关键词： 摩擦自激振动   钢轨波磨   弓网系统   轮轨系统   复特征值分析  

摘要： 在我国城市轨道交通随社会经济蓬勃发展的同时,地铁系统最重要的弓网摩擦副、轮轨摩擦副的接触特性问题也备受研究者关注。先前研究工作主要集中在普通地铁线路上,针对典型山地城市地铁线路研究还较少。山地城市由于地形条件较为复杂,长大坡区段、小半径曲线段较多,导致弓网/轮轨接触关系更为复杂,经常会发生弓网离线、钢轨波磨等问题,这些问题会直接影响到列车的正常运营以及行车安全。近些年,由于山地城市新修地铁线路愈来愈多,在其运营的地铁线路弓网/轮轨系统分别出现的离线燃弧/钢轨波磨问题的频次也越来越多,困扰着无数铁路工作者。因此,如何解决山地城市地铁线路出现的离线燃弧/钢轨波磨问题,成为当前极其重要的课题。为此,本文通过对山地城市地铁线路的现场测试,基于自激振动理论分别探究山地城市地铁弓网/轮轨系统的摩擦自激振动特性,并探究山地城市弓网系统振动特性与离线燃弧,以及轮轨系统振动与钢轨波磨的关联规律。最后通过参数化分析探究关键参数对弓网/轮轨系统振动特性的影响规律,为抑制山地城市弓网/轮轨系统的摩擦自激振动控制措施提供理论支撑。（1）基于摩擦自激振动的观点研究了山地城市地铁弓网系统离线燃弧问题的成因及影响因素。构建了山地城市弓网系统的仿真模型,利用复特征值法研究了山地城市弓网系统的摩擦自激振动特性,并分别讨论了摩擦系数、受电弓滑板材料参数、接触导线材料参数对弓网发生摩擦自激振动的影响。结果表明:受电弓与接触导线之间发生的摩擦自激振动可能会导致受电弓与接触导线之间发生离线现象,双弓系统的振动特性优于单弓系统。在特定范围内增大摩擦系数有助于缓解弓网系统的摩擦自激振动;纯铜滑板、浸金属滑板能够有效抑制弓网系统摩擦自激振动;接触导线材料对弓网系统摩擦自激振动的发生趋势的影响较小。（2）基于摩擦自激振动的观点研究了山地城市地铁线路梯形轨枕支承小半径曲线轨道上钢轨波磨的成因及影响因素。构建了山地城市梯形轨枕支承小半径曲线轮轨系统的仿真模型,利用复特征值法研究了山地城市轮轨系统的摩擦自激振动特性,并分别讨论了缓冲材料、防震材料结构参数和扣件参数对轮轨发生摩擦自激振动的影响。结果表明:在山地城市梯形轨道支承小半径曲线轨道上,诱导该区间钢轨波磨的成因可能是轮轨间蠕滑力饱和导致的摩擦自激振动。在一定范围内增大扣件刚度和防震材料垂向阻尼有助于缓解梯形轨枕支承小半径曲线轨道上钢轨波磨。

关键词： 轮轨载荷   数字散斑图像   钢轨应力   检测   IC-GN   ELM  

摘要： 快捷有效地进行轮轨垂向载荷检测对保障轨道车辆的运行安全具有重要意义。现有轮轨载荷检测方法尽管能实现轮轨垂向载荷的有效检测,但其测量精度受传感器布设方案、系统标定的限制,仅能实现定点检测。为此,本文引入数字散斑图像技术,开展了轮轨垂向载荷检测方法的研究,从而为列车运行状态监测提供了新的技术方案。针对传统轮轨垂向载荷检测方法测量便捷性低、普适性差的问题,提出了一种基于数字散斑图像的轮轨垂向载荷检测方法,首先,通过对轮轨接触模型进行有限元仿真计算,分析不同接触状态以及不同轮轨垂向载荷对钢轨腰部表面应力分布的影响,确定钢轨应力检测的轨腰兴趣域。在此基础上,引入计算机模拟散斑生成技术,将兴趣域内单元节点的形变作为散斑颗粒中心位移特征,生成表征钢轨应力分布的数字散斑模拟图像。随后,基于钢轨应力场的数字散斑图像,从计算精度和匹配效率两个方面对比了四类亚像素搜索算法的特性,并针对反向组合高斯牛顿迭代算法连续计算效率低的问题,提出了一种钢轨应力场的数字散斑亚像素快速检测算法,采用常参数缓存表对IC-GN的计算过程进行优化,提高了钢轨应力场的连续计算速度。最后,为了利用数字散斑检测获得的钢轨应力分布进行轮轨垂向载荷的识别,提出一种基于极限学习机(ELM)的轮轨垂向载荷识别方法。为验证结合数字散斑技术及极限学习机的轮轨垂向载荷检测方法的可行性,搭建了轮轨垂向载荷检测实验平台,结果表明,所提出的基于数字散斑图像的轮轨垂向载荷检测方法能实现轮轨垂向载荷的非接触、快速测量,测量误差低于5%,相比于传统剪力测量方法,其在小载荷检测中优势明显,对保障列车运行安全以及延长钢轨服役寿命均有重要参考意义。图59幅,表16个,参考文献101篇

