高速列车车轮型面多目标优化研究

对于动车组车轮磨耗引起的动力学性能降低问题,车轮型面优化是一个很好的解决方案。采用旋转压缩微调法（Rotary-scaling fine-tuning method,RSFT）进行型面生成;建立某型动车组车辆动力学模型,采用该模型计算相应的优化目标和约束条件;利用径向基神经网络-粒子群（Radial-based neural network-particle swarm optimization,RBF-PSO）算法优化出最优廓形。通过对比优化前后车轮型面的动力学性能和磨耗性能,可以发现：优化后车轮型面临界速度为424.6 km/h,增大10.2%;横向平稳性和垂向平稳性指标整体减小,同时提高了曲线通过时的安全性指标,脱轨系数、倾覆系数和轮轴横向力都进一步减小。优化后车轮型面接触点分布相对更加均匀,等效锥度减小。同时优化后车轮型面有效减小车轮磨耗深度,并减小了轮缘根部磨耗,车轮最大磨耗深度减小9.8%。     

高速列车车轮多边形磨耗演变行为

车轮多边形不仅会严重影响高速列车的运行性能,同时会随着车轮的磨耗发生不断演变,因此其演变行为值得关注。对高速列车车轮多边形磨耗的演变过程进行数值模拟,并分析相位差对多边形磨耗的影响。结果表明,车轮初始3阶多边形会演变成多阶混合多边形,其中3的整数倍阶多边形占主要地位;车轮多边形发展过程中,存在一个磨耗急剧增大的"转折里程",应在"转折里程"之前对车轮多边形进行处理;车轮多边形使轮轨垂向力和轮对构架垂向振动加速度增大,同时导致跳轨现象,影响车辆运行安全;多边形相位差会导致车轮的磨耗迅速增加,磨耗率在轮相位差为1/2周期时达到最大。研究成果为车轮多边形的控制手段及现场镟修策略提供了理论依据。     

基于SIMPACK仿真分析的高速列车蛇行失稳识别方法

高速列车的横向运动稳定性不仅会影响列车的运行品质,还影响车辆的运行安全。现有的高速列车失稳在线监测方法大多是对高速列车大幅蛇行失稳状态进行识别,然而高速列车的小幅蛇行失稳状态很难被准确有效地识别出来。为此,提出了一种基于信号分析的蛇行失稳识别方法,不但可以识别出大幅蛇行失稳,而且可以识别出小幅蛇行失稳。首先通过SIMPACK软件建立高速列车动力学仿真模型,再现高速列车运行过程中出现的稳定、小幅蛇行失稳和大幅蛇行失稳状态;再对仿真结果的构架横向加速度进行分析,利用信号的周期性差异,计算其自相关系数并设定阈值,以此来识别小幅蛇行失稳状态和大幅蛇行失稳状态;最后通过实验数据验证了所提出的监测方法的有效性。     

车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度影响研究

车轮多边形是铁道车辆一种常见的非圆化病害,对轮对振动和车辆运行安全有明显的影响。在建立刚柔耦合拖车和动车车辆系统动力学模型基础上,将车轮多边形简化为简谐波并将其考虑为车轮轮径的变化,研究20阶车轮多边形对拖车和动车车轴疲劳强度的影响。结果表明,等效应力幅比值与速度呈非线性关系,且拖车和动车峰值出现位置有所不同,拖车峰值位置出现在速度为225 km/h,对应多边形激励频率432.7 Hz;动车不同截面分别在300 km/h、375 km/h时存在峰值,对应多边形激励频率分别为576.5Hz、721.2Hz。在各峰值位置处,多边形幅值的变化对拖车和动车部分截面的等效应力幅比值均有显著影响。拖车和动车车轴等效应力最大值均位于C截面,并且随着车轮多边形幅值的增加,其等效应力显著增大,超过车轴疲劳强度限值,降低车轴使用寿命。研究结果有助于改善20阶车轮多边形对高速列车车轴疲劳强度及弹性振动的影响。     

高速列车横向悬挂系统振动结构研究

研究了高速列车横向悬挂系统的振动结构。为了抑制列车横向振动,提高平稳性,分析了列车横向悬挂系统振动结构的主要矛盾和相互关系。采用Simulink仿真软件建立了17个自由度的列车横向悬挂系统车体模型,以加速度功率谱密度函数为依据,建立了关系函数,对横移、侧滚、摇头振动和前、后端转向架横向合成振动指标相互关系进行了分析。结果表明,列车在高速情况下,在最令人敏感的低频段,摇头振动是引起列车横向振动的主要因素;随着速度的提高,主要影响因素从摇头振动向横移和侧滚振动发生着量的变化。     

