关键词： 40t轴重   平面曲线   竖曲线   四编组列车模型   轮轨动力学性能  

摘要： 随着铁路运输需求的日益上升,增加货车轴重已经成为国内外铁路运输组织提高列车牵引重量的一种有效途径。然而轴重的增加势必导致轮轨动力作用加剧,传统重载铁路设计体系将不能完全适应大轴重运输的安全性和经济性要求。目前,各国都在积极推进大轴重重载铁路的研究工作,少数国家如澳大利亚已率先开行40 t轴重重载列车,我国已在30 t轴重重载铁路技术方面积累了丰富经验,尚缺乏35 t至40 t轴重重载铁路的技术储备。因此,开展40 t轴重重载铁路设计研究具有显著的现实意义。本文旨在从提高运行安全性、减缓轮轨磨耗和疲劳损伤的角度,深入研究适用于40 t轴重重载铁路的平纵断面关键参数,提出各参数的合理取值建议,以期为40 t轴重铁路平纵断面参数设计提供技术支撑。本文根据国内外实践经验和相关规范分析了各平纵断面参数的设计原则和取值范围,阐述了40 t轴重货车和车钩缓冲装置的结构特征,基于多体系统动力学软件UM建立了40 t轴重四编组列车计算模型,并选取了用于评估轮轨动力性能的安全性、轮轨磨耗和疲劳损伤指标。运用建立的四编组列车模型,研究了不同曲线半径、未平衡超高条件下40 t轴重货车在圆曲线段上的运行安全性、轮轨磨耗及疲劳损伤等指标的变化规律;考察了40t轴重货车在不同长度的缓和曲线段上的动态响应,特别是缓圆点、圆缓点的磨耗和损伤性能差异;探究了夹直线长度、竖曲线半径、夹坡段长度变化对轮轨动力作用、行车安全的影响,并结合避免振动叠加的设计要求,分析了夹直线、夹坡段长度的合理取值。另外,在各平纵断面参数的安全性评估中,还考虑了不同纵向压钩力的影响。研究结果表明,随着曲线半径的增加,轮轨动力作用随之降低,各安全性指标、轮轨磨耗及疲劳损伤均呈减缓趋势;设置适当的欠超高,既能减小轮轨间作用力,提高列车运行安全性,又能提高轮对导向能力,减缓轮轨磨耗和疲劳损伤;较短的缓和曲线长度会导致安全性指标、轮轨磨耗和疲劳损伤显著增大,恶化货车运行性能;不同半径的竖曲线主要影响货车的垂向性能,在竖曲线半径由1000 m增加至3000 m的过程中轮轨垂向增、减载(对应凹、凸型竖曲线)幅度及车体垂向加速度显著降低;合适的夹直线、夹坡段长度能较大幅度衰减货车振动响应,有效提高货车运行安全性能。最小圆曲线半径、竖曲线半径,最短夹直线长度、夹坡段长度以及超高顺坡率的取值建议分别为1200 m、10000 m、50 m、25 m、1.5‰～1.6‰。

关键词： 桁架式检查车   有限元   单元化设计   模块划分   模糊综合评价法   轮轨接触分析  

摘要： 在桥梁日常维护与修养中,桁架式检查车是一种常用的检修专用设备,其主要作用为将检修人员与设备移送至桥梁梁底需要检修的任何区域。目前,对于检查车的设计研究工作,大多是针对一座桥单独设计制造,未形成对梁底检查车的系列化、统一化设计。本文通过统计国内各类型桥梁宽度,对检查车主桁架实现系列化、单元化设计,对驱动系统实现模块划分并对行走轮的轮轨接触分析等关键技术进行了研究。提出并实现了检查车主桁架结构的系列化与单元化设计,减少了企业对检查车的设计时间、制造成本及交货周期。利用ANSYS建立5种长度检查车主桁架模型,通过分析在不同工况下,研究桥梁宽度对主桁架单元截面尺寸的影响,计算了5种长度主桁架的固有频率。有限元结果表明:综合主桁架强度、刚度、杆件稳定性与水平固有频率等因素,确定主桁架单元选择计算截面高度最大值时,能达到主桁架安全的最大裕度,同时所有桁架的水平方向前2阶固有频率均满足人体舒适度要求。采用模糊综合评价法建立驱动系统模糊综合评价模型,在考虑连接相关度、形位相关度、功能相关度与装配强度之外,计入安全性、成本、质量与可靠性形成综合关联度评价模型,建立驱动系统零部件综合关联度矩阵。利用Matlab软件,采用遗传算法对驱动系统完成了模块划分,为实现驱动系统的模块化设计、维修性设计与快速更换提供了依据。针对现有检查车行走轮的不足,设计出一种新型复合行走轮。行走轮的轮轨接触分析采用ABAQUS软件对比分析了全钢轮、钢基轮与新型复合轮的受力状态,表明新型复合行走轮具有良好的轨道接触性,优于原有轮胎。新型行走轮的包裹材料,选择泊松比为0.30的107橡胶能保证行走轮具有一定的刚度,其位移量相比于其他材料最大减小了35.77%;另外主要优化了新型行走轮凹槽深度、行走轮曲率、行走轮外厚度、行走轮径向凸台的数量等主要形状参数,结果表明新型行走轮胎Miss应力比原结构减小了18.27%,接触应力减小了12.21%。达到新型行走轮结构优化预期目的。

