关键词： 地铁车辆   一系钢弹簧   动应力   刚柔耦合车辆系统动力学   有限元   钢轨波磨   中高频  

摘要： 随着我国地铁载客量和车辆运行速度不断提升,线路钢轨波磨和车轮多边形磨耗现象越来越普遍,伴随着车辆零部件疲劳破坏现象频繁发生。轮轨波磨导致轮轨关系不断恶化,会激励轮轨产生中高频振动,并传递到车辆各零部件;这对一系钢弹簧的动应力特性有重要影响。因而,有必要对地铁车辆一系钢弹簧在轮轨中高频激励下的动应力进行研究。针对国内某B型地铁车辆一系钢弹簧断裂失效现象,通过现场试验和仿真计算对轮轨中高频激励下的一系钢弹簧振动特性和动应力进行了研究,主要工作及结论如下:(1)论述了国内外对车辆一系钢弹簧以及轮轨波磨中高频激励的研究现状,总结了结构动应力的研究方法,明确了轮轨中高频激励下一系钢弹簧动应力的研究意义和方法。(2)通过对某地铁线路的轮轨不平顺、车辆零部件振动加速度和一系钢弹簧应力测试发现:车辆多边形磨耗比较轻微,钢轨波磨比较严重;钢轨波磨波长主要为125mm00 mm,车辆零部件(轴箱、弹簧座和构架)振动中高频主频为500 Hz,一系钢弹簧动应力主频为60 Hz。(3)利用有限元软件ANSYS建立了一系钢弹簧有限元模型,分析了钢弹簧内外簧的固有模态、动刚度特性以及外部激励的敏感频率。研究了在敏感频率下位移激励的幅值和车辆轴重对钢弹簧应力的影响规律。结果表明,在激励频率高于钢弹簧一阶固有频率后,弹簧刚度出现频变现象;内簧对垂向位移载荷的敏感频率是60 Hz,内簧应力与位移激励幅值和车辆轴重均为正相关。(4)利用多体动力学软件SIMPACK建立了考虑一系钢弹簧柔性的车辆系统刚柔耦合动力学模型,通过线路行车试验数据对车辆动力学模型的准确性进行了验证。基于建立的车辆刚柔耦合动力学模型,计算分析了钢轨波磨波长、波磨波深、行车速度对钢弹簧动应力大小的影响。结果表明,弹簧动应力大小与波磨波长和行车速度有重要关系;在一定行车速度下,波磨通过频率与弹簧固有频率接近会导致弹簧动应力显著增大;波深越大,钢弹簧动应力越大。(5)针对地铁实际线路钢轨波磨情况,从钢轨打磨、行车速度、橡胶垫刚度和簧丝直径等方面研究了钢弹簧动应力的减缓措施。结果表明,钢轨打磨、优化行车速度、减小橡胶垫刚度可有效降低钢弹簧动应力和振动加速度水平,单纯改变簧丝直径不能有效减缓钢弹簧动应力。