高速列车车轮多边形对齿轮箱疲劳寿命的影响

车轮多边形是高速列车运行过程中常见的磨耗现象,该现象使轮轨作用力增大,齿轮箱持续异常振动,并会影响其疲劳寿命.为研究高速列车车轮多边形对齿轮箱疲劳寿命的影响,建立了含有齿轮箱支撑轴承的驱动系统和柔性齿轮箱的刚柔耦合整车动力学模型,采用数值仿真分析方法,通过分析不同车轮多边形幅值下轮轨垂向力和齿轮箱垂向振动加速度确定极端...     

高速车轮椭圆化问题及其对车辆横向稳定性的影响

对铁路车轮运行过程中非圆化问题进行分析和非圆化形式进行定义分类.建立一个新的真实模拟车轮椭圆化的数学模型,结合车辆/轨道空间耦合动力学模型,分析计算出高速车轮椭圆化引起的车辆轮对横向动力响应,确定了车速200 km/h轮对椭圆度对蛇行运动影响范围.数值结果分析表明,高速车轮椭圆化将导致车辆系统横向蛇行失稳,严重恶化其运行品质,并大大降低其横向稳定性.轮对蛇形运动状态和行车速度、轮对左右轮椭圆形状的相位以及椭圆度有密切联系.     

基于自适应模板的实时跟踪算法

相关匹配算法通过计算模板图像和待匹配图像的互相关值来确定匹配的程度,是一种经典的匹配算法,具有很高的准确性和适应性,并且对图像灰度值的线性变换具有"免疫性",因此在目标跟踪中得到了广泛应用.但是相关匹配算法计算耗时过于庞大,难以达到实要求,并且当目标在模板中所占比例很小时,很难确定模板的准确位置,使得此算法在实时目标跟踪中的应用有很大困难.本文提出了一种基于自适应模板的实时跟踪算法.实时采集的图像首先进行阈值分割,然后用形态学滤波的方法去掉噪声,模板的尺寸通过轮廓分割方法确定.匹配程度的算法选择的是归一化自相关匹配算法,并采用金字塔搜索算法进行加速.实验结果显示,此算法有效地克服了相关匹配算法的缺点,具有较好的匹配精度和实时性.     

高速列车车轮多边形磨耗、机理、影响和对策分析

简要地介绍我国高速列车车轮技术研究现状和应用情况,提出它们服役过程中出现的影响列车运行品质、安全运营和运输成本的几个主要问题,主要关心的是高速车轮非圆化或车轮多边形磨耗问题,简单介绍国内外对车轮多边形磨耗的研究现状以及对策。总结分析我国高速车轮多边形磨耗情况和特征,其显著特征是车轮多边形磨损凸显了2～3主波长的不均匀磨损,主要为偏心磨损(1阶)以及14～23边(14～23阶)磨损。确立车轮多边形磨耗诱发和快速发展的基本条件,发现在轮径变化的几个特殊阶段,如果满足这一基本条件的话,车轮多边形磨耗易快速发展。给出并简单讨论多边形磨损对车辆行为、轮轨附件冲击载荷、振动噪声和疲劳的影响。仔细讨论影响车轮多边形形成和快速发展的基本因素。论述若干种抑制多边形发展的对策,部分对策已经被现场运营经验所证明是十分有效的。提出多边形车轮维修策略和目前关键亟待开展的研究问题。     

高速车轮椭圆化对车辆系统行为的影响

建立考虑车轮椭圆化状态下的整车车辆/轨道空间耦合动力学模型,基于此模型,发展相应的数值方法,分析计算高速运行状态下车轮椭圆化程度对车辆系统动态行为的影响,给出车速200～350 km/h时车体横移、轮对横移、轮轨垂向力和轮重减载率等关键指标,确定高速行车条件下车轮圆度的临界范围.数值结果分析表明,在车轮椭圆化的情况下,车辆系统动力学响应关键指标与行车速度、车轮的圆度以及轮对左右车轮椭圆形状的相位有密切联系.高速车轮椭圆化将导致车辆系统动力学性能的显著变化,随着车轮圆度的增大,车辆系统运行品质严重恶化,其横向稳定性和轮重减载率大大降低,从而减小车辆/轨道系统各部件使用寿命、增大脱轨风险.     

