关键词： 高速铁路   焊接接头   轮轨滚动触动   动力学响应  

摘要： 随着我国高速铁路的飞速发展，高速铁路系统的运行安全和行车品质越来越受到人们的重视，闪光焊无缝钢轨的使用大幅提升了列车运行的平稳性和舒适性。然而由于钢轨焊接接头处材质的非均匀性，使其较无焊接区域的钢轨更容易发生伤损与破坏，钢轨焊接接头成为无缝钢轨线路发生伤损的主要部位。为研究高速铁路轮轨接触中焊接接头的服役性能，首先通过对高速铁路用U75VG钢轨材料进行准静态和动态冲击实验，获取钢轨焊接接头各个区域基本力学性能参数的分布情况和动态力学特性，进而基于实验结果建立合理的动态本构模型，通过有限元软件ABAQUS对轮轨瞬态滚动接触过程中的力学响应进行分析，研究结果将为评估高速铁路钢轨焊接接头服役性能提供参考依据。　　本文的主要工作如下：　　(1)在室温下利用DIC技术对U75VG钢轨闪光焊焊接接头试样进行准静态单轴拉伸实验，确定焊接接头各区域分布情况;再对焊接接头母材(BM)、焊接区(WZ)材料及热影响区(HAZ)材料进行准静态拉伸实验和霍普金森压杆实验，获取其基本材料力学性能和不同加载应变率下的应力-应变曲线。结果表明，U75VG钢轨闪光焊接接头的WZ和HAZ的宽度分别约为30mm和20mm;WZ材料的强度与BM相近，HAZ材料的强度显著低于BM和WZ材料的强度;BM、WZ和HAZ材料均表现出较强的应变硬化和应变率强化现象。　　(2)基于实验揭示的钢轨焊接接头各个区域材料的动态力学特性，针对经典的J-C模型和已有的改进J-C模型对钢轨焊接接头各个区域材料动态力学响应的适用性进行评估;通过在J-C模型的应变硬化项和应变率强化项中引入焊接接头各区域材料强度相关系数，进而建立适用于U75VG钢轨闪光焊焊接接头的改进动态本构模型。利用隐式应力积分算法将改进模型移植到有限元分析软件ABAQUS中，合理预测了焊接接头各区域材料在不同加载应变率下的动态力学响应。　　(3)为分析高速铁路钢轨焊接接头处在轮轨瞬态滚动接触下的力学响应，基于有限元分析软件ABAQUS开发了焊接接头处轮轨滚动接触有限元分析插件，可根据焊接参数不同快速完成钢轨焊接接头建模和轮轨瞬态滚动接触有限元分析，进而揭示钢轨焊接接头力学响应对材料非均质性和服役条件的依赖性。研究结果表明：HAZ的最大接触应力较其他区域小，在BM与HAZ交界、HAZ与WZ交界处会出现应力集中，等效塑性应变峰值出现在钢轨次表面HAZ与WZ交界处，且与准静态下分析结果相比，瞬态分析下焊接接头的等效塑性应变显著增加;最大接触应力随轴重增加而增加，轴重小幅度波动对等效应力峰值、应变场的分布和等效塑性应变率峰值影响不大;最大接触应力随行车速度增大先增大后减小，等效应力峰值随行车速度的增加而增大;由于应变硬化和应变率强化的竞争作用，行车速度对等效塑性应变率和应变分布影响明显。

