基于中点弦测模型的钢轨波磨量值估计

针对中点弦测模型无法复原轨道不平顺量值的问题,在分析钢轨波磨及对应的弦测数据后发现两者均具有周期性,在此基础上提出了一种多弦测量并计算钢轨波磨量值的方法。通过采用不同弦长对同一轨道的测量,避免单一中点弦测法中特殊波长幅值增益为零的问题;利用小波变换多分辨率的特点获取了波磨的频率及出现位置,将其应用于轨道波磨量值测算。结果表明,该方法能够从轨道中点弦测数据中发现钢轨波磨,并通过计算复原其原始量值,适合工程中对钢轨波磨的快速检测估计。     

基于多线结构光视觉的钢轨波磨动态测量方法

高精度的钢轨波磨动态检测技术对于保证铁路运输安全和轨道维护至关重要。针对测量中车体振动引起的现有波磨检测方法精度较低的问题,提出一种基于多线结构光视觉的钢轨波磨测量方法。首先,利用多个测量轮廓的轨颚点连线平行于轨道纵向的特点来构建垂直于轨道纵向的辅助平面,将测量轮廓投影到该辅助面上进行失真校准;然后,通过分层的轮廓配准与参考轮廓逐步准确对齐;最后,利用轨腰圆弧圆心距波磨测点沿轨距方向的距离为固定值的特点来精确定位该测点,并将两者垂直方向上的距离作为该断面的波磨值。实验结果表明,方法能有效抑制车体振动对测量数据的影响,为多线结构光技术在钢轨波磨高精度动态检测中的应用提供了新的思路和技术参考。     

地铁线路上一种钢轨波磨现象的成因分析

针对地铁线路直缓点附近区间上的一种特殊钢轨波磨现象,根据现场条件建立车辆-轨道系统数值模型,并对模型的有效性进行了验证;运用数值模型分析上述线路区间的轮轨界面黏滑特性,解释了该类钢轨波磨的形成原因;结合轮轨系统动力响应特性,分析促使钢轨波磨生成和发展的波长固定属性的成立条件。结果表明：在线路直缓点附近区间,导向轮对和从动轮对内外侧轮轨界面均会发生横向黏滑运动,而轮轨界面发生纵向黏滑运动的概率较低,且黏滑运动的交替发生,导致了钢轨表面初始波磨的形成;当导向轮对和从动轮对内外侧车轮经过线路直缓点时,外侧轮轨接触表现为轮缘-轨距角接触,且接触形式的改变造成了轮轨系统法向力的波动,说明直缓点的存在赋予了轮轨横向黏滑运动的相位同步特征,能够保持钢轨波磨的波长固定属性,因此,钢轨波磨最终形成并不断发展,而且内轨表现为轨面波磨,外轨表现为侧面波磨,这与实测区间波磨现象一致。     

轮轨接触参数对钢轨波磨的影响

基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,建立由车轮-钢轨-轨枕组成的有限元模型,采用复特征值方法研究小半径曲线轨道低轨上轮轨接触参数对钢轨波磨的影响。结果表明:小半径曲线轨道低轨上轮轨间蠕滑力饱和可能导致钢轨波磨;轮轨接触角对波磨的波长及产生趋势几乎没有影响;轮轨牵引角对波磨的波长几乎没有影响,但对波磨的产生趋势有较大影响,随着牵引角的增大,产生波磨的趋势逐渐降低。研究表明:在小半径曲线轨道低轨上,牵引角随着曲线半径的减小而减小,系统发生摩擦自激振动的趋势增强,低轨上更容易出现波磨,这就是曲线半径越小钢轨波磨越严重的原因。     

地铁轨道曲线半径与钢轨波磨的相关性研究

现有地铁线路钢轨波磨80%以上出现在小半径曲线轨道内股钢轨上,而大半径曲线和小半径曲线外股钢轨几乎没有出现钢轨波磨。为了探索这一现象深层次的原因,基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的机制,分别建立Simpack车辆多体动力学曲线通过模型和轮轨系统ABAQUS有限元摩擦自激振动模型,采用复特征值分析法对不同曲线半径轨道的钢轨波磨进行研究。结果表明:随着曲线轨道半径增大,摩擦自激振动产生的概率减小,即钢轨波磨发生概率下降,且钢轨波磨主要出现在低轨上而高轨较少;随着曲线半径增大,在曲线半径400~450 m范围内,轮轨蠕滑力逐渐由饱和状态变为不饱和状态;蠕滑力饱和时轮轨系统有可能出现摩擦自激振动,即产生钢轨波磨,当蠕滑力不饱和时,轮轨系统就不会出现摩擦自激振动,因而大概率不会发生钢轨波磨。     