车轮踏面不圆顺对高速列车轮轨界面黏着与车轮表面损伤的影响

在JD-DRCF/M型滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了有/无偏心车轮配副的轮轨滚滑接触摩擦学试验,对比分析了一阶不圆顺车轮和正常圆顺车轮对轮轨界面黏着、车轮表面损伤与滚动接触疲劳特性的影响。结果表明：车轮不圆顺会显著减小轮轨间黏着系数,湿态下不圆顺车轮的轮轨黏着系数不足0.2,影响列车安全运行和牵引效果;车轮不圆顺明显加剧了钢轨磨耗,同时导致车轮沿周向的表面损伤表现出显著差异。具体来说,凸起侧附近疲劳剥落和撕裂断口特征最为明显;迎向凸起侧较背向凸起侧表面剥落更严重、疲劳裂纹扩展角更大;迎向凸起侧表面点蚀现象相对明显,背向凸起侧车轮表面黏着层堆积严重;此外,随着车轮滚动半径r_θ由最小值到最大值再到最小值循环变化,不圆顺车轮沿周向的表面粗糙度、表面硬度和塑性变形层厚度大致均呈先逐渐增加、经过凸起侧附近后又逐渐下降的趋势。     

高速重载列车车轮加工刀具材料的研发

采用扫描电镜、光学金相显微镜、洛氏硬度计、钴磁检测仪、矫顽磁力检测仪和抗弯强度检测仪等方法,对比研究了3种国外进口轮毂刀的基体和涂层,并根据分析结果自主研发出了针对车轮加工的材质Z263和涂层19H。研究结果表明:三种国外进口轮毂刀的基体都属于低钴合金,并含有Ta和Nb,硬度HRA均大于91.5;基体是表面富钴的梯度合金,涂层均为CVD多层复合涂层。采用自主开发的低钴细晶合金Z263搭配19H涂层生产的32轮毂刀,现场试用寿命达到国外进口刀片水平。     

高速列车会车横向冲击的半主动控制研究

铁路高速化使得车辆在行驶过程中受到的气动冲击加剧,严重影响车辆的乘坐舒适性。为了改善高速列车乘坐的舒适性,研究了高速列车会车横向冲击的半主动控制方法。建立车辆系统动力学模型,分析会车振动的传递特性和天棚阻尼控制方法的局限性,针对会车横向振动特性提出会车横向冲击半主动控制方法,对车辆气动冲击进行控制。利用计算机仿真方法验证会车控制的效果。结果显示,控制后由会车气动冲击引起的车辆横向振动平均减幅达到35%～45%。     

轮径差对高速列车性能的影响

利用轮轨接触几何算法研究不同轮径差下的静态轮轨几何接触关系,分析轮径差对轮对等效锥度的影响.根据我国某高速列车性能参数建立车辆系统动力学模型,分析高速车辆轮对的轮径差的改变对直线运行稳定性、运行平稳性和曲线通过性能的影响.结果表明,相比转向架轮对轮径差反相分布的情况,转向架轮对轮径差同相分布时车辆的临界速度较低,稳定性、平稳性较差,轮对偏离轨道中心线较大;轮径差反相分布时轮对过曲线时冲角、平均磨耗功和轮轨横向力较大.     

高速列车二系横向阻尼改变对轮轨磨耗影响研究

当列车偏离设定运行速度时,车体横向振动变差,被动悬挂系统阻尼值预先设定,难于满足要求。采用迭代寻优控制算法,车体横向平稳性提高,乘客舒适性得到较好改善;但导致轮轨磨耗加剧,严重影响行车安全性,同时增加旋修带来的经济损失。进一步分析二系横向阻尼改变对车体平稳性和轮轨磨耗的影响,同时考虑车体横向振动和轮轨磨耗,100km/h速度时,建议二系横向阻尼的调节范围为(15~30)k N.s/m;300km/h速度时,建议其范围为(30~45)k N.s/m。为列车参数优化、安全运行提供理论指导。     

