关键词： 城市轨道交通   轮轨   减振降噪  

摘要： 在城市化进程逐渐加快的同时,城市轨道交通轮轨建设要求相应提高。为有效减少轨道交通振动现象,应结合实际情况探究减振降噪的有效措施,一定程度上扩大轨道交通轮轨铺设范围。为此,文章首先介绍减振降噪的意义,然后客观分析轨道交通轮轨振动、噪声产生原因,最后比较城市轨道交通轮轨减振降噪的常见措施,使减振降噪水平大幅提升。

关键词： 地铁车辆   曲线通过   滚动接触疲劳   轮轨滚动接触   车辆轨道-耦合动力学  

摘要： 滚动接触疲劳伤损是影响轮轨寿命的主要伤损之一,如处理不及时或不妥当,随时会导致轮对和钢轨失效,危及行车安全。本文从轨道结构参数方面进行车辆曲线通过时轮轨滚动接触疲劳成因研究。主要工作和结论如下:(1)首先对国内外轮轨滚动接触疲劳的现有实验和理论研究等进行详细论述,明确轮轨滚动接触疲劳的研究意义,并选用适合本文所需的研究方法。(2)通过建立轮轨接触几何计算模型、蠕滑率计算模型和三维非Hertz滚动接触力学模型,研究轨道结构参数对地铁车辆静态匹配性能和接触力学特性的影响。结果表明:内轨或外轨轨底坡的减小均会恶化轮轨接触关系,引起较大的接触应力;轨距加宽可改善轮轨匹配关系,并显著降低接触接触应力,减小轮轨的滑动行为。(3)建立了地铁车辆-轨道耦合动力学模型,结合三维非Hertz滚动接触力学模型,按轮轨实际滚动接触状态,分析计算轨道结构参数对轮轨动态匹配关系和接触力学特性的影响。结果表明:曲线半径的减小会恶化轮轨匹配关系,使轮轨间有较大的蠕滑率和蠕滑力;外轨轨底坡的减小对外轨侧轮轨接触几何和接触应力影响更大,内轨轨底坡的变化对内外轨均有明显影响;轨距加宽能改善轮轨关系,有利于曲线通过,使轮轨接触点对不易发生轮缘和钢轨外侧的接触;摩擦系数主要影响外轨侧轮轨接触,摩擦系数增大能显著降低摇头角和蠕滑率,降低轮轨间的接触应力。(4)基于三维弹性体非赫兹滚动接触理论、安定图及损伤函数,进一步分析轨道结构参数对轮轨滚动接触疲劳的影响。车辆通过小半径曲线(尤其半径小于500m)会发生轨距角接触,接触斑上的作用力远大于非轮缘接触时的作用力,轮轨接触斑材料处于棘轮效应区,这是轮缘和钢轨内侧易产生大量滚动接触疲劳破坏的主要原因。内轨或外轨出现较小的轨底坡时,会显著增大轮轨表层和次表层接触应力,恶化车轮表面疲劳性能,使轮轨产生滚动接触疲劳的概率增加。适当加宽曲线段轨距有利于轮轨关系的匹配,可缓减曲线钢轨接触疲劳伤损,轨距加宽值为2mm时效果最佳。过小的摩擦系数会引起外轨侧有过大的轮轨接触应力,随着荷载的循环加载,会加速轮轨材料的疲劳伤损;增加轮轨间的粘着可以减小轮轨间的接触应力,进而降低轮轨间的滚动接触疲劳,摩擦系数为0.3和0.4效果最为显著。