关键词： 阻尼钢轨   波数有限元-边界元   轮轨噪声   现场测试  

摘要： 越来越多的城市开通或者正在建设城市轨道交通,由于它的快捷、安全、大运量、效率高和不受天气等因素影响等优势,是很多人首选的公共交通方式,对于缓解交通压力和方便居民出行发挥重要作用,但是轨道交通运行引起的环境振动噪声问题也受到了越来越多的关注。阻尼钢轨是在普通的60钢轨上敷设橡胶阻尼板,与其他钢轨减振降噪措施对比,阻尼钢轨具有安装简单、效果显著、造价较低的优势。本文研究了钢轨敷设阻尼板前后在轮轨力作用下的轮轨振动特性和辐射噪声,并评估了阻尼钢轨的减振降噪效果。利用2.5维波数域的方法建立了普通钢轨以及阻尼钢轨的实体模型,结合三维车轮模型计算出了列车在不同速度下运行时轮轨作用产生的轮轨力,计算出轮轨作用下钢轨的振动响应及环境噪声,并通过相关测试,对比验证模型和方法,从实测和计算两个角度评价阻尼钢轨的减振降噪性能。通过本文研究,主要的研究结论总结有如下几点:（1）阻尼钢轨轨底处的垂向位移响应相对于普通60钢轨,呈现出全频段整体下降的状态;轨底垂向位移峰值降低了11.2%;而且对450 Hz以上的中高频段,衰减作用更为明显。轨底垂向加速度峰值减少了降低了17.5%,在频率600 Hz以后,阻尼钢轨相对普通60钢轨的减少量越发明显。普通60钢轨和阻尼钢轨达到最大值分别为,48.22 d B和47.47 d B,声压最大衰减了12.7 d B,阻尼钢轨的衰减效果非常明显。（2）车轮的径向位移导纳在频率尤其在1100Hz以后,峰值较为密集,导纳的变化非常急剧,在800Hz左右出现了最小值。频率在0.3 Hz时,轮轨力达到最大值;在频率为72 Hz左右时,轮轨力出现比较巨大的波动,这可能是因为在72 Hz车轮达到了它的一阶固有模态。（3）轮轨作用下,阻尼钢轨垂向位移响应在400 Hz以后的中高频,效果愈发明显。垂向位移响应达到第一次峰值时,衰减了15.3%。垂向加速度达到最大值,四种速度下阻尼钢轨相对普通钢轨分别衰减了31.78%、33.43%、33.59%、32.55%。这说明了,在轮轨力作用下,阻尼钢轨具有良好的减振效果,且对加速度的衰减作用好于位移响应。（4）轮轨作用下的车轮噪声在50 Hz之后,三个位置的声压波动基本同步;随着距离的增加,车轮的声压呈衰减的趋势。7.5m和30m处的车轮同一频率对应的声压差值在4～7 d B之间,满足距离加倍噪声降低约3 d B的特点。四种速度下,声压呈现先上升后波动下降的趋势,大多数频率范围内,敷设阻尼板,对钢轨的辐射噪声有较好的衰减作用。这从理论层面,结合轮轨作用下的轮轨力的钢轨辐射噪声,证实了阻尼钢轨具有降低钢轨辐射噪声的作用。（5）实测振动6个测点的z振级分别减少了2.2 d B、4.1 d B、1.1 d B、4.7 d B、3.7 d B、1.3 d B。各个测点的加速度峰值,在敷设阻尼后加速度峰值明显减小,而且钢轨上的减振效果要优于轨道板。频率大于400 Hz时,钢轨敷设阻尼能够很好地吸收轮轨作用下钢轨的振动。实测噪声中,列车通过时的连续等效声级均有不同程度的降低,降低幅值分别在1.4～8.1 d B和2.1～5.3 d B之间;列车通过噪声降低幅值平均降低2.88 d B和3.86 d B。距离线路中心线1.2m处,敷设阻尼板的阻尼钢轨相对普通钢轨辐射的轮轨噪声有着明显的下降;7.5m和30m处,声压级有明显降低,降低幅值在3d BA左右。随着距离线路的长度增加,钢轨敷设阻尼板的降噪效果逐渐减弱。（6）钢轨振动加速度的实测值和仿真值在在变化趋势上基本一致,整体呈现出两个主要频段,除了50.0～101.5 Hz频段内的峰值有较大差异,其他频段的幅值基本吻合。钢轨加装阻尼板前后,实测轮轨噪声与计算轮轨噪声的结果吻合良好,预测趋势基本一致。这就证明了文章之前所用方法及模型用预测轮轨振动及噪声是准确的、可行的。（7）本文建立的钢轨波数有限元-边界元振动声辐射模型,具有良好的计算效率和准确性。