钢轨全轮廓线结构光双目视觉测量系统标定

线结构光视觉测量技术因非接触和精度高的特点被用于钢轨磨耗测量。为解决钢轨断面全轮廓测量和线结构光测量系统现场标定困难的问题,提出了一种基于自由平面靶标的线结构光双目现场标定方法。首先,基于线结构光双目视觉测量模型搭建测量系统,分别采集两侧摄像机公共视角下任意位置的不含和包含线结构光的棋盘格平面图像;然后,采用棋盘格平面标定法获取两侧摄像机内部参数。利用线结构光平面与不同位置标定板相交产生的特征点拟合出线结构光平面在两侧摄像机坐标系中的平面方程,采用罗德里格斯变换原理求解出线结构光平面与两侧摄像机的外部参数;最后,结合摄像机内部参数和线结构光平面与摄像机外部参数实现钢轨全轮廓测量,并进行现场测试。试验结果表明,相机内参数标定误差约为0.03 pixel,结构光平面拟合度达0.999,钢轨断面全轮廓总测量偏差为0.54 mm,满足测量精度要求。     

地铁车辆起动区段钢轨波磨成因分析

为研究地铁出站口附近直线起动区段钢轨波磨形成原因,利用有限元软件ABAQUS建立了三维实体轮对-轨道瞬态滚动接触模型,并结合现场实测,从时域和频域上对波磨现象进行了分析。研究结果表明：车辆起动过程中,车轮与钢轨表面接触带会产生准周期特性的滑移区域,且滑移区域中心之间的距离与实测波磨的波长范围接近,从而验证了模型的合理性和有效性;轮轨系统的不稳定摩擦自激振动是导致实测区段钢轨波磨产生的根本原因,正是由于轮轨蠕滑力“饱和-非饱和”的周期特性,最终促使了波磨的形成;钢轨和车轮的垂向振动加速度等级在160~230 Hz频率范围内均出现了峰值区域,且频率范围与实测波磨的特征频率范围174~198 Hz接近,这进一步说明钢轨波磨是轮轨系统摩擦自激振动引起的车轮-钢轨共振所产生;在忽略初始不平顺的前提下,钢轨表面的波磨会随着车轮运行次数的增加呈现线性增长趋势,因此适当地采取钢轨打磨以及轨面润滑等措施尤为重要。     

[轮轨磨耗及预测]地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究

基于车辆轨道耦合动力学模型和钢轨材料摩擦磨损计算模型,分析了不同轨道结构参数和车辆运营速度对地铁直线轨道钢轨波磨发生和发展的影响。结果发现,对于不同的变量参数,轮轨接触斑内摩擦功率随时间的变化都具有一定的波动性,且摩擦功率整体波动幅度较为均匀。同时,摩擦功率1/3倍频程图分析结果表明,摩擦功率的特征频率主要集中在中低频范围。在主要特征频率处,扣件纵向刚度、纵向阻尼、横向阻尼和垂向阻尼对钢轨波磨的影响较小,扣件横向刚度、垂向刚度、扣件间距、轮轨摩擦因数和车辆运行速度对钢轨波磨的影响较大。扣件垂向刚度和扣件间距的变化会导致摩擦功率的特征频率发生偏移,主要特征频率从80 Hz偏移至100 Hz,从而导致对应波长的钢轨波磨,说明扣件垂向刚度和扣件间距对特定频率处钢轨波磨的产生和发展具有重要的影响。其余变量的增大并未导致摩擦功率的特征频率发生改变,表明其余变量不影响钢轨波磨的特征频率。     

钢轨平直度测量仪的研制

钢轨顶面短波不平顺对噪音、振动、安全和轮轨冲击荷载均有很大影响,严格控制钢轨顶面短波不平顺可有效减少轮轨之间的冲击作用。为此,开发了轻便、高精度的轨面短波不平顺测量装置—钢轨焊接接头平直度测量仪,文中介绍了该测量仪的总体结构、测量原理、特点、主要构造的系统设计、测试和标定。     

