关键词： 高速铁路   轮轨噪声   边界元法   槽型梁   降噪效果  

摘要： 随着时代发展,我国高速铁路的发展规模日趋扩大。在高速铁路建设的过程中,铁路噪声的问题也日趋突出,影响居民的正常生活。与此同时,随着桥梁技术的不断成熟,应运而生的槽型梁在功能上有着独特的优势,能够起到减振降噪的作用,但在高速铁路桥梁中还未得到较为广泛的应用。本文以高速铁路噪声中占主要部分的轮轨噪声为例,以简支箱梁与槽型梁作为研究对象,探究梁形式、截面参数的改变对轮轨噪声声场产生的影响,并对高速铁路槽型梁的适用性提升进行研究。主要的研究内容和结论如下:(1)建立了轮轨噪声声源在空气中传播的衰减公式。基于标准声源库对原有时速300km/h轮轨噪声声源进行修正,通过噪声软件SYSNOISE计算得到声压级衰减曲线。根据数据拟合原理,建立了一种新的与不同频率、水平距离相关的声源衰减公式,与软件计算结果相比误差较小。(2)基于原有速度级下的轮轨噪声声源建立了一种声源推广方法。根据声能量原理,得到声能量与速度、频率间的关系,由此推广得到时速280 km/h和320km/h的轮轨噪声声源。对某高速铁路简支箱梁桥进行了现场实测,并基于SYSNOISE的二维边界元方法建立了箱梁声场计算模型,分别将两种推广声源作为输入条件,计算箱梁的轮轨噪声声场。通过计算与实测对比验证了计算方法的正确性和声源推广方法的有效性。(3)建立了槽型梁的轮轨噪声计算模型。在声学计算方法的正确性得到验证的基础上,建立了槽型梁的轮轨噪声计算模型。针对槽型梁梁侧的轮轨噪声声场进行了分析,探讨了不同桥墩高度、不同行车速度的影响,与箱梁的轮轨噪声声场进行了对比。结果表明:墩高增大对梁侧场点的降噪效果是有益的,行车速度增加对梁侧场点的降噪效果是不利的。相比于箱梁,槽型梁的降噪效果更佳,适用性更好。(4)分析了截面参数与声屏障对槽型梁降噪效果的影响。基于低噪声原则从两方面对槽型梁进行了降噪设计,建立了不同截面参数和加装不同形式及参数声屏障的槽型梁轮轨噪声计算模型,并与加装声屏障后的箱梁进行了对比。结果表明:场点声压级随腹板厚度增加而增大,随腹板高度的增加而下降,不同方向场点声压级对腹板倾角变化的敏感度有一定差异,场点声压级随底板厚度增大而降低,对翼缘板长度变化的敏感度已不如前述截面参数。加装声屏障后,声屏障形状对槽型梁的降噪效果影响显著,可在合理范围内选择声屏障的高度、厚度及位置;对于两种梁而言,加装声屏障后的箱梁其降噪效果更好。