关键词： 贝氏体轮轨钢   显微组织   合金元素   腐蚀性能   腐蚀磨损  

摘要： 在隧道、跨江大桥和沿海地区等高温高湿的环境中,由于腐蚀和磨损的相互作用,车轮和钢轨的腐蚀磨损将加剧,增加维护成本的同时还将带来安全性问题。现有珠光体轮轨材料难以满足未来铁路高速、重载发展趋势下的苛刻服役环境,具有良好综合性能的贝氏体轮轨材料已成为新型轮轨材料的良好替代。但是,贝氏体轮轨钢在高温高湿等环境服役下的腐蚀磨损性能方面鲜有系统研究。本文以Mn-Si-Cr系贝氏体轮轨钢为基础,添加Cr元素和(或)添加Cu元素获得1#、2#、3#实验钢,测定了其CCT、TTT曲线;并通过370°C、400°C两种等温淬火+回火热处理后,选取现有贝氏体轮轨钢和珠光体轮轨钢进行了周浸腐蚀试验和腐蚀磨损试验对比,研究了显微组织和合金元素(Cu、Cr)对腐蚀磨损性能的影响,为新型耐环境腐蚀用贝氏体轮轨钢的开发提供依据。获得主要结论如下:1、显微组织对腐蚀磨损性能的影响:(1)贝氏体和珠光体轮轨钢的腐蚀速度具有相似规律,均随着腐蚀实验时间延长呈现出先升高再降低,最后趋于稳定。相对而言,珠光体轮轨钢腐蚀失重量大、平均腐蚀失重速率高,腐蚀坑数量多、尺寸大。(2)合适的贝氏体组织腐蚀性能和腐蚀磨损性能优于珠光体组织的,相对珠光体轮轨钢而言,贝氏体轮轨钢的腐蚀磨损交互作用相对较弱。2、热处理工艺对腐蚀磨损性能的影响:(1)等温淬火+回火热处理过程中,等温温度由370°C升高到400°C,三种实验钢的显微组织变化趋势类似,由370°C下的板条状贝氏体组织为主逐渐过渡到400°C下的粒状贝氏体为主。(2)板条状贝氏体为主的显微组织腐蚀性能优于以粒状贝氏体为主的显微组织。400°C等温处理工艺下,以粒状贝氏体为主的三种实验钢其腐蚀失重量大、平均腐蚀失重速率高,腐蚀坑数量多、尺寸大;而在370°C等温处理工艺下,以板条贝氏体为主的三种实验钢的锈层孔洞和裂纹更少,更加致密、平整,具有更好的基体保护性,其腐蚀性能优于400°C等温处理工艺获下的组织。总体而言,随着实验时间延长,三种实验钢的腐蚀速度均是先升高再降低,最后趋于稳定。3、合金元素对腐蚀磨损性能的影响:(1)耐腐蚀性能为2#(Cu+Cr)优于3#(Cr)的,三种钢中1#(Cu)的耐腐蚀性能最差。随着实验时间延长,三种钢的腐蚀速度均是先升高再降低,然后趋于稳定。370°C、400°C两种等温温度工艺下的腐蚀失重量、平均腐蚀失重速率均是1#(Cu)>3#(Cr)>2#(Cu+Cr),腐蚀坑数量、尺寸大小均是1#(Cu)>3#(Cr)>2#(Cu+Cr);(2)Cu、Cr元素具有提高锈层致密度和保护基体的能力。两种元素富集在内锈层,锈层致密度2#(Cu+Cr)>3#(Cr)>1#(Cu);(3)锈层成分主要由α-Fe OOH、β-Fe OOH、γ-Fe OOH、FeO组成,Cu、Cr可以促进生成具有更好附着力、更加稳定、致密的α-Fe OOH,提高α-Fe OOH在锈层中占比,提高锈层致密度、稳定性和阻碍离子透过能力,从而获得更高的腐蚀性能。(4)Cu、Cr元素可提高自腐蚀电位而降低腐蚀倾向性、增大极化电阻,降低电流密度,从而减缓腐蚀速率。三种实验钢的自腐蚀电位高低和极化电阻大小顺序为,2#(Cu+Cr)>3#(Cr)>1#(Cu),相应的电流密度顺序为:1#(Cu)>3#(Cr)>2#(Cu+Cr);(5)Cu、Cr可提高耐腐蚀性能,生成硬质相减小磨损,降低腐蚀、磨损交互作用,从而起到提高腐蚀磨损性能的作用。三种实验钢的磨损失重相差不大,但腐蚀磨损失重均是1#(Cu)>3#(Cr)>2#(Cu+Cr),腐蚀磨损性能2#(Cu+Cr)优于3#(Cr),并同时优于1#(Cu)的。

