果表明,典型凹坑激励下,试验轮轨垂向力和接触应力先减后增,凹坑有扩宽、变浅的趋势;凹坑长度增加(>10 mm时)会使轮轨垂向力和接触应力波动量、钢轨最大磨耗深度减小;凹坑深度增加使得轮轨力波动量、接触应力均增大,钢轨最大磨耗深度总体上呈增大趋势。典型波磨激励下,试验轮轨的轮轨力和接触应力呈周期性波动且滞后于波磨几何,波磨有波长不变、纵向位置逐渐移动的趋势;波长的增加显著降低试验轮轨垂向力、接触应力峰值及波动量,波长超过26.7 mm后钢轨磨耗深度变化不大;当波深增加,轮轨力和接触应力波动量均线性增大,钢轨磨耗深度总体上减小。与等比例的凹坑或波磨激励下的服役轮轨相比,试验轮轨会低估轮轨力和接触应力的波动幅度而高估钢轨磨耗深度。作为对上述时域结果的补充,从频域的角度对比了试验轮轨和服役轮轨的固有特性。结果表明:试验轨道和服役轨道的垂向敏感频带分别为2 222～2 901、963～1 845Hz,横向敏感频率分别为1 904、2 699 Hz和528、692、963、1 845 Hz。试验车轮的固有频率是同等振型的服役轮对的2.30～5.05倍,试验钢轨扭转和垂向弯曲固有频率分别是服役轨道的4.5倍和3.3倍左右,试验轮轨整体的P2共振固有频率是服役轮轨的1.9倍。

关键词： 无重叠视野相机标定   条纹中心提取   线面结构光混合   三维重建  

摘要： 基于计算机视觉的非接触式检测技术近年来发展迅速,尤其是基于结构光的高精度三维重建方法,因其无须接触、速度快、精度高、安全性强,在工业领域得到了广泛应用。对运营状态下的轮轨接触区域进行三维重建,有利于揭示轮轨接触姿态与病害的关联关系,对于监测列车运行状态,保障铁路安全运营具有重要的应用价值。由于列车转向架空间复杂,轮对间距离大,多传感器部署、标定和数据处理都非常困难,因此,高精度轮轨三维重建是一项极具挑战性的任务。本文研究复杂部署空间下高精度轮轨三维重建方法,通过大量调研,分析轮轨结构,提出基于多传感器线面结构光混合的轮轨三维重建方法。该方法采用面结构光重建轮轨接触区域,线结构光重建连接轮对的车轴部分。本文对无重叠视野的全局多传感器标定方法和线结构光三维重建技术进行了深入研究和实践,设计并实现了一个复杂部署空间下的线面结构光混合轮轨三维重建系统。(1)针对全局系统标定中多组传感器间无重叠视野,难以使用双目相机标定方法的问题,设计了一个灵活稳定的组合大尺度标靶,并提出基于此标靶的无重叠视野相机标定方法。该方法只需双目相机分别拍摄一张标定板图像即可计算出无重叠视野相机的位姿关系。同时提出基于LM算法的位姿非线性优化方法。实验结果表明,该方法实现无重叠视野下的相机标定重投影误差小于0.5pixel,测量误差小于0.6mm。(2)针对无法精确快速提取线结构光条纹中心的问题,提出一种基于改进骨架灰度中心法的条纹中心提取算法。首先对条纹图像进行滤波去噪预处理,再通过二值化分割出ROI区域。对ROI区域使用细化算法粗提取条纹中心,去毛刺和冗余点后采用最小二乘法拟合直线,在计算法线方向上采用自适应宽度的灰度重心法提取亚像素中心点。实验结果表明,本文方法比骨架灰度重心法在列方向上精度提升10%,运行时间减少17%。(3)针对轮轨三维重建问题,提出基于多传感器线面结构光混合的轮轨三维重建方法,并设计搭建了一个轮轨三维重建系统。本文提出了该系统的设备布局与选型,设计了系统软硬件模块。系统采用格雷相移编码实现基于面结构光的轮轨接触区域重建;采用多线结构光实现车轴重建。针对多个单线结构光平面无法平行的难点,本文提出基于标准件辅助的平行光平面确定方法,通过投影变换实现线结构光平面的矫正。在实验室1:1轮轨实验台上进行的轮轨重建实验结果验证了该方法的有效性。

