关键词： 柔性转向架   轮轨接触特性   振动频率分布   力的传递   联合仿真  

摘要： 轨道交通车辆由车体、转向架等几大部分组成。转向架通过轮对与钢轨接触,承受各种载荷。轨道不平顺会激起轮轨界面的振动,转向架等承载部件在外部激励下必然会发生弹性振动,使各部件之间的作用力加剧,造成零部件磨耗和损坏;而且这些振动会传递至车体,影响车辆的舒适性。因此,有必要在考虑结构弹性的情况下开展车辆动力学研究。本文利用SIMPACK软件建立了某型车的多刚体动力学模型,然后利用ANSYS软件对主要部件进行了模态分析,建立柔性体动力学模型,并进行特征值分析。通过仿真计算,对比分析了刚体和柔性体模型在轮轨接触特性方面的差异性,直线和曲线上轴箱、构架和车体的振动加速度和频率分布特点,以及振动和力的传递过程规律。最后,将MATLAB/Simulink与SIMPACK的联合仿真结果与上述结果进行比较。得到如下结果和结论。在轮轨接触方面,与刚体模型相比,柔性体模型的轮轨接触点变化的范围变小,轮轨接触力变化幅度增大,其中轮轨横向力比刚体模型大了约35%。柔性体模型轮轨垂向力出现了由车轮转动频率引起的28.83 Hz的峰值。柔性体模型轴箱、构架和车体的振动均出现了该频率,且多数为主频率。另外,柔性体构架除了由轮对转动和轨道板激起的振动,还明显存在主要由构架结构模态引起的振动。柔性体模型的车体除出现28.83 Hz的振动外,无明显差别。曲线上两模型的轮轨作用力特性与在直线上略有差异。两模型轴箱、构架和车体这三个部件的振动加速度从下至上约呈1个数量级的衰减关系。功率谱密度从轴箱到构架大致呈1个数量级衰减,构架到车体呈2个数量级衰减。柔性体模型轴箱和构架的振动比较激烈,其轴箱的横向和垂向振动加速度分别是刚体模型的13.7倍和2.7倍,构架的横向和垂向振动加速度分别是刚体模型的3.8倍和1.5倍,但车体振动情况差别不大。曲线上加速度的频率分布及传递规律与直线上一致。两模型轴箱与构架的振动均可通过一系和二系悬挂的衰减作用使车辆系统稳定。由此可见,转向架柔性对轮轨动态接触特性及车辆系统振动影响很大。

关键词： 直线电机地铁车辆   轮轨磨耗   轮轨接触几何   电磁力   动力学   安全性  

摘要： 直线电机车辆与传统轨道交通车辆相比具有适应小半径曲线通过、爬坡能力强、结构简单、工程造价低等优点,并且轮轨系统只起支撑作用,轮轨磨耗较小,具有良好的发展前景,但由于车载直线电机与轨道感应板之间具有较大的气隙导致与传统旋转电机相比耗能较大,并且车辆在运行时的振动使气隙和电磁力也会产生波动,直线电机电磁力的变化也会对车辆动力学性能产生影响。国内某直线电机地铁线路的车辆随着车辆运行里程的增大,逐渐出现了轮轨磨耗异常、车辆晃动的情况,不仅严重降低乘客的乘坐舒适度,甚至会影响到车辆的运行安全性,并且该线路上小半径曲线较多,车辆运行速度高,所以研究直线电机车辆在轮轨磨耗状态下动力学性能演变规律,尤其是通过小半径曲线时的安全性问题十分重要。该线路上运行的车辆分为轴箱内置和轴箱外置两种,本文首先对两种车辆在不同运行里程的车轮廓形数据和正线钢轨廓形数据进行了总结,分析了直线电机地铁轮轨磨耗发展规律,并对两种结构车辆进行了正线运行状态的振动测试,为后文的动力学模型验证提供依据。对实测磨耗轮轨廓形进行接触几何和接触应力计算,分析不同磨耗状态下的轮轨匹配状态。根据两种车辆的结构特点建立两种车辆的动力学模型,并与电磁力模型进行联合仿真,以模拟运行状态下电磁力对车辆动力学性能的影响,对比分析了两种车辆的动力学性能特征。最后应用所建立的动力学模型,对实测轮轨廓形下的车辆动力学性能进行了仿真研究,探究轮轨磨耗对直线电机车辆动力学性能的影响,并对两种车辆在轮轨磨耗状态下通过小半径曲线时的安全性进行分析。经过以上的计算分析得到如下主要结论:(1)轴箱外置车辆的车轮磨耗大于轴箱内置车辆,两种车辆的车轮不圆以偏心为主,车轮廓形以踏面磨耗为主。直线钢轨以轨顶磨耗为主,曲线高轨侧钢轨轨距角磨损严重。(2)轴箱外置车辆通过直线轨道时的平稳性、舒适性优于轴箱内置车辆,在通过曲线轨道时,轴箱内置车辆的各动力学指标优于轴箱外置车辆。(3)轮轨磨耗会降低车辆运行平稳性和曲线通过性能。(4)建议车辆运行7万公里进行车轮镟修,建议有效维护钢轨廓形以保证车辆的运行质量,在轮轨匹配不佳区段可将车速降为80 km/h来保证车辆运行平稳性。