关键词： 摩擦改进剂   黏着系数   磨损率   损伤   裂纹扩展  

摘要： 轮轨界面黏着水平直接影响轮轨的磨损、损伤及列车牵引与和制动性能。利用摩擦改进剂对轮轨界面进行黏着调控可改善轮轨黏着水平,降低轮轨振动、磨损与损伤。因此,开展摩擦改进剂对轮轨黏着与和损伤行为的影响研究,对减轻轮轨磨损与损伤、提高轮轨服役寿命具有重要指导意义和工程价值。利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机研究了四种微粒摩擦改进剂（氧化铝、二氧化硅、氧化锌和碳化钛）不同微粒浓度下轮轨的黏着性能,揭示了微粒摩擦改进剂最佳微粒浓度（PFM1、PFM2、PFM3和PFM4）对轮轨黏着性能、磨损及损伤行为的影响规律;研究了水基摩擦改进剂（水基FM1和FM2）的机械稳定性能和不同涂敷量下轮轨的黏着性能,揭示了水基摩擦改进剂在最佳涂敷量下对轮轨黏着性能、磨损及损伤行为的影响。论文研究的主要结论如下:（1）在氧化铝、二氧化硅、氧化锌和碳化钛微粒摩擦改进剂作用下,轮轨黏着系数随微粒浓度的增加呈先增大后减小的趋势;当微粒浓度为10%时,平均黏着系数最大。（2）水介质下黏着系数约0.16,PFM1、PFM2和PFM4介质下黏着系数均比水介质下大,PFM3介质下黏着系数与水介质下几乎相同。PFM1、PFM3和PFM4介质下轮轨磨损率均高于水介质工况,PFM2介质下轮轨磨损率低于水介质工况,分别为水介质下的73.1%和60.8%;PFM2介质下轮轨损伤最轻微,仅出现轻微起皮和微裂纹,钢轨裂纹长度和深度最小而角度较大。（3）水基FM1机械稳定性能优于水基FM2;水基FM1、FM2最佳涂敷量为14μl和8μl。（4）干态下轮轨磨损率分别为38.89μg/m、46.73μg/m,水基FM1、FM2作用下的轮轨磨损率为干态的36.5%和44.9%、37.6%和98.7%。干态下轮轨表面出现起皮和裂纹;水基FM1作用下轮轨表面损伤较干态下轻微,仅出现微裂纹,钢轨裂纹长度、深度和角度均较干态下小;水基FM2作用下出现明显的起皮和裂纹,钢轨裂纹长度、深度和角度比干态下大。

关键词： 地铁车辆   轮轨力测量   卡尔曼滤波   动力学仿真  

摘要： 随着列车运营速度不断提高，人们对列车运行安全提出了更高要求。轮轨间作用力是用来评价列车运行安全性的重要参数。因此，实时准确的测量轮轨力，并基于监测数据对列车车辆的运行状态进行判断，确保列车的行车安全是非常重要的。虽然目前为止测力轮对方法是最准确、最直接的轮轨力测量方法，但是测力轮对需要打孔，影响了轮轴的使用寿命，使得测力轮对难以在运营车上长期使用。因此，发展一种能够在运营车上长期使用并且准确可靠的轮轨力测量方法，具有极其重大的意义。　　Kalman滤波方法通过系统方程和测量方程将系统激励和系统响应相关联，可以由易于测量的响应反推激励信号，在结构动力学逆问题求解中得到广泛应用。论文研究了基于卡尔曼滤波的轮轨力间接测量方法，主要完成了以下工作：　　(1)针对离散状态方程缺乏加速度信息的问题，引入Newmark积分加以改进。推导了卡尔曼滤波求解激励的步骤，理论论述了该方法的可行性。通过对单自由度和多自由度模型施加简谐激励仿真，采集了模型加速度响应，然后根据这些响应推算得到激励信号，验证了方法的可行性。　　(2)论文研究了影响效率和精度的计算步长取值范围，得到了既满足精度又不影响效率的计算步长取值。研究了模型系统噪声和测量噪声对计算精度的影响，选取了一种适用于多自由度系统的调参方法。　　(3)构建了地铁车辆整车动力学模型，通过多体动力学仿真得到的轴箱加速度、一系簧垂向位移、转向架摇头角与侧滚角等响应，并由这些响应通过Kalman估计反推得到轮轨作用力。由于加速度易于测量，首先使用车辆在不同轨道谱、不同速度等级仿真的加速度响应作为计算模型的输入，得到了中等相关的垂向力和不准确的横向力，表明只利用加速度响应计算得到的结果不准确。然后再用车辆在不同轨道谱、不同速度等级仿真的位移响应和加速度响应作为计算模型的输入，得到了极强相关性的垂向力与横向力，验证了该方法在车辆安全监测上的可行性。在添加10%噪声的情况下，比较了不同输入响应对计算结果的影响，发现位移响应对计算结果影响较大。最后，在输入相同响应的情况下，比较了不同噪声对计算结果的影响，发现噪声大于等于20%时对横向力计算影响开始变大。