关键词： 弹性垫板   网孔结构   温度因子   分数阶导数   摩擦非线性   动参数温/频/幅变   动力响应  

摘要： 我国高速铁路广泛采用无砟轨道,轨道结构的弹性主要由扣件系统提供。扣件系统在扣压钢轨、提供合理刚度、线路阻力等方面有重要作用。而扣件系统的刚度和阻尼由弹性垫板提供,与行车平稳性、安全性以及轨道结构健康服役能力的长期保持密切相关。因此,优化弹性垫板结构并深入分析其动力学性能对我国高速铁路设计及养护具有重要意义。论文主要研究内容如下:（1）提出了一种新型网孔式弹性垫板结构。建立了网孔式弹性垫板的三维有限元模型,选用Mooney-Rivlin超弹性本构模型模拟橡胶材料特性,在弹性垫板材料参数不变的条件下,研究网孔间距、网孔外接圆直径、板厚和倒角半径等关键几何参数对网孔式弹性垫板静刚度的影响,并与传统沟槽型弹性垫板进行对比。研究结果表明:相比于静刚度相近的传统沟槽型弹性垫板,网孔式弹性垫板的最大应力明显减小,可有效提高其耐久性,同时网孔式弹性垫板的静刚度可通过改变网孔间距、网孔外接圆直径、板厚灵活调整,因此,将网孔结构应用于铁路扣件系统具有可行性。（2）研究了网孔式弹性垫板在极寒环境中垫板的动刚度和阻尼系数的温变特性;并基于车辆-轨道耦合动力学理论,研究了网孔式弹性垫板在极寒条件下的行车安全性和平稳性,评价了网孔式弹性垫板在极寒环境中的适用性。研究结果表明:轮轨力和轮重减载率随环境温度的降低而显著增大,钢轨的垂向位移随环境温度的降低而减小;在极寒环境中,高速列车的轮重减载率急剧增大,应采用降低列车运行速度的方法确保列车运行安全。（3）研究了弹性垫板刚度非线性对车辆-轨道系统相互动力作用响应的影响。通过SUNS疲劳试验机测得网孔式弹性垫板的位移—荷载曲线,采用最小二乘法拟合垫板的非线性刚度表达式,并采用高速铁路车辆-无砟轨道耦合模型对比研究了弹性垫板的线性刚度与非线性刚度对轮轨力、车体振动加速度、钢轨振动加速度等指标的影响。结果表明:将刚度线性化后,会在中低频段高估轮轨力和钢轨振动加速度幅值,而在中高频部分会低估轮轨力和钢轨振动加速度幅值;垫板的线性刚度与非线性刚度对车体振动加速度影响较小。（4）研究了新型网孔式弹性垫板在动态频率和振幅影响下的非线性行为。采用分数阶导数粘弹性单元（FDV）来模拟新型网孔式垫板的频率依赖性,用摩擦元件表征振幅依赖性。通过试验结果拟合网孔式弹性垫板的频率和振幅依赖性相关参数,同时引入温度因子和Mooney-Rivlin应变能密度来模拟橡胶材料在低温环境下的力学性能,并基于车辆-板式无砟轨道耦合动力学理论,研究了在极寒环境下网孔式弹性垫板幅/频依赖性对车辆-轨道系统动力学影响。结果表明,随着频率的增加,网孔式弹性垫板的动刚度和阻尼系数均增大;考虑温度、频率、振幅依赖性的网孔式弹性垫板模型,能更准确地预测车辆-板式无砟轨道系统在随机不平顺和车轮多边形激励下的动力响应。