关键词： 地铁   盾构施工   穿越   变形规律   轨道不平顺   动力响应  

摘要： 近些年,城市轨道交通网络密度不断增大,导致越来越多的轨道交通线路在空间上产生交叉。盾构法在隧道施工中得到了普遍的应用,但在施工过程中仍不可避免地会对地层产生扰动,从而影响既有隧道和既有轨道结构的变形,对列车的运行舒适性和安全性产生一定的影响。因此,本文系统地研究了盾构下穿施工对既有地铁钢轨变形的影响规律,及对运行列车轮轨系统动力响应的影响。论文主要研究工作如下:(1)以北京地区某新建地铁盾构区间下穿既有地铁隧道为背景,建立了既有隧道-土体-新建隧道三维空间耦合静力学模型,利用生死单元法模拟盾构开挖过程,并利用监测数据验证了模型可靠性;研究了盾构开挖至既有地铁不同距离的位置处,既有地铁钢轨的垂向、横向变形规律及垂向差、横向差变化过程。研究结果表明,盾构施工至既有隧道正下方时钢轨的变形速率和垂向变形差均达到最大,施工结束后,钢轨的最终垂向变形达到最大值,最终横向变形很小。(2)基于建立的有限元模型,研究新建隧道埋深、盾构施工半径、新建隧道双线水平间距三个因素对既有地铁钢轨变形的影响,研究发现:在既有隧道埋深不变的情况下,一定范围内新建隧道埋深增大导致两者之间土体厚度增大,从而使土体能够产生的变形增大,对既有地铁钢轨的垂向变形和横向变形影响也增大;新建隧道盾构半径增大,既有地铁钢轨的垂向变形、横向变形及变形差均增大,钢轨垂、横向变形最大值达到了 11.74mm、1.73mm,垂、横向变形差达到了1.11mm、0.16nmm;两新建隧道水平间距越小,右线隧道施工对先行左线隧道施工产生的扰动的叠加效应越明显,施工对既有地铁钢轨的变形影响越大。三种因素中,盾构半径的变化对既有钢轨变形的影响最大。(3)基于多体动力学理论,建立了地铁车辆空间耦合动力学模型,将静力分析中得出的最不利工况下各阶段的施工不平顺、叠加不平顺导入动力学模型,研究了盾构施工过程、钢轨变形的幅值和波长对轮轨系统动力响应的影响。研究结果表明,车辆运行安全性和平稳性在各阶段均未受到影响,盾构右线施工至既有隧道正下方时为最不利施工阶段;随着钢轨变形幅值的增大,轮轨动力响应均小幅度增加,当钢轨最大垂向变形、垂向变形差、横向变形、横向变形差分别达到91.5mm、11.12mm、17.33mm、1.62mm时,列车仍可安全运行,但舒适度较低;改变波长对列车运行安全性影响较大,波长越短轮轨动力响应越大,当波长为40m时,脱轨系数和轮重减载率均超过限值,车辆运行安全性较差。

关键词： 城市轨道交通   低矮声屏障   结构优化   轮轨噪声特性   分频降噪  

摘要： 随着城市化建设的快速发展，城市轨道交通带来的噪声问题日益突出，声屏障作为当前降噪的重要手段被广泛应用于地铁线路中。但目前常用声屏障对城市轮轨噪声降噪效果有限，而常常采用增加声屏障高度的方法降噪效果有限，而且造价成本高，既遮挡视线又影响美观，同时还容易带来声屏障失稳的隐患。在此背景下有必要对低矮声屏障进行优化改良研究，探索在保证降噪效果的前提下达到降低成本、美观的目的。故以低矮声屏障为对象，通过实测分析对比和声学模拟仿真等手段，分析其在轮轨噪声特征频率段的降噪特性，为后续低矮声屏障工程应用的改良优化提供一些参考和研究依据。　　首先，整理了国内外铁路声屏障和轮轨噪声的研究成果和现状，指出当下研究不足之处;汇总了声屏障降噪相关的声学原理、评价方法和试验规范，为后续的实测试验和结果分析提供参考。　　其次，在城市轨道交通试验线上铺设1.35m和1.5m高度的两种直立式低矮声屏障，采用网格化测点布置方式对地铁A型车通过的声屏障后方受声点进行实测，并进行分频降噪分析，对在不同空间位置和不同速度下的声屏障受声点降噪特性进行分析和规律总结。　　然后基于实测数据，利用virtuallab和abaqus仿真软件建立了不同臂长、高度、倾角和距声源不同距离下的三维边界元声学仿真模型，将无声屏障和1.5m高声屏障下的实测数据与模型仿真结果进行对比验证，对模型进行了优化。　　最后，通过探究不同结构声屏障在不同水平距离处的降噪特性，并与仿真数据进行对比，进一步分析其插入损失和附加插入损失。同时单独比较了距声源不同安装位置的声屏障降噪效果，探究了低矮声屏障的最佳降噪效果的距离区间;并给出了声屏障实际工程运用时臂长和高度参数设置的建议值。

