基于图像识别的轮轨冲角测量系统研究

为了解决机车车辆运行过程中轮轨冲角的连续测量问题,研究基于运动图像识别的轮轨冲角测量原理,提出轮轨冲角测量方法。运用该方法研制了由图像采集系统、同步采集控制系统、图像处理软件等组成的轮轨冲角测量系统,通过连续测量转向架侧架与轨道的夹角和轮对与侧架的夹角计算轮轨冲角。应用该测量方法对DF8B三轴径向转向架机车进行实车线路试验,测得该车径向机构锁定和不锁定两种状态下通过250 m半径曲线时的第一轴和第三轴轮轨冲角变化曲线。     

大功率机车轮轨接触应力计算分析

轮轨关系是大功率机车车轮国产化的重要研究内容。轮轨接触应力分析是轮轨接触问题的基础。大功率机车轮对在运行过程中相对钢轨断面产生不同横移,直接影响轮轨接触应力。应用轮轨非线性接触理论及并行计算技术,构建大功率机车轮轨接触应力分析的大规模有限元模型,并在中国科学院研究生院计算地球动力学实验室的网络集群并行计算环境下完成有限元计算,研究了轮对横移量对大功率机车轮轨接触应力影响。计算结果表明,轮对不同横移时,车轮踏面内均出现塑性变形,塑性变形从车轮踏面内约6 mm处延伸至接触表面。轮轨接触斑的横向长度与接触面积随轮对横移量的变化有着相同的变化规律。随着横移量的改变,多数情况下的轮轨接触斑形态与Hertz理论的椭圆假设有较大差别。     

高速动力车轮轨几何参数设计

本文对我国机车与德国高速动力车轮轨几何关系中的基本参数作了比较，结合我国实际情况，确定了我国高速动力车的轮轨匹配基准，在此基础上，按照磨耗型踏面设计原则，编制了踏面设计程序，设计了大量踏面外形，并用轮轨接触几何关系程序作了计算和分析。结合高速动力车整体性能，选择了一种等效斜度特性全理，轮轨接触状况优良，对轨底坡适应性较强的踏面，作为我国高速动力车车轮的磨耗型踏面。     

轮轨结构变形对高速机车单轮对牵引力矩的影响

从数值方面详细分析了轨道结构变形对高速机车单轮对牵引力矩的影响。首先利用有限元方法分析计算轮对和轨道结构变形和相应作用力之关系，确定了轮轨接触斑处单位密度作用力引起轮轨变形的影响系数。用这些影响系数修正Kalker非赫兹滚动接触理论中由Bossinesq和Cerruti公式确定的力和位移的影响系数。并分别用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论和其被修正形式分析计算了高速机车单轮对牵引力 矩。从数值结果看，轮对和轨道的结构变形对机车牵引力矩的影响是十分大的。     

牵引力对机车车轮轮轨黏着性能的影响分析

为了解机车在牵引工况下轮轨的蠕滑特征,本文采用线性蠕滑理论和非线性修正方法,推导出轮轨接触的蠕滑力公式,结合磨耗型踏面的轮轨接触几何特征,采用Simpack多体动力学软件建立DF8B型三轴转向架机车动力学模型,进行动力学仿真验证。研究发现:传统转向架机车在牵引工况通过曲线时,导向轮对外侧车轮轮缘根部接触钢轨,总的蠕滑力处于饱和状态;当轮轨接触总的蠕滑力饱和时,牵引力会引起轮轨接触界面的纵向和横向蠕滑力重新分配,牵引力越大,纵向蠕滑力越大,横向蠕滑力越小。惰行工况下导向力矩最大,随着牵引力的增加,导向轮对的导向力矩逐渐减小。     

