关键词： 高速铁路   钢轨扣件   弹条   服役性能   车辆-轨道耦合动力学  

摘要： 钢轨扣件连接钢轨和轨下支承结构,是高速铁路轨道结构必不可少的关键部件,也是高速列车安全、平稳运行的重要保障。然而,在列车动荷载的长期反复作用下,以弹条断裂为典型代表的扣件疲劳损伤现象时有发生,这不但会增加高速列车运行的安全风险,还会增加扣件日常养护维修的工作量。目前,我国高速铁路的发展已经从大规模建设阶段进入了长期运营、管理和维护阶段,长期保持钢轨扣件处于正常服役状态是现阶段的重要任务之一。通过研究更为高效的钢轨扣件动力学分析方法,加深对扣件弹条振动特性的认识,揭示钢轨扣件服役性能与轮轨动态相互作用之间的相互影响,将有助于提高钢轨扣件的理论分析水平和养护维修水平,对保障高速铁路持续安全稳定运营具有重要意义。本文选取我国高速铁路无砟轨道广泛使用的WJ-8型钢轨扣件开展了以下研究工作:1.采用试验研究方法揭示了W1型弹条的振动特性,具体包括:通过开展实验模态分析,揭示了弹条在自由状态和安装状态下的固有振动特性;通过开展振动传递特性测试,揭示了钢轨垂向加速度和弹条垂向加速度之间的传递关系,并根据实测结果拟合了弹条加速度频响函数。2.基于模态叠加理论,利用有限元模型导出的固有频率和振型向量等模态信息,提出了直接在模态坐标系下列出弹条动力学方程的弹条动力学建模新方法,克服了由于弹条几何形状复杂导致的动力学建模困难问题。通过算例分析,将采用本文方法与采用Abaqus软件计算的结果进行对比,验证了方法的有效性。此外,还通过详细考虑弹条与相邻部件之间的垂、横、纵向接触力来模拟弹条的约束状态,根据所提出的建模方法建立了安装状态下的弹条动力学模型。3.基于车辆-轨道耦合动力学理论,通过引入本文建立的弹条动力学模型,以及能够考虑胶垫粘弹性和摩擦非线性特性的既有非线性胶垫动力学模型,建立了考虑扣件精细化建模的车辆-轨道耦合空间动力学模型(精细化系统模型),并编写了动力学仿真计算程序。精细化系统模型不但可以直接在车辆-轨道耦合大系统中分析轮轨动力相互作用对弹条动力学响应的影响,而且仅需开展一次动力学仿真计算即可得到分析区段内所有扣件的动力学响应,具有计算效率高的优点。4.根据现场实测轨面不平顺数据,拟合了波长范围为0.01～1 m的高速铁路轨道短波不平顺谱;通过将短波随机不平顺样本与长波随机不平顺样本叠加,得到了波长范围为0.01～200 m的随机不平顺样本,进而基于精细化系统模型开展了轨道随机不平顺激励下的动力学仿真计算,对扣件动力学响应进行了统计分析,揭示了车速、不平顺幅值对扣件动力学响应的影响规律。此外,还计算了曲线地段扣件的动力学响应,对比分析了过超高和欠超高工况下扣件动力学响应的变化情况。5.基于精细化系统模型,仿真计算了钢轨焊缝、车轮多边形和钢轨波磨等典型短波不平顺激励下的扣件动力学响应。针对钢轨焊缝激励,对比了枕上激励和跨中激励,以及凸A型、凸B型、凹型和双凹型四种焊缝激励的差异,分析了焊缝尺寸对扣件动力学响应的影响规律;针对车轮多边形激励,分析了车轮多边形阶数和幅值对扣件动力学响应的影响规律;针对钢轨波磨激励,采用实测钢轨波磨样本,分析了波磨区段内所有扣件的动力学响应,提出了根据弹条振动加速度阈值来评判弹条振动强度的方法。6.深入研究了钢轨扣件安装状态和参数状态对轮轨动力学性能的影响。围绕扣件安装状态,细致地分析了扣件松动、弹条扣压失效和轨下胶垫支承失效等三种情况对钢轨变形、胶垫受力和轮轨动力学指标的影响,以及轮轨动力学指标随扣件失效个数改变的变化规律。针对扣件参数状态的影响,筛选出了扣件模型中对轮轨动力学响应影响较为显著的敏感参数,并分析了扣件参数随机性对轮轨动力学响应的影响。

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： 地铁车辆   横向晃动   平稳性   轮轨匹配   轨道不平顺  

