关键词： 轨道车轮   噪声   有限元/无限元   模态  

摘要： 轮轨噪声是高速列车的主要噪声源,同时也是轨道交通噪声的重要组成部分,其中车轮辐射噪声更是重中之重。降低车轮辐射噪声,就能够有效的降低轮轨噪声,所以对轨道车轮辐射噪声及减振降噪进行研究更有意义。本文计算了轮轨间作用力,建立了车轮有限单元模型,用有限元/无限元方法计算了车轮的辐射噪声,主要研究内容如下:（1）编程计算了轮轨作用力。基于振动力学基础,使用Matlab编程计算出了钢轨的竖向速度阻抗频谱、车轮的径向速度阻抗频谱。采用陈果—翟婉明的轨道不平顺新模拟方法,以日本学者Sato的轮轨联合不平顺密度谱为基础,编写程序计算得到了轮轨粗糙度谱;根据赫兹接触理论,编写了轮轨作用力程序,并计算得到了轮轨间垂向相互作用力频谱。（2）计算了车轮、轮对模态。根据我国客用S型幅板915D车轮作为研究对象,建立了车轮有限单元模型。利用Patran、Nastran软件计算了车轮及轮对模态,得到了车轮、轮对模态频率和振型。计算结果表明,在1000Hz之后,辐板和轮缘振动幅度较大,辐板和轮缘成为车轮在高频段内主要振动区域。（3）计算了车轮的辐射效率及辐射噪声。基于ESI-VAone声学软件,利用边界元方法计算了 160-5000Hz频段内的车轮的辐射效率及前10阶模态辐射效率;应用直接频率响应分析方法,计算了车轮的辐射噪声,并对其分布规律进行了分析,计算分析了车轮辐射声功率随运行速度的变化规律。（4）计算分析了轮对辐射噪声。建立了考虑轮轴及没有轮轴的轮对有限单元模型,并建立了轮对对外辐射噪声的有限元/无限单元模型,基于有限元/无限单元法用Actran软件计算了轮对对外辐射噪声,得到了监测点的总声级及声级频谱,分析了轮对辐射噪声的分布规律。（5）计算分析了轮对车下噪声辐射特性。建立了考虑车体影响的轮对辐射噪声的有限单元/无限单元模型,模型中包括高速列车车体、四个轮对。采用有限元/无限元法,计算了考虑车体的车轮声辐射特性,分析了车下及车体侧面声级变化规律。分别计算了200km/h、250km/h以及300km/h速度下车轮辐射声功率级。通过多方案对比分析,验证了不同数量车轮在同一监测点辐射的噪声符合声源叠加原理。

关键词： 轮轨关系   轨道稳定性(铁路线路)  

ISBN: (纸本)9787113256128

摘要： 本书介绍了近年来国内外铁路轮轨相互作用研究领域的重要科研成果，其阐述有助于相关专业人员对轨道平顺问题有一些更进一步的理解。全书拟分10章，分别主要介绍的重点内容如下：普速铁路轨道不平顺的几种类型及其特征描述、车辆与轨道间的相互作用、轨道不平顺现象的发生发展及恶化、不良状态的诊断、轨道平顺状态监测与评定、轨道平顺状态的管理及其标准、国内外普速铁路轨道谱、国外普速铁路轨道平顺性管理等。