关键词： 刚柔耦合   轮轨接触   柔性轮对   轴箱   车辆动力学  

摘要： 轻量化是高速动车组转向架的发展趋势,相比于常规的轴箱外置转向架,轴箱内置能够大大降低转向架质量。由于轴箱悬挂位置的不同,导致两种轴箱布置形式转向架的轮对在一系悬挂力作用下表现出的轮轨接触特性和振动响应势必存在差异。同时伴随着车辆高速化和轻量化的发展,轮轨激振频率与轮对某一自振频率重叠时造成的系统共振问题,对车辆动力学性能的影响愈发恶劣。顾在探究轴箱布置方式对车辆的动力学性能影响时,考虑轮对的柔性已不容忽视。本文以新型轻量化高速动车组为研究对象,通过轮轨接触有限元模型和柔性轮对车辆动力学模型,探究了不同轴箱布置方式下轮轨接触特性、轮对柔性的影响及车辆—轨道耦合系统的动力学响应。首先,建立了5种轴箱布置位置下轮轨接触有限元模型,研究了在多种影响因素下的轮轨接触特性差异。结果表明,轴重小于17t时,轮轨Mises应力和轮轨剪切应力与轴箱横向跨距的变化成反比关系。轴重超过17t后两种应力则是与轴箱横向跨距的变化成正比关系。内置轴箱结构更适合应用于轴重较大的车辆。其次,基于刚柔耦合动力学理论,建立了考虑轮对柔性的高速动车组整车动力学模型,并将其与多刚体模型进行了对比研究。通过轮对弹性特征分析,结果显示,增大轴箱横向跨距会降低轮对的自由和约束振动模态频率。在此基础上计算分析了轮对分别考虑为柔性和刚性时的轴箱内置和轴箱外置车辆与无质量轨道、惯性质量轨道以及柔性轨道耦合时的轮对振动响应差异。最后,对采用轻量化转向架的高速动车组开展了车辆动力学计算,研究结果表明,增大轴箱横向跨距可在一定程度上提高车辆稳定性;而当车辆通过小半径曲线时,增大轴箱横向跨距提高了轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、车体平稳性指标和磨耗功率等指标,降低了车辆小半径曲线通过性和平稳性,增大了轮轨磨耗。本研究综合了有限元理论与刚柔耦合动力学理论的研究方法,对不同轴箱布置方式的轻量化高速动车组的轮轨静态接触特性与整车动力学性能开展了大量研究工作,得到了采用轴箱外置结构转向架在轮轨静态接触特性上略优于内置轴箱的结构;但从动力学角度来分析,轴箱内置结构大大降低了转向架质量,提高了其小半径曲线的通过性能,有效减轻了磨耗等相关结果,以期为高速动车组的轻量化设计起到一定的工程借鉴。