关键词： 摩擦调节剂   润滑剂   润滑脂   黏着系数   疲劳裂纹  

摘要： 轮轨界面摩擦性能关系到列车牵引过程中的轮轨磨损、行车安全及维修养护成本等众多问题,是轮轨领域重要研究问题之一。开展轮轨界面润滑行为研究,对减轻轮轨的磨损与损伤、延长轮轨服役寿命具有重要的指导意义。本文利用MMS-2A滚动磨损试验机研究了固体摩擦调节剂、固体润滑剂、润滑脂对轮轨界面黏着与损伤行为的影响,通过分析轮轨黏着-蠕滑特性曲线、表面形貌、磨损率和滚动接触疲劳裂纹,研究了固体摩擦调节剂、固体润滑剂、润滑脂对轮轨黏着和损伤性能的影响规律。论文研究得出的主要结论如下:(1)干态下,随蠕滑率增加轮轨黏着系数呈先增加后趋于稳定的变化趋势,黏着系数在蠕滑率为9.43%时可达0.5左右。固体摩擦调节剂、固体润滑剂及润滑脂作用下轮轨黏着系数均低于干态,且依次降低。固体摩擦调节剂作用下黏着系数达到0.3.35,固体润滑剂作用下轮轨黏着系数为0.2左右,润滑脂作用下轮轨黏着系数小于0.1。(2)同干态相比,固体摩擦调节剂、固体润滑剂、润滑脂都能不同程度地降低轮轨试样磨损率。固体摩擦调节剂作用下,车轮磨损率降低到干态下的52%左右,钢轨磨损率降低到干态下的65%左右;三种固体润滑剂作用下,车轮磨损率分别降低到干态下的5%、77%和42%,钢轨磨损率分别降低到干态下的3%、35%和18%;三种润滑脂作用下,车轮磨损率分别降低到干态下的2%、1%和2%,钢轨磨损率分别降低到干态下的10%、2%和14%。(3)干态下轮轨材料表面损伤机制主要为点状坑和局部氧化,并伴随明显材料起皮、波磨和剥离。固体摩擦调节剂和固体润滑剂作用下,损伤形式为轻微起皮,疲劳裂纹长度变短,轮轨疲劳损伤减轻;润滑脂作用下,车轮试样磨损表面光滑且出现轻微起皮,但钢轨损伤为严重起皮和大块剥离,裂纹长度变大,钢轨疲劳损伤加重。

关键词： 重载   铁路   轮轨力   传输系统  

摘要： 本文为了对铁路的轮轨横向力和轮轨垂向力进行检测,对轮轨力测试及传输系统进行了研究,并构建了切实可行的重载铁路轮轨力测试及传输系统.

