关键词： 轨道车辆   制动工况   黏滑特性   防滑控制   黏着改善  

摘要： 随着铁路的快速发展,轮轨间的黏滑问题日益凸显。轮轨接触面的黏着特性对轨道车辆的运行速度和制动性能具有决定性的作用。特别是低黏着制动过程中,轮轨间极易发生较大滑移,使制动距离变长并可能引发安全隐患。因此,进行制动工况下的轮轨黏滑特性研究变得极其重要。 本论文主要利用小比例试验台进行了不同轨面工况下的轮轨黏滑试验,确定了Polach黏着理论模型能够近似描述大滑移工况下的轮轨黏着特性;根据国际标准EN15595,建立了四轴车辆制动防滑控制联合仿真平台,验证了Polach黏着理论无法满足于低黏着制动防滑工况下黏着力的输入计算;考虑到因防滑控制周期性作用而导致的轮轨之间黏着状态的改变,通过引入滑动功率和滑动能对现有Polach黏着理论加以改善,提出了更适用于低黏着制动工况下的轮轨黏着模型,并验证了改进黏着模型的有效性。具体工作内容包括: (1)利用GPM-30滚动接触试验台探索了干态、水介质及油污染三种不同轨面状态下车速及轴重对轮轨黏滑特性的影响以及变化规律;特别针对大滑移工况下的黏滑特性,分析了黏着系数随车速及轴重变化而变化的原因;将Kalker简化理论模型(Fastsim算法)和Polach黏着理论模型与试验结果相比较,通过分析得出Polach黏着理论模型能够近似描述大滑移工况下的黏滑特性; (2)将Polach黏着理论模型用于制动控制仿真分析。根据标准EN 15595中对制动防滑控制的规定以及防滑控制装置的测试要求,利用MATLAB/Simulink和AMESim软件及相应的接口技术,共同搭建了四轴轨道车辆制动防滑控制联合仿真平台,分别进行干轨(不发生大滑移)和湿轨(大滑移并有防滑控制)制动工况下的制动性能仿真分析,将制动距离、制动时间、平均减速度和车速等参数的仿真结果与实车试验数据一一进行对比,得出现有的Polach黏着理论模型能够适用于干轨(不发生大滑移)制动工况下黏着力的输入计算,而无法适用于湿轨(大滑移并有防滑控制)制动工况; (3)考虑到由于防滑器周期性作用引起的轮轨间黏着状态的变化,在现有Polach黏着理论模型的基础上,引入滑动功率和滑动能的概念,给出了适用于低黏着制动防滑控制中的黏着模型;通过制动距离、制动时间、平均减速度、车速及滑动量误差仿真值与试验值的对比分析,得出仿真结果均满足EN 15595中的相关要求,验证了改进黏着模型的有效性。 本文给出的改进低黏着模型更好地再现了制动防滑工况下轮轨间的低黏着状态;建立的四轴车辆制动防滑控制仿真模型能够有效的模拟低黏着工况下的制动防滑过程,后续可用于半实物仿真平台搭建,进一步开发和优化制动防滑控制策略。