相干分析方法及轴悬式机车电机刷架损坏原因的研究

机车现场试验测量到的振动信号是具有丰富频率范围的随机信号，如何从中获取有用的信息，分析引起振动的原因，则必须对测量信号作进一步的计算分析。对相干分析方法的基本原理作了简单的介绍，并利用此方法对轴悬式机车电机刷架因振动过大而损坏的原因－振动的能量来源进行了定量的分析，并就齿轮啮合振动和轮轨接触振动的能量传递特性进行了探讨。     

短裂纹产生/扩展与磨耗耦合情况下的钢轨损伤评估

介绍了研究钢轨轨头短裂纹产生/扩展和磨耗耦合分析的数值模拟程序。采用通用多体动力学分析软件,对单节车辆曲线通过进行仿真,分析轮重、轮轨横向力和轮轨接触位置等参数,然后将仿真结果输入到轮轨滚动接触有限元计算软件中,探讨了对曲线半径和钢轨钢种的影响。     

轨道振动对轮轨接触压力影响的数值分析

轮轨滚动接触振动是产生轮轨噪音、波浪形磨损和滚动接触疲劳的主要原因。本文采用数值方法分析全尺寸滚振试验台和原形尺寸单轮对试验装置进行轮轨滚动接触振动对轮轨需滑力影响的试验现象，确定了影响轮轨滚动接触正压力的主要因素。分析中采用了“集中质量法”对用来模拟轮轨关系的轮／轮物理模型进行了离散，论／轮接触表面的法向变形满足Hertz接触条件。     

轮对内侧距对机车车辆动力学性能影响的试验研究

在分析国内外轮对内侧距方面已有研究结果的基础上,在不改变车轮踏面形状、轨距和钢轨轨头形状的情况下,进行单纯改变车辆轮对内侧距的滚动台试验研究,分析等效锥度对轮轨接触几何关系的影响,得出以下结论。①在保持轮轨接触几何关系相同的情况下,增加轮对内侧距有利于改善轮轨关系和机车车辆动力学性能。②在车轮踏面形状、轨距、钢轨轨头形状等保持不变的情况下,单纯改变轮对内侧距,必然会导致轮轨接触关系的变化,从而影响机车车辆的动力学性能;对于我国目前采用的车轮踏面形状、轨距、钢轨轨头形状而言,轮对内侧距从1 353 mm变化到1 360 mm,将导致轮轨接触等效锥度的增加,从而降低车辆的运动稳定性临界速度。③轮对内侧距的选取与车轮踏面形状的选择密切相关,在改变轮对内侧距以后,必须根据轮轨接触几何关系的变化重新对其进行综合优化,确定合适的车轮轮缘踏面外形。     

轮对间隙对可变轨距机车动力学性能的影响研究

基于动力学仿真分析，建立了一种适用于1 435/1 520 mm轨距转换的25 t轴重变轨距转向架机车的动力学模型；重点计算了轮对周向间隙和轴向间隙（统称为轮对间隙）对轮轨相互作用的影响，分析了轮对间隙增大对机车运行性能影响，结合相关动力学指标对各项动力学性能进行评定。分析结果表明：变轨距机车考虑轮对间隙后，机车在相同运行条件下的轮轨垂向力、轮轴横向力、轮对垂向加速度和轮对横向加速度峰值略有增大，但增幅在可接受范围内；考虑轮对间隙由设计值增大到磨耗限值时，变轨距机车运行稳定性和平稳性指标略有变差，但各项指标值均在标准规定的限值范围内，表明25 t轴重变轨距机车的轮对间隙设计限值合理可行。     

基于相机垂直拍摄的机车轮轨相对横移检测系统

为了检测机车动力学性能参数及监测机车运行状态,当前通常采用了基于传感器的接触式测量方法,因而存在动态测量困难、零漂大和抗干扰能力差等缺点。轮轨接触点位置变化能直观的反映出机车运行状态,所以设计了一套基于相机垂直拍摄的机车轮轨相对横移检测系统。该系统将相机垂直安装在转向架上,利用相机相对于转向架保持相对静止的特点,通过轨道在图像中的坐标变化来测量轮轨的相对横向位移,并分别在无砟和有砟轨道两种不同条件下实现了机车轮轨相对横移检测、数据显示和存储。实验结果表明,该系统不仅能显示轮轨相对横向位移,而且对检测环境有较强的适应性,这对进一步探索和评价机车运行安全性机理有重要意义。     