关键词： 测力轮对   轮轨力识别   有限元分析   试验模态分析   模型修正   谐波分析   过盈配合  

摘要： 高速列车运行速度不断提高,轮轨之间的作用力更加激烈。轮轨力的准确识别对保障列车安全运行具有重要意义,而测力轮对法是目前使用最广、测量最精确的轮轨力识别方法。本文以测力轮对法为基础,采用有限元分析技术研究精确识别轮轨力的理论与方法,以缩短测力轮对的开发与分析周期。论文的主要工作有:对轮对缩比模型进行了有限元模态分析与试验模态分析,分别得到了结构的仿真计算模态参数和试验实测模态参数,使用基于灵敏度的模型修正方法对模型进行修正;将过盈量与摩擦系数作为研究参数,分析过盈配合对轮对模态参数与应变分布的影响,确定有限元模型中轮轴与轮毂的连接模拟方式,最终获得精确的有限元模型。通过对轮对模型的静力分析得到辐板上的应变分布,提出了两种可以消除谐波的组桥方式,并予以理论证明与仿真验证;在此基础上提出了一种综合考量辐板与轮轴应变的轮轨力识别算法,通过构建过渡矩阵代替传统的灵敏度矩阵,将主元加权迭代法加入到轮轨力识别中,使其可有效地控制过渡矩阵的条件数,提高识别精度。设计并完成了轮对标定试验,验证了所提出的识别算法与组桥的谐波消除能力。利用MATLAB GUI编程开发了相关工具箱,实现有限元模型表面节点的识别与轮轨力的识别,为实际应用提高良好的人机交互界面,并通过实例验证了工具箱的可靠性。

关键词： 扣件系统   轮轨噪声   预压力   动刚度   P-T模型  

摘要： 扣件系统作为钢轨和轨枕的连接件,主要起着连接钢轨与轨枕,并对钢轨进行定位以及提供钢轨横向纵向以及垂向刚度阻尼的作用。轨道的振动以及声辐射特性受到扣件动态特性的影响较大。扣件系统中提供垂向弹性的结构为弹性垫板结构,一般通过刚度和阻尼来表征其力学特性,而大量的垫板结构均是采用橡胶类材料,其刚度和阻尼会受到外激励频率,预压力,温度等外界因素影响。因此仅仅利用线性的常刚度常阻尼扣件模型就不能较好地反映出扣件实际的动态特性。在对我国轮轨振动噪声特性进行研究时,由于国内南北季节温差较小,且研究的轮轨振动噪声问题为高频低振幅的振动。因此本文将只对扣件刚度阻尼受到外激励频率以及预压力的影响进行分析。本文研究内容如下:（1）对国内外扣件系统的动态特性以及扣件模型研究情况进行调查。（2）建立了考虑扣件动刚度的轮轨振动噪声预测模型。分别对扣件刚度阻尼频变模型、轨道模型进行了验证。采用国外的测试结果对扣件的动刚度模型进行验证,建立轮对的实体有限元模型对其振动特性进行分析,采用有限元-边界元法,利用声学计算软件LMS ***计算轮对的声辐射。轨道结构采用弹性短轨枕轨道模型,钢轨采用铁木辛柯梁模型,通过质量块单元模拟轨枕,利用薄板模型模拟轨道板。通过有限元模型验证本文程序编写的轨道模型的振动以及声辐射特性。（3）将验证后的扣件动刚度模型带入到弹性短轨枕轨道模型中,分析不同类型扣件在考虑扣件动刚度情况下的单位简谐力作用下的轨道振动以及声辐射特性的差异。并由选定的轮轨粗糙度等级计算得相应的动态轮轨力,再由轮轨力计算出考虑扣件刚度阻尼受到外激励频率以及预压力影响下的轮轨振动噪声值。结果表明:在考虑扣件的刚度阻尼动刚度特性后钢轨,轨枕的振动声辐射特性均会受到较大的影响,轮轨辐射噪声主要在中频位置受到较大影响。

关键词： 低压隧道   车辆设计   轮轨交通系统  

摘要： 列车近地提速运行时,其气动阻力急剧增大、噪声问题也变得尤为突出.为实现低能耗、超高速、低噪音运行,本文提出把低压隧道引入常规轮轨交通系统,重点探讨了该系统所涉及的隧道建设及车辆设计等方面的课题,并基于国内外现有研究成果,对急需明确的课题给出了解决方案.