关键词： 铁道车辆   轮轨力估计   载荷反演   卡尔曼滤波器  

摘要： 我国高速列车运行环境复杂,存在众多威胁行车安全的因素,轮轨作用力是评价车辆运行安全性最直接、有效的手段,因此获取轮轨力信息尤为重要。综合当前轮轨力测量技术的特点,本文应用卡尔曼滤波,研究了基于振动加速度的轮轨力反演技术。主要研究工作如下:(1)介绍了基于卡尔曼滤波的轮轨力反演基础理论。依据线性系统理论,推导了状态空间方程时间离散化公式以及系统能观性判别准则。基于线性最小方差估计理论,推导了卡尔曼滤波方程组,并重点研究了该滤波技术的实时性与最优估计性特点;(2)应用卡尔曼滤波技术对轮轨力反演方法展开研究。首先,研究了单输入系统载荷反演方法,包括滤波器设计、基于加速度反演载荷的理论可行性论证以及滤波参数的选取。之后,将单输入系统发展为多输入系统载荷反演方法。最后,以9自由度半转向架模型为例,在详细的轮轨接触几何与受力分析基础上,对轮轨力反演方法进行论述。研究结果表明:在适当的参数选取下,可通过轮对的垂向与侧滚运动加速度估计左右车轮的轮轨垂向力,而轮轴横向力估计可由轮对的横向加速度实现;(3)研究了基于加速度的整车轮轨力反演方法。首先,建立了整车轮轨力反演模型,包括14自由度轮轴横向力与17自由度轮轨垂向力估计模型。之后,在SIMPACK中建立了整车动力学模型以获取加速度数据,并确定了估计轮轨力所需的加速度测点。最后,验证了轨道随机不平顺、车轮多边形以及车轮扁疤激励下的轮轨力估计效果。研究结果表明:各工况下各轮轨力均可以实现较好的估计。

关键词： 闸瓦压力   不均衡   轮轨接触   运行安全性  

摘要： 铁路重载货车的制动机构是车辆行车安全的重要保障,制动机构故障直接产生的问题一般是分配在左、右两侧车轮上的闸瓦压力不相等。在车辆的运营和维护中发现的问题,如:左、右车轮磨耗不相等、轮缘磨耗和闸瓦偏磨等,在一定程度上是由不均衡闸瓦制动力的作用产生的。本文以C80型重载货车为研究对象,建立了单节车辆的动力学仿真模型和单质点模型与三维精确模型相结合的混合短编组模型,探究了闸瓦制动力不均衡故障对重载货车轮轨接触特性和车辆运行安全性的影响。首先,将不均衡闸瓦制动力视为不均衡闸瓦压力和摩擦制动力矩两种作用的合成,运用单节车辆模型探究了两种作用效果的区别。通过分析发现,轮对运行状态和轮轨接触状态受不均衡闸瓦压力的影响相对较大,并且当一、三位轮对上发生闸瓦压力不均衡故障时,这种影响更为显著。车辆通过右转曲线时,不均衡闸瓦压力使一位轮对产生的顺时针方向摇头运动会改善轮轨接触状态,反之,逆时针方向的摇头运动会使轮轨接触状态恶化。其次,以实测C80车辆的踏面廓形为激励,分析了车轮磨耗后不均衡闸瓦制动力的影响。结果表明,踏面磨耗后轮轨接触状态会发生较大变化,这种变化有较强的非线性特征,而闸瓦压力不均衡的故障会使这种变化更明显。然后,对单节车辆和短编组列车在不均衡闸瓦制动力作用下的响应特点进行了对比分析。结果表明,短编组列车的轮轨接触特性变化规律与单节车辆基本一致,只是在幅值上有较明显的差别。由于中间车辆受到前后车辆的约束作用,在一定程度上减小了不均衡闸瓦压力的影响,使左右轮的轮轨接触状态趋于一致。最后,以短编组列车为例,从轮轨黏着特性和车辆运行安全性两方面对闸瓦压力不均衡程度限值进行了分析。结果表明,轨轨接触状态受曲线半径的影响相对较大,受不均衡闸瓦制动力影响相对较小,为使黏着面积百分比不低于60%,建议左、右车轮闸瓦压力差应不大于20 k N,考虑车辆运行安全性指标,建议左、右轮闸瓦压力差不大于40 k N。