关键词： 高速道岔   几何算法   动力学   几何评价方法   轮轨匹配   优化设计  

摘要： 轮轨接触几何关系是影响行车安全性与稳定性的直接因素,而轮轨型面是影响轮轨接触几何关系最关键的因素,高速道岔由于其复杂于区间线路的结构特点,难于普速道岔的技术性能要求,导致了高速铁路道岔轮轨关系的复杂和高要求,本文在总结国内外已有的相关研究的基础上,对高速道岔区轮轨接触几何关系进行了深入研究,本文主要研究内容如下:1.道岔区轮轨接触几何关系研究提出一种考虑道岔区钢轨变截面特点的轮轨接触几何算法——基于移动窗的法向切割法;并通过对比分析迹线法和法向切割法计算的区间线路中的轮轨几何接触点,验证法向切割法的正确性;并通过对比分析两种算法在有摇头的情况下计算的道岔区轮轨接触点的差异,论证了本文提出法向切割法考虑道岔区变截面钢轨特点计算道岔区轮轨接触点的必要性;利用法向切割法分析不同的轨道设计参数对轮轨接触点和轮轨接触几何参数的影响,为轨距的设计和左右轮半径差变化的安全范围提供参考。2.车辆-高速道岔空间耦合动力学以考虑道岔变截面特点的轮轨接触几何算法——法向切割法为前提,基于车辆动力学理论和道岔动力学理论,建立车辆-高速道岔空间耦合动力学模型,用于统计轮对横移分布规律,为高速道岔轮轨接触几何评价方法的确定提供参考,并用于分析车轮廓形的演变对高速道岔区轮轨动力性能的影响。耦合模型中,车辆子模型主要由1个车体,2个构架和4个轮对共7个刚体和一系、二系悬挂组成,其中轮对考虑侧滚、横移、沉浮及摇头等4个自由度,车体和构架则考虑侧滚、横移、沉浮、摇头和点头共5个自由度,一共有31个自由度;道岔子模型在包含转辙器、连接部分和辙叉的基本上,还考虑各个零部件如限位器、间隔铁、顶铁等部件对其振动影响,并考虑了尖轨和心轨的变截面特性和滑床台的非线性支承;轮轨接触模型中,应用第二章中的法向切割法实现道岔变截面钢轨几何关系的动态计算,基于哈密尔顿原理建立耦合振动方程。3.高速道岔轮轨接触几何评价方法将基于频域功率谱等效的算法和中国高速铁路无砟轨道不平顺谱繁衍出的不平顺样本作为系统激励,根据车辆-高速道岔振动方程分析不同入岔姿态对轮对横移的影响,并通过假设检验理论说明轮对横移动态分布规律;根据轮对蛇形运动波长公式推导出轮对与非对称钢轨截面匹配时的等效锥度,并依据重力刚度最小原则求解特殊状态下的等效锥度;将基于最大概率轮对横移的等效锥度定义为名义等效锥度,从车轮径向的角度反映不同横移量下左右轮径差信息,表征车辆运行的稳定性;利用基于最大概率轮对横移的结构不平顺反映道岔结构特点导致轮轨接触点在横向及竖向沿轨道纵向的变化规律;利用接触带宽从轨道坐标系横向上反映轮轨接触情况,表征轮轨表面磨耗状况。4.车轮廓形的演变对道岔区轮轨匹配的影响采用本文编制的轮轨接触几何算法程序、动力学数值仿真程序和CONTACT软件,对比分析不同运营里程下的实测车轮廓形与时速350km的18号高速道岔转辙器区匹配时的轮轨接触点对分布、轮轨接触几何评价指标、接触应力以及车辆运行安全性、平稳性和舒适性,表明车轮廓形的演变对轮轨接触几何关系影响很大。在一定条件下,车轮初始磨耗会增加钢轨和车轮型面的“共形度”,从而在一定程度上降低接触应力,随着车轮磨耗的加深,该共形度减小,而此时由于轮轨接触点位置的变化,车轮曲率的变化,导致接触应力呈“先减小后增大”。车轮廓形的演变降低了列车运行的舒适性,但对列车运行的安全性影响不大。5.高速道岔区轮轨关系的优化设计从动力学行为和轮轨磨耗性能两个方面分析了Kalker权重系数和摩擦系数对目前我国高速列车侧逆向过岔时的轮轨关系的影响,分别给出适合高速道岔转辙器区、辙叉区和连接部分轮轨接触关系的蠕滑参数;以提高列车过岔时平稳性为目的,以等效锥度作为优化目标,利用等效锥度—RRD曲线—钢轨廓形斜率的关系,提出一种轮轨廓形反向设计方法,用于指导服役状态下道岔尖轨的打磨。