关键词： 轮轨接触关系   非赫兹接触   多点接触   轮对摇头角   地震   列车-轨道系统  

摘要： 列车在轨道上运行,列车与轨道构成耦合的振动系统,车轨之间的相互作用是通过轮轨接触来实现的。在地震作用下,列车车轮容易出现轮缘接触甚至爬上钢轨的现象,同时轮轨之间往往会出现两点甚至多点接触,此时的轮轨接触关系已不能满足赫兹接触假设,传统的赫兹接触理论不能准确地描述上述复杂的轮轨接触关系。鉴于此,本文针对地震作用下的轮轨接触关系,提出考虑多点接触与轮对摇头角影响的轮轨非赫兹接触算法,并将其应用于地震作用下的列车-轨道系统振动分析。主要研究内容及结论如下:(1)采用迹线法并考虑轮对摇头角的影响求解轮轨接触几何关系,已知轮轨运动状态确定轮轨间隙函数,进而采用虚拟渗透方法计算轮轨接触斑的形状与尺寸,并结合计算接触斑的位置关系判定轮轨多点接触。(2)以Kalker变分方法为标准,比较赫兹接触理论与KP方法(典型的非赫兹接触简化算法)求解轮对大横移范围内的轮轨接触斑与法向接触力的准确性,结果表明KP方法的相对误差基本控制在5%以内,计算准确性整体优于赫兹接触理论,KP方法更适用于地震作用下的列车-轨道系统振动分析。(3)针对KP方法计算轮轨多点接触时存在的不足,考虑多点接触时各个接触斑的相互作用影响,提出改进KP方法,并通过算例验证了改进KP方法的准确性。考虑轮对摇头角对轮轨接触斑形状和接触应力分布的影响,提出考虑轮对摇头角的改进KP方法,并验证表明该方法能满足计算精度要求。(4)以轨道不平顺为激励,建立地震作用下考虑轮轨多点接触关系的列车-无砟轨道系统振动分析模型,分析地震作用下的列车-无砟轨道系统振动特征,研究地震动强度对列车行车安全性的影响,并分别对地震时轮轨两点接触工况与列车脱轨工况进行分析。本文提出的改进KP方法和地震作用下的列车-无砟轨道系统振动分析模型为分析地震作用下的列车脱轨特性提供了有效手段。图74幅,表20个,参考文献103篇