关键词： 高速   重载   轮轨材料   硌伤   局部滚动接触疲劳   形状几何   接触条件   临界深度  

摘要： 高速与重载铁路的发展过程中,轮轨局部滚动接触疲劳(LRCF)频发,严重威胁了铁路运营安全,已然成为当下急需解决的工程实际问题。已有研究表明,硌伤是诱发轮轨LRCF的主要根源之一,硌伤周围几何变化造成的应力集中是引发裂纹萌生的基础条件,因脱离接触而可长期发展的硌伤坑底部裂纹扩展是最终导致局部滚动接触疲劳的必要条件。需指出,现有研究仅初步揭示了硌伤引发局部滚动接触疲劳的机理,尚缺乏系统研究。本文考虑不同轮轨材料和现场发现的典型硌伤几何,深入开展硌伤条件下轮轨LRCF的萌生机理试验研究,得出引发LRCF萌生的硌伤伤损容限,为高速和重载轮轨表面硌伤的维修标准制定提供借鉴。利用GPM-30双盘对滚试验机,通过预制小比例轮轨材料试样,并在其接触表面施加初始硌伤,开展了硌伤条件下的LRCF试验。试验过程中,保持试样轮轨间接触应力水平与现场轮轨相同。试验前后,利用维氏硬度计、激光共聚焦扫描显微镜、金相显微镜等手段,分析了不同试验条件下初始硌伤的表面形貌演化过程、硌伤剖面裂纹扩展以及微观组织变化规律,揭示了硌伤条件下轮轨LRCF的一般萌生机理。首先,针对U71Mn G高速钢轨材料,分别开展了典型硌伤条件下的危险硌伤形状筛选试验、不同接触条件和循环次数下的原位观察试验、以及诱发LRCF萌生的危险硌伤临界深度定值试验。(1)筛选试验:对现场硌伤进行统计分析,抽象出了球形、方锥形、长条形和圆锥形等4种典型硌伤几何形状,试验研究了不同形状初始硌伤引发LRCF的可能性,得到了诱发LRCF的危险类硌伤几何形状。结果表明:长条形和圆锥形硌伤引发LRCF的可能性更大,长条形硌伤最危险;方锥形和球形硌伤都不足以引发严重的局部滚动接触疲劳;疲劳剥离多发生在硌伤后沿或后沿附近;对于长条形硌伤,疲劳萌生起始位置多位于长条形硌伤两端位置,导致剥离的边缘呈典型V型形状,与现场一致。(2)原位试验:针对更危险的长条形和圆锥形硌伤,研究了硌伤在油润滑和干态接触试验条件下的演化过程。结果表明:油态下,长条形硌伤极易引发滚动接触疲劳,其比圆锥形硌伤更危险;相比油态,干态下试样接触表面会发生严重氧化和明显硬化,磨耗也更大,但均不会引发局部滚动接触疲劳,这与学术界普遍的认知一致。(3)定值试验:针对最危险的长条形硌伤,设计合理的硌伤深度分布范围,确定了诱发LRCF的危险硌伤临界尺寸。结果表明:油态下,试验的48个长条形硌伤中,共发现14例LRCF,发生率约29%;导致LRCF的长条形硌伤深度下限约为0.15 mm,硌伤深度为0.20–0.25 mm时引发LRCF的概率大大增加。在上述试验的基础上,进一步考虑ER8车轮钢,1280 MPa、1380 MPa级贝马复相贝氏体重载钢轨钢,以及PG4珠光体(U78Cr V)和PG5过共析(U75Cr)重载钢轨钢,开展了材质影响研究。为保证试验结果的工程应用性,试验中高速轮轨试样使用高铁接触载荷条件,重载轮轨材料采用重载接触载荷条件。结果表明:硬度低于300 HV的高速轮轨材料上硌伤会引发LRCF,疲劳裂纹在硌伤内部和前、后沿均可萌生,且后沿比前沿更容易萌生;同等条件下,裂纹在U71Mn G材料中比在ER8中扩展得更深和更宽,会导致更严重的剥离掉块;硬度高于400 HV的重载钢轨材料上表面硌伤不太可能诱发LRCF。随后初步总结了各类典型硌伤的演化过程,提出了硌伤条件下轮轨局部滚动接触疲劳的萌生机理。最后,对论文主要工作进行总结,并对进一步的研究内容作出展望。