关键词： 弹性车轮   三维滚动接触有限元模型   橡胶份数   钢轨焊接接头   钢轨波磨   冲击噪声  

摘要： 随着我国经济的飞速发展,多个大中型城市已经开通了轨道交通运营线路。随着交通便利而来的是严重的噪声污染,地铁车辆通过某些路段时会产生刺耳噪声,不仅降低了乘客的乘坐舒适性,还会对线路沿线的居民区和商业区造成严重影响,严重时还会缩短车轮和钢轨使用寿命,开展地铁线路的减振降噪具有重要意义。使用弹性车轮对减小轮轨振动、降低轮轨噪声具有显著效果。目前弹性车轮的橡胶是以块状形式均匀分布在轮芯和轮辋之间,能有效降低弹性车轮刚度,提高弹性车轮的性能。虽然分块式橡胶弹性车轮能有效降低轮轨系统间的相互作用力,但其形式也破坏了车轮的整体性和轴对称性,可能会对弹性车轮系统的轮轨振动噪声产生影响,也可能会影响线路的运行匹配。因此本文基于有限元–边界元方法探究了橡胶份数和通过冲击时对弹性车轮轮轨噪声特性的影响。本文的主要研究内容如下所示:首先,基于稳态建立弹性车轮模型和无限长钢轨模型的轮轨噪声预测模型。在橡胶块之间的缝隙中心和橡胶块中心正上方的名义滚动圆处施加激励,模拟车轮在钢轨上滚动中的受力,来判断橡胶份数对车轮的整体性和轴对称性产生的影响。然后利用移动粗糙度的方法获取弹性车轮的轮轨力和轮轨噪声。结果表明橡胶份数对车轮噪声的影响较大,然而对钢轨噪声影响较小。橡胶的弹性模量和损失因子对轮轨噪声影响较大,泊松比则对弹性车轮的轮轨噪声影响较小。其次,考虑到材料的非线性和大变形,建立不同橡胶份数下弹性车轮的三维瞬态滚动接触有限元模型。传统模型未考虑车轮的旋转效应,会在初始阶段引入较大的初始激扰,造成轮轨力剧烈波动。因此本文在隐式计算时考虑车轮旋转效应,结果显示算法改进后会极大减小初始冲击带来的轮轨力波动,使模型更快进入稳定状态,故可以缩短过渡区长度,减小求解矩阵维度,缩短求解时间,提高计算效率。最后,基于三维瞬态滚动接触模型引入钢轨焊接接头和钢轨波磨两种类型的钢轨冲击情况,探究弹性车轮通过不平顺时轮轨力特性和轮轨噪声的变化情况。弹性车轮在短波长的焊接接头线路上能发挥出减振降噪的效果,而在长波长线路上表现较差,会使轮轨噪声高于整体车轮轮轨噪声。在文中所选的波磨线路上均有一定的减振降噪效果。

关键词： 高速列车   轮轨系统模型   速度跟踪控制   自抗扰控制   滑模控制  

摘要： 高速铁路是国民经济发展的命脉,它的疾速发展与经济的腾飞密切联系。近年来,我国高铁技术突飞猛进,在运行速度和覆盖区域上都有了很大的提高,但还不足以完全应对当前形势下的挑战。因此,为了能更好地适应高速铁路复杂的运营环境和条件,满足控制精度更高、安全性能更好等要求,对高速列车及其自动驾驶技术展开研究具有重要意义。本文主要研究内容及创新点总结如下:（1）构造高速列车轮轨系统模型。通过对高速列车的驾驶过程进行受力分析,明确列车运行过程中所受到的各项控制力;为避免空转、打滑现象危及列车的安全运行,对轮轨间黏着现象展开了介绍;根据黏着理论、齿轮传动理论以及利用牛顿定律对列车进行受力分析,构造了更合理的高速列车轮轨系统模型,为进一步有关于高速列车控制方法的研究提供了参考。（2）基于高速列车轮轨模型设计改进型自抗扰控制器。描述了自抗扰控制技术（Active Disturbance Rejection Control,ADRC）的基本原理及各组成单元,设计了一种ADRC控制器对列车轮轨模型进行速度跟踪控制;利用非线性光滑函数——类双曲正切函数,对简单的基于非线性函数的ADRC算法进行了改进;通过与PID控制器和ADRC控制器进行速度跟踪对比,验证了本文所设计的改进型ADRC控制器能够对列车轮轨系统模型内部各不确定项以及外界各扰动进行观测和补偿,抗干扰能力强,实现了跟踪目标速度曲线的目的,控制效果较好。（3）基于高速列车轮轨模型设计自抗扰滑模控制器并对其进行改进。描述了滑模控制算法（Sliding Mode Control,SMC）的原理,设计了一种SM-ADRC控制器对列车轮轨模型进行速度跟踪控制;为改善滑模算法的抖振问题,由饱和函数来取代原控制器中的符号函数,提出了一种改进型SM-ADRC控制器;由速度跟踪实验对比了滑模控制器、SM-ADRC控制器和改进型SM-ADRC控制器的控制结果,验证了该控制器在具有强抗干扰能力的同时控制转矩输出平稳,抖振问题得以改善,且鲁棒性强。本文通过研究高速列车的驾驶过程以及轮轨间的黏着特性,构造了列车轮轨系统的动力学模型,设计了一种改进型ADRC控制器以及改进型SM-ADRC控制器控制列车跟踪目标速度曲线,根据跟踪结果印证了本文所设计控制器的有效性。