关键词： 轨底坡   轮缘内侧距   轮轨接触关系   轮轨型面  

摘要： 为了研究城市轨道交通系统中轨底坡和轮缘内侧距对轮轨接触性能的影响,本文主要工作及研究结论如下:（1）介绍了轨底坡和轮缘内侧距及其对轮轨接触的影响,对国内外本领域的研究现状进行了总结;（2）根据大连市金州线快轨轮轨数据（LM车轮踏面,50kg/m钢轨型面,1:40轨底坡,1353mm轮缘内侧距）建立了轮轨接触三维有限元计算模型;（3）以大连市金州线轮轨模型为基础,运用轮轨接触几何学原理和弹塑性有限元接触计算理论,分析了不同轨底坡和轮缘内侧距下的轮轨接触性能;（4）选取LM、LMa型车轮踏面和60kg/m、50kg/m、43kg/m钢轨为研究对象,重点研究了轮轨接触斑面积和接触应力随横移量的变化情况,结合城轨交通线路具体情况,分析了不同轨底坡和轮缘内侧距下多种轮轨型面匹配的接触性能,给出了轨底坡、轮缘内侧距和轮轨接触型面的最优匹配方案;（5）根据大连市金州线线路具体情况,综合分析了多种轮轨型面匹配的接触性能,给出优化方案。本文的研究结果,对建设城轨交通线路具有一定的借鉴意义。

关键词： 高速列车   轮轨滚动   接触动力学   弹簧阻尼   表面粗糙度  

摘要： 随着高速列车运行里程的增加，经过摩擦磨损的累积，轮轨接触面除了会有表观几何尺寸的变化，也有着微观形貌的变化。轮轨系统处于车辆-轨道耦合动态变化的复杂大系统中，受车辆系统、轨道系统以及轮轨接触界面状态的影响。非稳态接触使得接触表面状况也随之发生了非线性的变化，导致了复杂的非线性接触动力学问题。基于轮轨接触的弹簧阻尼模型，这些变化可以直接表现在轮轨粘着系数、轮轨接触刚度和轮轨接触阻尼三者之上。本文利用动力学软件RecurDyn建立车辆-轨道耦合动力学模型，基于弹簧阻尼模型定义轮轨接触关系，基于接触表面粗糙度变化所引起的能量传递、贮存和耗散能力变化进行高速列车轮轨滚动接触动力学时变特性分析。　　（1）基于车辆-轨道耦合动力学理论建立高速列车系统动力学模型，基于弹簧阻尼模型建立轮轨滚动接触动力学模型。　　（2）基于Carter理论提出了一种函数型粘着系数模型，该模型将粗糙表面实际接触面积的变化等效为光滑表面的接触应力变化，可以预测表面粗糙度-蠕滑率-粘着系数的特性关系。并且通过试验验证了模型的有效性及适用范围，研究了表面粗糙度的发展规律及其机理。结果表明，随着表面粗糙度的增大，实际接触面积减小，接触应力、粘着系数和磨损率增大，保持时间减小。此外，基于高效、可靠和经济三个原则，得到最优轮轨当量表面粗糙度为0.8μm。　　（3）利用分形函数构建上述试验所得各组粗糙接触面，建立微观轮轨接触模型，输入到宏观轮轨接触模型中，利用有限元软件ABAQUS，定量计算轮轨接触刚度和接触阻尼，并基于最小二乘法准则进行函数拟合。结果表明：轮轨接触刚度随着表面粗糙度的增大而减小，二者近似呈线性关系;轮轨接触阻尼随着表面粗糙度的增大而减小，其斜率的绝对值随着表面粗糙度的增大而减小，在达到1.6μm后几近趋于平缓。　　（4）将上述函数型粘着系数模型、函数型接触刚度模型和函数型接触阻尼模型输入到基于弹簧阻尼模型建立的轮轨接触动力学模型中，并联合车辆-轨道耦合动力学模型，进行不同轮轨当量表面粗糙度下的高速列车轮轨滚动接触动力学分析。结果表明，随着表面粗糙度的增大，轮轨横向力也越大，其稳定性越差;随着表面粗糙度的增大，轮轨横向力主频率也越大;表面粗糙度对不同方向上轮轨垂向力的影响相同，而随着表面粗糙度的增大，轮轨垂向力也越大，其稳定性越差;粘着系数与车体振动频率引起的轮轨垂向力无关，对轮轨弹性变形耦合共振引起的轮轨垂向力影响较大;表面粗糙度对不同方向上轮轨纵向力的影响相同，而随着表面粗糙度的增大，轮轨纵向力也越大，但差距不大，这是由于较高的表面粗糙度下的函数型轮轨粘着系数更容易趋于极值;随着表面粗糙度的增大，轮轨纵向力较高主频率减小，较低主频率增大。