关键词： 局部磨损   主动防滑约束   车轮角速度同步   速度追踪   高速列车  

摘要： 高速列车是我国重要的交通工具,其长期运行的安全性和舒适性是其可持续发展并走向国际化的前提。降低轮轨系统的磨损和疲劳损伤是提高高速列车运行过程中的安全性、舒适性的有效手段。目前,针对优化轮轨物理参数(例如,轨道间距、车轮轮廓、表面硬度等)来降低列车整体磨损的研究已经相当成熟,但是对运行过程中由于车轮空转打滑和各个执行器的性能差异等导致部分轮对磨损的研究并不多见。车轮空转打滑会导致剧烈的轮轨磨损或疲劳损伤,各执行器效率存在差异,会导致驱动轮对的滑行速度存在微小差异,在列车长期运行后,部分轮对可能会产生严重的滚动磨损或疲劳损伤。因此降低列车运行过程中产生的轮轨局部磨损具有十分重要的意义。本文从主动防止车轮打滑和补偿各个执行器差异两方面优化轮轨局部磨损,主要工作如下:(1)目前,国内外对防滑控制的研究大多是将防滑约束目标和速度追踪目标分开研究,由于粘着力控制和列车牵引/制动控制通常被认为是两个独立的过程,因此很少有文章将防滑问题纳入牵引/制动控制设计的统一兼容框架中。本文创新性地开发了一种基于主动防滑约束的自适应牵引/制动控制方案,该方案将列车的防滑约束条件作为一个约束项,直接引入到牵引/制动控制器的设计中。应用该控制器,能够保证轮轨系统的蠕滑率始终不超过给定的经验性防滑边界,并且该防滑边界可以在理论值附近自由选择,无需精确获取,同时能够确保精确的速度追踪。然后设计了一个带有防滑约束和速度追踪误差两个参数的Lyapunov方程,通过理论证明验证了该控制方案的有效性。(2)针对高速列车各个执行器不一致导致轮对磨损不均衡的问题,本文首先验证了执行器不一致会导致车轮角速度差异,进而导致轮对磨损不均衡。其次,设计了一个牵引/制动控制和车轮角速度同步控制相统一的混合双环控制框架,并采用鲁棒自适应观测器观测系统中的不确定性参数。该控制器不仅实现了牵引/制动控制的目标,而且完全补偿了执行器的差异,保证了所有驱动轮对在长期运行中具有相同的滑移速度(意味着均匀的驱动载荷和滚动磨损)。并且理论证明了该控制器的有效性。最后,这两个控制方案都在MATLAB中进行了模拟仿真,并分别与普通控制方案进行了对比验证。结果表明,本文提出的防滑约束牵引/制动控制方案能够同时实现列车速度跟踪和防滑约束;轮对协同牵引/制动控制方案能够同时实现列车速度跟踪和均衡轮对磨损。控制性能比对应的普通控制器更优越。