关键词： 轨道强度检算荷载   轨道结构设计荷载   速度系数   动载系数   动力系数   轨道质量状态   车轮扁疤   轮轨力统计特征值  

摘要： 轨道作为行车的基础,反复承受着轮轨动荷载,准确的确定轮轨动荷载是了解轨道结构各部件应力、变形,从而进行轨道结构设计、轨道强度检算、养护和维修的重要基础。本文运用ANSYS LS-DYNA软件建立车辆-轨道耦合动力学模型,利用轨道质量指数（TQI）定量表征轨道质量状态,分析车速、扣件刚度、轮对质量、车体质量、轨道质量状态对轮轨力统计特征值的影响;计算目前我国车辆养护维修规定所允许的最大长度的车轮扁疤造成的轮轨冲击力;计算不同等级铁路在不同轨道质量状态下的轮轨力统计特征值。基于轮轨力实测值,用回归分析方法研究轮轨动荷载实测值随车速变化情况,并对比分析轮轨力实测值与仿真计算值,最终确定轮轨垂向动荷载取值。得出以下主要结论:（1）轮轨力分布范围与车速、扣件刚度、簧下质量、簧上质量成正相关关系;轮轨力平均值几乎不随车速与扣件刚度变化,随簧下质量和簧上质量有较大变化,但变化量与静轮重变化量几乎相同;轮轨力标准差与车速、扣件刚度、簧下质量成正相关关系,几乎不随簧上质量变化而改变;动力系数与车速、扣件刚度、簧下质量成正相关关系,随簧上质量增大略有减小。随着轨道质量状态劣化,轮轨力分布范围增大,平均值几乎不变,标准差增大,动力系数增大。（2）车轮扁疤造成的轮轨冲击力衰减速率随P1力增大而减缓。CRH2型动车组在新扁疤激励作用下,在车速为100km/h时动载系数达到最大值2.95;23t轴重电力机车在新扁疤激励作用下,在车速为160km/h时动载系数达到最大值3.66。（3）轮轨力地面实测值具有较大的离散性,并非所有地段的轮轨动荷载均随车速增大而增大,用地面测试方法测得的轮轨力来计算轮重减载率、脱轨系数等参数,进而评价轨道整体的安全性不够合理,应采用测力轮对法测量轨道整体的轮轨力进行评价。（4）本文得到的高速铁路、城际铁路、客货共线铁路在不同轨道质量状态下的速度系数建议值,可为我国高速铁路、城际铁路、客货共线铁路轨道强度检算提供一定参考;本文得到的高速铁路、城际铁路、客货共线铁路动载系数建议值,可为我国高速铁路、城际铁路、客货共线铁路轨道结构设计提供一定参考。

关键词： 模型参数   显式有限元法   轮轨瞬态滚动接触   模态分析  

摘要： 随着列车提速、轴重增加及城市轨道交通的蓬勃发展,截止2019年底,中国高速铁路运营里程将突破3.5万公里,运营里程高居世界第一。自高铁开通以来,陆续出现了轮轨擦伤与钢轨侧磨、短波不平顺损伤、车轮多边形等一系列新的工程问题,严重影响了车辆运行品质、缩短轮轨服役寿命、甚至危及着行车安全,因此解决轮轨接触问题将变得愈发重要。轮轨滚动接触问题是铁路移动装备关键技术问题研究的难点,要解决这些问题,首先要解决轮轨接触斑处的作用力与其相关因素的关系。近年来,利用有限元方法求解轮轨瞬态滚动接触问题成为主流。在进行瞬态求解过程中,文献中多采用静态建模的求解思路,且常采用半轮对的建模方式,没有涉及到不同的模型参数对轮轨瞬态计算结果的分析,而且轮轨冲击下的半轮对与全轮对的瞬态求解差异尚未研究。本文旨在通过改变三维轮轨瞬态模型的参数条件,探究不同参数条件下的模型瞬态求解结果,并结合模型中轮轨的模态分析结果,进而对钢轨顶面施加不平顺激励,研究半轮对和全轮对的冲击影响及其差异,并探究不同速度下轮轨冲击作用的影响,用来分析全轮对钢轨一侧顶面不平顺带来的冲击效应对另一侧轮轨接触的影响,最终探究出全轮对的适用范围。本文采用ANSYS/LS-DYNA软件并依照轮轨标准踏面建立了三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,第二章详细阐述了模型的真实模拟过程以及关键技术的施加,并通过CONTACT数值程序与Hertz接触理论以接触斑大小和应力的方式对模型的建立求解正确性进行验证,继而展示出轮轨瞬态滚动过程中的求解结果。第三章中通过车轮和钢轨的模态分析结果,进而得出半轮对与全轮对不同频率下的变形大小,分析其存在差异,为第四章钢轨顶面施加不平顺激励打下基础。第四章对不同参数条件下的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型进行了对比分析,分别针对扣件系统、钢轨长度、轨道板以及全轮对与半轮对的模型结构差异等不同参数进行可控化分析对比,进而在建立的三维瞬态有限元模型基础上,结合模态分析结果,对钢轨顶面施加不平顺激励,对比半轮对与全轮对模型的轮轨冲击响应的差异性,最后分析了不同速度对轮轨冲击作用的研究,以此探究滚动过程中轮对一侧激励产生的冲击作用对另一侧的影响,并详细展示了本文所建立的数值模型可得到的瞬态滚动接触解,包括轮轨力、接触应力、接触斑形状、轮轨接触等效应力等。最后,根据本文的研究王作,得出相应的结论,并对考虑不同参数条件下的三维轮轨瞬态滚动接触--冲击的有限元模型的改进方向提出了展望。