关键词： 轮轨磨耗   轮轨接触   轨距   轨底坡  

摘要： 轨道作为城市轨道交通重要的组成部分,为轨道交通的安全运行提供了行车基础,合理的轨道参数能够保证良好的轮轨磨耗状态以及行车稳定性。论文借助UM仿真软件,结合磨耗理论及车辆耦合动力学理论建立了地铁车辆模型,以脱轨系数、轮重减载率作为行车安全评定指标,以磨耗面积、最大磨耗量作为轮轨磨耗评定指标,对轨底坡、轨距、缓和曲线长度等三种轨道参数不同取值对钢轨和车轮的磨耗影响进行仿真研究。主要的工作如下:(1)对某城市地铁线路进行现场钢轨和车轮的磨耗数据采集。掌握不同轨道参数设置下钢轨和车轮的磨耗特点。采集数据表明,钢轨以曲线外轨侧磨和曲线内轨垂磨为主,车轮磨耗主要以踏面和轮缘磨耗为主。同时为后面的仿真研究提供参考数据。(2)以车辆-轨道耦合动力学为基础,以Archard材料磨耗理论为计算方法,应用多体动力学软件UM建立12 t轴重的地铁车辆-轨道模型。为了保证行车安全,选取了几个常用行车安全指标为检验对象,确保参数的选择满足安全行车。(3)对轨底坡、轨距、缓和曲线长三种轨道参数在特殊工况下钢轨磨耗变化情况进行仿真研究,得出相关参数取值变化对钢轨磨耗的影响规律。(4)对轨底坡、轨距、缓和曲线长三种轨道参数在特殊工况下对车轮磨耗变化情况进行仿真研究,得到相关参数取值变化对车轮磨耗的影响规律。相同参数对车轮钢轨的影响强度不一样,采取折中选择能使两者都能达到减磨效果的参数值。在安全限制范围内选择小的轨底坡更能改善轮轨关系。选取1/60的轨底坡时钢轨和车轮磨耗同时最小。但伴随着线路列车运行,轨底坡会逐渐变小,因此在最初新建线路时轨底坡应保持在1/30至1/40之间。轨距在-1～4 mm范围内时,轨距加宽2.5 mm,能同时使钢轨与车轮减磨效果达到最合理。缓和曲线越长,钢轨和车轮磨耗越小,但是过长的缓和曲线会加大运营维修工作量。缓和曲线长在选取时还要综合考虑车速、超高等诸多因素的相互影响。

关键词： 高速列车   脱轨   在线监测   卡尔曼滤波   小波变换  

摘要： 随着列车速度的提高和线路状况的恶化,由轮轨相互作用加剧所引起的磨损、脱轨等现象给高速列车的运行产生了巨大的威胁。列车一旦发生脱轨事故,会严重威胁乘客的人身安全。对高速列车进行脱轨在线监测能减小列车脱轨事故的发生几率,从而提高了列车运行的安全性。我国主要从脱轨系数、轮重减载率等指标评价列车脱轨安全性,这些指标需要通过测力轮对测得轮轨力,再通过轮轨力计算得出。但是脱轨系数和轮重减载率指标具有较大的保守性,其结果并不十分准确。此外,测力轮对维护不便,标定繁琐,且成本高昂。因此,传统脱轨评价指标以及测力轮对并不适用于高速列车脱轨在线监测。本文基于轮轨相对位移评判列车脱轨原理,结合轨道不平顺检测技术,提出一种通过在轴箱上安装加速度传感器监测列车脱轨的方案。本文的研究内容如下:(1)车辆脱轨直接表现为车轮脱离钢轨。本文采用轮轨相对位移脱轨评判方法,结合轨道不平顺检测技术,通过在轴箱上安装加速度传感器,设计了一种高速列车脱轨在线监测方案及脱轨评判算法。(2)参考CRH2型高速列车参数,考虑列车非线性,采用多体动力学软件SIMPACK建立高速列车动力学模型。分别仿真并分析了列车直线工况和曲线工况的动力学响应与轮轨相对位移的关系,验证了轮轨相对位移判断列车脱轨原理的可行性。(3)针对脱轨监测方案中轴箱的振动位移测量难度大、测量成本高的问题,使用卡尔曼滤波设计了一种位移实时估计算法,并通过仿真数据验证了算法的准确性;将该算法与工程中常用的时域积分法、频域积分法进行对比,验证算法有效性。(4)针对观测噪声方差的改变会影响卡尔曼滤波精度,甚至导致卡尔曼滤波发散的问题,采用小波变换在线估计噪声方差,并将其反馈到卡尔曼滤波中更新模型,实现噪声方差的实时估计,对卡尔曼滤波算法进行优化。(5)对单节列车进行脱轨试验,分析列车脱轨时轴箱加速度和轴箱相对构架位移变化情况。对轴箱实际加速度使用不同位移算法计算位移,比较位移波形变化趋势。仿真结果表明,基于轮轨相对位移的脱轨评判方法与传统脱轨评价指标的变化趋势一致,能够有效评判列车脱轨安全性。卡尔曼滤波位移估计算法和仿真位移对比结果显示,计算结果与仿真数据误差在0.5mm以内,相关系数均大于0.9,说明卡尔曼滤波位移估计算法具有较高精度。卡尔曼滤波法、时域积分法、频域积分法的计算结果表明,卡尔曼滤波位移估计算法精度更高,效果更好。采用小波变换在线估计噪声方差后,卡尔曼滤波的性能得到明显优化,算法的鲁棒性显著提高。脱轨试验结果显示,通过轮轨相对位移判断列车脱轨更简单直接。