关键词： 轨道交通列车   制动系统   轮轨黏着   轴重参数   运行速度   滑移率  

摘要： 轨道交通列车的制动主要通过轮轨之间的黏着产生，在列车制动过程中，对一定的轮轨接触面黏着水平，当制动力矩过大时，会导致车轮滑行甚至抱死，因此需要对轮轨黏着影响因素进行研究。制动系统综合试验台是研究列车轮轨黏着及其影响因素关系的重要工具。本文以南京中车浦镇海泰制动设备有限公司的列车制动系统综合试验台为基础，研究轴重、运行速度和滑移率三个因素对列车制动工况下潮湿轨面轮轨黏着的影响。本文为此进行了如下研究：　　首先，本文对轮轨黏着影响因素进行了分析，整理了国内外黏着系数影响因素的理论研究现状和试验研究现状，基于现有学者的研究结论总结得出黏着系数与各影响因素之间存在的关系，同时分析了研究制动工况轮轨黏着的必要性与可行性，得出本文的研究对象为制动工况（潮湿轨面）轮轨黏着系数与轴重、速度以及滑移率的关系。　　其次，对制动系统综合试验台进行简单介绍，从制动工况轮轨黏着现象、黏着试验模型以及试验条件模拟研究了制动工况轮轨黏着试验，从试验误差角度分析了制动工况轮轨黏着试验能在一定误差范围内得出黏着系数及其影响因素的数量关系，同时，给出了试验工况和试验操作流程便于开展现场试验得出试验原始数据。　　然后，根据试验制动工况的定义，对现场试验得出试验原始数据进行提取，提取需要研究的部分为试验数据;同时，使用数据滤波方法对试验数据中的速度信号进行滤波处理并计算试验数据中各时刻的滑移率和黏着系数得出试验数据集;采用Polach模型对试验数据集进行拟合，得出Polach模型无法拟合全部的试验数据，采用神经网络模型对数据进行拟合，从相对误差率和拟合优度二个角度得出神经网络拟合数据效果较好，最终取神经网络拟合的结果作为轮轨黏着试验数据的拟合结果。　　最后，对轮轨黏着试验数据拟合的结果进行分析，定义黏着系数-滑移率曲线特征点（A、B和C点），从特征点的滑移率分布，黏着系数与轴重、速度变化关系，A点斜率与轴重、速度关系，A、C点间的黏着系数提高率与轴重、速度关系四个方面研究制动工况黏着特性;同时，考虑单因素分析方法分析了轴重、速度两个因素对制动工况黏着系数影响，得到制动工况（潮湿轨面）黏着系数与轴重、速度和滑移率的关系。

关键词： BP神经网络   轮轨力   测量技术  

摘要： 轮轨接触关系是铁路运输中的重要研究课题之一。随着当下火车速度的增加,轮轨相互作用变得更强,轮轨负载变得更加复杂。轮轨力的准确测量对于研究车辆系统的行驶稳定性和安全性非常重要。实践表明,BP网络模型的仿真结果可以实现更理想的输出波形,解决或减少了现有组桥过程中的一系列问题,并证明所设计的网络具有足够的精度,该网络也具有极大的应用价值。

关键词： 轮轨载荷   车轴动应力   线路实测   车辆系统动力学模型   道岔通过   扁疤冲击  

摘要： 轮轴作为高速列车重要的承载部件,对车辆的安全运行起到了举足轻重的作用,研究其实际运行时的载荷和动应力特征可为结构设计、优化、服役寿命预测等提供重要的参考。本文以国内某型高速动车组轮轴为研究对象,依托大西客运专线典型工况的轮轴载荷和动应力数据,结合扁疤冲击、道岔通过及组合工况仿真模型,从线路实测和数值仿真两个角度研究了不同工况下的轮轴载荷和动应力特征。具体研究内容如下:（1）根据测力轮对的贴片原理及方案,完成轮轴静态加载标定试验,处理并分析不同工况下的静态标定数据,分析不同方向作用载荷之间的影响,得到轮轴垂向、横向载荷应力传递系数。（2）借助载荷应力传递系数处理线路实测数据,提取不同速度直线工况和不同半径曲线工况的应力/载荷时间历程,编制相应载荷谱和应力谱,分析这些典型工况下的轮轨载荷及车轴动应力的分布特性。结果表明,直线工况下,速度对轮轨主频载荷和车轴主频应力的影响较小,载荷/应力变化区间会随着速度的提高而增大;曲线工况下,轮轨载荷和车轴应力都发生了明显的偏移,偏移程度与曲线半径和线路超高密切相关,具体表现为曲线对应的平衡速度与列车实际运行速度相差越大,轮轨载荷和车轴应力相对直线工况偏移越明显。（3）利用多体动力学仿真工具SIMPACK,根据动车组参数建立刚柔耦合车辆系统模型,其中为精确研究轮轴载荷和动应力特性,考虑将轮轴柔性化处理;根据高速客运专线的道岔型号,选用42号可动心轨单开道岔,通过提取关键截面数据和插值非关键截面建立直向通过道岔和侧向通过道岔模型;将车轮扁疤考虑为车轮圆周上的局部失圆,建立不同尺寸的扁疤模型。（4）通过数值仿真,得到扁疤冲击、道岔通过以及组合工况下的轮轨载荷和车轴关键节点动应力,分析这些极端工况对轮轨载荷和车轴动应力的影响特征。结果表明,扁疤长度对轮轨载荷和车轴动应力有明显影响,随着速度的提升,轮轨垂向载荷和车轴关键截面应力均呈现先增大后减小的趋势,低速工况下扁疤冲击会严重影响车轴疲劳寿命;车辆通过道岔转辙区和辙叉区会发生明显的轮轨冲击;扁疤车轮高速直向通过道岔时,轮轨载荷伴随重复性高频冲击,且转辙区轮轨垂向力以扁疤冲击为主、辙叉区以道岔冲击为主,组合工况产生的轮轨载荷和动应力峰值均大于单一工况产生的峰值。图86幅,表12个,参考文献102篇。