关键词： 高速道岔   车辆道岔动力学   轮轨接触特性   轨件廓形优化   翼轨加高值  

摘要： 道岔作为铁路线路的重要组成部分和关键设备,集成了轨道结构的薄弱环节与技术特征。列车过岔时,钢轨与车轮直接接触,其几何状态的好坏将直接影响列车过岔的平稳性与安全性,若岔区轨件廓形不良,将导致轮轨接触关系不匹配,加剧轮轨间的相互磨耗,严重时甚至会造成列车脱轨事故。轮轨型面廓形优化作为一种重要的减磨措施,一直是轨道结构研究的热点问题。通过对磨耗钢轨的廓形优化改进,将理论计算得到的优化廓形作为指导现场钢轨打磨的目标型面,对于新线设计和既有线运维养护均具有重要意义。本文在综合分析国内外岔区轮轨接触及钢轨廓形优化研究现状的基础上,基于轮轨接触理论和车辆-道岔耦合动力学理论,对高速铁路岔区轮轨接触特性及其轨件廓形优化进行了研究。本文的主要研究工作及成果如下:(1)根据我国高速铁路60kg/m钢轨18号单开道岔的结构组成和特点,基于轮轨接触理论和车辆-道岔耦合动力学理论,以岔区轨件的标准廓形和现场实测的磨耗廓形为例,运用UM软件分别建立了两种廓形工况下的车辆-道岔动力学分析模型。通过与现有研究成果对比,验证了本文所建模型的正确性。(2)基于所建立的车辆-道岔动力学分析模型,针对标准廓形和磨耗廓形,对比分析了列车高速过岔时的轮轨接触动力特性。结果表明:与标准廓形相比,磨耗廓形脱轨系数和轮重减载率计算结果分别增加了30.27%和70.51%,车体横向及垂向振动加速度分别增加了50%和57.69%,列车过岔时的安全性及平稳性均有所下降,工务部门应加强对岔区轨件的打磨作业。(3)以轮轨型面轮廓线一阶导数差异最小为原则,构造了磨耗廓形的优化目标函数,完成了对磨耗廓形的优化设计。针对磨耗廓形和优化廓形,对比分析了列车高速过岔时的动力特性。结果表明:与磨耗廓形相比,优化廓形工况下列车的脱轨系数和轮重减载率分别降低了8.5%和15.4%,车体的横向及垂向振动加速度分别降低了33.3%和28.4%,列车过岔的安全性及平稳性均得到了有效提高,验证了本文岔区轨件磨耗廓形优化方法的正确性,为我国既有线路岔区轨件廓形的维修打磨提供了理论支持。(4)基于岔区轮轨接触关系及轮轨系统动力学理论,以18号高速道岔可动辙叉为例,研究分析了翼轨加高值对列车高速过岔动力特性的影响。结果表明:通过设置合理的翼轨加高值,可有效解决轮对质心垂向位置降低的问题,从而提高列车过岔平稳性及旅客乘车舒适度。与无加高设计相比,翼轨加高后,列车第一轮对垂向轮轨力及减载率分别降低了18.16%和35.8%,轮对和车体的垂向振动加速度分别降低了48.1%和34.7%,列车过岔时的垂向振动特性得到了有效改善。研究成果可为我国铁路线路道岔可动辙叉的结构优化设计提供理论参考。