关键词： 高速铁路   桥梁段声屏障   车致振动   噪声辐射   车桥耦合  

摘要： 高速铁路噪声给沿线附近居民带来了严重的生活困扰,在铁路沿线设置声屏障是解决这一问题的有效措施之一。然而,声屏障在降噪服役过程中,其自身结构在列车轮轨荷载作用下发生振动,极有可能造成失稳破坏。此外,声屏障在振动的情况下,也会成为一种噪声源,向周围环境辐射噪声。因此,本文在国家自然科学基金(51878672)——“气动荷载作用下高速铁路声屏障结构优化设计理论与方法研究”的资助下,以赣深线铁路桥梁段声屏障为研究对象,采用数值模拟的方法,对声屏障车致振动响应及结构噪声辐射规律进行综合分析,开展的研究工作如下:(1)基于多体动力学理论,通过SIMPACK软件建立CRH2型高速列车模型。根据快速傅里叶逆变换,反演出德国低干扰轨道谱时域信号作为车体振动激励源。(2)基于ANSYS APDL模块,采用参数化命令流语言建立桥梁-声屏障系统有限元模型,通过子结构分析模块生成SIMPACK可识别的柔性体文件。结合SIMPACK柔性轨道模块,实现ANSYS与SIMPACK对列车-桥梁-声屏障系统耦合振动的联合仿真,并分析计算列车在单车行驶情况下,以不同速度通过两种不同高度声屏障时所产生的轮轨时程力。(3)基于瞬态动力学理论,通过ANSYS Workbench模块建立高速铁路声屏障车致振动动力学分析模型,将轮轨时程力加载到钢轨上,计算分析不同工况下桥梁段声屏障的结构振动规律。(4)基于声学边界元理论,通过噪声分析软件LMS ***建立高速铁路桥梁段声屏障声学边界元模型,以列车轮轨荷载作用下声屏障结构振动加速度为声学边界条件开展计算,讨论了声屏障车致振动下噪声辐射的二维声场分布情况、设置场点的声压级频谱及衰减规律。图48幅,表15个,参考文献84篇。

关键词： 地铁车辆   车轮多边形磨耗   被动频响特性   模态分析   预测模型  

摘要： 城市轨道交通行业的快速发展，使得在运营过程中出现的问题日益凸显，尤其是车轮多边形磨耗，不仅恶化轮轨接触关系导致车辆运行过程中产生巨大的振动与噪声，严重影响了乘坐舒适性，而且加剧的轮轨力会引起车辆和轨道结构的剧烈振动，甚至会出现疲劳失效，降低部件使用寿命，产生严重的安全隐患。车轮多边形问题极大的增加了车辆的运维成本，在很大程度上制约着轨道交通行业的发展。业界对于车轮多边形磨耗形成机理尚未达成共识，本文针对地铁车轮多边形磨耗问题，结合线路试验与仿真分析展开了机理研究，以期从本质上对车轮多边形现象进行合理解释，开展的具体工作与主要结论如下：　　（1）针对地铁车轮多边形进行了线路试验，认为钢轨上固定位置存在的周期性高低不平顺产生的冲击作用会引起车轮多边形磨耗的萌发。