关键词： 轮轨   多边形磨损   有限元分析   噪声声压级   摩擦力矩   磨损量  

摘要： 在现代交通运输中,铁路运输是一种普遍且重要的运输形式,对于国民经济的发展有着不可替代的作用。一直以来,轮轨接触损伤都是铁路工业的一个世界性技术难题,至今尚未得到根本解决。并且在铁路运输向高速重载发展的背景下,轮轨滚动接触磨损也愈加严重。因此,根据实际线路条件,对轮轨滚动接触进行模拟试验。并使用有限元仿真软件对轮轨滚动接触进行仿真模拟,研究车轮和钢轨接触特性,实现轮轨磨耗的三维展示。通过研究轮轨踏面磨耗的萌生和扩展机理,对减轻轮轨伤损,缓解和抑制钢轨波磨,提高其使用寿命,降低铁路运输成本具有重要的指导意义。本文在广泛吸取国内外轮轨滚动接触摩擦磨损问题研究的基础上,通过实验室现有设备,在GPM-30A轮轨模拟滚动接触疲劳试验机上进行轮轨踏面接触疲劳再现实验,进行不同车轮试样尺寸在常规状态下的轮轨试样磨损试验。在模拟试验开始前,在试验台附近布置声传感器,用于检测轮轨滚动接触噪声;利用试验机自带的计算机控制软件得出轮轨摩擦副的摩擦力矩变化情况;试验每进行2h时,利用电子天平称量试样质量损失即磨损量;利用激光位移传感器测量设备测量试样车轮的轮廓不圆度幅值。利用ABAQUS建立三维的轮轨滚动瞬态接触有限元模型,将试验工况加载到有限元轮轨模型上。根据轮轨接触理论,利用ABAQUS/Explicit进行轮轨滚动瞬态接触分析。以轮轨试样滚动接触试验为依据,将有限元仿真结果与试验结果进行对比与分析,验证有限元轮轨试样接触模型的有效性,并建立真实轮轨有限元接触模型。研究结果表明:(1)车轮试样尺寸越大,轮轨摩擦副所带来的噪声声压值越小,噪声声压值随时间的变化趋势为:先增大后降低,最终趋于稳定,且稳定后的噪声声压值大于初始声压值;(2)车轮试样尺寸越大,轮轨摩擦副的摩擦力矩越小,摩擦力矩随时间的变化趋势为:先急剧增大,后缓慢上升,最终趋于稳定,且稳定后的摩擦力矩大于初始值;(3)车轮试样尺寸越大,车轮磨损量越小,钢轨磨损量越大。试验进行8h后,轮轨试样的磨损量显著上升,且车轮试样车轮表面出现明显的多边形磨损,车轮试样尺寸越大,轮轨摩擦副踏面轮廓不圆度幅值越小。总体来看,踏面轮廓不圆度幅值随时间的增加呈现上升趋势,且主要频率为100Hz与轮轨滚动噪声峰值频率一致。通过以上研究得到轮轨试样滚动接触磨损的变化规律。在轮轨接触中,车轮受力情况明显大于钢轨受力情况,因此车轮的变化情况也恶劣于钢轨,磨损情况也大于钢轨磨损。