钢轨短波长波磨处的高速滚动接触分析

通过对某高速线路上出现的钢轨波磨的现场测量,采用显式有限元法建立三维高速瞬态滚动接触模型,分析轮轨在波磨处的高速（300 km/h）滚动行为。利用实体单元划分具有真实几何的轮对与钢轨,轮轨间的法、切向瞬态滚动接触问题由面面接触算法于时域内求解,同时考虑车辆和轨道系统的主要部件。车轮在光滑钢轨上的滚动结果显示,该模型可以建立起轮轨间稳态滚动接触,为研究表面不平顺处的滚动接触奠定了基础。分析某高速线路的钢轨波磨的波长和波深对轮轨瞬态滚动接触的影响,讨论不同牵引系数条件下波磨处的瞬态滚动接触行为。结果表明：波磨引起的轮轨法、切向接触力均在波长为80 mm（现场观测到的主波长）时达到最大,即数值重现了上述高速线路的波磨主波长;接触力随波深的增大单调递增,但增长率逐渐减少;牵引系数越大,钢轨发生不均匀磨损或塑性变形的可能性越大,即波磨产生的可能性越大。     

钢轨波磨对剪切型减振器段振动影响试验

地铁运营中常会出现钢轨波磨,尤其在剪切型减振器地段较为严重。为揭示钢轨波磨对结构振动的影响,选取地铁直线和曲线部分普通扣件和剪切型减振器典型区段进行了钢轨波磨的测量,并对轨道、隧道、地面等结构的振动加速度进行了现场测试。从时域、频域两个方面对比了结构的振动量值和振动传递特性,分析了剪切型减振器钢轨波磨对加速度振级及其减振效果的影响。结果表明:波磨会增大轮轨间动态冲击,使钢轨-道床-隧道-地面的振动显著增加;减振器区钢轨波磨会导致轨下结构振动大于普通扣件区,其减振效果难以实现;减振器区钢轨波磨比普通扣件区严重,曲线半径小、运量较大、速度较快的线路尤为突出,地铁轨道选型应考虑波磨的不利影响。     

北京地铁剪切型减振器扣件钢轨波磨治理的试验研究

北京地铁近年来投入运营的几条线路中,剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象,经过大量的调查和测试分析发现：剪切型减振器扣件轨道系统在200～400 Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因。为了抑制波磨发展,在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块,并在北京地铁10号线选择两个试验段进行了现场试验,对两个试验段的钢轨走形带粗糙度进行了为期6个月的跟踪测试。测试结果表明：在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块有效地控制了钢轨波磨的发展,并在一定程度上起到了消减钢轨波磨的作用。     

单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响分析

基于我国某地铁钢轨波磨的调研,采用显式有限元法建立了考虑车轮、车轴和钢轨连续体振动以及车辆、轨道高频结构振动的全轮对三维瞬态轮轨滚动接触模型,在时域内数值再现了轮对通过单侧钢轨波磨轨道段时的滚动接触行为,系统分析了单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响。相比于作者之前开发的半轮对滚动接触模型,该模型可将轮轨横向蠕滑和大自旋考虑在内。结果表明：地铁运行速度越高,波磨侧的不均匀磨损现象越严重;计算的五个速度中,波磨造成的瞬态激励在30和120 km/h时更易传递至无波磨侧,进而促进无波磨侧钢轨萌生波磨;轮对越是向波磨侧横移,波磨侧不均匀磨损越严重,但无波磨侧不均匀磨损逐渐降低,即相较于直线段,横移更大的曲线段上的外侧钢轨波磨更不易引发另一侧钢轨的波磨。     

Investigation of the influence of rail pad stiffness on rail corrugation on a transit system

This paper presents a study on the influence of rail pad stiffness on rail corrugation in an underground line. The paper includes a theoretical analysis justifying the rationale behind the modification of the pad stiffness to reduce corrugation levels, as well as a set of corrugation measurement results took on a test curve section during a period 19 months. The aim of the work is to demonstrate clearly that this treatment, studied by other authors like Ilias [H. Ilias, The influence of railpad stiffness on wheelset/track interaction and corrugation growth, J. Sound Vib. 227 (1999) 935-948], works on a metro system. In this study, the conventional rail pads on a test curve were substituted by softer pads. In order to examine the influence of new rail pads on corrugation, the rail profile was measured before and after the track modifications, during the same period of time. For both situations, wavelengths and amplitudes were analyzed and compared. It was found that soft pads reduce corrugation growth and eliminate one of the wavelengths developed when using stiff pads. The theoretical results were obtained from a model developed by Tassilly and Vincent [E. Tassilly, N. Vincent, Rail corrugations: analytical model and field tests, Wear 144 (1991), 153-161; E. Tassilly, N. Vincent, A linear model for corrugation of rails, J. Sound Vib. 150 (1991) 25-45]. This linear model for the corrugation of rails was used to predict the frequency bands in which corrugations are likely to appear. The track and the wheelset dynamics were studied both experimentally and theoretically. Quasi-static wheel/rail forces and creepages have been obtained with a multibody model of a metro unit. The methodology followed to compare the theoretical and experimental results is based on the work carried out by Grassie and Elkins [S.L. Grassie, J.A. Elkins, Rail corrugation on north american transit systems, Vehicle System Dyn. 28 (1998) 5-17]. The correlation between simulated and experimentally measured corrugation wavelengths appearing in the inner rails of curves is analyzed, and the corrugation mechanism is explained.     