摘要： 地铁已经成为人们日常出行不可或缺的交通工具之一,其车辆运动稳定性、运行平稳性及运行安全性更是受到了人们的普遍关注。近年来,某型地铁车辆在实际线路的直线段高速运行时出现了低频横向晃动现象,严重影响了乘客的乘坐舒适性,引起了相关运营人员的高度重视。掌握地铁车辆的低频横向晃动机理,可为其控制措施的制定提供参考。因此,有必要对地铁车辆的横向晃动现象展开深入研究。针对某地铁车辆在直线段高速运行时出现的低频横向晃动现象,本文通过分析车辆不同部位的振动加速度明确了地铁车辆的低频横向晃动特征,建立了地铁车辆系统动力学模型,探究了地铁车辆低频横向晃动机理,分析了实测轮轨廓形匹配与轨道不平顺对地铁车辆横向晃动的影响。主要工作和结论如下:(1)对国内外有关轨道车辆转向架及车体蛇行运动的研究进行了综述,总结了不同类型车辆低频横向晃动的影响因素,提出了本文研究的技术路线。(2)对某型地铁车辆在实际线路条件下直线段高速运行时出现的晃动现象进行了调查测试,分析了车辆不同部位的振动加速度、车轮廓形及车辆发生晃动区段的轨道状态。结果表明:地铁车辆晃动特征为低频横向晃动,姿态为滚摆运动;轮轨型面存在相似的磨耗特征,车辆晃动区间的轨道不平顺存在较为明显的周期性特征。(3)以所研究线路车辆参数为基础,建立了地铁车辆系统动力学模型,利用实测数据对模型进行了验证。复现了车辆的低频横向晃动现象,结合车辆系统悬挂模态计算,明确了地铁车辆发生低频横向晃动时的振动形态为上心滚摆。(4)利用地铁车辆系统动力学模型,以所调查线路的轮轨状态为输入,开展了实际运行条件下的车辆动态仿真,研究了地铁车辆的低频横向晃动机理。结果表明:地铁车辆在直线段高速运行时,特定速度下的转向架蛇行运动频率与轨道激励频率、车体上心滚摆频率接近导致车辆发生了低频横向晃动;影响地铁车辆低频横向晃动的关键因素为轮轨匹配与轨道不平顺。(5)仿真研究了实测轮轨廓形匹配及轨道不平顺对地铁车辆晃动的影响规律。结果表明:实测轮轨廓形匹配引起的等效锥度变化对车辆横向晃动有较大影响;周期性方向不平顺对地铁车辆横向晃动的影响最大,4～25 m波长范围影响最为显著;16～22 m波长范围的周期性水平不平顺及扭曲不平顺对地铁车辆横向平稳性也有一定影响。(6)针对所研究地铁线路和车辆条件,提出了地铁车辆低频横向晃动的治理措施建议:提高车辆的蛇行运动稳定性;控制轮轨匹配的等效锥度处于较低水平;加强对轨道不平顺的管理,避免敏感波长范围周期性轨道不平顺的形成。

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： 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： 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： 车轮多边形   钢轨波磨   动应力   高频振动   疲劳损伤  

摘要： 随着高速铁路的快速发展,高速动车组车轮磨损及高速铁路运行线路的钢轨磨损现象越发严重。轮轨周期性磨耗的存在所引起的轮轨系统的高频振动,不仅影响轮轨接触关系,恶化运营品质,还会使车辆部件发生疲劳损伤,危及列车运行安全。为探究轮轨周期性磨耗对车辆高频振动特性及车轴疲劳损伤的影响,本文结合刚柔耦合动力学理论,建立CR400BF复兴号动车组拖车-轨道-轨底结构的刚柔耦合动力学模型,分析了轮轨周期性磨耗对轮轨系统高频振动特性及车轴疲劳损伤的影响规律。具体研究如下:1、依据CR400BF复兴号动车组拖车的动力学参数建立了基于柔性轨道、柔性轮对、柔性轨底系统的车辆-轨道-轨底结构刚柔耦合动力学模型,并基于实测数据,验证了模型的正确性。之后建立理想状态下的谐波轮轨短波不平顺数学模型并结合相应计算工况进行数学模型的导入。2、通过仿真计算,分析了不同车轮多边形、不同钢轨波磨工况单独存在时,CR400BF复兴号动车组拖车在不同运行速度下的轮轨力、钢轨振动加速度、轴箱振动加速度和扣件反支力等高频振动特性的变化规律。之后得到不同工况下的车轴动应力响应及影响情况。3、通过仿真计算,分析了轮轨周期性磨耗耦合作用下,CR400BF复兴号动车组拖车的高频振动特性的变化规律。之后将其与车轮多边形、钢轨波磨单独存在工况下的高频振动特性进行对比。最后得到耦合工况下的车轴动应力时间历程。4、结合Miner线性累计损伤理论以及修正后的S-N曲线,分析了不同工况的轮轨周期性磨耗对车轴疲劳损伤的影响。最后结合京沪线实测不平顺及京沪线曲线分布情况,计算车辆存在多边形时通过京沪线后的车轴损伤值,为后续研究打下基础。图87幅,表36个,参考文献63篇。

