标准动车组轮轨载荷特征及影响因素研究

随着列车速度的不断提高,轮轨与线路之间的作用力加剧,轮轴的工作状况愈加恶劣,而轮轨载荷与高速轨道交通系统的安全性和可靠性紧密相关.本文以国内某型动车组轮轨载荷为研究对象,制作了测力轮对,在大西线上完成了线路测试.对获得的轮轨力时间历程进行数据处理,并按不同速度等级、线路区段、每一趟往返等不同工况进行抽样和统计,编制64级时域载荷值谱和峰谷值谱,分析其变化趋势及原因.结果表明,轮轨垂向载荷一般为正态分布,波动中心为静轮重;横向力一般围绕零值波动.列车运行速度对轮轨垂向力和横向力波动范围影响明显,且速度越高,波动范围越大.列车上下行工况对轮轨力几乎无影响.曲线半径越小,轮轨力变化越大.车辆空载和满载状态对轮轨垂向力有影响,对横向力影响不明显.本文得出的载荷特征及影响因素为后续轮轨疲劳及动力学研究提供试验和理论基础.     

轮轨表面不平顺激光测量技术与设备开发

随着高速列车的快速发展,列车的安全性问题成为一个重要的研究课题。就轮轨系统运输而言,由于列车和轨道的剧烈挤压作用,引起轨道的不断变形。这种变形即轨道几何不平顺,轨道不平顺是引起列车振动,加剧钢轨摩擦和增大轮轨作用力的的根源,对乘客行车舒适度和安全性造成威胁,更是列车难以再次提高速度的重要因素。要解决这个问题,首先要精确地测量出钢轨表面的磨损情况,若能对钢轨表面磨损情况进行有效的检测和修复,可产生相当可观的社会效益和经济效益。     

滚动接触疲劳载荷对铁轨表面接触疲劳裂纹应力强度系数的影响

为研究轮轨滚动接触疲劳(Rolling Contact Fatigue,RCF)载荷对铁轨表面裂纹应力强度系数的影响,以UIC60铁轨轮廓尺寸为依据建立轮轨接触的三维有限元模型,通过改变RCF载荷大小、轮轨表面摩擦因数和接触中心位置等轮轨接触的输入参数,计算铁轨表面接触裂纹尖端的应力强度系数,分析RCF载荷对铁轨表面接触疲劳裂纹的影响.结果表明RCF载荷作为控制铁轨表面接触裂纹的重要因素,其变化直接导致裂纹尖端应力强度系数的变化,从而改变裂纹的扩展状况.为减缓铁轨表面裂纹的扩展,可以针对载荷采取均匀分布载重量、使用润滑剂降低轮轨摩擦因数等相应措施.     

滚动接触疲劳载荷对铁轨表面接触疲劳裂纹应力强度因子的影响

为研究轮轨滚动接触疲劳（Rolling Contact Fatigue,RCF）载荷对铁轨表面裂纹应力强度因子的影响,以UIC60铁轨轮廓尺寸为依据建立轮轨接触的三维有限元模型,通过改变RCF载荷大小、轮轨表面摩擦因数和接触中心位置等轮轨接触的输入参数,计算铁轨表面接触裂纹尖端的应力强度因子,分析RCF载荷对铁轨表面接触疲劳裂纹的影响. 结果表明RCF载荷作为控制铁轨表面接触裂纹的重要因素,其变化直接导致裂纹尖端应力强度因子的变化,从而改变裂纹的扩展状况;为减缓铁轨表面裂纹的扩展,可以针对载荷采取均匀分布载重量、使用润滑剂降低轮轨摩擦因数等相应措施.     

柔性轮对结构振动对车辆动力学性能的影响

为研究轮对柔性对车辆动力学的影响,建立高速列车轮对的有限元模型,对轮对进行自由模态分析.通过模态综合法获取柔性轮对模态信息,应用多体系统动力学理论建立柔性轮对-刚性轨道接触力学模型;建立包含高速旋转柔性轮对的车辆-轨道耦合动力学模型,研究高速列车在直线和曲线通过时轮对结构振动对车辆动力学性能的影响.结果表明:轮对的结构振动对轮轨接触点位置、蠕滑率、蠕滑力和脱轨因数等均产生较明显的影响,但是对轮重减载率影响较小,因此应采用更加精确的柔性轮轨耦合模型研究轮轨相互作用、轮轨滚动接触疲劳和轮轨噪声等.     