关键词： 地铁轮轨噪声   有源降噪   隔声结构   声学间接边界元   声学有限元  

摘要： 地铁列车行驶以及进、出车站时的噪声以轮轨噪声为主,其主要频率范围由低频段和高频段组成。过大的列车行驶噪声会影响地面段沿线的较大范围区域,干扰该区域内人们的生活与工作;过大的站台噪声会降低站务工作人员及乘客的舒适度,并影响广播系统的语音清晰度。为了显著降低轮轨噪声污染,所采用的降噪措施需确保高频噪声和低频噪声均能被明显消减。因为传统隔声结构对高频噪声的降噪效果显著,对低频噪声的降噪效果差,致使轮轨噪声传播至隔声结构的声影区内时,噪声的低频成分对噪声总声压级的贡献量明显提高;有源降噪(即噪声主动控制)设备通过声波干涉相消的方法,可使低频噪声实现显著降低。本文构建一种主被动降噪(即噪声主被动控制)设施,该设施由有源降噪设备与隔声结构组成,有源降噪设备只释放低频率的有源声波,从而消减隔声结构声影区内噪声的低频成分,以提高总声压级插入损失。目前将有源降噪设备应用于轨道交通降噪的研究很少,本文在理论计算、数值仿真及现场试验数据分析的基础上,研究主被动降噪设施的降噪特性。建立了由地铁列车、轨道结构、声屏障、地面、噪声源所共同构成的声学间接边界元模型,从而模拟轮轨噪声半自由场,并基于北京地铁13号线地面段沿线实测数据验证了模型的正确性;建立了由地铁列车、隧道、屏蔽门、站台区域、噪声源所共同构成的声学有限元模型,从而模拟轮轨噪声长空间场,并基于北京地铁6号线地下站台实测数据验证了模型的正确性。基于动力学理论建立车辆-线路动力学模型,从而模拟车辆在曲线段的动力响应,研究不同车速、曲线段线路参数条件下的车辆横向位移规律,并以确保各动力响应指标不超限为控制条件,确定与轮轨对应的曲线地段设备限界,从而为声场模型中有源降噪设备的布设提供限制条件。在所建立的声学仿真模型中,沿轨道纵向增设有源点声源列,相邻有源点声源的间距均相等,并令有源点声源列位于列车设备限界与直立型隔声结构之间所夹的区域内,从而研究有源降噪频段、有源声源的最佳位置、有源降噪区的位置、有源降噪量、隔声结构的合理高度。基于辐射声波叠加原理,构建由双点噪声源所辐射噪声波与有源声波叠加所得的受声点处合成声压数学模型,通过理论推导来研究有源降噪频段、有源声源的最佳位置、有源降噪区边界。本文主要研究结论如下:(1)确定了该主被动降噪设施的设计参数值:有源点声源列的位置应满足与轨道中心线的横向距离等于噪声波长、与噪声源具有相同高度、纵向间距小于噪声半波长;在车体两侧对称设置有源声源及隔声结构时的降噪效果比只在单侧设置时更好;有源声源沿横向距轨道中心线的最近距离宜为1.1m;当隔声结构与轨道中心线的距离为3m、3.5m、4m、4.5m、5m、5.5m、6m时,隔声结构高度分别不宜低于4.5m、4.35m、4.2m、4.1m、3.95m、3.85m、3.8m。(2)确定了地面区段半自由声场内主被动降噪设施的降噪效果:有源降噪频段为150～320Hz,频率越高则有源降噪区域的面积越大;合理设置有源声源可使隔声结构声影区内受声点的总声压级普遍降低3～12d B,使声影区外受声点的总声压级增量普遍小于3d B,对车内声场影响很小。(3)确定了地下车站长空间声场内主被动降噪设施的降噪效果:有源降噪频段为150～340Hz;合理设置有源声源可使隔声结构声影区内(即站台区)受声点的总声压级普遍降低3～9d B。

关键词： 轮轨   弹性碰撞   分岔   混沌  

摘要： 轮对作为铁道车辆走行部的关键部件,其轮轨几何关系复杂,轮轨的碰撞振动对车辆运行的稳定性影响较大,出现问题时会影响行车安全。因此,有必要对轮轨的碰撞振动特性进行研究,本文主要研究轮对在蛇行激励下轮轨系统的动力学行为特征。论文以轮轨为研究对象,应用有限元方法对钢轨做静态分析求出钢轨的等效刚度,在不考虑摩擦的情况下,忽略轮对的侧滚和摇头运动,认为轮对的横向和垂向运动为弱耦合,分别建立不同的力学模型来研究车辆轮轨间的非线性动力学特性。求得运动微分方程的解析解,应用四阶龙格库塔法进行数值仿真,求出系统的数值解,通过系统的分岔图、时间历程图、相图、Poincare截面图和频谱图等对仿真结果做动力学特性分析。研究发现轮轨系统发生了 Hopf分岔、内依马克-沙克分岔、环面倍化、激变等通往混沌的道路。首先,根据自由轮对和轨道的接触关系,建立了两自由度轮轨系统弹性碰撞振动模型,仿真分析了系统在频率、一系悬挂垂向阻尼C2和一系悬挂横向刚度K1下的非线性动力学行为。研究发现两自由度轮轨弹性碰撞振动系统在相应的系统参数下,发生了Hopf分岔、边界激变和倍化分岔等分岔行为,揭示了通往混沌的道路,系统可以由三周期运动直接进入混沌,且轮轨系统对一系悬挂横向刚度K1比较敏感。其次,考虑单自由度车体对轮轨关系的影响,建立了四自由度轮轨系统弹性碰撞振动模型,应用Floquet理论对轮轨系统做了稳定性分析。仿真分析了系统在频率ω和一系悬挂垂向阻尼C2下的非线性动力学行为,研究发现系统主要由单周期运动经过光滑的Hopf圈逐渐膨胀后进入混沌。此外,一系悬挂垂向阻尼C2也会对轮轨横向稳定性产生影响,在阻尼值太小或过大时,均会使轮轨系统进入混沌运动状态。最后,考虑四分之一车辆和钢轨之间的轮轨关系,建立了四分之一车辆轮轨系统弹性碰撞的振动模型,由于该模型较为复杂且来源于工程实际,仿真发现轮轨系统有丰富的周期转迁行为、五周期运动、内依马克-沙克分岔、Hopf分岔和环面倍化等进入混沌的多重途径。另外,一系悬挂横向刚度K1也会对车辆轮轨横向稳定性产生影响,轮对的速度随刚度的增大得到了快速的收敛。将系统参数返回到原始模型,车辆轮轨系统的仿真参数基本在所设定的参数附近浮动,该研究结果具有一定的对现实的指导意义。