对米轨机车轮缘厚度测量基准问题的商榷

对以轮对踏面滚动圆作为轮缘测量基准和以轮缘顶点作为轮缘测量基准两种情形下运用机车的轮缘厚度进行了分析比较，指出了以轮对踏面滚动圆作为轮缘测量基准是更加科学、经济、合理的测量方法，有利于延长米轨机车轮缘的旋轮周期，降低运营成本的支出。最后对米轨东方红21型机车轮缘测量基准提出了修改建议。     

城市轨道交通列车轮对磨耗模型研究

为实时掌握城市轨道交通列车轮对在列车运行过程中的磨耗情况,结合某地铁线网下实际轮/轨参数,建立机车及轨道多体动力学模型,以仿真实际的轮轨接触作用。将动力学模型输出的轮轨接触变量与接触斑分析算法相结合,实现接触斑内滑动矢量的计算及黏滑区的界定。利用Archard磨耗模型分析接触斑滑动区,以获得接触斑内垂直磨耗情况。最后以接触变量分析-磨耗计算-型面更新为主体结构,采用多次循环的轮对磨耗仿真流程模拟轮对的磨耗过程,完成轮对磨耗模型的建立。将模型输出的轮对型面与实测型面进行对比,验证了模型的准确性。     

局部平顶型不平顺激扰下的轮轨动力分析

通过MATLAB软件模拟平顶型不平顺,作为机车模型的外部激扰输入,根据机车动力学理论,以机车轮轨动力指标为依据,运用SIMPACK多体动力学仿真软件,分析了小跨度桥的局部平顶型不平顺的幅值A、与不平顺波长相关的系数K和平顶长度L对轮轨系统动力性能的影响,给出了80~160 km/h速度下,轮轨垂向力、轮重减载率等重要指标,确定出危险速度。仿真结果表明,平顶型不平顺的幅值A和不平顺的系数K的增大,对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值都有不同程度的影响;但平顶长度L对机车的轮轨垂向力最大值和轮重减载率最大值几乎没有影响。     

新型轮轨关系试验台研究

提出一种新型基于轮轨接触的轮轨作用试验台的技术方案,解决以往采用轮—轮接触试验台模拟轮轨接触关系的不准确性。对试验台关键的轨道驱动方式进行了分析,采用行星齿环滑块往复运动机构作为其传动机构。建立了运动机构的数学模型,并采用ADAMS软件完成机构的仿真分析。新型轮轨作用关系试验台可真实反映轮轨之间的接触作用,对轮轨关系的研究提供试验技术手段。     

不均衡闸瓦压力下重载机车曲线通过动态行为

以我国HXD型六轴重载机车为研究对象,基于UM仿真软件,建立了综合考虑多种非线性力学关系的重载机车多体动力学模型。考虑不同轮对左、右侧闸瓦制动的正常和失效工况,将制动动作简化为单纯的闸瓦压力作用过程,分析了轮对两侧的不均衡闸瓦压力对重载机车曲线通过动态行为的影响规律。研究结果表明,曲线通过时,一位外轮轮轨动态相互作用最为剧烈,且不均衡闸瓦压力对各轮对的影响效果不同,较之于其他车轮,对端部轮对轮轨动态行为的改变最为明显,受此影响,其轮对摇头角和轮轨磨耗功率可增大约13%和11%,而轮轨横向力、垂向力及脱轨系数等相差较小。在日常检修维护中应尽量避免不均衡闸瓦压力的出现,有利于进一步提高机车制动安全性。     