振动响应分析结果表明行车过程中会出现对应车轮7～9阶多边形特征频率，且该频率与车辆经过的轨道结构存在关联，确定车轮多边形激励频率与车辆―轨道系统固有结构模态有关。　　（2）将切削切痕形成机理运用到车轮多边形磨耗的形成中，认为车轮多边形磨耗的形成是车辆―轨道耦合作用下轮轨振动在车轮表面的再现，轮轨切削和再生颤振作用下形成车轮多边形。建立Carter二维滚动接触模型进行车轮非均匀磨耗研究，运用Archard磨耗模型进行磨耗计算，认为轮轨垂向动态作用力是影响车轮磨耗量的主要因素。　　（3）建立了轮轨耦合垂向分析模型进行轮轨接触的被动频响特性分析，计算被动作用力响应。结果表明，在轮轨耦合作用下，轮轨法向力频响特性会在60 Hz、420 Hz和680 Hz处出现明显峰值。轮轨法向响应力在这些频率附近存在峰值，分别对应轮轨P2力共振模态频率与钢轨局部二阶和三阶垂向弯曲模态频率，正好是部分车轮多边形的特征频率范围，根据车轮多边形增长率曲线确定这几个模态是引起车轮多边形磨耗的重要因素。　　（4）考虑轮对和轨道柔性建立针对地铁车辆―轨道耦合系统的多体动力学刚柔耦合模型及垂向耦合系统模型，对轮轨耦合状态下的全域和局部长度的轨道进行模态分析。结果表明，轮轨耦合作用对钢轨具有约束截断作用，会出现局部垂向弯曲模态，其中部分频率范围正好对应着车轮多边形特征频率。局部模态分析结果显示诱发车轮出现7～9阶多边形的激励源是轮轨P2力共振模态，确定轮轨耦合作用下轨道局部低阶垂向弯曲模态是车轮多边形形成的根本原因。　　（5）建立了车轮多边形磨耗预测模型，以钢轨低接头作为垂向激励进行仿真，确定车轮通过轨道激励后变化的轮轨力存在60 Hz的主频，并导致由轮轨P2力共振引起的车轮初始不圆顺中存在该频率对应的粗糙度。在对钢弹簧浮置板整体道床和梯形轨枕整体道床的为轨道结构的预测模型中，迭代仿真发现两种结构下的轮轨P2力共振频率分别对应8阶和15阶多边形。可见垂向轮轨激励产生P2力共振导致车轮表面形成初始不圆顺，影响着车轮多边形的发展。　　（6）提出对车轮和钢轨状态的监测和维护，使之保持良好的表面状态是避免车轮多边形的有效手段。通过参数优化，认为降低车辆簧下质量、调整转向架轴距、降低扣件垂向刚度、变换行车速度等方案，以使得轮轨激励引起的轮轨力频率与轨道局部弯曲模态频率不能形成共振，或不同主要阶次多边形之间相互磨耗，达到对车轮多边形控制的效果。台架模态测试证实了转向架荷载状态下钢轨局部弯曲模态的存在，其中轨道三阶垂向弯曲模态频率为高速列车车轮高阶多边形形成的原因。