关键词： 无砟轨道   高频振动   声辐射   有限元-边界元   短波不平顺  

摘要： 随着高速铁路的快速发展,轮轨相互作用力不断加强,轮轨接触关系不断恶化,导致轮轨振动而产生的噪声污染越来越严重。无砟轨道由于具有高平顺性,高舒适性,少维修性的特点,在高速铁路中得到了广泛的应用。然而,无砟轨道所产生的噪声污染要远比传统的有砟轨道大,因此,研究无砟轨道在高频下的振动和声辐射特性,为制定无砟轨道减振降噪措施提供一定理论指导。具体研究内容和研究成果如下:(1)基于实际的车辆动力学参数建立车轨刚柔耦合动力学模型,对其中的关键部件进行柔性化处理,包括轮对,钢轨和轨下基础,最后利用实测数据对动力学模型进行了验证。(2)建立CRTSII型无砟轨道的有限元模型,利用有限元模型研究轨道系统在高频下的振动响应,通过谐响应分析得到了轨道系统在单位简谐荷载下频域内的振动响应,通过瞬态分析得到了轨道系统在列车荷载作用下的振动响应。研究表明轨道系统在2000Hz内主要以钢轨的一阶弯曲振动和pinned-pinned共振为主。钢轨和轨道板在0～960Hz沿着纵向衰减的较快,钢轨沿着垂向衰减的较慢,而轨道板沿着垂向衰减的较快。通过时域分析得到钢轨主要以轨顶振动为主,轨道板主要以板上振动为主,并且钢轨振动大于轨道板。(3)建立CRTSII型无砟轨道的边界元模型,利用边界元模型对轨道系统在时频域内的辐射噪声进行分析,通过时域分析得到轨道板近场的声压分布,通过声压云图可以看出转向架通过钢轨的过程,通过频域分析可以得到轨道的噪声能量主要集中在2000Hz范围内,并且随着频率的增加,声辐射功率先增加然后减小,在pinned-pinned共振频率处达到最大值。通过分别计算钢轨和轨道板的声辐射功率和声压,得出钢轨所辐射的噪声要大于轨道板。(4)利用有限元-边界元法分别研究了钢轨波磨的波长,波深,车轮多边形的波深以及列车运行速度对轨道系统振动噪声的影响。研究结果表明,钢轨波磨的波长越短,轨道系统振动越强,总声辐射功率越大。波磨波深在10μm～20μm,钢轨和轨道板的振动加速度随着波深基本呈线性增长,并且波深越大,总声辐射功率越大。列车运行速度在250km/h～350km/h,钢轨和轨道板的振动加速度增长较快,速度越大,总声辐射功率越大。图108幅,表6个,参考文献68篇

关键词： 莫尔轮廓术   频域滤波   轮轨三维重建   深度学习莫尔条纹提取  

摘要： 铁路安全是关乎国计民生的大事,对车轮、钢轨等关键部件进行定期检测可以为铁路安全运行提供有力保障,使用结构光三维重建方法对轮轨表面三维形貌进行快速、准确的获取则是实现缺陷检测的重要手段之一。莫尔轮廓术作为结构光三维重建方法,具有单帧重建、速度快、无接触、精度高等优点,适用于动态场景的重建。本文将莫尔轮廓术应用于铁路领域重建轮轨的三维廓形,使用计算机生成数字光栅投影至轮轨表面,通过条纹叠加和频域滤波等处理得到物体的莫尔条纹图,最终从莫尔条纹中提取物体的相位信息,提供了轮轨三维重建的新方法。本文主要研究成果如下:(1)本文通过仿真实现了莫尔轮廓术的各个关键步骤,并与其它结构光三维重建方法进行对比,证明了莫尔轮廓术兼具高精度与单帧重建的优点,为今后将其应用于铁路动态高精度三维重建中提供了有力支持。(2)本文对比了不同滤波方法对提取莫尔条纹的影响,证明了频域滤波对于莫尔轮廓术的重要性,需要针对不同的环境条件选择适合的滤波方法,才能得到相对较好的重建结果。同时还使用莫尔轮廓术对含噪声物体进行了重建,证明了莫尔轮廓术的抗噪声能力。(3)本文搭建车轮踏面和钢轨的三维廓形重建实验平台,并对测量系统进行深度标定,实现了对车轮踏面和和粘有六角螺母的车轮踏面以及钢轨的三维廓形重建,证明了莫尔轮廓术可以用于铁路上的轮轨三维廓形重建中。(4)在莫尔轮廓术三维重建过程中,常需要根据不同情况选择不同的滤波方法提取莫尔条纹来达到相对较好的重建效果。因此,本文将深度学习与莫尔轮廓术相结合,通过使用深度神经网络训练模拟数据集,可以直接从变形条纹中提取莫尔条纹,代替了传统莫尔轮廓术中条纹叠加和频域滤波等步骤。实验证明在有无噪声的情况下,都可以提取出变形条纹中的莫尔条纹信息。此外该网络也可以实现对噪声包裹相位的展开,为深度学习与莫尔轮廓术的结合提供了新的思路。