关键词： 轮轨接触   倾斜轨道   动力学仿真   弹塑性分析   优化设计  

摘要： 随着异形墙面建筑的发展,擦窗机作为一种高空机电一体化的高空作业设备,对于高层建筑和摩天大楼中的幕墙的建造定期维护和清洁,已成为一种重要的高空作业工具。臂长超过30 m的大型窗户清洁器已得到迅速发展,为扩大窗户清洁器的范围并满足更高的操作要求,伸缩臂屋顶轨道式擦窗机已成为该行业的主流型号。擦窗机在实际架设与工作中,轨道架设时会存在伸缩缝,在实际铺设中,轨道也不是完全处于一个平面,会有一定的坡度,机器整体质量和重心的变化如果发生偏移,对擦窗机的行走机构会产生某些不利影响,直接影响机器整体性能和安全性。所以擦窗机行走机构中的承重轮及基础的轨道在工位转换时尤为重要。本文首先以CWGS250型擦窗机为例,使用Solid Works建立擦窗机整机的原尺寸三维模型,将模型导入动力学仿真软件ADAMS中,建立擦窗机的虚拟样机原比例模型。为获得擦窗机运行时行走机构的动态接触特性和动力参数,让擦窗机模型进行一次完整的工位转换过程,为擦窗机承重轮与轨道的结构有限元分析做准备并提供一定的数据。运用赫兹接触理论与有限元弹性接触分析的方法对承重轮与轨道进行点接触与线接触状态下的弹性接触分析,两种理论模型中有限元弹性接触分析的方法较为符合实际接触状态,与Hertz的理论计算方法相比,有限元弹性接触分析方法的局限性更小且更准确。对承重轮和轨道的有限元弹塑性接触分析和弹性接触分析的结果进行比较,结果均显示,承重轮最大接触应力已达到材料的屈服极限,但变形量小且具有较好的承载能力。引入坡度轨道,通过改变接缝处轨道坡度和直轨轨道坡度,总结出一个有参考价值的坡度限定范围,合理限定在实际施工中的基础标准。基于Workebench进行参数化建模,在ANSYS中完成擦窗机轮轨接触的有限元模型,对其进行力学仿真与分析,获得对接触分析影响最大的参数,并以此进行优化,为获得接触分析的有效结果提供参考。最后,对承重轮尺寸进行优化,利用Workebench优化模块对承重轮进行研究,并对优化方案进行六西格玛失效率设计,验证优化结果的合理性,在原H型轨道上进行改进,为轨道的设计提供一种新的设计方向。综上所述,本文通过对承重轮与轨道的接触分析,获得的接触区域最佳特性参数和轨道结构参数对提升轨道承载能力和寿命具有一定的工程应用价值。