关键词： 硬度匹配   磨损机制   疲劳损伤   微观组织演变   优化选用  

摘要： 车轮与钢轨作为相互影响的一对滚动摩擦副,其材料的合理匹配对轮轨服役具有关键影响。随着铁路向高速重载化发展及新型优质轮轨材料的开发应用,铁路系统中轮轨材料的匹配行为变得越来越复杂。因此,深入开展不同材料/硬度匹配条件下轮轨磨损与损伤行为研究,揭示轮轨材料微观组织演变机制,对轮轨材料的合理匹配选用、延长服役寿命具有重要理论指导意义。论文利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机和WR-1轮轨滚动磨损试验机开展了不同材料/硬度匹配、不同蠕滑率和改变车轮滚动方向等服役条件下的滚动磨损试验。利用维氏显微硬度仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射、透射电子显微镜、X射线衍射仪等测试手段系统分析了轮轨材料磨损与损伤行为,揭示了滚动接触过程中轮轨材料微观组织结构演变机制,建立了硬度-Tγ/A磨损图和疲劳损伤机制图,开展了轮轨材料优化匹配与选用初步研究。论文研究主要结论如下:1.阐明了滚动接触过程中材料硬度、蠕滑率和滚动方向对轮轨磨损与损伤的影响(1)在1%蠕滑率、1500MPa接触应力下,交叉匹配了5种硬度车轮材料(ER7、ER8、CL60、C级和D级)和4种硬度钢轨材料(U71Mn、U75V、U78Cr VH和过共析钢轨)。随车轮硬度增加,车轮和钢轨磨损率都降低;随钢轨硬度增加,车轮磨损率轻微增加,含高硬度C级和D级车轮的材料副中轮轨磨损率都明显低于其他轮-轨副。在0.7～1.6的轨/轮硬度比(H/H)范围内,车轮和钢轨磨损率都随H/H的增加而增加。高硬度C级、D级车轮材料以及U78Cr VH、过共析钢轨材料的表面损伤相对较轻微,与“标准材料副”ER8-U71Mn的疲劳裂纹相比,优质U78Cr VH和过共析钢轨材料疲劳裂纹显著较短。(2)随蠕滑率从0.17%增加到9.43%,ER7、CL60、C级车轮和U75V钢轨磨损率都呈增加的趋势。随车轮硬度的降低和蠕滑率的增加,车轮损伤机制由轻微起皮、轻微疲劳磨损最后向严重剥落、严重疲劳磨损转变;随车轮硬度的增大和蠕滑率的增加,钢轨疲劳损伤机制由轻微起皮和棘轮失效向剥落和黏着损伤转变,磨损机制从疲劳磨损向疲劳与黏着磨损的混合磨损转变。(3)在CL60-U75V材料副中,改变车轮滚动方向后,随反向滚动循环次数的增加,车轮磨损率先降低再逐渐增加,车轮表面损伤逐渐向反向起皮发展,车轮塑性变形和疲劳裂纹扩展方向也逐渐反向,换向初期车轮近表层形成了“波浪状”变形结构。随换向周期的减小,车轮磨损率降低,表面损伤和塑性变形深度减小。2.揭示了不同硬度与服役条件下轮轨材料微观组织演变机理在滚动接触过程中,不同硬度轮轨材料都经历了3个阶段的应变诱导动态再结晶过程:位错增值与位错缠结、低角度晶界亚晶粒结构的形成和向高角度晶界等轴超细晶粒结构的转变。随着轮轨材料最表层微观结构再结晶和组织细化程度的增加,轮轨磨损率减小。高蠕滑率产生的大剪切应力有利于促进轮轨材料的塑性流动和动态再结晶。改变车轮滚动方向初期,材料最表层由初始应变诱导的超细晶粒在反向剪切应力的作用下反向滑移和偏转。研究认为在适当范围内减少车轮材料先共析铁素体含量和钢轨珠光体片层间距,使材料在变形过程中最表层组织结构更细密,将有利于提高材料耐磨性。3.提出了考虑磨损与滚动接触疲劳的轮轨材料初步使用建议基于对Tγ/A在0～120N/mm、车轮硬度260～400HV、钢轨硬度280～440HV广阔区间内的试验结果统计,建立了硬度-Tγ/A磨损图和疲劳损伤机制图,阐明了材料硬度和接触参数对轮轨材料磨损率的共同影响:当轮轨硬度较低时(<300HV),轮轨磨损率随Tγ/A的增加而显著增加;当Tγ/A较高时(>60N/mm),轮轨磨损率随硬度的增加呈减小的趋势。基于滚动磨损试验研究结果,从降低轮轨材料磨损率与疲劳损伤考虑,提出了轮轨材料初步使用建议:在不影响使用性能的前提下,在合理范围内增大轮轨材料硬度,其中,车轮硬度>320HV、钢轨硬度>300HV为宜,同时轮轨材料匹配系统中H/H<1,车轮硬度略高于钢轨硬度。

