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： 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： 轮轨力反演   数据驱动方法   深度学习   特征选择   模型轻量化  

摘要： 随着运营里程的不断增长，高速铁路已成为我国一项重要的基础设施。列车安全对于铁路系统至关重要，如何搭建有效的列车安全系统，成为了研究人员关心的问题。轮轨接触力作为车轮与铁轨相互作用的结果，能够直接反映列车运行状况。建立轮轨力监测模型，对保障列车运行安全具有重要意义。　　数据驱动方法作为轮轨力反演方法的一种，注重数据拟合，有着高于其他反演方法的准确率。与之对应的模型驱动方法注重搭建数学模型，分析轮轨力成因，却因为容易受到噪音干扰而难以实现较高的准确率。随着车载传感器的广泛部署，可获取的数据越来越多，这使得应用数据驱动方法成为了可能。本文提出了数据驱动的轮轨力反演框架，借助深度学习手段，实现了对轮轨力的回归计算。为了提高模型对数据的鲁棒性、降低模型的硬件要求，本文借助数据增强手段和模型轻量化手段，对反演模型进行了改进。通过数据增强手段，优化了输入数据的质量，提高了模型的鲁棒性。通过剪枝手段，修剪了模型冗余，降低了模型的硬件要求。具体内容如下：　　首先，提出了一种数据驱动的轮轨力反演框架，实现了对轮轨力的计算。框架主要包括数据集构造和模型搭建两部分，首先设计了样本数据及标签数据的映射流程，对数据进行针对性处理，完成了数据集构造。然后设计了多分支的深度学习模型，对不同轮对的轮轨力分别进行回归计算。实验证明，深度学习模型能够准确完成对轮轨力的反演，并且在准确率上高于其他方法。　　其次，提出了一种基于数据增强的轮轨力反演模型，提高了反演模型的鲁棒性。在反演框架中增加了数据增强模块，通过使用信号分解和特征选择手段，实现了对振动信号数据的优化。首先使用信号分解手段处理振动信号数据，实现对不同种类信息的分离。然后使用特征选择算法，对信号分解数据进行筛选，避免低质量数据对模型的影响。实验证明，相较于普通的反演模型，数据增强模型存在一定程度的准确率提升，在数据质量不佳时提升效果明显。　　最后，提出了一种基于结构化剪枝的轮轨力反演模型，降低了模型的硬件要求。在反演框架中增加了模型轻量化模块，通过模型修剪和性能恢复，精简了模型结构。首先使用结构化剪枝手段，对反演模型中的卷积层和全连接层进行修剪，减少了模型的参数量和计算量。然后使用性能恢复手段，消除剪枝对模型性能的影响。实验证明，通过对模型剪枝率进行调整，可以实现对模型规模与模型性能的平衡，得到既满足轮轨力计算准确率要求又不占用过多设备资源的模型。

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。

关键词： 高速列车   刚柔耦合模型   钢轨波磨   车轮多边形   轮轨激励   齿轮箱体   振动校核  

摘要： 齿轮箱体作为高速列车传动部件中最为主要的零部件之一,近年来有部分列车由于长时间运行,随着运行环境的恶化,在各种高频激励条件下齿轮箱体会产生疲劳破坏现象,轮轨激励是列车各零部件受到的振动加速度的主要激励源。即便通过列车悬挂系统进一步减振后,齿轮箱体也会受到来自轮轨间的高频影响,严重影响行车安全,因此本文考虑了列车运行环境下的轮轨激励,主要有钢轨波磨、车轮多边形和武广谱等激励对齿轮箱体的影响,本文主要研究内容如下:首先,运用SIMPACK动力学软件,基于车辆-轨道刚柔耦合动力学理论,考虑柔性钢轨和柔性齿轮箱体和列车负载共同建立了仿真模型,为进一步提高模型的准确性,将CN60钢轨和某型车的齿轮箱体作为建模依据,分别运用ABAQUS和ANSYS软件建立柔性体模型,并导入SIMPACK模型中,并对所建立的模型进行平稳性和临界速度指标进行验证;在此基础之上,选取齿轮箱体上4个测点振动加速度进行监测。其次,选取不同波长、幅的钢轨波磨,不同阶数、波深条件下的车轮多边形,对不同工况(曲线和含有武广谱),不同速度条件下,从时域、频域对齿轮箱体各测点处的振动加速度情况进行分析,分别对各主频进行简要说明,并运用信号处理理论对齿轮箱体的振动信号进行剖析,总结各工况条件下的齿轮箱体各测点处的振动影响。最后,考虑不同钢轨波磨、车轮多边形和武广谱的影响因素在不同速度条件下,利用齿轮箱体大齿轮轴承孔处的振动数据替代齿轮箱体整体振动数据,对齿轮箱体所受到的振动信号进行雨流计数,并对各种工况下的齿轮箱体静力疲劳进行估计,利用疲劳累计损伤理论进行评估。