关键词： 轮轨噪声分离   噪声源识别   波束形成   信号分离   偏相干分析  

摘要： 近年来,随着国内高速铁路事业的迅猛发展,高速铁路噪声问题越来越突出,受到人们的广泛关注。轮轨噪声在高速铁路噪声中占据主要地位,因此,要减少高速铁路噪声必须从抑制高速铁路轮轨噪声着手。由于轮轨噪声的产生机理以及轮轨之间的耦合都比较复杂,很难单独分析车轮和钢轨产生的噪声,而基于麦克风阵列的波束形成声源识别技术能准确识别出列车轮轨区域的噪声,因此,本文另辟蹊径,从麦克风阵列声源识别技术出发,利用143通道螺旋阵列在大西线上采集列车经过时的噪声数据,然后利用反卷积波束形成算法识别出列车轮轨区域的噪声;同时,通过在钢轨上布置振动传感器获取列车经过时钢轨的振动数据,得到由钢轨振动产生的噪声;最后,利用偏相干算法和最大信噪比盲分离算法结合识别出的轮轨噪声以及采集的钢轨振动数据实现轮轨噪声的分离,为后续有针对性的降低轮轨噪声提供理论基础。本文主要的研究内容和研究结论如下:(1)建立了麦克风阵列接收信号的数学模型,对传统延时求和波束形成算法和互谱波束形成算法的基本原理进行了分析,推导了基于FFT-NNLS和FISTA两种反卷积算法理论的具体求解步骤。(2)通过仿真分析了三种波束形成算法程序识别窄带声源、宽带声源、单声源及双声源的识别效果,对比分析了三种算法的识别性能,并通过静态声源识别测试试验进行了验证。随后将波束形成算法向运动声源的识别方向延伸,由于传声器在接收运动声源的声压信号时会产生多普勒效应,引入插值法消除多普勒效应,并通过仿真分析验证。(3)研究分析了偏相关技术中的偏相干分析方法和最大信噪比盲分离算法的基本原理,对这两种分离算法的分离效果进行了仿真验证。(4)基于高速列车不同速度级下的噪声数据及钢轨振动数据,识别出了轮轨区域噪声,分析了钢轨振动的频率特性,利用偏向干函数和最大信噪比分离算法分离出了车轮辐射的噪声,为今后工程上降低轮轨噪声对车轮和钢轨做有针对性的减振降噪措施提供有效指导。