关键词： 轮轨滚动接触   安定图   势函数   疲劳寿命预测   材料响应  

摘要： 由于列车轴重的增加和运营速度的加快,在列车运营过程中出现了轮轨滚动接触疲劳损伤问题,服役钢轨频发钢轨疲劳裂纹,导致大量钢轨频繁更换,给国家带来了巨大的经济损失,因此有必要对服役钢轨的疲劳损伤问题进行理论和仿真研究。Johnson教授提出的安定图可以直观快速地对比不同运行工况下轮轨的安全性,并且定性分析轮轨滚动接触疲劳损伤问题的发生机理及可能性。本文对现有安定图的不足之处进行改进扩展,提出了更为适合铁路轨道系统实际运行情况的安定图,并建立了一种基于安定图和势函数的轮轨滚动接触疲劳寿命快速预测方法。主要的研究内容和结论如下:(1)详细介绍了轮轨滚动接触疲劳的国内外研究现状,主要从工程应用和科学研究两个方面对疲劳寿命预测方法及模型进行了详细阐述,也明确了研究轮轨滚动接触疲劳损伤问题的意义,并选择了本文所需的疲劳寿命预测模型及方法。(2)介绍了本文中所用的轮轨接触理论方法及其建立的数值模型,其中包括轮轨界面滚动接触力学行为求解方法,轮轨接触体内应力-应变场的求解方法,建立了二维钢轨局部有限元模型及所用的材料循环本构模型。(3)基于现有安定图的不足之处提出了更加适合铁路轨道系统实际情况的安定图,引入饱和度的概念以考虑任意蠕滑状态,作出了摩擦系数f=0.2和f=0.4下的安定图。从摩擦系数、最大接触压力和饱和度三个方面对工况计算结果进行了应力应变分析,发现了摩擦系数f=0.2和f=0.4的情况下钢轨局部材料响应均会显著影响钢轨残余应力、应变及表面位移的变化;最大接触压力对钢轨表面薄层材料的残余应变有显著影响;饱和度会影响残余应力和残余应变最大值的产生位置、钢轨表面薄层材料的残余应变大小以及钢轨表面纵向位移变化情况。(4)提出了一种基于安定图和势函数的轮轨滚动接触疲劳寿命快速预测方法,利用安定图确定钢轨局部材料响应,进而确定与之对应的疲劳寿命预测模型,随后采用基于势函数的应力-应变场求解方法对轮轨接触条件下钢轨体内的应力应变进行计算,并结合临界平面法得到疲劳损伤参量最大值及疲劳寿命预测值。在准确率和预测耗时上对所提出的预测方法与有限元法的疲劳寿命预测结果进行了对比分析。钢轨局部材料响应会显著影响轮轨接触疲劳损伤参量最大值和疲劳寿命预测值;在摩擦系数、最大接触压力和饱和度的影响下,两种方法对疲劳寿命的预测结果比较吻合,误差率在15%以内;在预测耗时对比上,所提出的预测方法耗时较少,与有限元法相差3-4个数量级,将计算成本由数小时降低至数秒,极大地提高了计算效率。