关键词： 高速动车组   测力轮对   轮轨力   载荷分布   动力学仿真  

摘要： 为响应铁路大提速号召,列车运行速度的提高成为必然,这就会导致轮轨与线路之间的作用力更复杂,轮轴的作用状况愈加恶劣,但轮轨载荷与高速轨道交通系统安全性和可靠性紧密相关,并且其分布特征可以为后续结构强度评价和寿命评估提供理论支撑。本文以国内某型标准动车组轮轨载荷为研究对象,利用直接测量法制作测力轮对,进行标定试验,并且在大西线上完成实际线路测试工作。之后利用仿真软件建立整车模型,完成京津线和武广线理论线路测试,分别对获得的不同轮轨力时间历程进行数据处理,并按不同速度等级、线路区段、每一趟往返等不同工况进行抽样和统计,编制64级时域载荷值谱、峰谷值谱和幅值载荷谱,分析其变化趋势及原因:(1)时域角度:直线工况下,轮轨垂向载荷围绕静轮重值呈正态分布趋势,轮轨横向载荷围绕0k N分布有两个峰。曲线工况下,轮轨垂向载荷会出现偏载状况,左右轮轮轨横向载荷都会变大,但变大的水平有所差距。频域角度:轮轨垂向载荷和横向载荷的主要功率谱密度成分均主要集中分布在100Hz以内,并且低速度级和高速度级分别对应的能量“尖峰”不同。(2)轮轨峰谷值谱和载荷值谱规律性基本一致,区别在于峰谷值谱频次减少约100倍,且规律性更加明显。轮轨幅值载荷谱更侧重数据的波动程度变化情况。(3)列车的运行速度、曲线半径、车辆载重和线路工况等条件都会对轮轨力有一定的影响,即速度越高,轮轨垂向力和横向力的波动程度越剧烈,分布范围越广;通过曲线过程中,曲线半径越大,线路越平缓,列车运行速度与平衡速度的差值越小,轮轨力波动中心的偏移程度更小。车辆载重越大,轮轨垂向力偏载程度越明显,但横向力影响不大。列车上下行工况对轮轨力几乎无影响,虽然不同线路的轮轨力具体数值可能会有所差异,但分布规律基本相同。(4)利用Simpack动力学仿真软件建立整车的刚-柔耦合的动力学模型,分别导入京津线和武广线激励谱,得到对应的轮轨力载荷谱和加速度谱,对其线路激扰程度进行对比分析。理论武广线路激励下的垂向作用力和垂向加速度都要大于相同路线设置的京津线激励,横向作用与之相反,但两者差距并不明显。大西线线路的实测结果无论在垂向作用还是横向作用都要大于两条理论线路。图79幅,表14个,参考文献66篇。

关键词： 轮轨滚动接触   显-隐式有限元   钢轨波磨   裂纹萌生   虚拟裂纹闭合法  

摘要： 我国的铁路正在向着客运高速化、货运重载化方向发展,随着列车速度的提高、轴重的增加,钢轨承受的载荷水平也会显著增大,钢轨在轮轨和周围环境等复杂载荷的作用下产生了不同的伤损形式,其中轮轨滚动接触疲劳是非常普遍的一种伤损形式。钢轨在发生滚动接触疲劳伤损之后,会引起踏面不平顺、轨头核伤,甚至断轨,影响列车运行的安全性、平稳性和舒适性。因此,深入研究轮轨滚动接触疲劳伤损问题,对于延长钢轨使用寿命,维护列车运营安全,提高铁路经营效益都有重要意义。Kalker滚动接触理论是当今轮轨接触问题的基础,对于轮轨接触问题的发展起着重要作用,但该理论在分析非线性及复杂接触问题时并不能达到满意的效果。因此,需要提出适合于分析复杂轮轨接触问题的方法,通过轮轨接触疲劳分析,为预防钢轨伤损提供一定的指导,为探究伤损问题提供一定的理论依据。本文以轮轨瞬态滚动接触模型为基础,针对高速铁路中钢轨波磨引起的轮轨系统振动问题进行了分析,建立轮轨瞬态滚动接触有限元模型,对不同的影响因素进行分析。同时针对重载铁路中钢轨斜裂纹的萌生及扩展问题进行分析,得到不同影响参数对钢轨斜裂纹萌生及扩展的影响。本文开展的研究工作以及取得的创新性成果总结如下:(1)建立了轮轨瞬态滚动接触有限元模型,并利用实测的高速铁路波磨数据,研究了车辆经过波磨区的振动响应,通过轮轨力仿真数据与实测数据比对,得出仿真数据与实测数据有较好的一致性,验证了仿真模型的有效性。同时分析了高速车辆在经过简谐波磨区段时的轮轨振动响应,当车速处于20050km/h的范围内时,车速越高,经过波磨区段时的垂向及纵向轮轨力也越大。在轨枕上扣件处的轮轨力要大于两轨枕间。轮轨摩擦系数对轮轨垂向力及车轮垂向加速度的影响很小。(2)研究分析了重载铁路轨底坡对轮轨接触状态和钢轨斜裂纹萌生的影响。采用LM型车轮踏面、75kg/m型钢轨、1:40轨底坡,得到的裂纹萌生位置与现场观测到的斜裂纹基本一致;轨底坡分别为1:40、1:30、1:20、1:10时,随着轨底坡增大,接触斑位置逐渐由轨顶内侧向轨顶外侧偏移,裂纹萌生时通过总重先增大再降低,1:20的轨底坡可以减缓裂纹的萌生。(3)分析了轮对相对于钢轨发生横移时对裂纹萌生的影响。分析了轮对在无横移、向外横移5mm、横移10mm时,不同摩擦系数及不同轴重对裂纹萌生的影响,向外横移10mm时裂纹容易萌生,在计算范围内,摩擦系数增大、轴重增加裂纹更容易萌生。同时分析了钢轨存在磨耗并且轮轨间为两点接触时对裂纹萌生的影响,采用多体动力学软件将车辆通过曲线路段时的运动姿态,代入有限元模型中进行模拟,得出磨耗后的轮轨接触状态较磨耗前变得更为良好,磨耗后的疲劳参量值远小于磨耗前,说明适度的磨耗可以抑制裂纹的萌生。(4)对于裂纹的扩展问题进行了分析,选用虚拟裂纹闭合法作为裂纹扩展的理论基础,提出了在虚拟裂纹闭合法中采用梁单元计算裂纹尖端节点力的方法,该方法的计算结果与解析解之间的误差较小,有较好的一致性。并且在采用虚拟裂纹闭合法对裂纹尖端非正交网格情况进行分析时,提出了适合采用包络面积法对裂纹前端面积进行计算。(5)分析了重载铁路中钢轨斜裂纹的扩展问题。对钢轨存在平行裂纹的情况进行了分析,得出平行双裂纹的应力强度因子要比单裂纹时的值要小,说明多裂纹相比于单裂纹可以减缓裂纹的扩展。同时,当轮对发生横移,接触斑与斜裂纹相接触时裂纹尖端的应力强度因子要比轮对没有发生横移且接触斑与斜裂纹未接触时的值要大。