关键词： 马格纳斯风力机   结构设计   三维非定常   数值模拟  

摘要： 随着人们对生存环境的日益重视,可再生新能源利用越来越受到关注,风力发电作为重要的可再生能源技术快速发展,近十几年来,各种风力发电机如雨后春笋般地在陆地和近海海面竖立起来。风力机从结构形式分类,可以分为水平轴和垂直轴两种,水平轴风电机组是目前最常见的风力发电型式,其特点是风力利用率较高,但技术已经相对成熟的同时也出现了超大型风力机安装、维护、运营成本居高不下等技术瓶颈,使得风电成本难以大幅下降,这给该类风力机的继续发展留下了难题。另一种垂直轴风力机型式在发展之初就由于缺乏有效的设计计算方法等原因,使得该类风力机的发展受阻。随着流体力学在设计计算技术方面的长足进步,以及水平轴风力机发展中遇到的诸多现实问题,垂直轴风力机的独特技术特性又引起了研究者极大兴趣。课题组提出了一种基于马格纳斯效应的垂直轴风力机的风力发电型式,与传统水平轴风力机相比,该类风力机从制造、运维成本等方面都呈现出独特的技术特点,前期研究已经对该类风力机技术特征与水平轴风力机做了系统比较,发表了相关理论分析成果,本文则进一步围绕其机械结构设计、控制系统、运动特性、数值模拟等方面展开研究。首先根据马格纳斯风力机的运行特点,设计了一种轮轨式机械结构的垂直轴风力机结构模型,将马格纳斯风力机和模型小车相结合,外力带动风力机叶片在风场中自转,由此产生了比施加的外力大的多的马格纳斯力带动模型小车在环形轨道上公转,将风能转化为模型小车的动能。显然,本风力发电型式能否最终转化成实用技术,可获得的风能利用效率、设计计算方法等各种技术指标至关重要,需要做进一步的理论探索。由此,本文在前期研究的基础上,进一步结合模型小车的运动特性,设计了闭环控制系统,根据模型小车的位置调节转速并在换向点控制叶片转向,探索计算出该类风力机的风能利用率;然后根据空气动力学知识,采用非惯性坐标系下的流函数-涡量形式,基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程,结合湍流模型和二阶迎风算法,分析了马格纳斯风力机动态失速下的运动特性,并利用膨胀模型对风力机下风处风轮的功率进行修正;最后利用流体仿真软件Fluent,基于马格纳斯风力机数学模型,从三维角度对马格纳斯风力机单叶片进行了静止和旋转两种状态的数值模拟,得出三个方向的流场和压力分布状况;同时对马格纳斯风力机组进行了三维数值模拟仿真数值计算,得出了叶片在特殊位置时的升阻力和叶片中心转矩。以上研究结论为进一步的模型机结构设计及实验研究提供了必要的理论基础。

关键词： 轮轨表面缺陷   经验模态分解   广义固有模态函数   能量熵   极限学习机  

摘要： 随着轨道交通现代化发展,传统的运输系统将面临许多新难题。行车速度越高,安全问题愈显突出。列车行驶过程中,既要保证车辆不脱轨,使其安全运行,又要保证运行的平稳性和舒适性。车辆运行速度越快,车辆与轨道之间的微小不平顺、表面缺陷等均会使车辆在运行过程中产生的各种振动越大。车辆-轨道耦合系统是一个非线性动力系统,各种微小的振动将耦合成较强振动,最终影响旅客乘坐的舒适性和装运货物的完整性。因此车辆、轨道之间表面缺陷的检测具有重要的现实意义。虽然轮轨缺陷的检测方法种类繁多,例如无损探伤、机器视觉、振动技术等,但在保证检测速度的快速性、设备安装的便捷性方面,振动技术是最常用的方法。振动信号的分析与特征提取是对车辆系统影响最小、安装设备方便、受环境影响最小的在役车载状态监测方法。由于车辆-轨道耦合系统的非线性以及轮轨表面缺陷的不连续冲击,导致车辆系统的振动具有非线性、非平稳的特性。由于希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transfrom,HHT)方法适用于非线性、非平稳信号,目前被应用广泛。HHT方法包含经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和瞬时频率(Instantaneous Frequency,IF)的计算。本文采用EMD方法进行车辆系统振动信号分解,目的在于研究EMD方法用于车辆-轨道耦合系统的轮轨表面缺陷的检测。以EMD方法为基础,对车辆-轨道耦合系统的轮轨表面缺陷检测的自适应解调方法展开如下研究。(1)建立了客车车辆-有砟轨道的轮轨伤损仿真模型,并采用新型显式积分法求解,获得了不同工况下,车辆系统各部件的振动信号,用于分析不同伤损激励下车辆-轨道耦合系统振动响应的特性。(2)针对实际工况中振动冲击的非连续性,提出了广义固有模态函数。在此基础上,采用基于广义固有模态函数的EMD方法(EMD Based on Generalized Intrinsic Mode Function,EMD-GIMF)分解含车轮扁疤(单扁疤、双扁疤)的构架垂向加速度信号,并与Hilbert解调结合以获得其包络谱。经验证,广义固有模态函数能有效解决EMD方法在分析车辆-轨道耦合系统中瞬时冲击引起的振动信号的不连续,EMD-GIMF方法能有效地提取出扁疤故障的特征频率,以识别车辆系统的车轮扁疤缺陷。(3)提出了基于二进时间尺度的EMD(EMD based on Binary Time Scale,EMD-BTS)方法,能有效解决多轮轨表面缺陷检测中的模态混叠现象。运用该方法对同时含有车轮扁疤和轨道谐波不平顺、车轮扁疤和钢轨波磨的振动数据进行分解,采用互协方差方法去除伪IMF分量,最后根据IMF的能量熵筛选出敏感分量。对得到的敏感分量利用能量算子谱进行解调,能同时识别两类轮轨表面故障特征频率。(4)为了能自动识别单一轮轨表面缺陷、多轮轨表面缺陷,采用本文提出的EMD-BTS方法分解振动信号,并除去由于过度分解产生的伪IMF分量后,筛选出敏感分量。对敏感分量建立AR模型,选择AR模型的自回归系数、残差方差构造特征向量,并采用极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)进行故障模式识别。研究结果表明,该方法能自动识别轮轨表面缺陷,并具有较高精度及实用价值。