关键词： 制动系统   轮轨激励   刚柔耦合车辆系统动力学模型   温度振动特性   高速列车  

摘要： 制动系统作为保障高速列车服役安全的最后一道屏障,主要包括制动盘和闸片(摩擦块、背板以及闸片托)等部件。车辆制动是通过制动盘与闸片相互作用产生摩擦力,并传递至轮轨界面形成制动力而实现的。服役过程中,制动系统同时受到内部盘片摩擦与外部轮轨激励的作用。其中,轮轨激励主要包括轨道几何不平顺、车轮多边形磨耗以及车轮扁疤等形式。然而,目前针对高速列车制动系统的研究往往忽略了轮轨激励的影响,不能准确地反映制动系统在实际服役过程中的温度和振动特性。在制动系统的运用与维护过程中,亟需相关研究的理论支撑和有效指导。因此,为了进一步掌握制动系统服役状态,系统地研究轮轨激励作用下高速列车制动系统的温度和振动特性,主要包括如下几个部分:首先,根据国内某型高速列车动力学参数,建立了刚柔耦合车辆系统动力学模型,并基于线路试验数据验证了动力学模型的准确性。然后根据试验台所对应制动系统的几何模型建立了制动系统有限元模型,并分别通过对应的台架试验进行验证。进一步,基于考虑轮轨激励的车辆系统动力学模型,通过仿真模拟获取制动系统的位移边界条件并集成于制动系统有限元模型,建立了轮轨激励下制动系统温度和振动特性的分析方法。然后,研究了外部激励(简谐激励和轨道不平顺激励)对制动系统温度和振动特性的影响。结果表明,与忽略外部激励相比,当简谐激励频率为转频20倍时,制动系统振动加速度均方根值增加了304%。当考虑轨道不平顺激励时,制动系统振动加速度均方根值增加了24%。此外,外部激励会引起系统复杂的局部接触行为,导致摩擦块界面温度最大值、温度分布与忽略外部激励相比存在一定的差异。因此,在分析评估高速列车制动系统的温度和振动特性时,需要考虑外部激励的影响。进一步,分析了车轮多边形磨耗对制动系统温度和振动特性的影响。结果表明,车轮多边形磨耗直接影响制动盘与摩擦块接触行为,导致接触面积剧烈变化且最大接触压力显著增加。与忽略车轮失效相比,实测车轮多边形磨耗导致摩擦块界面出现明显的局部高温现象,且界面最大温度更高。同时,系统切向和法向振动加速度均方根值分别增加了71.3%和158.9%。此外,随着车轮多边形阶数的增加,制动系统的振动变得更为剧烈。最后,研究了车轮扁疤对制动系统振动特性的影响。结果表明,车轮扁疤导致制动盘与摩擦块界面接触行为更加复杂,引起明显的冲击现象。随着车轮扁疤长度的增加,摩擦块接触面积的标准差也随之增大,而且冲击现象更加明显。此外,车轮扁疤导致系统的振动强度明显增大,而且随着扁疤长度的增大,系统振动更为剧烈。与忽略车轮失效相比,当车轮扁疤长度为60 mm时,系统振动加速度的均方根值增加了386.2%。因此,在高速列车制动系统设计及运维中应考虑车轮失效的影响。

关键词： 高速铁路   车辆-轨道耦合动力学   轮轨耦合振动   模态   共振  

摘要： 车轮与钢轨构成了一刚柔耦合、相互约束的系统,传统多关注钢轨自身的模态特征,缺少对系统模态的识别。建立车辆-无砟轨道系统动力学模型,获得摩擦功率及垂向力共振特征,通过分析单/双轮对作用下轮轨共振响应及车轮质点-钢轨梁系统的特征值,识别导致轮轨系统共振的2类共4种模式的轮轨耦合振动模态:一类是车轮与钢轨作等幅同相振动的P2共振模态,其容易造成振动能量向簧上及轨下的传递;另一类是转向架范围内双车轮约束下钢轨2阶弯曲、3阶弯曲及pinned-pinned振动模态,其主要导致振动沿钢轨纵向在车轮间传递及反射,对车轮多边形、钢轨波磨的形成有重要贡献。最后对影响轮轨耦合共振的因素进行了分析,结果表明轮轨耦合共振对扣件间距不敏感,但受扣件刚度影响显著,轴距仅对钢轨局部弯曲共振有影响。

关键词： 轨道车辆   等效锥度   蛇行失稳   晃车   抖车   健康管理  

摘要： 等效锥度是评价轮轨关系的重要指标,其数值与轨道车辆的动力学性能有着密切的关联。研究表明,当等效锥度过小时,动车组车体容易出现低频晃动;当等效锥度过大并出现“负斜率”特性时,动车组容易出现转向架失稳报警和车体抖动,但此时3 mm等效锥度数值往往较小,不能很好地反应轮轨接触状态,可采用轮对横移量为1.5 mm处的等效锥度作为评价轮轨关系的重要参考。文章建议采用轮轨检测监测设备进行全线路的轮轨廓形检测,实现轮轨交叉匹配运算并得到相应的等效锥度热力图;再结合车辆运行状态进行等效锥度健康管理及运用评价,从而实现对轨道车辆晃车、转向架失稳报警和抖车的诊断与预防,并对车轮镟修和钢轨打磨提出合理的指导意见,进一步为实现铁路计划修转向状态修提供可靠支撑。

关键词： 船舶牵引系统   轮轨接触式传动机构   通航隧洞   Adams仿真分析  

摘要： 船舶在隧洞中通航时危险系数较大,因此采用轨道牵引车牵引船舶通过隧洞。该牵引系统中轮轨结构在运行过程中易出现车轮空转现象,使被牵引船舶航速及位置无法精确控制,导致出现安全事故,因此本文通过模拟牵引车运行情况,对比设定电机转速与牵引车运行速度之间关系,论证船舶牵引系统速度和加速性能,为实际通航隧洞牵引系统建设提供理论依据。