关键词： 高速列车   齿轮传动系统   车轮多边形   钢轨波磨   动态响应   共振  

摘要： 随着我国高速铁路运行里程的持续增长、运行线路的复杂化及列车运行速度的不断提高,轮轨周期性磨耗现象愈发突出,导致轮轨冲击加剧,引起高速列车各部件尤其是位于簧下的齿轮传动系统剧烈振动,且在实际线路运营中已出现齿轮传动系统发生故障的情况,严重威胁高速列车的行车安全,因此研究轮轨周期性磨耗对高速列车齿轮传动系统的影响,对保证齿轮传动系统的安全服役具有重要意义。本文以高速列车齿轮传动系统为研究对象,进行了以下研究:首先,本文利用SIMPACK多体动力学软件和ANSYS有限元分析软件,考虑了齿轮外形、时变啮合刚度、动态传递误差、齿轮箱体实际结构和弹性变形、滚动轴承滚子数量以及内外圈的非线性接触等因素,建立了含有齿轮传动系统的高速列车刚柔耦合动力学模型。同时考虑了轨枕和轨下弹性,建立了轨道双层支撑模型。然后,介绍了轮轨周期性磨耗的特点,采用谐波函数法模拟了车轮多边形激励并利用MATLAB软件编程模拟了钢轨波磨激励。通过对齿轮传动系统内部啮合状态和齿轮箱体振动响应的时频分析,系统阐述和总结了不同速度下车轮多边形阶数和波深对齿轮传动系统的影响以及钢轨波磨波长和波深对齿轮传动系统的影响,并对比分析了车轮多边形激励和钢轨波磨激励对齿轮传动系统影响。同时还分析了轮轨周期性磨耗激励与箱体共振之间的关系,以及共振工况与非共振工况下轮轨周期性磨耗激励对齿轮传动系统的影响。最后,分析了车轮多边形激励和钢轨波磨激励共同作用即轮轨复合激励对齿轮传动系统的影响。通过时频响应分析,阐述和总结了轮轨复合激励作用下齿轮传动系统各参数随多边形阶数增加或波磨波长减小的变化规律,并与车轮多边形激励下、钢轨波磨激励下进行对比。研究结果表明:在轮轨周期性磨耗激励作用下,齿轮传动系统各参数与轮轨周期性磨耗的波深呈正相关;随车轮多边形阶数的增大或钢轨波磨波长的减小,齿轮传动系统各参数在轮轨周期性磨耗激励频率接近共振频率时增大,在远离共振频率时减小;同一速度和波深下,车轮多边形激励较钢轨波磨激励对齿轮传动系统的影响更大;而轮轨复合激励较车轮多边形激励、钢轨波磨激励对齿轮传动系统的影响更恶劣,主要体现为齿轮传动系统动态响应时域上均有明显提升且波动更加剧烈,频域上频率成分更加丰富。