关键词： 钢轨波磨   高铁   轮轨耦合系统   动态响应特性   现场测试   有限元仿真  

摘要： 钢轨波浪型磨耗是指出现在钢轨纵向表面的一种准周期性磨耗现象,因其类似波浪形状而得名波浪磨耗,简称波磨。严重的钢轨波磨会缩短钢轨的寿命,增加维护保养的成本,甚至会恶化轮轨关系,加剧轮轨振动,影响乘客舒适度,威胁行车安全。世界各国学者对钢轨波磨的研究已逾百年,但钢轨波磨产生的原因和机理复杂,至今没有放之四海而皆准的治理措施。尽管针对钢轨波磨还没有彻底的治理措施,但是世界各地的铁路工作者针对当地出现的波磨也做出了一些卓有成效的工作,其中一些产品已经被应用到现有线路的改造和新线路的建设中,对波磨的缓解起到了一定作用。近十年来我国高速铁路飞速发展,高铁运营里程已跃居世界第一,在给人们出行方式带来巨大变化的同时,钢轨波磨的问题也越来越严重。如何治理波磨问题,已成为铁路工作者必须面对的难题。众所周知,列车前进是靠轮轨接触得以实现,轮轨接触是钢轨波磨研究过程中无法回避的问题。本文从轮轨耦合条件下轨道系统动态响应特性的角度,对某高铁线路上出现的钢轨波磨现象进行研究,尝试找出钢轨波磨产生的原因。本文主要的研究工作如下:(1)对某高速铁路出现的波磨进行现场调查测试,利用Bi-CAT钢轨波磨测试仪对钢轨纵向粗糙度水平进行在线测试;(2)对耦合条件下的列车轮轴振动特性进行现场测试及实验室仿真,重点关注波磨特征频段内的轮轴振动特性;(3)对静态条件下轮轨耦合系统动态响应特性进行现场测试及实验室仿真,重点关注轮轨耦合条件下轨道系统横向动态响应特性对钢轨波磨的影响;(4)建立1/2的高速轮轨滚动有限元模型,研究轮轨间纵向蠕滑力饱和条件下轮轨系统不稳定振动对钢轨波磨的影响。