关键词： 城轨交通   轮轨耦合   接触分析   赫兹理论  

摘要： 城市轨道交通作为新兴的运载工具为人们的安全出行提供了便利。然而,随着运载量的增大,车轮和轨道之间的摩擦运行工况日益复杂,城轨交通系统出现了钢轨断裂、车轮不圆顺化、钢轨的波磨效应等诸多问题,极大缩短了城轨交通系统的使用寿命,人们出行的安全性也受到影响。对轮轨耦合接触问题的研究是解决城轨交通系统诸多问题的基础,对于城市轨道交通的发展有着举足轻重的作用。本文主要基于赫兹接触理论和有限元方法,对轮轨接触问题进行了研究,主要工作如下:基于半径为420mm的地铁车轮和60Kg/m的标准钢轨,建立了包含钢轨接头的二维刚性车轮-轨道接触模型和弹性车轮-轨道接触模型,施加相应的载荷和边界条件,并进行分析求解。使用二维赫兹接触理论公式验证了模型的准确性。对轮轨接触中的接触压力、等效应力、弹塑性变形等轮轨接触参数进行了研究,计算结果表明:随着轮轨接触点到钢轨接头处距离的减小,轮轨接触压力逐渐增大;钢轨的等效应力和塑性变形变化明显,而车轮的等效应力在此过程中变化并不显著;在钢轨接头处的应力表现为拉应力,拉应力的急剧增大导致钢轨接头处的破坏,而使用橡胶弹性车轮可以有效的减小拉应力,延长钢轨的使用寿命。建立了包含钢轨接头、车轮的控制节点的三维轮轨滚动接触模型。对轮轨耦合滚动接触模型中的控制节点和车轮内表面添加接触,在车轮轮毂和轨道之间添加接触,并对车轮和轨道施加相应的约束,并进行分析求解。通过三维赫兹理论计算结果验证了有限元模型的准确性。对车轮在滚动过程中的轮轨接触压力、等效应力、弹塑性变形等轮轨接触参数进行了研究,计算结果表明:轮轨耦合接触模型的静态分析不能完全反应车轮在滚动过程中轮轨的接触压力、等效应力、弹性塑性变形等轮轨接触参数的变化;在车轮滚动过程中,随着车轮逐渐靠近钢轨接头处,轮轨之间的接触压力逐渐增大,且轮轨接触斑形状由初始的规则多边形逐渐向不规则发展;随着时间的增加,钢轨的等效应力变化趋势和钢轨的弹性变形变化趋势大体一致,均为先急剧减小,然后增加,而后又出现小幅度的下滑;在车轮滚动过程中,车轮的等效应力逐渐增加,至车轮靠近钢轨接头处,车轮的等效应力值达到最大。