关键词： 结构光   金属轮轨   曝光融合   镜面反射   图像修复  

摘要： 随着我国铁路事业快速发展,轨道交通安全日益重要,通过研究高速状态下的轮轨接触姿态,分析轮轨病害状况,能够维护铁路运营安全。对于运动中的轮轨接触测量需要采用非接触式测量方式,高精度非接触式测量通常采用结构光,而由于金属轮轨高镜面反射特性以及不良光照条件的影响,投射到金属轮轨上的结构光会产生过曝光和信息缺失的问题,大大降低了测量精度。因此,本文以改善金属轮轨结构光图像质量为目标,主要研究内容如下:(1)针对不均匀光照条件下图像存在过曝光与欠曝光区域的问题,提出了基于曝光融合模型的图像自适应曝光恢复算法。首先通过场景光照图计算权重矩阵,权衡曝光良好像素的占比,其次根据相机响应模型生成多曝光图像,最后将原图与多曝光图像进行融合得到增强图像。实验验证了本文算法能够自适应的对图像中过曝光与欠曝光像素进行曝光恢复,避免了传统图像增强算法的过度增强与颜色失真的问题,并且本文算法相比其他主流的图像增强算法在PSNR与MSE等图像评价指标上表现更好。此外本文算法仅需要单张图像即可实现曝光融合,具有较高实时性,能够应用于动态场景中。(2)针对金属轮轨表面高镜面反射造成图像中像素过饱和的问题,提出了基于色度空间的镜面反射去除算法。以双色反射模型为基础,通过对轮轨结构光图像计算漫反射色度,在该色度空间中对像素进行聚类,计算聚类后像素的反射强度比,根据反射强度比将镜面反射分量分离出来。实验验证了本文算法能够高精度去除金属轮轨图像中的镜面反射,并且本文算法处理结果相较于其他镜面反射去除算法的结果得到的PSNR值与SSIM值更高,去除镜面反射分量后的图像失真更少。(3)针对金属轮轨结构光图像在去除镜面反射后出现图像失真区域的问题,提出了基于边界像素匹配的图像修复算法。首先计算待修复区域边缘像素的修复优先级,并在邻近区域寻找相似像素区块进行填充修复,通过结合结构光条纹编码信息计算出条纹中心线,沿着条纹中心线的方向进行搜索相似区块。实验验证了本文算法能够有效恢复图像中结构光条纹失真部分,并利用结构光空间结构信息提高了算法修复的精确度与算法效率。

关键词： 高速列车   多体动力学   气动载荷   轮轨匹配   蛇行运动   安全性  

摘要： 当列车跨线运行或经过钢轨异常打磨区段,轮轨匹配关系复杂多变,异常的轮轨匹配关系会导致车辆发生蛇行运动现象,影响乘坐体验及行车安全。当车辆蛇行失稳未达到报警条件时,列车仍保持高速运行。此时,列车与周围环境的相互作用将不容忽视。本文考虑列车在环境中高速运行时所受的空气动力作用,基于多体动力学理论和流固耦合离线仿真计算方法,研究了异常轮轨关系与气动载荷对列车的蛇行运动稳定性及动力学性能的影响情况。根据计算结果提出了针对性的建议,对确保列车的安全运行具有一定的工程指导价值。本文以国内某型高速列车为研究对象,主要做了以下工作:(1)利用SIMPACK多体动力学软件建立了三编组列车动力学模型。通过仿真分析了列车在正常锥度、异常低锥度和异常高锥度三种轮轨匹配关系下表现出的稳定运行、车体蛇行和构架蛇行现象。通过对三种运动状态下列车动力学性能的对比,总结了稳定状态和不稳定状态的动力学性能差异。(2)利用SOLIDWORKS软件建立了简化的列车三编组几何模型。考虑单列车受定常稳态横风作用和两列车等速交会两种典型运行工况,利用FLUENT流体数值计算软件分析比较了列车在两种典型工况下各节车辆的压力特征和气动载荷特性。计算结果表明,头尾车气动力差异明显。此外,通过对比200 km/h速度下列车交会时车体横向振动加速度的仿真结果和实测结果对模型进行了验证。(3)采用流固耦合离线仿真计算方法,从运动姿态、运行品质以及安全性指标等方面,研究了异常轮轨关系与气动载荷对车辆蛇行运动稳定性及相关动力学性能的影响规律。研究结果表明,在横风作用下:头车车体横移量远大于尾车,不同轮轨匹配关系下的车体和轮对运动姿态有明显差异。列车速度为200 km/h和250 km/h时,横风会加剧低锥度车体蛇行时的列车尾摆现象。列车速度为350 km/h时,异常高锥度构架蛇行时列车无抗风能力;列车速度在300 km/h以下,异常低锥度车体蛇行时抗风能力最差,且随着列车运行速度提高,允许安全风速不断降低。列车交会将引起异常低锥度车体蛇行运动的加剧;列车在异常高锥度构架蛇行状态下高速(350 km/h)交会时存在脱轨风险,在其他速度下交会对高锥度构架蛇行运动的影响很小。针对高锥度构架蛇行时高速运行适应环境差这一恶劣工况,通过优化抗蛇行减振器阻尼,可以提高列车在高速运行下的抗风能力。