关键词： 轮轨匹配   动态等效锥度   晃车   平滑处理   轮轨维修  

摘要： 轮轨匹配状态是影响车辆运行稳定性的关键因素,等效锥度是轮轨匹配评价的重要指标。实际运用过程中等效锥度不仅仅受轮轨型面的影响,也和轨距存在很大关系,随轨距变化的等效锥度曲线称为动态等效锥度。针对实测型面畸变点影响轮轨匹配计算精度、遍历法计算动态等效锥度效率低、连续多波峰值法存在漏判以及传统轮轨养护维修方式无法将车轮和轨道动态关联的问题,本文以动态等效锥度的快速、准确计算为核心,围绕实测型面平滑处理方法、动态等效锥度管理建议值、周期性晃车评判方法以及基于动态等效锥度的轮轨维修决策,主要开展了以下五个方面的研究:(1)基于实测轮轨型面曲线特征,结合法向距离计算(Normal distance calculation)、滤波(Filtering)、边界延拓(Boundary extension)以及重构(Reconstruction)提出NFBR方法对实测轮轨型面进行平滑处理。通过多体动力学软件分析对比了光滑处理前后接触点位置、滚动圆半径差以及等效锥度计算结果,验证了NFBR方法的有效性。该方法能够很好地消除实测钢轨廓形畸变点,减小测量误差对动态等效锥度计算结果的影响程度。(2)针对传统遍历算法在动态等效锥度计算过程中面临的时间瓶颈问题,提出一种基于轮轨型面分级和插值算法的快速算法。数值实验表明,该方法与传统遍历算法相比,可以减少90%以上的计算时间,同时计算误差在10%以内,更有利于工程应用。(3)从统计学的角度研究了不同轨距条件下动态等效锥度分布特征,在大量实测结果分析的基础上提出了针对于LMB踏面在不同轨距条件下的动态等效锥度管理范围建议值,并通过多体动力学模型验证了该管理范围建议值的合理性。(4)针对连续6波超限评判方法存在的漏判问题,将失稳频率范围内的能量占总能量的比重考虑到周期性晃车评判中,结合连续多波、有效值和能量集中率的优点提出了连续多波能量法进行周期性晃车进行评判。通过大量晃车区段统计分析,给出了连续多波能量法的有效值和能量集中率阈值,并通过实例分析验证了该方法能够有效识别低锥度周期性晃车问题。(5)针对传统养修方式决策依据单一的局限性,提出基于动态等效锥度的轮轨一体化维修策略,为周期修转变为状态修提供量化决策依据。通过动态等效锥度应用实例分析,验证了基于动态等效锥度的轮轨维修策略的实用性和有效性。