关键词： 重载机车   再粘着防滑控制   最优阈值PID防滑控制   轮轨滚动接触行为   车轮踏面损伤  

摘要： 随着重载列车运行速度的提高、轴重的提升以及牵引吨位的增加,轮轨粘着问题显得尤为突出。列车在牵引制动过程中若轮轨粘着力不足将会导致车轮发生空转或打滑,不仅会造成一定的牵引力或制动力损失,降低牵引/制动效率,而且会引发车轮异常磨耗或剥离损伤等问题,影响重载列车安全平稳运行。为此,重载机车均配置了防滑控制系统以避免车轮打滑或空转现象的发生。然而,机车运行条件复杂多变,防滑控制策略设置不合理则无法实现对车轮滑行或控制的有效控制。因此,深入研究防滑控制策略对重载机车轮轨滚动接触行为的影响规律,从而提出机车防滑控制优化改进措施,具有重要的理论意义与工程应用价值。本文针对重载机车车轮磨损突出的实际问题,采用理论建模与仿真分析相结合的方法,研究不同防滑控制策略对轮轨滚动接触特性和车轮损伤的影响规律,主要研究工作包括:建立考虑防滑控制系统的重载列车-轨道三维耦合动力学模型,其中防滑控制模型包括再粘着防滑控制和定阈值PID防滑控制两种经典防滑控制模型、以及一种基于扰动观测器的最优阈值PID防滑控制模型;基于所建立数值仿真模型,分析牵引制动载荷和复杂轮轨粘着条件对轮轨滚动接触的影响;比较采用速度差判据、滑行率判据、加速度判据和加速度微分判据时对防滑控制效果和轮轨动态相互作用的影响,并对采用上述三种防滑控制模型时的轮轨滚动接触特性进行对比分析;基于车轮损伤预测模型,对比了牵引和制动工况再粘着防滑控制策略、定阈值PID防滑控制策略和最优阈值PID防滑控制策略作用下的车轮损伤情况;以电制动工况为例分析了采用加速度判据和滑行率判据时,控制阈值的变化对车轮损伤的影响。研究结果表明,牵引制动载荷和轮轨粘着条件对轮轨法向接触影响不大,但对轮轨切向力影响显著;再粘着防滑控制作用下牵引或制动载荷容易产生较大幅度的波动,定阈值PID防滑控制与最优阈值PID防滑控制在控制过程中力矩变化则较为平稳;相比于再粘着防滑控制和定阈值PID防滑控制,采用最优阈值PID防滑控制可提高轮轨粘着利用水平,但同时加剧了车轮踏面损伤程度;采用速度差、滑行率、加速度和加速度微分四种判据对滑行检测的速度依次加快;当采用加速度判据时,随着控制阈值增加,车轮损伤指标整体呈增大趋势;采用滑行率判据时,随着控制阈值的增大,车轮损伤指标总体呈现先增大后减小的趋势。综合考虑防滑控制阈值对车轮损伤和制动效率的影响,建议加速度阈值设置为1.2 m/s,滑行率阈值设置为0.09左右。