关键词： 高速铁路   三维轮轨瞬态动力学模型   钢轨波磨不平顺   轮轨系统动力响应   高频振动   识别  

摘要： 高速铁路钢轨波磨不平顺是一种具有一定的规律性、周期性、波浪形的轨道不平顺,它严重威胁到列车运行的安全性和舒适性。随着列车运行速度的提高,钢轨波磨不平顺对轮轨系统的动力影响将更加显著,列车运行的安全性、乘客的乘坐舒适性也将受到更大的影响。因此,研究高速行车条件下,钢轨波磨不平顺对轮轨系统的动力影响特征及其影响规律,进而开展钢轨波磨不平顺的诊断与识别研究,这对高速铁路的安全、平稳运营以及钢轨波浪形磨耗不平顺的养护维修管理都具有十分重要的意义。为此,本文应用有限元理论及ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件,建立了三维轮轨瞬态动力学有限元模型,应用模型,分析了高速铁路钢轨波磨不平顺对轮轨系统的动力影响特征及影响规律,进而基于轮轨系统的动力响应特征开展了钢轨波磨不平顺的识别研究。论文主要工作为:首先,利用有限元软件ANSYS建立了三维轮轨瞬态动力学有限元模型。综合隐式求解和显式求解的特点,提出了采用隐式-显式顺序求解的求解方法。对所建模型中的轮对与钢轨进行了模态分析,初步掌握了轮轨系统的振动特性。其次,应用所建立的模型,分析了钢轨波磨不平顺下的轮轨系统动力响应特征,分析了波磨不平顺的波长和波深、车辆运行速度、扣件垂向刚度对轮轨系统动力响应的影响规律。研究发现,钢轨波磨不平顺会导致轮轨系统产生剧烈的高频振动,在波磨不平顺的激扰作用下,轮轨垂向力、轴箱垂向加速度等轮轨垂向动力学指标均表现出明显的高频振动特征,其高频振动频率范围与钢轨波磨不平顺的波长相对应。轮轨系统的动力响应指标均随波磨不平顺波长的增大,先增大后减小,随波深的增大而增大,在200~350km/h行车速度条件下,钢轨波磨不平顺的敏感波长范围约为0.08m~0.14m;在一特定波长钢轨波磨不平顺激扰作用下,随着车辆运行速度的增大,轮轨系统的动力响应指标出现先增大后减小后又增大的规律;扣件垂向刚度对轮轨垂向力、轴箱垂向加速度影响较小,对钢轨垂向加速度、钢轨垂向位移影响较大。最后,基于小波分析理论,计算了轴箱垂向加速度的小波包能量熵,并且对轴箱垂向加速度进行了小波包时频分析;在此基础上,探讨了诊断是否存在钢轨波磨不平顺以及识别钢轨波磨不平顺纵向位置、波长、波深的方法。分析发现,采用小波分析方法不仅可以有效的识别出钢轨波磨不平顺的波长大小,而且还可以识别出钢轨波磨不平顺所处的纵向位置。但是,此种方法只能对波磨不平顺波深进行相对识别。

关键词： 货运电力机车   车轮踏面损伤   轮轨接触应力   非稳态运行   疲劳分析  

摘要： 车轮踏面损伤是轨道车辆运行过程中最常见的问题之一，特别是随着铁路运输的高速化、重载化，车轮踏面损伤故障越加增多，由于车轮踏面损伤引起的事故也时有发生，因此一直以来车轮踏面损伤都是轨道交通领域研究的重要议题。但由于其损伤机理复杂，影响因素众多，到目前为止离完全解决问题还有很长的距离。在某型货运电力机车的实际运营中发现，在不到两年的时间内超过75%的机车出现轮对踏面剥离现象，初步调查显示为机车非稳态运行下的轮轨滚动接触疲劳造成。　　针对上述存在的问题，本文以该型货运电力机车为研究对象，以机车牵引过程为研究切入点，借助机车车辆动力学理论、防滑防空转控制理论、轮轨滚动接触理论和有限元方法，通过模型建立、数值仿真等方法，研究在非稳态运行下机车动轮的轮轨接触应力和疲劳寿命评估，从而对改善车轮踏面疲劳损伤提供技术支持。　　本文首先建立了某型货运电力机车双机牵引的列车动力学模型、防滑防空转控制系统模型，在上述两个模型基础上建立机械-控制系统联合仿真模型，研究在不同轮轨黏着条件下，防滑防空转系统在机车牵引过程中的作用，仿真研究表明，本文建立的基于最优蠕滑率的防滑防空转控制模型不仅能发挥防空转的作用，还能达到最大化利用轮轨黏着力的目的。　　其次应用联合仿真模型研究牵引过程中的轮轨作用力，仿真结果表明：牵引过程中轮对的横向蠕滑力和横移量均很小，在计算牵引工况下机车动轮的轮轨接触应力和踏面疲劳损伤时，可以忽略横向蠕滑力的影响，仅考虑轮轨将纵向蠕滑力。　　第三，本文建立轮轨滚动接触有限元模型，以动力学联合仿真结果中的牵引力矩、车轮所受垂向力和轴箱处构架对轮对的纵向悬挂力作为车轮受力边界条件，分析计算牵引工况下机车动轮的应力应变水平，最后应用Miner疲劳累积损伤理论，计算机车动轮在牵引工况下的车轮踏面接触区域内的疲劳损伤值，并以此分别估计机车在制动和惰行工况下的车轮踏面疲劳损伤。研究结果表明：机车车轮的低周疲劳问题主要是由牵引和制动等非稳态过程造成的，对比该型机车实际运营中出现的车轮踏面剥离和损伤情况，仿真分析结果符合实际情况。　　最后，给出了研究结论和进一步工作的方向。