关键词： 重载组合列车   大功率机车   纵向动力学   黏着系数   机车撒砂  

摘要： 重载铁路运输的发展趋势是列车的牵引重量和编组长度都不断地增加,引起的纵向冲动问题也越来越突出。机车的牵引力和电制动力是列车纵向动力学计算中需要考虑的重要内容,而黏着是制约机车牵引或电制动作用力发挥的重要因素,因此在黏着变化影响下,列车纵向动力学性能也将产生一定的差异,本文采用西南交通大学牵引动力国家重点实验室编制的TDEAS软件,建立了“1+1”方式2万t重载组合列车的纵向动力学计算模型,开展了考虑曲线黏降、曲线润滑以及机车撒砂影响下的纵向动力学计算,计算结果表明:1、列车平直道牵引且不考虑轮轨黏着变化时,以5s的间隔提升至最大档位,将导致机车的剩余黏着力长时间处于负值状态,面临空转的危险。对应的机车车辆拉钩力峰值的最大值为800kN,列车可在7.8min内加速到70km/h,走行4.85km。2、在列车平直道牵引时,本文考虑黏着系数由大到小变化,设置了工况1~8共8个工况,以避免机车空转为前提进行列车牵引工况计算,轮轨黏着条件越差,能发挥的牵引力越小,加速越慢,运行距离越长。对轮轨黏着系数较差的工况7、8,机车初始剩余黏着力较低,分别为103kN和68kN,可快速提升的档位较小,分别为第3档位和第2档位,单一的牵引操作无法使列车提升到预期的速度值,仅能使列车速度分别提升到53km/h和29km/h。针对工况7和工况8,提出了大轴重机车牵引以及补机牵引两种改善列车牵引性能的方案。对工况7,大轴重机车牵引方案可使列车速度提升到62km/h,加挂补机方案可使列车速度提升到70km/h;对工况8,大轴重机车方案可使列车速度提升到40km/h,加挂补机方案可使列车速度提升到52km/h。加速时间也有一定的缩短,剩余黏着力虽然有所改善,但恢复有限,机车仍不能继续提升牵引力。3、在-11‰的长大下坡循环制动时,若不考虑轮轨黏着变化,传统计算中施加100%的电制动力将使机车剩余制动黏着力不足。本文按黏着系数由大到小变化,设置了工况1~3共3个工况,对应黏着系数级别分别为100%、90%以及80%,机车所能施加的最大电制动力分别为80%、70%和60%,所对应的列车运行压钩力最大值分别为586kN、538kN和490kN。4、对曲线工况按是否考虑曲线润滑进行了下述牵引计算:（1）不考虑曲线润滑时,对列车通过400m、500m以及600m三种半径曲线,进行了牵引计算。由于不同半径的曲线上黏降程度不同,中部机车通过曲线时机车操控存在差异。通过400m曲线时,机车需要从第7档位降低到第6档位运行;通过500m曲线时,机车不需要降档运行;通过600m半径曲线时,没有黏降,机车可以在曲线上以第8档位运行。（2）考虑曲线润滑时,对列车通过400m半径曲线,进行了牵引计算。由于线路润滑作用,曲线上的黏着系数明显下降,头部机车和中部机车均需要由原来的第7档位下降到第3档位才能保证仍有一定的剩余黏着力。由于列车曲线牵引各工况下均在初始30s内提升到第7档位,各工况所发挥的最大牵引力相同,因此拉钩力峰值之间基本上没有差异。5、对撒砂起动的情况进行了牵引计算。由于撒砂后黏着系数明显提高,机车可以在短时间内快速提升到最大档位,加速时间节省约2.7min,起动距离缩短1.6km。但车钩力峰值由595kN增加到787kN。6、最后以朔黄铁路宁武西—原平南的长大下坡区间为例,进行了列车纵向动力学的计算分析,对比了不考虑轮轨黏着变化和考虑轮轨黏着变化的两种情况。机车由宁武西站起动运行过程中,前者的机车档位提升因未考虑黏着变化限制可达到第10档位,单机车基本能发挥其全部牵引能力（368kN）,最大拉钩力出现在列车头部（722kN）,后者的机车档位提升实际上会受到黏着变化限制,最大只能提升到第8档位,单机车牵引能力实际上未能全部发挥出来（265kN）,最大拉钩力出现在列车中部（560kN）。列车运行于长大下坡路段时,前者的机车因未考虑黏着变化限制可施加100%的电制动力,后者的机车因受到黏着变化限制,仅能施加80%的电制动力,电制动调速过程中,两种情况的压钩力最大值均出现在列车中部,前者为947kN,后者为809kN。

关键词： 自动编程系统   旋压   多道次   AutoCAD  

摘要： 针对于目前国内旋压机床只能对一些简单的曲线刀路进行处理,尤其对于多道次复杂曲线的旋轮轨迹,目前还没有合适的自动编程系统能够高效、精准的处理。因此,本文基于AutoCAD平台开发了一套操作简单,适用范围广泛的通用性数控旋压机床自动编程系统。本文先介绍了旋压技术的历史发展,国内外学者对旋压技术的研究成果,目前异形件旋压中涉及到的问题,以及自动编程系统的现状。从多道次任意曲线旋轮轨迹的自动编程总体角度出发,对比分析了自动编程工具APT、会话式自动编程系统、数控图形编程系统三类自动编程方法的优缺点,最后确定采用会话式自动编程方法进行自动编程软件研究。分析了多道次任意曲线旋轮轨迹的自动编程涉及的关键问题,梳理了多道次任意曲线旋轮轨迹的自动编程的流程,给出了总体的设计思想,对自动编程的开发环境和二次开发方式进行了分析和选择。其次针对普通旋压,本文在自动编程系统的绘制刀路编程模块中总结整理出了八种不同用途的旋轮刀路轨迹,满足了普通旋压中大多数刀路设计的需求。在拾取刀路编程模块中实现了除八种经典旋压刀路以外其他的自定义刀路的定义和编程问题。在右键添加道次模块中实现了多道次任意曲线复杂旋轮轨迹的绘制。针对异形件旋压,分析研究了圆形截面非对称零件旋压的道次和路径设计问题,提出了得到旋轮实际旋压轨迹的算法和对实际旋压轨迹和精加工中任意曲线的插值技术。解决了系统中不同类刀路轨迹信息的识别和文件存储问题。