关键词： 声发射技术   轮轨传导特征   自回归检测模型   约束独立分量分析   密度聚类诊断  

摘要： 高速铁路是国家经济发展的支柱产业与交通命脉,也是高端装备制造业的标志性产品,它的发展与可靠运营惠及国计民生。在铁路逐渐向高速化、重载化发展的背景下,钢轨作为高铁系统内最重要的支撑部件之一,保障其长期安全也逐渐成为铁路发展规划的重要议题。在新兴无损检测技术中,声发射技术凭借其动态特征、高灵敏度、可及早发现内部裂纹等优势在工业探伤中得到了广泛应用。但在对动辄万余里的钢轨健康状态监测中,声发射传统的定点覆盖式监测方案显然代价过高且在实际应用中难于实现。为此本文围绕新型车载式声发射伤损检测技术对钢轨健康的监测问题及其相关的检测与诊断理论进行研究与改进,以降低声发射技术在铁路中的应用成本,提升声发射检测系统的工作效率,实现对高速铁路钢轨伤损的高效监测。本文主要围绕以下四方面开展了研究:首先研究了裂纹声发射在经过轮轨接触面传导时的声非线性定量描述。为解决声波透过接触面传播的声学特征建模问题,本文结合接触声传导理论、分形理论及瑞利积分方法建立了低速或准静态轮轨接触下声波透射的解析模型,本模型可定量描述声源特性、位置、接触介质等多种条件对透射声波频率特征的影响,并在设计搭建的轮轨接触实验平台上通过静态接触面透射试验验证了该模型对透射声场强度估计结果的可靠性。其次研究了基于数据驱动的轮轨滚动噪声的非线性自回归模型与滚动噪声消除问题,基于一种长短时记忆网络与生成式对抗结构建立了轮轨滚动噪声的自回归模型,并结合混沌理论指导了该模型的关键参数优化问题。在轮轨接触实验平台上通过对轮轨滚动噪声的自回归建模验证了轮轨激励产生的滚动噪声主体成分为连续型二次声发射,且本文的非线性自回归模型可实现对此类噪声的预测进而消除。继而研究了轮轨运动中的异常噪声抑制与裂纹信号源的提取问题,提出了一种基于高阶统计量约束的独立分量分析裂纹源提取算法。该方法可有效抑制混叠在观测信号中的异常噪声成分,与单纯的自回归去噪模型相比,增加约束独立分量分析后,残留的异常噪声干扰得到明显抑制,显著减小了声发射检测系统的误检率。最后研究了针对钢轨裂纹产生的声发射事件的无监督诊断问题。首先提出了一种基于内部评价指标与随机领域嵌入改进的密度聚类方法,并通过对指标的启发式搜索实现密度聚类敏感参数的自寻优,通过特征降维缓解了密度聚类的高维数据诊断效率,最后通过对钢轨试件拉伸试验中疲劳裂纹信号的安全阶段诊断验证了该方法可发掘钢轨劣化过程产生的声发射信号内在分布规律与本质特征,同时具备抗噪点干扰与复杂特征空间下的鲁棒性。综合以上四点,本文为基于轮轨传导特征的车载式声发射钢轨伤损检测方案提供了较为坚实的理论支持与可行性分析,对声发射技术在实际铁路中的应用具有一定的理论指导意义。

关键词： 轮轨关系   测量不确定度   蒙特卡洛法   黏着系数   蠕滑率  

摘要： 近年来,随着我国铁路快速发展,高速铁路关键系统技术的研究,特别是轮轨关系的应用基础理论研究越来越重要。其中,轮轨黏着-蠕滑特性直接影响高速列车的牵引、制动性能及运行品质。黏着-蠕滑特性通常采用纵向黏着力系数与纵向蠕滑率之间的关系曲线来表征,这两个参数需要通过黏着试验进行测量。国际上,通常采用测量不确定度来表示测量结果的质量,中国合格评定国家认可委员会（CNAS）作为实验室认可、检验机构认可的管理机构,明确要求检测、校准等实验室应该评定测量不确定度。国内外标准中规定的测量不确定度评定方法主要有GUM法（Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement,GUM）和MCM法（Monte Carlo method,MCM）。根据对文献资料的查阅及相关算例分析,发现GUM法存在一定的使用条件限制;传统的MCM法仅是针对输入量之间相互独立的情况,为此,相关学者进行了含相关性的MCM法研究,但都是针对相关系数矩阵正定的情况。既有的MCM法在评定测量不确定度时,无法考虑高速轮轨关系试验台轮轨纵向蠕滑率测量模型输入量之间的非正定相关性,为解决该问题,本论文新提出了一种迭代修正算法,结合相关数学变换,从而确定了考虑非正定相关性的MCM法实施步骤。根据高速轮轨关系试验台黏着试验方法和流程,确定了纵向黏着力系数和纵向蠕滑率的主要测量不确定度来源,进而对黏着力系数、不同速度级的黏着系数以及纵向蠕滑率的测量不确定度进行了评定研究,得到的主要结果及结论如下:（1）对于时速300km的黏着力系数测量不确定度,分别采用GUM法和MCM法进行了分析评定,评定结果均随着黏着力系数的增大而增大,MCM法评定得到的标准不确定度和扩展不确定度分别比GUM法的评定结果小2%～8%和6%～16%。采用MCM法对GUM法的评定结果进行了验证,结果表明:GUM法的评定结果未通过验证。由此,黏着力系数的测量不确定度宜采用MCM法进行评定。（2）结合黏着力系数的测量不确定度评定结果,对时速120km、200km、250km、300km以及350km各速度级黏着系数的测量不确定度进行了分析评定,评定结果随着速度的增大没有明显的变化规律。（3）对于时速300km的纵向蠕滑率测量不确定度,分别采用GUM法、MCM法和考虑非正定相关性的MCM法进行了分析评定,MCM法的评定结果严重偏离实际。对GUM法和考虑非正定相关性的MCM法的评定结果进行了对比分析,两种方法的评定结果随着纵向蠕滑率的增大均未发生明显变化,考虑非正定相关性的MCM法评定得到的标准不确定度和扩展不确定度分别比GUM法的评定结果小8%左右和21%左右。采用考虑非正定相关性的MCM法对GUM法的评定结果进行了验证,结果表明:GUM法的评定结果未通过验证,所以,纵向蠕滑率的不确定度宜采用考虑非正定相关性的MCM法进行评定。对黏着系数及纵向蠕滑率的测量不确定度评定,可为黏着试验的数据分析提供补充以及为其他参数的测量不确定度评定提供方法参考。