关键词： ANSYS二次开发   APDL语言   轮轨耦合动力特性   显式积分   隐式积分   仿真平台   参数影响  

摘要： 高速列车在行驶过程中会导致轨道结构动应力增加,这反过来加剧了车体振动。针对车辆-轨道相互作用这一问题,国内外学者通常采用不同编程语言编程或联合多体动力学软件和有限元软件的方法,在车辆-轨道耦合系统动力学这一领域进行大量的研究。这些方法的计算效率比较高且能够精确仿真车辆模型,但建模严重依赖系统构型,对于不同的轨道结构型式,动力学方程需要重新推导,程序编制难度较大,复杂的轮轨接触关系不易考虑;联合仿真需运用不同软件,软件之间接口的建立难度较大,模型建立较为复杂且存在一定计算误差。因此,需要开展车辆-轨道相互作用计算方法的研究,并借助具有广泛适用性的轮轨相互作用计算方法,研发轮轨耦合系统动力学领域的仿真平台,探索系统各结构参数影响下的车辆-轨道垂向耦合系统动力响应特征,为轨道结构设计的研究提供参考。本文基于ANSYS的二次开发技术,采用一种具有广泛适用性的轮轨相互作用计算方法,研究车辆-轨道耦合动力学,并构建轮轨耦合系统动力仿真平台分析车辆-轨道耦合系统振动特性,主要研究工作如下:(1)回溯车辆-轨道耦合动力学的发展,总结了研究车辆-轨道相互作用的方法。这些方法建模及计算方法严重依赖系统构型,对于不同的轨道结构形式,动力学方程需要重新推导,程序编制难度较大,模型建立较为复杂并存在一定误差,亟需一种具有广泛适用性的方法研究轮轨耦合相互作用。引出ANSYS的参数化设计语言APDL,并通过使用“*ASK”命令、对话框、宏和加密宏、状态条和宏里拾取操作等方法实现了APDL的二次开发功能。(2)基于ANSYS的二次开发技术,提出了一种具有广泛适用性的轮轨相互作用计算方法。在该计算方法中,基于多体动力学理论建立车辆模型,采用显式积分求解,通过APDL语言将其编程到ANSYS中,然后轨道部分采用有限元理论仿真,并采用隐式积分法对其求解,最后基于非线性Hertz接触理论,在ANSYS计算平台上编程实现了车辆系统和轨道系统的耦合。基于所采用的轮轨相互作用计算方法,能够建立不同轨下结构,方便地实现轨道及轨下结构与车辆系统的耦合。(3)以提出的轮轨相互作用计算方法为基础,采用参数化语言APDL编写的以txt文件形式保存的命令流文件,利用C#编程技术编程读写txt命令流文件的代码,并设计相应的界面,用以实现APDL文件的读写、模型参数的初始化和参数的修改,然后利用ANSYS的Batch(批处理技术)调用生成的命令流文件,通过读取所编写的APDL文件实现自动化快速建模、模型的加载计算和动力响应数据的输出,最后借助C#数据流技术建立Excel接口,用以分析ANSYS输出的相应数据文件,形成集参数输入、模型建立、加载计算和计算数据输出自动化于一体的轮轨系统动力仿真计算平台。通过与采用交叉迭代算法得到的系统振动响应对比发现,车体垂向位移和车体垂向加速度仅在初始位置有所差异,而钢轨位移和轮轨垂向力曲线基本吻合,验证了所构建的轮轨耦合系统动力仿真平台的通用性和其建立的车辆-轨道垂向耦合模型的可靠性,借助构建的仿真平台可实现对不同耦合系统的仿真和各结构参数变化下的耦合系统动力响应分析。(4)基于所构建的轮轨耦合系统动力仿真平台,选取车辆系统和轨道系统各结构参数,建立车辆-轨道垂向耦合模型,并对其振动响应进行分析,然后利用所构建的轮轨耦合系统动力仿真平台,分析了车辆悬挂参数、扣件刚度和阻尼、CA砂浆刚度和阻尼等参数对耦合系统振动特性的影响。总结各参数对系统振动特性的影响规律,应综合考虑一系悬挂刚度和阻尼值,降低转向架和车体垂向加速度,减小车体与转向架的共振;适当降低二系悬挂的刚度和阻尼值,可降低车体和转向架的垂向振动,提高对轨下结构振动的抑制作用;选择合理的扣件阻尼,以期最大程度地延长轨道板及其下部结构的使用寿命;CA砂浆的刚度值不宜过大,应尽量选择阻尼大的CA砂浆垫层,降低轨道板及其下部结构的振动响应,延长轨道结构的使用寿命。