发动机缸体视觉图像定位方法研究

针对发动机缸体孔系实现在线自动测量的难题,提出了基于视觉图像的发动机缸体定位方法。通过面阵CCD获取发动机缸体定位销孔图像信息,利用图像处理提取定位销孔中心位置,以此建立每个被测缸体的测量基准。使用环形双峰阈值法与中值滤波对图像进行预处理,有效地解决了定位销孔具有倒角影响图像边缘提取精度的问题。为验证此定位方法的准确性与可行性,分别进行了发动机缸体定位孔直径与位置度重复性测量与发动机缸体上表面孔组直径与位置度重复性测量实验。实验结果表明所提出的视觉定位方法稳定可靠,实现了发动机缸体的快速、精确定位,为实现发动机缸体的在线检测打下了可靠基础。     

基于彩色图像的高速目标单目位姿测量方法

针对风洞分离实验对于视觉测量系统的高精度、大视场、高速的测量要求,提出一种基于单目摄像机的风洞运动目标位姿测量方法。该方法利用单目摄像机进行运动目标位姿信息测量,相比于双目测量方法具有设备简单、视场大的优点。首先提出一种基于靶标特征点相互约束关系的参数优化方法,采用复合式靶标实现摄像机的快速高精度标定;针对目标运动图像处理,提出一种基于图像差叠法和标记点位置估计的图像快速分割与目标定位方法,实现图像特征的快速准确定位;针对单目测量要求及目标运动特性,提出一种基于方向估计标记点布局方式,实现合作标记点的快速识别和提取;最后利用单目视觉原理求解运动目标的位置和姿态信息,通过实验室模拟实验完成了测量系统的精度验证,在1 m×1 m视场范围内,其位移测量精度可达到0.19 mm,俯仰和偏航角测量精度可达到0.18°。     

Effect of liquid high positive friction (HPF) modifier on wheel-rail contact and rail corrugation

This paper presents an experimental study on the influence of HPF friction modifier on rail corrugation. The tests were carried out on a curve section of a commuter line, where corrugation appeared in the inner rail of the curves. The influence of HPF on wheel-rail contact forces has been studied based on acceleration measurements on the rail. These measurements were carried out with and without corrugation on the rail.Also, in order to compare the corrugation levels developed with and without the HPF, the evolution of corrugation was analyzed for this particular curve. The corrugation amplitudes and wavelengths were studied. It was found that the application of HPF substantially reduces the acceleration levels on the rail in vertical and lateral directions and delays the corrugation growth.     

Effect of passenger car curving on rail corrugation at a curved track

The paper presents a corrugation calculation model, which considers Kalker's non-Hertzian rolling contact theory to be modified, a material wear model and a vertical and lateral coupling dynamics of a half passenger car and a curved track. The dynamics characters of the curved track model in frequency domain were investigated by the commercial finite element code ANSYS, and some results concerning rail corrugation are presented in this paper. During a passenger car passing a curved track the dynamical performance of the vehicle and track and the initiation and growth of the curved rail corrugation are analyzed with the present corrugation calculation model. In the numerical calculation, two track states are investigated. One is that the track does not have any congenital defect except for the discrete rail support by sleepers. The other is that the track has a lateral dent on the gauge corner of the high rail. The rail corrugations analyzed are attributed to the material wear mechanism. The numerical results obtained indicate that (1) a high passing frequency corrugation initiates on the smooth running surface of the curved rail during the first passing of the passenger car through the curved track without defects; (2) the initial corrugation develops quickly and its passing frequencies change with an increase of passenger car passage; (3) the interaction of the leading wheelset of the bogie and the curved rails causes more severe corrugation and wear on the rail running surface than that of the trailing wheelset of the same bogie; (4) discrete rail support by sleepers is the congenital defect leading to rail corrugation formation.