关键词： 高速列车   参数优化   刚柔耦合   蠕滑特性   轮轨接触  

摘要： 随着铁路技术的发展,列车运营速度提高的同时其自身的动力学性能是否能够得到保障值得关注.另外,影响高速列车动力学性能的因素众多,探寻车辆-轨道系统参数对其动力学性能的影响规律,有助于准确、高效地实现车辆动力学性能优化.　　本文以某型号高速动车组为研究对象,首先利用多体动力学软件UM建立整车多刚体动力学仿真模型,参考相关国家标准验证了模型的正确性.接着基于Isight与UM软件联合仿真技术,实现了Isight调用UM自动进行仿真计算的过程,分析了车辆参数(质量参数、悬挂参数)、轨道参数(刚度、阻尼)变化对车辆动力学性能的影响,详细研究了直线、曲线两种工况下车辆运行平稳性、安全性对车辆-轨道系统参数的灵敏度.然后根据灵敏度分析结果,以系统主要参数为设计变量,对车辆动力学性能进行多目标优化,采用最优拉丁超立方设计计算得到参数组合与目标响应的280组样本点,比较了神经网络(RBF)和响应面(RSM)两种近似模型方法建立的代理模型的精确度,利用NSGA-Ⅱ遗传算法对代理模型求解,分析Pareto最优解的优化率.最后基于最优解对应的参数,考虑轮对的弹性效应,建立多刚体、刚柔耦合两种动力学仿真模型,对比分析了两种模型的轮轨蠕滑特性以及轮对振动行为(加速度、频率、位移).　　直线工况下,横向平稳性对二系横向减振器阻尼最敏感,垂向平稳性受二系垂向减振器阻尼的影响最大,脱轨系数对各参数的灵敏度相差不大,可见是多参数共同作用的结果.曲线工况下,脱轨系数和轮重减载率对车体质量最敏感;轮轴横向力对二系横向减振器阻尼、构架质量以及车体质量比较敏感,与参数取值成正相关.　　RBF代理模型优化解的相对误差值总体上大于RSM代理模型,说明RSM代理模型精确度较高;RBF代理模型得到的最优解优化率比RSM代理模型高,可见RBF模型优化效果更好;RBF 代理模型最优解中各项指标优化率之和最大值达到 94.45%,验证发现该解的准确性良好.　　轮对的弹性变形能够明显地影响直线和曲线工况下的蠕滑率及蠕滑力,尤其是纵向蠕滑率、总蠕滑率以及纵向蠕滑力;另外,考虑轮对的弹性效应对轮对振动位移的影响不大,但对轮对横向加速度却有很明显的影响;两种工况下轮对横向振动主频分别为:24.705 Hz和19.554 Hz,均接近对应速度下的轮对转动频率.

关键词： 轨道工程   轮轨作用力   光纤光栅   运营安全   现场监测  

摘要： 轮轨相互作用力的长期监测对保障列车的安全运营具有重大意义,而传统的轮轨作用力检测手段,如车载检测及地面测试等,均难以满足长期实时监测的需要.为此,提出了一种基于光纤光栅的轮轨力长期监测方法,通过在钢轨跨中断面的3处不同部位粘贴光纤光栅传感器,采集列车通过时的钢轨修正应变,结合现场标定的轮轨力-钢轨应变线性关系,可长期实时获取轮轨相互作用力.布设了室外监测试验平台,对该测试方法进行了试验验证,并于北京地铁14号线构建了轮轨力长期监测示范工点,为线路安全运营提供了指导.监测结果表明,在轨道交通正常运营条件下,光纤光栅传感器可以很好地捕捉轮轨间相互作用力的动态变化趋势,且能够较为准确地反映轮轨力测试幅值.