关键词： 起重机械轮轨系统   踏面磨损   ABAQUS仿真分析  

摘要： 随着经济的快速发展与工厂规模的扩大,起重机械在我们日常工作生活当中起到了重要作用。由于起重机械起重量与自身重量的逐渐增加、不同的接触情况,以及循环载荷工况等因素的影响,致使起重机械车轮踏面磨损状况日益严重,严重的磨耗影响着车轮踏面的使用寿命及起重机运行的安全性与平稳性。因此,对轮轨滚动接触踏面损伤的研究具有重要的理论意义与工程应用前景。本文详细的论述了车轮踏面磨损的研究历史与意义,在理论的基础上,对轮轨模型进行仿真分析,对轮轨系统的不同接触状态与不同车轮载荷的角度进行分析,研究车轮踏面损伤及其寿命预测,并为车轮使用及更换提供理论依据。其主要研究内容如下:(1)详细阐述了踏面磨损的研究背景与意义,概述了近些年来轮轨磨损的发展状况以及国内外研究学者对轮轨磨损的研究内容。针对起重机械轮轨系统这种大轮压、低速度、多直线运行的方式,进行相应的研究分析,从而解决运行机构踏面磨损问题。(2)对起重机车轮损伤类型及其原因、轮轨系统组成、布置形式、驱动类型,以及起重机车轮、轨道报废标准等进行了详细介绍,进而对起重机械轮轨系统模型的建立提供了基础。(3)介绍了起重机轮轨系统理论,从轮轨系统法向接触理论、切向接触理论,以及Archard磨损模型三个方面对轮轨系统磨损奠定了基础,为后文的研究提供了理论保证。(4)简要的对有限元法与仿真软件进行了介绍,利用ABAQUS软件对轮轨系统进行了静止状态与运行状态的仿真分析。在起重机静止状态下,分析点接触与线接触的MISES应力、法向接触压力、接触斑面积与最大形变深度的变化情况。在动力学状态下分析,分析接触压强变化等模型参数。(5)基于Archard磨损模型与计算所得的各载荷与不同接触情况下的踏面磨损量,按照起重机车轮报废标准,对车轮踏面寿命进行预测。为后续实际生产工作当中轮轨寿命设计与更换提供依据。