关键词： 车轮多边形   刚柔耦合   轮轨系统   振动特性   制动工况   轴承受力   试验验证  

摘要： 车轮不圆会对车辆动力学性能造成恶劣影响,增大轮轨力,引起车辆和轨道系统的剧烈振动。特别是高阶多边形下的高速列车运行过程会产生高频振动,这会对钢轨及车轮踏面造成疲劳破坏,产生疲劳裂纹及不均匀磨耗等,形成很大的噪声污染。在研究车轮不圆对轮轨系统振动影响时,纯粹的刚体模型不能准确的反映轮轨系统的振动情况,即使考虑单个部件的弹性变形,对轮轨系统整体振动特性的研究也难以做到准确,因此需要建立考虑多柔体的车辆-轨道系统模型才能准确分析轮轨系统各部分的弹性振动特性。本文结合刚柔耦合系统动力学理论,通过多体动力学软件SIMPACK构建车辆-轨道系统刚柔耦合动力学模型,对高阶车轮不圆造成的振动做出分析,主要研究内容包括:（1）构建车辆-轨道系统刚柔耦合动力学模型,考虑轨道、轮对（含制动盘）、轴承与轴箱的柔性以及刚性构架与车体。其中,轨道激励采用实测武广轨道谱。（2）分析了不同车速、不同多边形阶次、不同多边形波深对轮轨作用力,轴承受力,钢轨、轨道板、轮对、制动盘、轴箱振动特性的影响,研究了多边形激振频率对轮轨系统各部分结构模态激发情况的影响。（3）研究了钢轨与轨道板、车轴与制动盘之间的振动传递关系。结果表明,从钢轨传递到轨道板的振动中,与轨道板的结构模态、耦合模态及轨道板之间的组合模态相近的频率成分被放大;从车轴传递到制动盘的振动中,与制动盘的结构模态相近的频率成分被放大。（4）对比仿真数据与试验数据发现,两者的轴箱垂向加速度中均存在多边形激振频率,制动盘横向振动中均存在多边形激振频率、轮对与轨道板的结构模态频率,验证了模型的正确性。（5）添加轴盘制动单元,模拟紧急制动与最大常用制动工况,分析制动工况对制动盘横向振动的影响,并对比了不同部位制动盘的振动特性。结果表明施加制动时横向振动会减小,制动盘上被激发的模态基本消失,但制动盘要承受很大横向约束力与切向力。