关键词： 高速动车组   电机   齿轮箱   齿轮啮合   牵引功率   牵引载荷   轮轨蠕滑  

摘要： 近些年,我国高速铁路事业发展迅猛,运营总里程数排名世界第一。但是随着列车运行速度的提升,对牵引力和制动力的要求也不断提高。牵引传动系统作为高速动车组的关键组成部分,承担着转向架的动力输出和转矩传递,是实现列车牵引和制动的核心部件之一,对高速动车组的运行品质和运行安全性都有着明显的影响,因此研究电机、齿轮箱和轮对等牵引传动系统主要部件的相关动力学特性具有十分重要的工程意义。本文具体开展的研究工作如下:(1)以国内某型高速动车组为研究对象,基于实际车辆系统动力学结构参数,利用多体动力学软件Simpack,采用子结构的建模方式,从轮轨模型到转向架模型再到车辆模型,自下而上建立了一动一拖两辆编组的高速动车组动力学模型,模型中考虑了完备的牵引传动系统,并添加了实测武广不平顺轨道谱激励。在此基础上,根据动车组牵引力、运行阻力和制动力计算的数学模型,利用所建列车动力学模型,依次实现了列车的牵引、惰行和制动。(2)研究了电机和齿轮箱在牵引、惰行、制动等三种工况下的振动情况,从时域和频域的角度对比分析了电机和齿轮箱振动加速度的特性。研究结果表明,在牵引和制动工况下,由于电机持续输出转矩,齿轮传动系统不断传递牵引力矩和制动力矩,所以电机和齿轮箱的振动比惰行工况更为强烈。在牵引和制动工况下,电机和齿轮箱的振动频率在低频和高频均有分布,惰行工况下,电机和齿轮箱的振动频率主要集中在低频区域。(3)研究了牵引、惰行、制动等三种工况下齿轮副的动态啮合特性,包括齿轮啮合刚度和齿轮啮合载荷。啮合齿数的交替变化使得齿轮啮合刚度也产生时变,齿轮啮合载荷按作用方向的不同可分为周向力、轴向力和径向力。其中,因为齿轮啮合周向力的波动最为明显,而周向力的方向实际上与齿轮箱体垂向振动加速度的方向相同,因此也加剧了齿轮箱体在垂向上的振动强度。(4)结合牵引功率的计算方法和牵引载荷的产生原理,对列车牵引过程中牵引功率和牵引载荷的变化特性进行了研究,并依此探究了二者之间内在联系。结果表明,牵引工况下,动车牵引拉杆处在拉伸状态,拖车牵引拉杆处在压缩状态。在恒力矩牵引阶段,牵引功率突增,牵引载荷也随之骤增;在恒功率牵引阶段,牵引功率保持不变,牵引载荷逐渐减小。(5)采用FASTSIM轮轨接触程序算法,研究了动车和拖车在牵引、惰行、制动等三种工况下的轮轨蠕滑性能,包括各工况下轮轨接触斑的大小,轮轨蠕滑率和轮轨蠕滑力的时间历程。分析结果表明,动车和拖车轮轨接触斑面积分别在90 mm和85 mm左右。轮对左右两侧车轮的纵向蠕滑力大小相似,方向相同,轮对左右两侧车轮的横向蠕滑力大小相似,方向相反。在电机和齿轮箱等牵引装置的影响下,动车轮轨蠕滑率和蠕滑力的变化特性比拖车更为复杂多样。图69幅,表16个,参考文献76篇。