关键词： 车辆-轨道耦合动力学   轮轨周期性磨耗   磨耗机理   动力学响应   疲劳寿命  

摘要： 随着我国“八纵八横”铁路规划的进一步实施,高速铁路在显著改善人们出行的同时,也迎来更多机遇和挑战。随着动车组运营里程的增加,轮轨周期性磨耗问题逐渐突显并严重影响列车的正常运行和维护周期,亟待解决。为此,本文通过实测和理论两方面分析其影响因素、形成及生长机理。并基于车辆-轨道耦合系统动力学模型,研究其对车轨系统动力响应的影响,通过分析影响规律,总结其发生机理,进而提出抑制措施。具体开展的研究工作以及取得的创新性成果如下:(1)轮轨周期性磨耗主要指车轮谐波磨耗和钢轨波磨。通过测试3种车型镟修前后的车轮谐波磨耗,统计车轮谐波磨耗的振动频率与轮径、速度和轴距的关系,基于构架的模态振型和频率分析了构架与车轮谐波磨耗激励频率间的关系。结果表明:轮轨激振频率与轴距和轨道类型有关。当车轮产生初始缺陷后,每次与轨道冲击均会在缺陷位置处产生磨耗,并且磨耗沿踏面圆周呈波浪形延伸,当波浪形磨耗头尾相连后,便形成了初始车轮谐波磨耗。初始车轮谐波磨耗又进一步加剧了轮轨振动,使车轮谐波磨耗逐渐从低阶向高阶发展,当幅值和阶次达到一定程度时,轮轨间将发生冲击振动,车轮谐波磨耗的生长更快。在进出站或大坡度区段时,车辆频繁加减速,破坏了轮轨之间稳定的黏滑关系,使轮轨接触斑处滑动区明显增大,从而形成钢轨波磨;小半径曲线区段时,在轮对一阶弯曲、垂向和横向载荷等因素的作用下,会引起轮轨接触区车轮相对钢轨横向滑动,导致钢轨波磨的形成。(2)进一步通过理论分析轮轨周期性磨耗的发生机理。通过建立考虑干摩擦因素的轮对黏滑振动非线性动力学模型,推导系统运动中黏着、滑动和碰撞运动的衔接关系,研究轮对黏滑振动的机理和运动行为,从而揭示轮轨周期性磨耗的发生机理。结果表明:低频区系统表现出大幅振荡和微幅振荡间往复切换变化,为一类典型的周期性颤振运动,颤振运动使轮轨接触斑内黏滑区发生剧烈变化,引起轮轨接触区车轮相对钢轨横向滑动,从而使横向蠕滑力呈周期性变化,最终诱发轮轨周期性磨耗的发生。(3)基于Kalker简化理论,推导得到了轮轨滚动弹性接触的蠕滑力,并通过建立轮对沿直线轨道的运动方程,经坐标变换,推导得到了轮轨滚动弹性接触的蠕滑率。基于车辆-轨道耦合系统动力学模型分析了轮轨周期性磨耗对车轨系统动力响应的影响。结果表明:车轮谐波磨耗下,轮轨垂向力随幅值的增大而增大,速度和阶次并非呈现单一的增长趋势。转向架构架和轴箱的振动峰值与车轮谐波磨耗的激励频率接近,且振动幅度随车轮谐波磨耗幅值的增大而增大。高阶下的车轮谐波磨耗激励频率容易激发车轮的固有弯曲模态,加剧轮轨振动,进而影响轮轨之间的接触关系,使蠕滑率/力显著增大。扣件刚度对蠕滑特性的影响与速度呈现相关性;轮轨周期性磨耗下,轮轨动态相互作用力表现出随速度增大而增大的特征,且轮轨垂向力最大值均出现在轮轨周期性磨耗工况一的钢轨波磨段,高速时,由于轮轨周期性磨耗的作用导致车轮出现了跳轨现象。钢轨波磨对轮轨横向力的影响较小。轮轨周期性磨耗对纵向蠕滑力受速度的影响比较显著,钢轨波磨对横向蠕滑力的影响不起主导作用。残余波磨无论对轮轨动态相互作用力还是轮轨间蠕滑特性的影响均很小。(4)根据EN 13103-1:2017标准,分别计算了非动力车轴和动力车轴在不考虑未平衡横向加速度和考虑未平衡横向加速度2种线路工况下的疲劳强度。结果表明:动力车轴各主要检测部位的最小安全系数比非动力车轴的最小安全系数低。故以动力车轴为研究对象,通过有限元分析得到车轴的von Mises应力,运用准静态法计算考虑车轮谐波磨耗下的车轴载荷时间历程,采用Brown-Miller法计算考虑车轮谐波磨耗下的车轴疲劳寿命。结果表明:考虑车轮谐波磨耗下的车轴疲劳寿命为19.2a,发生在轮座内侧圆弧过渡部位。车轮谐波磨耗导致轮轨振动加剧,对车轴疲劳寿命产生明显不利的影响。