有轨电车轮轨型面匹配问题的研究

利用轮轨型面测量仪测量大量即将磨耗到限的车轮踏面和钢轨轨头型面(简称旧轮和旧轨型面),从中选取具有一般性的型面建立三维有限元模型,分别研究了新旧车轮与新旧钢轨配合接触问题。通过几种轮轨接触模型的计算,总结了不同模型的接触斑面积、形状、位置,以及接触力分布和等效应力的变化规律,并分析了旧轮和旧轨被挤压出飞边的原因。结果表明:新轮-旧轨接触模型的接触斑面积较小,等效应力较大,接触位置在轨顶的两侧,说明磨耗到限旧轮踏面被镟修成标准轮踏面形状的不合理性。旧轮-旧轨配合,与其他模型相比接触斑面积最大,轮轨匹配相对较好,因此,适应旧轨轨头型面的车轮踏面形状设计对于减缓轮轨磨耗具有重要的意义。     

机车牵引状态下曲线通过导向特性研究

考虑车轮与钢轨的运动特性及轮周牵引力,推导出机车在牵引状态下通过曲线时的轮轨蠕滑率计算公式,并对曲线通过时的轮轨横向动态相互作用特性进行仿真计算与分析;同时研究牵引力大小对转向架导向性能的影响,对比分析了机车牵引与惰行状态下的导向性能。理论仿真分析结果表明:牵引力可以改变轮轨纵向蠕滑力的大小和方向,与惰行工况相比,牵引状态下的轮对导向力矩有所减小,轮对的自导向能力减弱,不利于曲线通过;提高牵引力,总轮轨蠕滑率将很快达到饱和状态,牵引力越大,轮轨纵向蠕滑力越大,两侧纵向蠕滑力差值越小,机车轮对自导向能力越差,轮对冲角增大,而轮轨横向蠕滑力越小;当牵引力增加到一定程度时,总轮轨蠕滑率超过极限状态,曲线通过时两侧轮径差太小而出现打滑和空转的现象。     

高速轮轨接触几何关系的比较分析

高速轮轨接触几何关系研究涉及诸多因素。选择中国车轮踏面LMA与钢轨CHN60、日本新干线圆弧车轮踏面JP-ARC与钢轨JIS60和欧洲标准车轮踏面S1002与钢轨UIS60,比较这3种轮轨关系的几何参数差异,编制了轮轨接触几何的数值分析软件,计算不同轮对内侧距情况下的轮轨接触几何关系,比较在轮对内侧距为1353和1360mm情况下,轮对横移时的滚动圆接触半径差和接触角差的数值计算结果,探讨适应于我国高速车轮踏面形状和轮对内侧距,为高速轮轨关系的深入研究提供基础。     

基于投影轮廓的轮轨三维接触几何计算研究

为便于研究轮轨接触的几何关系,将轮轨的直线上接触、曲线上接触和轮轮接触3种典型轮轨三维接触几何计算归结为轮轨直线接触平行投影轮廓和轮轨曲线、轮轮接触旋转投影轮廓的二维接触问题.利用轮对的旋转体特性,分别推导出轮对在不同投影下其底部轮廓的计算公式,给出求解步骤以及适合轮轨三维接触计算的二维同步迭代流程.以S1002CN踏面轮对与60 kg·m-1钢轨的三维接触几何关系为例,仿真分析直线、300m半径曲线及轨道轮半径为900mm的滚动试验台的轮轨三维接触几何情况.结果表明:将轮轨接触点相对于轮对底部母线的偏转角作为计算参数,使得基于投影轮廓的轮轨三维接触几何计算方法简单、易用;直线及曲线线路上的轮轨三维接触几何关系相近,当轮对摇头角小于5～10 mrad时还可用轮轨二维几何关系近似;轮对大横移下的接触点偏转角,在一定的摇头角范围内可视为轮对摇头角的线性函数;二维同步迭代能有效实现复杂条件下的轮轨三维接触几何计算;小横移条件下,轮轮三维接触即具有明显的接触点偏转角,仿真时需要修正.