关键词： 轮轨高频动力作用   显式有限元法   多体动力学   Hertz弹簧   钢轨波磨   修正法向接触模型  

摘要： 精确预测高频动力作用下的轮轨相互作用和瞬态滚滑行为一直是轮轨关系研究的基础也是该研究领域的难题之一。针对轮轨高频动力作用问题,传统上多采用动力学方法,该方法计算时间成本低但在高频动力条件下的计算精度不足。近年来,虽然基于显式有限元方法的高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型已逐渐成熟,可适用于轮轨高频动力作用的计算,但计算成本过高,很难应用于大批量或实时分析。本论文建立了基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型和基于多体动力学的车轮—轨道耦合动力学模型和车辆动力学模型,详细对比了三种模型在典型短波波磨激励下的动态法向接触力预测结果,提出了适用于车轮—轨道耦合动力学模型的法向接触修正模型,在保持计算成本不变的前提下,提高其高频法向接触力预测精度。第一章首先综述了国内外轮轨滚动接触理论的发展现状,详细介绍了轮轨接触模型的最新研究进展,阐述了动力学模型与瞬态滚动接触有限元模型在分析轮轨滚动接触方面的优缺点,阐明了改进车辆—轨道耦合动力学模型中法向接触模型的必要性。第二章详细介绍了本论文所建立的三个分析模型,具体包括基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触模型和基于多体动力学的车轮—轨道耦合动力学模型以及车辆动力学模型。因本论文重点关注轮轨接触模型,模拟了严格意义上的Hertz型接触(即动力学模型中Hertz弹簧的适用工况),且在建模过程中大大简化了与接触无关的结构与部件,既降低计算成本,也杜绝了过多结构振动对轮轨接触力结果的干扰,有利于对比接触模型的影响。为保证可比性,轮轨几何、质量及悬挂或支撑条件等在各模型中均保持一致。具体模型特点:(1)瞬态滚动接触模型考虑了真实三维接触体的几何形状、弹性变形和结构、连续性振动,以及接触界面上的三维短波波磨不平顺,与滚动相关的自旋和陀螺仪效应自动包含其中,优点是计算精确,缺点是计算成本高;(2)车轮—轨道耦合动力学模型,将车轮表征为刚性体,钢轨为铁木辛柯梁,考虑轨道参振,优点是计算成本低,缺点是高频条件下计算精度下降;(3)车辆动力学模型与车轮—轨道耦合动力学的差异在于其不考虑钢轨的振动。第三章中,针对Hertz接触工况,详细对比了典型钢轨短波波磨(波长2040 mm、波深0.01.20 mm)激励和15000 km/h速度条件下上述三种模型预测的高频法向接触力结果。发现,相比瞬态滚动接触模型,两种动力学模型高估了波磨激励的接触力,且未考虑钢轨弹性的车辆动力学模型高估量更大。就所考虑的工况(波磨波长3040mm、波深0.01.2 mm、速度15000 km/h)而言,车轮—轨道耦合动力学模型与车辆动力学模型相对于瞬态滚动接触模型的最大高估量分别为静轮重的46.6%和76.7%。对于不发生轮轨脱离的浅波磨而言,三种模型预测法向接触力幅值均与波磨波深线性相关,待波深增至发生轮轨脱离以后,高频法向接触力幅值随波深变化的斜率逐渐降低。此外,接触力相位相对于波磨几何存在滞后。第四章详细分析了瞬态滚动接触模型和车轮—轨道耦合动力学模型预测的高频法向接触力幅值随波磨波长、波深、速度和激励频率的变化,对比了两模型预测结果的差异。发现,当波磨波长与滚动速度同步变化(即激励频率保持不变)时,车轮—轨道耦合动力学模型预测的高频法向接触力不变,而瞬态滚动接触模型的结果存在不可忽略的差异。以精度更高但计算成本过高的瞬态滚动接触模型结果为基准,修正了车轮—轨道耦合动力学模型中的法向接触模型(Hertz弹簧),提高其高频法向接触力预测精度。第五章中,对比了采用修正法向接触模型的车轮—轨道耦合动力学模型和瞬态滚动接触模型的预测结果,并就其法向接触力预测结果的差异开展了误差分析。发现,就本文所分析绝大多数工况而言,修正后的耦合动力学模型预测结果的绝对误差在-150 kN之间,平均相对误差为4.21%;但对于耦合动力学模型中轮轨接触共振频率(601 Hz)附近的振动,最大相对误差可达36%(绝对误差-14 kN)。最后对本文研究内容进行了总结和展望。

关键词： 铁道机车   车辆轮轨   摩擦磨损   节能降耗  

摘要： 文章针对目前我国铁道机车车辆轮轨中出现的较为严重的摩擦磨损以及造成经济损耗和资源与资金消耗的问题,对铁路钢轨的磨耗以及机车测量车轮的磨损进行介绍和分析,并提出了降低铁道机车车辆轮轨磨损的节能降耗措施,以供参考。