基于EEMD的高速列车横向减振器故障的排列熵特征分析

针对高速列车转向架横向减振器状态监测数据的特点,提出了一种聚合经验模式分解和排列熵相结合的故障特征分析方法,用于在不同时间尺度下对信号进行复杂性分析。首先利用EEMD对横向减振器不同个数失效的7种工况信号进行分解,再用排列熵量化IMF的复杂度,得到多维特征向量集,最后采用支持向量机对故障状态进行分类识别。实验结果表明本方法对多个横向减振器失效的工况识别率最高可达100%,验证了排列熵特征对于高速列车横向减振器故障信号分析的有效性。     

高速列车多目标约束横向半主动控制算法研究

传统的高速列车横向半主动控制研究,主要以提高车体横向运行平稳性为目的;但车体与各部件之间通过二系悬挂与一系悬挂连接传递相互耦合振动作用,因此半主动控制在改善车体横向平稳性的同时,将导致构架横向振动和轮轨横向作用加剧,从而使得列车脱轨系数增大,列车运行安全性能变差;针对这一问题,提出在虚拟惯性阻尼半主动控制和脱轨安全半主动控制的基础上,设计两个控制回路的多目标约束下的混合半主动控制算法,在实现列车横向半主动控制提高平稳性的同时,控制脱轨系数的恶化,从而同时提高列车平稳性和脱轨安全性能;并利用Simpack建立了某型高速列车多刚体动力学模型,联合Matlab/Simulink建立了联合仿真分析系统对车体横向半主动控制进行研究;结果表明:采用多目标约束半主动控制算法后,车体横向振动加速度峰值和均方根值分别降低了36%和34%,平稳性改善了15%,脱轨系数减小了17%;可见采用多目标约束半主动控制算法不仅能够有效抑制车体横向振动,改善列车运行平稳性,而且还能减小列车脱轨系数,提高列车运行安全性。     

列车横向振动与轨道不平顺输入关系研究

利用小波变换和互相关函数分析了列车横向振动与轨道不平顺输入之间关系。轨道不平顺输入引起了列车横向振动, 为了抑制横向振动并预测其变换规律, 需要研究两者之间关系。首先利用Simulink软件建立了列车横向系统模型, 模拟列车横移、侧滚和摇头振动信号; 然后利用小波变换和互相关函数分析了上述三种振动与轨道方向、水平不平顺输入之间关系。仿真结果表明, 水平不平顺与横移和摇头振动之间的互相关函数大于方向不平顺, 而方向不平顺与侧滚振动之间的互相关函数大于水平不平顺。结果证实了水平不平顺是引起列车横移和摇头振动的重要因素, 方向不平顺是引起列车侧滚振动的重要因素。     

基于ANSYS的脱轨轮轨力分析的研究

针对朔黄铁路安全运营的要求,提出了一种适应朔黄铁路的脱轨检测预警系统,并且对车轮轮轨力进行了ANSYS仿真与分析,建立了车轮轮轨力与横向形变位移关系方程,并通过现场检测试验得到了轮轨横向位移曲线,最后经过数据分析计算,验证了朔黄铁路空载货运提速的可行性。     

关联维数在高速列车运行状态评估中的应用研究

基于监测数据评估高速列车空气弹簧和横向减振器等关键部件的运行状态,针对车体横向加速度振动信号,本文提出了关联维数的列车状态评估方法,分析了车体横向振动特征,对时域信号进行了频谱分析,并进一步分析了关联维数。为了计算关联维数,需先对信号进行相空间重构,然后求出重构相空间的两个关键参数;用互信息量方法[1]求出最佳延迟时间和用CAO [2]方法求出最佳嵌入维数。通过对监测数据的关联维数分析,证明了该列车在四种不同标准状态下的工况具有明显不同的关联维数特征。因此,按照关联维数的大小,就可诊断出列车可能出现的故障。研究结果表明,关联维数分析方法在设备状态监测与故障诊断中,尤其是在非线性系统的故障诊断中显示出其独特的优势,具有较为广阔的应用前景。     

基于排列组合熵的高速列车走行部故障分析

针对列车走行部的多种故障模式,提出了基于排列组合熵的高速列车走行部故障诊断方法.对原车和抗蛇行减振器失效、空气弹簧失气、横向减振器失效四种工况进行仿真实验,得到列车不同位置的振动信号.计算列车振动信号的排列组合熵,首先实现了同一速度下不同故障的分离,然后以排列组合熵作为故障特征向量,对特征向量进行多级SVM分类识别.实验结果表明,该方法可以有效识别列车同一速度下的不同故障,高速时对四种工况的平均识别率达97％以上.     

基于Adams的列车碰撞三维动力学模型和仿真

为研究列车碰撞性能,用Adams创建由车体、车钩缓冲装置、端部吸能结构、防爬器、转向架和轮轨力等组成的单节车厢三维动力学模型,并创建6节车厢列车的三维动力学模型,模拟列车以15 m/s的速度与2节静止车厢碰撞的过程.通过分析各节车厢的速度、加速度和每个车钩缓冲装置的相对偏移量在碰撞过程中的变化情况,重现列车碰撞过程,进而分析影响列车垂向爬车和横向屈曲稳定性的因素.仿真结果表明,碰撞过程中每个车钩缓冲装置的相对偏移量和列车各节车厢的加速度最大值均沿列车运行向不断变小;列车前三节车厢的垂向爬车和横向屈曲最严重,转向架发生出轨现象.     