钢轨波磨对高速列车车轮多边形磨耗产生与发展的影响

列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于我国高速列车上,会显著增大轮轨之间的相互作用力,严重影响列车运行安全性和舒适性,其产生和发展机理值得探究。车轮多边形磨耗与钢轨波浪形磨损(简称:波磨)从磨耗特征来看较为相似,只是发生磨耗的载体不同,钢轨波磨是否对车轮多边形磨耗存在根本的影响值得深入研究。以我国某线路上运行的高速动车组列车为研究对象,通过建立车轮多边形磨耗仿真预测模型,结合现场试验数据,调查钢轨波磨对车轮多边形磨耗产生和发展的影响。研究表明,钢轨波磨虽然可以导致轮轨力和蠕滑率等磨耗关键参数沿车轮圆周发生周期性波动,但是在车辆实际运营条件下,钢轨波磨导致车轮多边形磨耗产生这一观点的成立条件极为"苛刻",对车轮和钢轨波磨区段起始点的接触位置、钢轨波磨的波长以及车轮周长都有严格的要求。在实际中该条件难以满足。因此,钢轨波磨的存在并不是车轮多边形产生的根本原因。结果可为高速列车车轮多边形形成机理的相关研究提供参考和指导。     

多模式融合的目标跟踪算法

为了解决目标跟踪中运动模型复杂,运动场景多变的情况,提出了一种多模式融合的目标跟踪算法.该算法选取目前广泛应用的mean-shift和粒子滤波算法分别跟踪目标,得到当前目标位置的候选值,并采用加权合成参考函数建立参考模板.然后,以侯选目标位置差异和参考模板为标准,确定目标的正确位置.最后,根据当前帧目标模板和参考模板的距离来决定是否更新模板.实验仿真结果表明,与单一的目标跟踪算法相比,本文算法的平均跟踪误差减小了一倍以上.假如参考模板更新错误,下一帧中仍能以67%的概率正确跟踪目标,连续3次模板更新之后,误更新的模板对目标跟踪的影响可以降低到10%以下,有效地降低了模板更新引起的跟踪错误和跟踪不稳定.     

基于S变换的高速列车小幅蛇行识别方法

针对现有的高速列车监测方法没有考虑高速列车振动信号的非平稳特性,从而使得列车出现蛇形失稳现象的问题,提出一种采用S变换的方法对高速列车转向架信号进行处理,进而提取高速列车运行特征。采用最小二乘支持向量机（LS-SVM）对特征进行训练和识别,结果证明,基于S变换的特征提取方法的识别准确率达到了100%,优于基于小波变换的特征提取方法,从而可以及时预测高速列车的运行状态,保障列车的运行安全。     

CHN60/UIC60钢轨廓型下高速列车车轮踏面磨耗对比分析

为了研究不同轮轨廓型匹配时高速列车车轮踏面磨耗情况,运用多体动力学软件UM建立某高速列车单车车辆/轨道耦合动力学模型,利用轮轨滚动接触理论和车轮磨耗预测模型,对比分析列车CHN60和UIC60钢轨廓型与LMA车轮廓型匹配时车轮踏面磨耗规律。研究表明:在运营里程低于26. 5万km时,LMA/CHN60和LMA/UIC60车轮踏面磨耗相差不大,在运营里程超过26. 5万km以后,LMA/UIC60磨耗显著增大;相比LMA/CHN60,车轮踏面磨耗对LMA/UIC60轮轨接触点的分布状态影响更大,前者的轮轨接触状态要优于后者;在车辆运营里程低于13. 5万km时,LMA/CHN60和LMA/UIC60的车轮磨耗功最大值相差不大,在车辆运营里程超过13. 5万km后,LMA/UIC60轮轨匹配下的车轮磨耗功最大值逐渐大于LMA/CHN60轮轨匹配; 2种轮轨廓型在运行中的车轮磨耗功率最大值都逐渐减小,但LMA/UIC60轮轨匹配下的磨耗功率最大值普遍较大。     

基于相关分析的高速列车构架载荷相位重构方法

针对高速列车构架载荷谱经雨流计数后丢失载荷之间的相互关系,使载荷谱预测关键应力点损伤与实际损伤偏差较大的问题,开展高速列车构架载荷相位重构方法研究。以某型高速列车转向架构架为研究对象,通过线路实测获得载荷时间历程和关键应力点时间历程,分析关键应力测点不同载荷系分量之间的相关性以及应力与载荷分量之间的相关性。在此基础上,结合试验台加载控制方式,建立载荷相关系数和载荷相位的关系,重构因雨流计数丢失的载荷相位信息,使载荷预测损伤更接近实测应力损伤。研究结果表明,构架载荷之间的相互关系保持稳定,是重构构架载荷相位矩阵的基础;重构的载荷相位矩阵使载荷预测应力与实测应力更接近,最大误差由104%降到6%;测试时间基本对相位矩阵无影响,不同线路条件和列车运行速度对相位矩阵有一定的影响,但平均误差均不超过10%。研究工作为分立载荷谱预测损伤提供了思路,并为载荷谱扩展台架试验奠定基础。