关键词： 非线性超声   非线性系数   U71Mn钢轨   轮轨黏着损伤   微裂纹  

摘要： 钢轨作为支撑铁路运输的重要部分,其安全性及稳定性对整个铁路运输有着极大的影响。随着我国铁路运输不断向高速化、重载化发展,钢轨不可避免的会在使用中产生各种损伤;同时长期的负载作用,会让损伤加剧恶化,最终造成钢轨断裂失效进而影响行车安全。因此为确保铁路运输的稳定性及安全性,对服役中的钢轨进行损伤检测是十分必要的。目前对钢轨损伤的检测多应用于传统的线性超声技术,但该技术只能检测宏观缺陷,对微小缺陷并不灵敏。而非线性超声检测技术能够突破传统的线性超声技术的限制,对材料的性能退化以及早期损伤的辨识具有独特的优势。因此,本文基于非线性超声检测技术开展对钢轨损伤行为的研究,具体内容如下:本文依据非线性超声理论推出一维条件下固体介质中的非线性波动方程,从理论上对单一频率激励下二阶非线性系数与基波幅值、二次谐波幅值的函数关系进行了分析。建立二维有限元仿真模型,研究超声波的传播过程及与微缺陷作用产生非线性效应的机理。为进一步研究不同程度损伤与非线性系数之间的关系,设计并建立非线性超声检测系统,对不同缺陷深度的钢轨材料开展非线性超声检测研究,分析不同缺陷深度下非线性系数的变化规律。最后建立高速轮轨黏着损伤实验,应用非线性系数表征U71Mn钢轨材料的疲劳损伤形成过程并研究其作用机理。经分析表明:黏着状态下的钢轨会长期受到压力载荷的影响,这会促使应力集中区域出现损伤情况形成微裂纹,并逐渐扩展最终导致材料断裂失效。非线性系数可以有效表征钢轨损伤形成的三个阶段,超声波在每个阶段作用产生的非线性响应效果不同,且在微裂纹稳定扩展阶段,相对非线性系数上升最为明显,非线性响应强烈,实验结果验证了非线性超声检测技术对钢轨早期损伤进行检测辨识的有效性。

关键词： 轨缝   轮轨接触关系   力学分析   几何廓形  

摘要： 钢轨接头是铁路线路三大薄弱环节之一。轮轨在轨缝处的损伤会随着列车速度和轴重提高不断增大,对此类问题的研究一直都是诸多专家学者研究的重点和难点。对在轨缝处的轮轨接触力学问题的研究,对车辆的安全运行及降低铁路运营成本具有重要意义。本文主要针对轨缝处的轮轨接触力学问题进行分析研究并开展了优化设计,并分析了具备不同几何廓形的车轮与钢轨在轨缝处发生接触情况下的力学特性。基于有限元法进行轮轨弹塑性接触计算分析,统计轮轨接触应力的分布及变化规律。首先运用轮轨接触几何学原理和弹塑性有限元接触计算理论,主要分析了具备不同几何廓形的各种机车车轮与60kg/m钢轨在不同宽度轨缝处的接触应力;对机车车轮发生偏置时在8-16mm轨缝处的接触力学问题进行计算分析;分别选取JM、JM2,JM3型踏面车轮和60kg/m钢轨为研究对象,研究具备不同几何廓形的车轮在轨缝处发生横移时,轮轨外形匹配关系对接触力学关系的影响。以数值计算结果为基础分析了车轮及钢轨在轨缝处接触时其应力变化规律;以上述计算分析结果为基础,对钢轨几何外形进行了优化设计。分析计算结果得出:轨缝的存在导致钢轨接触应力集中区域发生了显著变化,由内部转移至表面,易于造成钢轨表层损伤;随着轨缝宽度的不断增大,车轮及钢轨的接触应力也随之增大,在工程允许范围内,应尽量降低轨缝宽度;考虑到直线区段与多曲线区段轮轨匹配关系的变化,建议在平原地区采用JM型踏面车轮与60kg/m钢轨匹配,在山区采用JM3型踏面车轮与60kg/m钢轨匹配;对于轨缝处的钢轨轨端处增加倒角或圆角的优化方法可以有效的减小轮轨在轨缝处的最大等效应力,延长钢轨使用寿命。

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。