关键词： 轮轨接触   分水岭算法   T-snake模型   多传感器数据融合   脱轨系数预测  

摘要： 轮轨接触关系的研究是铁路交通安全运输的必要课题之一。我国铁路高速、重载的发展趋势直接导致轮轨间的动态相互作用加剧,严重影响车辆系统的安全性和平稳性,一旦列车发生脱轨,会造成生命财产的巨大损失。因此必须重视列车轮轨接触关系研究问题,并积极探索解决脱轨问题的有效方法和路径。由于轮轨接触关系复杂且决定列车是否脱轨的因素众多,本文采用图像处理技术和多传感器数据融合技术对列车轮轨接触状态进行跟踪处理,预测的动态脱轨系数用于指导列车的安全运行,研究内容如下:（1）根据轮轨接触几何状态的特点,按照位移量和接触点的不同建立了道岔区和无岔区轮轨接触模型,结合车载摄像机采集到轮轨接触区图像特征以及爬轨实验中车轮抬升量随时间变化曲线图,以轮轨中心线相对位移量的不同对轮轨接触状态进行了安全等级分类,确立了位移量脱轨评判准则。（2）建立相机成像的几何模型,通过实验与计算求解几何模型参数对摄像系统进行标定。采用一种综合径向畸变、切向畸变和薄棱镜畸变因素的两步标定算法,通过求解出内外参数和多次迭代逼近,在Matlab仿真平台中运行标定算法,标定结果精度和实时性优于张氏标定法,对现场实际采集的无标定过程的无岔区与道岔区轮轨接触图像帧的畸变进行了复原,从枕木的弯曲程度上可以看到校正效果良好。（3）采用组合标记控制法改进分水岭存在的过分割问题,对预处理后图像进行形态学的膨胀腐蚀操作并结合图像信息熵得到优化后的梯度图像,进行高低帽变换标记出阈值,将分水岭分割后的结果作为T-snake变换的初始轮廓。引入区域能量项改进T-snake模型曲率约束不足的问题,实验结果表明分水岭优化的T-snake算法对复杂背景下的轮轨接触区域图像提取效果理想。（4）构建基于遗传算法优化的小波神经网络的多传感器数据融合模型,小波神经网络非线性逼近和容错能力强,遗传算法优化后可提高预测模型的精度和收敛速度。输入相对位移量,速度量,加速度量以及轮重减载率进行数据融合预测脱轨系数。现场测试结果显示,利用该方法预测的脱轨系数准确率高,考虑因素较为全面。采用K折交叉验证法,结果表明预测模型具有良好的鲁棒性和和准确性。