关键词： 轮对柔性   轴箱内、外置   轮轨静态接触   车辆动力学   轮轨磨耗  

摘要： 在对铁路车辆动力学性能进行仿真计算时,通常将车辆部件考虑成刚体,不考虑车辆在实际线路上运行时轮对等部件产生的弹性变形,然而这只适用于低频的情况。车辆在运行过程中,轮对的弹性变形会导致车轮踏面和钢轨踏面之间的相对位置发生变化,对轮轨接触点位置、车辆动力学性能和轮轨磨耗产生一定的影响。国内某条地铁线路上运行两种轴箱布置形式的直线电机车辆,分别为轴箱位于车轮外侧的轴箱外置车辆和轴箱位于车轮内侧的轴箱内置车辆。由于这两种直线电机车辆具有不同的轴箱位置,因此在运行过程中,簧上载荷和轮轨载荷将导致轮轴产生不同的弯曲变形形式。为了更精确地研究轴箱内、外置车辆动力学性能及轮轨磨耗的变化规律,本文将轮对考虑成柔性体,并与多刚体动力学模型进行对比,为深化轴箱内、外置车辆的动力学研究奠定基础。目前,轴箱内置式转向架已经列入了未来高速列车新型转向架的研究计划,本文的研究方法和研究结果同样具有参考价值。本文使用有限元软件ANSYS和动力学软件SIMPACK分别建立了轮轨空间接触模型、考虑轮轴弯曲变形的轴箱内、外置车辆动力学模型和轮轨磨耗模型,用于对比分析轴箱内、外置车辆在运行过程中车轴弯曲变形对轮轨接触、动力学性能和轮轨磨耗的影响。主要工作与结论如下:首先,根据所建立的轮轨空间接触模型,分析了轴箱内、外置车辆因轮轴弯曲变形引起的轮轨接触参数变化规律,重点研究两种轮轴弯曲变形对轮轨静态接触点位置及接触应力的影响。结果表明:(1)轴箱内、外置车辆在运行时,轴箱内置车辆的车轴会发生“下凹”弯曲变形,轴箱外置车辆的车轴会发生“上凸”弯曲变形。随着轴重的增加,轮对柔性引起车轮偏角增大;(2)轮对横移量在0～6 mm和9～12 mm时,两种车型的轮轨接触点位置基本一致;在6～9 mm时,两种车型的轮轨接触点位置变化相对明显,轴箱内置车辆的接触点更偏向于轨距角侧;(3)从轮轨静态匹配看出,横移量在0～3 mm时,轴箱内、外置车辆轮轨等效锥度基本相等;横移量在4～12 mm时,轴箱内置车辆轮轨等效锥度大于轴箱外置车辆。因此,轴箱内置车辆也体现了更好的曲线通过性能;(4)采用有限元方法对轮轨接触应力的计算表明,轮对横移量在0～6 mm范围内,轴箱内、外置车辆轮轨接触斑基本呈现椭圆形状;两种车型的轮轨接触应力最大值和轮轨von Mises等效应力基本保持一致。其次,分析了轮轴弯曲变形对轴箱内、外置车辆动力学性能的影响。研究表明:直线段上,考虑轮轴弯曲变形后,轴箱内置车辆临界速度下降,轴箱外置车辆临界速度增加。当轮对横移量位于6～9 mm时,考虑轮轴弯曲变形后,轴箱内置车辆轮轨垂向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率均略微增加,其中脱轨系数增幅最大,达5.1%;轴箱外置车辆除了轮重减载率略微增加以外,其余指标均略微减少,其中轮轴横向力降幅最大,为6.2%。最后,根据轮轨磨耗模型和Elkins磨耗指数,研究了轮对柔性对轴箱内、外置车辆轮轨磨耗的影响,结果表明:(1)考虑轮轴弯曲变形后,轴箱外置车辆曲线通过,且轮对横移量位于6～9 mm时,高轨垂向磨耗和侧面磨耗量均减小,且磨耗位置轻微远离轨距角侧;轴箱内置车辆对应的钢轨磨耗量同样减小,磨耗位置偏向轨距角侧;(2)考虑轮轴弯曲变形后,不论是在曲线段还是在直线段上,车轮的磨耗指数均下降。轴箱外置车辆最大下降8%,轴箱内置车辆最大下降12%。同时,通过轮轨磨耗模型计算结果可以看出,不论是在曲线段还是在直线段上,考虑车轴弯曲变形后,轴箱内置车辆的车轮磨耗位置向轮缘侧移动,轴箱外置车辆的车轮磨耗位置向踏面侧偏移。