扭转激励下螺纹连接结构动力学行为

根据真实螺纹的几何参数,运用Abaqus建立螺纹连接结构的精确有限元模型,采用扭矩法施加预紧力,分析在扭转载荷作用下螺纹连接结构的动力学行为。结果表明：当螺钉与被连接件之间的摩擦力矩小于螺纹接触界面的摩擦力矩时,连接结构在扭转交变载荷作用下容易发生松动;当螺钉与被连接件和内外螺纹2组接触副之间的摩擦因数增大时,螺纹连接结构的摩擦耗散能变化较小,而当被连接件之间的摩擦因数增大时,连接结构的摩擦耗散能呈线性增加;根据三阶修正Iwan模型得到的响应曲线与有限元分析结果吻合。     

基于小波分析的高速列车车体运行状态估计

基于监测数据评估高速列车空气弹簧和横向减振器等关键部件的运行状态, 针对车体垂向加速度振动信号, 提出了小波包能量矩的列车状态估计方法。首先分析车体垂向振动特征, 对不同工况和不同速度下的信号进行小波包分解, 并重构能量较大的频带信号, 再计算各频带的小波包能量矩特征, 不同频带信号的小波包能量矩变化反映了列车运行状态的改变。将不同频带的小波包能量矩组成特征向量, 最后用支持向量机进行故障识别。实验数据仿真分析表明, 列车空簧失气故障和横向减振器失效故障识别率为100%, 说明该方法能很好地估计出高速列车的故障状态。     

基于TAX2的列车轮轨润滑控制系统的研制

论述了机车轮轨润滑机理,说明了系统的工作原理和工作流程,给出了基于TAX2的列车轮轨润滑控制系统的研制方法,并对系统结构和组成进行了分析。解决了检测信息以统一时间、公里标作为基准座标记录的问题,同时也解决了数据的转储、分析管理和车地信息传输问题。实践表明:该装置通用性强,减小了列车轮缘与钢轨的磨损量,节约了资源,提高了机车的周转率和利用率。     

基于FPGA的列车信号采集系统设计与研究

列车工况信号对列车故障检测与分析有重要意义。以CycloneⅢ系列FPGA、AD9220、SRAM作为主要器件,利用MAX038输出信号以模拟列车工况信号,再对信号进行采集、存储进行系统设计与分析。为保证系统的稳定性和可靠性,制作了PCB板对系统进行测试。     

基于磁悬浮列车的运行图编制算法

分析了轮轨列车与磁悬浮列车运行控制系统的差异,在参考轮轨列车运行图编制系统的基础上,提出了基于磁悬浮列车的运行图编制约束模型和编制算法。通过构建列车运行“位置—时间”矩阵检测列车运行冲突,并利用迭代修复算法消除冲突,最终得到可行的列车运行图。算例表明,该算法能有效地解决磁悬浮列车运行图编制方案,算法具有很好的有效性和实用性。     

一种火车轮轨相对横向位移的图像检测方法

目前通常采用的基于传感器的接触式测量方法,虽然可以监测机车运行状态并完善机车运行的安全性理论,但存在动态测量困难、零漂大和抗干扰能力差等缺点。针对轮轨接触状态最直接的反映——机车轮轨之间的相对位移,提出了一种火车轮轨相对横向位移的图像检测方法。将激光点以一定的角度照在车轮的平面上,把机车轮轨相对横向位移的测量转为车轮圆心与激光点在图片上位置的变化,最终实现车轮圆心和激光红点精确定位。实验结果表明,该方法能够准确地计算出轮轨相对横向位移,为后续进一步监测列车运行的状态以完善列车运行的安全性理奠定了基础。     

列车横向半主动悬挂模糊控制策略研究

针对17自由度列车横向半主动悬挂,提出以横向振动加速度最大值和均方根值作为评价指标,分析了列车横向悬挂模糊控制策略。列车横向半主动悬挂广泛地采用模糊控制调整阻尼值,减少横向振动,提高横向平稳性。因此,利用simulink建立列车横向悬挂模型,设计模糊控制策略直接法和间接法,进行了仿真。仿真结果显示,由于横移和摇头加速度的相互作用,使得前端横向合成加速度大于后端;通过加速度功率谱密度函数值分析对比,直接法综合控制效果好,好于间接法和被动悬挂控制。     

轨道车辆防全向错位前面板防爬器性能仿真

运用LS DYNA对一种新型防全向错位前面板防爬器抑制横向滑移和垂向爬升的能力进行仿真,通过模拟2节编组列车车辆间水平初始偏转为2°和3°的碰撞工况,分析比较传统前面板防爬器和新型防全向错位前面板防爬器对横向运动的抑制能力。在此基础上,仿真分析车辆间初始垂向偏移分别为20 和40 mm的碰撞工况,检验新型防爬器的垂向防爬能力。仿真结果表明,在碰撞工况下,新型防全向错位前面板防爬器的横向运动和垂向运动抑制能力均优于传统面板防爬器,可在车辆设计中推广使用。