关键词： 磨损实验   固体润滑剂   磨耗量   表面硬化   表面疲劳损伤  

摘要： 随着地铁运行速度和客流量的不断增加,轮轨磨损问题日益严重,润滑是最有效的减磨方法之一。相比润滑油,固体润滑剂具有效果好、价格低和应用方便的优点,且不会引起油楔效应。本文以二硫化钼和两种石墨基的3种不同固体润滑剂为研究对象,使用GPM-60摩擦磨损实验机对新型CL60钢车轮和原CL60钢车轮及与其对磨的U75V钢轨试样组进行了摩擦磨损实验,以研究不同的固体润滑剂对降低轮轨磨损的影响。分析了4种不同润滑工况对轮轨试样的磨耗、表面硬化、疲劳损伤的影响规律。本文的主要内容和创新点如下:（1）介绍了实验所需的轮轨材料和3种固体润滑剂的成分;根据润滑材料及轮轨试样,设计了8组不同实验工况;依据赫兹准则,模拟实际地铁14t轴重、70km/h的典型工况,计算了轮轨试样的几何尺寸、模拟实验速度和实验载荷等参数;改装了润滑装置及对应的固定支架。（2）研究了干态和3种不同固体润滑剂对轮轨试样的磨耗量、磨耗率、轮轨总磨耗的影响。结果表明:固体润滑剂的使用明显降低了轮轨试样的磨耗,相比干态工况,Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型固体润滑剂作用下,新型CL60-U75V和CL60-U75V轮轨总磨耗量分别降低了94.25%和95.07%、80.01%和82.15%、78.10%和81.31%。Ⅰ型固体润滑剂的减磨效果最好,Ⅱ型固体润滑剂次之,Ⅲ型固体润滑剂相对较差。（3）研究了不同固体润滑剂对轮轨表面硬度的影响规律,并进一步分析了轮轨表面硬度对磨耗的影响。结果表明:随着运转次数的增加,4种工况下的轮轨试样表面均发生了不同程度的硬化现象;与干态工况相比,Ⅱ型和Ⅲ型两种固体润滑剂的使用降低了2组轮轨试样的表面硬化率。在磨合阶段,轮轨表面硬度和车轮磨耗率均呈现出快速增加的趋势;在磨合期后,车轮磨耗率会随着表面硬度的增长而下降,而钢轨磨耗率和表面硬度则趋于相对稳定。（4）从轮轨试样表面宏观形貌、微观形貌、塑性变形以及横截面裂纹等方面,研究了不同固体润滑剂对轮轨表面疲劳损伤的影响。研究表明:固体润滑剂的使用明显降低了轮轨表面宏观磨痕宽度,但加重了试样表面的疲劳损伤和裂纹现象;Ⅰ型固体润滑剂减小了新型CL60钢车轮表面塑性变形层的厚度,增加了CL60轮试样的变形层的厚度,同时均减轻了车轮试样表面的裂纹损伤;Ⅱ型固体润滑剂同时提高了两种车轮材料的表面塑性变形层厚度,加重了车轮试样表面的裂纹现象;Ⅲ型固体润滑剂则同时降低了两种车轮材料的表面塑性变形层厚度,加重了车轮试样表面的裂纹现象;同时,固体润滑剂的使用均使钢轨表面的裂纹损伤更为明显。研究不同固体润滑剂作用下的地铁轮轨磨损规律,对进一步降低轮轨磨耗,减少接触面疲劳损伤,延长轮轨寿命,提高车辆安全性具有一定的指导意义。

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。