关键词： 高速有砟轨道   车轨耦合动力学   轮轨分离   轮轨冲击   车轮跳轨全过程   交叉迭代法   轨道病害  

摘要： 铁道车辆跳轨现象将直接威胁行车安全。车辆跳轨机理研究十分复杂,而铁道车辆跳轨全过程的计算是揭示车辆跳轨机理的关键,目前,国内外关于考虑轮轨冲击作用的铁道车辆跳轨全过程的计算鲜见报道。因此,本论文研究具有重要的理论价值与工程意义。本文针对垂向诱因引发的铁道车辆跳轨全过程进行研究,依据轮轨垂向相互作用力和轮轨垂向相对位移历程的特征将跳轨全过程分为轮轨正常密贴阶段、轮轨分离阶段、轮轨冲击阶段和轮轨再次正常密贴阶段。建立了考虑冲击作用的铁道车辆—轨道耦合动力学模型,采用交叉迭代算法计算分析车辆—轨道系统在单一谐波、复合不平顺、钢轨扣件垫层失效和轨枕下支撑失效等工况下轮轨动力响应、车辆跳轨及行车安全性方面的影响规律。主要研究内容及结论如下:(1)梳理总结了国内外关于车辆跳轨这一难题的研究,针对车辆跳轨研究中的模型、计算方法和可深入探讨的方面进行分析总结,并找到本文可深入研究、模型合理化、计算方法创新以及优化的方面。(2)建立了由车体、转向架和轮对组成的多刚体动力学模型和钢轨-轨枕-道床-路基高速有砟轨道动力学模型,以轮轨垂向相互作用力为纽带联系两个子系统,采用交叉迭代算法计算两个子系统的振动响应。此计算方法可以有效避免因单个车轮跳起或多个车轮跳起的不同组合导致车辆-轨道整体系统矩阵发生自由度改变的情况,利于编程和后续计算。(3)采用简化的多目标优化算法对轮轨冲击阶段进行计算分析,当轮轨分离后,车轮重新掉落钢轨时因轮轨之间满足位移相容但速度不相容,会存在速度差而产生轮轨冲击力,是否考虑轮轨冲击力会使后续动力学计算结果存在相位和幅值的差异,且为完整计算描述整个车辆跳轨的全过程,认为应当考虑车轮跳起后的轮轨冲击作用。(4)计算分析了单一谐波不平顺中各种波深、波幅、波长以及不同车辆行驶速度组合工况作用下的轮轨振动响应,探究各工况下车轮跳轨的临界速度,并分析了车轮跳轨全过程各阶段所表现的特点及规律。(5)针对高速有砟轨道中易出现的焊缝区复合不平顺中较长波的波深a值、短波波深a值和短波波长λ对轮轨系统振动响应及车辆跳轨规律的影响。针对高速有砟轨道中常见的钢轨扣件垫层失效和轨枕下支撑失效的病害进行建模,设置单个或连续多个钢轨扣件垫层失效,单根或连续多根轨枕下支撑失效的工况,分析其对轮轨垂向振动响应的影响规律,并探讨此两种高速有砟轨道病害作用下以特定速度行驶车辆的临界失效扣件垫层数和枕下支撑数。图52幅,表17个,参考文献117篇

关键词： 带式输送机   带间巡检机器人   轮轨接触   动力学仿真   故障检测  

摘要： 现有煤矿带式输送机巡检机器人由于其普遍采用在带式输送机单侧或正上方悬空布置的方式,导致巡检时存在较大检测盲区。针对这一问题,以皮带损伤及托辊异常状态检测识别为目标,提出了一种能在带式输送机上下皮带间行驶的轮轨式巡检机器人,不仅能够扩大巡检范围,而且能够有效提高机器人巡检作业效率。研究分析了带式输送机的整体结构、常见故障以及带间巡检机器人的巡检任务,确定了带式输送机带间轮轨式巡检机器人设计要求,提出了带间巡检机器人的总体设计方案以及巡检策略。建立了带间巡检机器人的运动学和动力学模型,利用ADAMS软件对巡检机器人爬坡和制动等工况进行仿真分析,验证了巡检机器人本体、行走机构、驱动机构和制动机构等关键零部件的合理性和可靠性。搭建了带间巡检机器人测控系统,构建了基于PWM调节的速度控制系统和基于RFID和编码器融合的位置控制系统,建立了基于红外热成像测温的托辊故障检测系统和基于机器视觉深度学习卷积神经网络的皮带故障检测系统。研究设计了巡检机器人隔爆充电仓,保证了巡检机器人的续航能力。完成测控系统软件框架设计,满足上、下位机之间数据传输、实时状态监控和异常报警等功能。搭建了带式输送机带间轮轨式巡检机器人虚拟样机仿真模型,通过ADAMS软件和MATLAB软件联合仿真验证巡检机器人在不同坡度下实际运行情况。结果表明,巡检机器人在不同坡度下运行速度都能快速趋于稳定,所需驱动力满足设计要求,有效保证了巡检机器人结构设计合理性,提高了巡检的可靠性。