关键词： 轮轨关系   多边形磨损   贝氏体磨损   白层   轮轨失效分析  

摘要： 伴随着我国高速、重载铁路的迅猛发展,轮轨的磨损失效、疲劳损伤等问题更加突出,缩短了轮轨材料的服役寿命,已严重影响到铁路运输的安全。分析轮轨失效机理,提高轮轨材料综合性能,延长轮轨服役寿命,是目前铁路行业急需研究和解决的关键性科学技术问题。本课题将实际服役轮轨与实验室轮轨材料试验相结合,利用扫描电镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析方法,研究了几种常用轮轨材料和贝氏体轮轨材料在不同磨损条件下的微观组织结构与性能演变,以及多边形磨损的形成机制及其对磨损过程的影响机理,对比分析了不同轮轨材料在磨损过程中摩擦学白层、相变白层的形成过程和演变机理。在高速和重载服役条件下,轮轨踏面表层组织以剧烈塑性变形珠光体组织为主;轮缘/轨侧滑差率较大,表层组织应变程度更高,更易形成摩擦学白层,甚至形成相变白层。摩擦学白层内的组织主要是纳米级的铁素体小晶粒和细小的渗碳体颗粒,相变白层内的组织主要是孪晶马氏体以及少量残余奥氏体和未溶解的细小渗碳体。相变白层疲劳剥离过程主要分为三个阶段。相变白层强度高不易发生塑性变形,磨损时首先在相变白层与基体珠光体交界的楔形尖角处以及白层表面应力集中区萌生裂纹,然后在白层与基体交界面处的裂纹沿着交界面向深处扩展,同时,白层表面裂纹也向白层内部深处扩展,最后表面萌生和扩展的裂纹与从表面白层交界处萌生和扩展的裂纹发生交汇,导致白层局部出现深层剥落。双盘滚动磨损试验过程中出现的多边形磨损,依据表面形貌和尺寸变化可分为宏观磨损形貌发生周期性变化而峰谷高度差很小的潜伏期、局部发生多边形磨损(峰谷高度差数微米至数十微米)的发展期和整个圆周发生多边形磨损(峰谷高度差数十微米)的成熟期三个阶段。不同轮轨材料在双盘滚动磨损过程中形成多边形磨损符合机械振动与试样磨损耦合作用的理论,材料耐磨性能及磨损表面状态决定试样不均匀磨损程度,影响多边形磨损的形成与发展。波谷区域由于存在振动附加载荷和更大的滑差率,使其磨损方式由氧化磨损为主转变为以疲劳磨损为主,从而比波峰区域具有更高的表面硬度和硬化层深度,微观组织也表现为更深的变形层深度和更大的晶粒细化程度。不同形态铁素体组织在滑动磨损过程中超细晶粒的形成过程不同,并受到第二相的影响。随着切应变的不断增大,通过位错的增殖与运动,数十微米直径颗粒状铁素体晶粒将经历塑性变形、数微米直径铁素体晶粒和亚晶形成、亚微米厚度片层状组织形成、亚微米直径板条状组织形成、板条状铁素体被亚晶分割、短棒状细晶粒形成等过程,最后再经历更小尺寸的条状铁素体形成和亚晶分割、细晶形成后续过程,直到数十纳米等轴晶粒形成的稳定状态。共析片状铁素体和贝氏体板条状铁素体组织分别直接发生与上述过程对应的片层状和板条状阶段及其后续的细化过程,并且由于受到渗碳体和残余奥氏体转变成的马氏体影响,最终得到的铁素体晶粒更细小。成分相近的贝氏体轮轨钢滑动磨损结果与分析表明,贝氏体的耐磨性主要取决于其硬化能力,高的残余奥氏体含量有助于协调表层的塑性变形使表层变形量更大,晶粒更细,以及奥氏体在变形过程中因发生马氏体相变而形成更多的马氏体,两个作用均使表层硬度提高,从而提高耐磨性。

摘要： 12月4日,资源科技公司收到中铁二局新运公司发来的中标通知书,成功中标成昆铁路峨米段护轮轨项目,中标数量1.32万t。成昆铁路是连接我国四川省与云南省的国铁Ⅰ级客货共线铁路,该线路呈南北走向,北起成都站、南至昆明站,线路全长1 096 km,为中国西南地区的干线铁路之一,也是中国三横五纵干线铁路网的一纵。