关键词： Mechanics  

摘要： Turnouts (Switches & Crossings, S&C) are critical components of a railway track requiring regular maintenance and generating high life cycle costs. A main driver for the high maintenance costs is the need to repair and replace switch rails and crossings as these components are subjected to a severe load environment. Dynamic wheel--rail contact forces with high magnitudes are often generated in the switch and crossing panels due to the discontinuities in rail profiles, resulting in a degradation of track geometry. One critical contribution to the track geometry degradation is track settlement. It is a phenomenon where the horizontal level of the ballasted track substructure decreases in height over time when subjected to traffic loading. Due to the design of the turnout and the variation in track support conditions, the load transferred into the track bed is not uniform and the resulting variation in settlement leads to irregularities in track geometry. Poor quality in track geometry induces higher dynamic wheel--rail contact forces and increases the degradation rate resulting in further differential track settlement, and possibly increased wear, plastic deformation and rolling contact fatigue of the rails. Thus, it is important to understand how settlement evolves under repeated loading to support product development and maintenance procedures of S&C, to provide a more uniform load distribution on the ballast and a more stable track geometry. The current work aims to provide a methodology to increase the understanding of track settlement in railway turnouts. Different numerical models are used to simulate the dynamic vehicle--track interaction and predict the wheel--rail impact loads in the crossing *** calculated contact pressure between sleepers and ballast is used as input for calculating the track settlement. Both empirical and constitutive settlement models are applied to predict settlement for a large number of load cycles (wheel passages). The material

关键词： 柔性轮轨   模态分析   车轮多边形   钢轨波磨   动应力   波深限值  

摘要： 轨道车辆作为交通运输的重要载体,随着其运营速度的不断提升,由轮轨相互作用导致的轮轨周期性磨耗—车轮多边形磨耗和钢轨波磨现象也越来越严重。车轮多边形磨耗和钢轨波磨不仅会增大轮轨间的冲击振动,加剧轮轨间的相互作用,还严重威胁列车运营的安全性。为了在保证安全性的同时兼顾经济性,为制定合理的车轮镟修和钢轨打磨周期提供技术支撑,本文从试验与仿真相结合的角度初步探讨了多边形的成因。同时,根据某型高速动车组拖车车轮最小使用直径范围,建立了不同轮径下的车辆轨道刚柔耦动力学模型,分析了轮轨周期性磨耗对轮轨系统振动特性的影响规律,研究了不同轮径下轮轨存在周期性磨耗时的安全限值。具体研究工作如下:1、依据某型高速动车组的动力学参数建立了基于柔性轨道系统、柔性轮对、柔性轴箱的整车刚柔耦合动力学模型,通过与实测数据对比分析,验证了基于柔性轮轨系统的刚柔耦合动力学模型可用于计算高频振动。2、通过对该高速动车组的长期跟踪测试,得到不同轮径下车轮多边形磨耗的分布规律及一个镟修周期内多边形磨耗的发展情况。测试结果表明轮径为860mm～890mm主要以19阶多边形为主,轮径为900～920mm主要以20阶多边形为主,各轮径下多边形主导阶次的振动频率均分布在565～590Hz左右。3、探讨了多边形主导阶次形成的可能来源及影响因素。通过对不同线路及不同服役车辆轴箱振动加速度测试,发现轴距为2.5m的车型在无砟轨道上运行时的振动频率为567～596Hz左右。结合多边形测试和轮轨系统耦合模态分析,初步推测高阶多边形的形成可能来源于轨道的3阶弯曲振动且与轴距相关。4、运用刚柔耦合动力学模型分析了轮轨周期性磨耗对轮轨系统振动特性的影响。在考虑钢轨波磨的情况下,将车轮多边形以轮径差函数及理想谐波函数两种不同方式分别输入到动力学模型中,分析了轮轨周期性磨耗对高速列车轮轨系统振动特性的影响,给出了不同轮径下轮轨周期性磨耗的幅值安全限值。5、运用模态应力恢复法,分析了不同阶次、幅值的车轮多边形磨耗,运营速度及一个镟修周期内不同运行里程下车轮多边形磨耗对轮轨接触动应力及车轴关键节点动应力的影响规律,并运用完全有限元法进行了对比分析。图99幅,表17个,参考文献84篇