关键词： 高速铁路   轮轨滚动噪声   车外环境噪声   模型假设   运行工况   旋转轮对   移动声源   周期性轨道  

摘要： 中国高速铁路在近15年呈现了快速的增长,但是随着高速铁路网线的愈发密集,其巨大时间优势令中小城市能够更快沟通附近的中心城市,也因此这些中小城市在高速铁路车站附近规划修建了密集的以公共交通为导向的物业开发(TOD),这都意味着高速铁路引起的噪声污染覆盖的面积更广,影响的人群更多。此外,更高速(400 km/h)轮轨形式高速铁路的研发也提上了日程,更高的速度意味着更剧烈的轮轨相互作用和更大的轨道交通噪声,因此噪声控制也是400 km/h高速铁路的研发重点。在此背景下,高速铁路引起的环境噪声问题也正被愈发重视并亟待深化研究。目前的高速板式轨道铁路车外声源识别表明在列车通过的过程中,转向架区域噪声的贡献量最大,因此要控制高铁环境噪声,必须先控制转向架区域噪声,转向架区域噪声主要由两部分组成:一是轮对和轨道结构振动所辐射的轮轨滚动噪声,二是转向架在空气中高速移动所产生的气动噪声。已有研究表明,在低速条件下,轮轨滚动噪声是最主要的,然而在350 km/h或更高的条件下,两者中哪个更重要,目前还不是十分清楚,这给高速铁路噪声的控制带来很大困难。为了得到两者的贡献量化值,一个思路便是对轮轨滚动噪声建立预测模型进行预测,将测试值减去轮轨滚动噪声的预测值便可以得到两者的贡献。这种思路给预测模型的准确性提出了很高的要求。因此,有必要建立一个针对高速铁路的准确预测模型,这个模型能够考虑一些曾经被简化的模型假设,以提高其预测精度。本文针对高速铁路板式轨道的特点,分别对以下几个子系统模型开展建模工作:(1)结合有限元方法、虚功原理和第二类拉格朗日方法,在柱状坐标系中得到了旋转体受固定荷载作用下的振动微分方程,该方程包含旋转体作为刚体的六个自由度(包括垂、横、纵向的平动,和侧滚、摇头及旋转)和有限元节点弹性振动响应这些未知变量,同时基于动量、角动量定理及傅里叶级数方法(针对轮对这类轴对称体),最终可以使轮对振动在环向进行离散并解耦,联立构成一组正定的代数方程组,求解得到旋转轮对的振动响应,然后采用轴对称边界元方法建立轮对的声辐射模型,最终构建高速旋转轮对的声振模型。(2)针对轨道周期离散支撑的特点,采用傅里叶级数方法在频率域中推导了轨道结构的振动表达式,在得到振动响应的基础上,采用2.5维边界元方法推导了钢轨和轨道板的声辐射贡献,该预测模型在结构上包含扣件、轨道板两个离散支撑结构及无限长的铁木辛柯梁钢轨,模型考虑轨道在横、垂方向及固定坐标系(车外固定场点)、移动坐标系(跟随车辆移动的场点)下的振动响应,最终构建针对车外环境噪声及随车噪声的高速轨道声振模型。(3)采用“移动粗糙度”和“移动质量”轮轨相互作用求解方法,将高速旋转轮对的振动模型和高速铁路振动模型得到的轮对和轨道在轮轨接触点的导纳作为输入,同时考虑轮轨间垂横向的耦合、左右轮轨粗糙度的非相干性及前后轮轨粗糙度的非相干性,构建了轮轨高频相互作用预测模型。在充分验证子系统模型的基础上,将轮轨高频相互作用预测模型得到的预测结果输入到已建立的轮对和轨道的声振模型中,考虑轮轨滚动噪声声源相对于车外环境敏感点的高速移动,最终构建完整的高速铁路轮轨噪声预测模型。基于这些模型,对板式高速铁路噪声产生机理及影响因素开展以下研究:(1)基于旋转轮对的声振模型,研究旋转对轮对固有频率和共振频率的影响及其中的物理机理,对比自由轮对、约束车轮和自由车轮在声辐射特性上的差异,讨论轮对上部悬挂部件和左右轮轨激励方式对轮对振动声辐射特性的影响。(2)基于高速轨道的声振模型,研究了高速轨道的导纳、振动传播波及衰减率的特性,讨论了轨道板柔度、扣件刚度对轨道振动特性的影响,对比了传统的钢轨辐射声功率简化公式,分析了差异产生的原因并讨论了钢轨和轨道板间距离对钢轨声辐射特性的影响。(3)基于轮轨高频相互作用预测模型和轮轨噪声预测模型研究了一系列复杂模型假设(如轮对高速旋转、轮轨间的垂横向耦合和多轮对在轨道上的耦合等)和运行工况(车轮磨耗、轨距、钢轨和轨道板的距离、环境温度)的影响。此外,本文将中国高速铁路车外环境噪声综合测试得到的实测结果和本文所建模型得到的滚动噪声预测结果进行了比对和讨论,一方面验证了模型计算结果的合理性,另一方面确定了轮轨滚动噪声对车外环境噪声贡献的主要特征。