基于摩擦自激理论的单侧钢轨波磨机理分析

为了分析重载铁路曲线地段钢轨波磨的产生原因,基于摩擦自激振动理论建立小半径曲线轮轨三维接触精细化模型,讨论了不同扣件刚度、摩擦系数、超高对轮轨系统不稳定摩擦自激振动的影响,揭示了单侧钢轨波磨产生的内在原因,并通过轮轨瞬态动力学方法,分析了单侧钢轨波磨的传递及演化过程. 结果表明:超高和实际运行速度的不匹配是曲线内股钢轨首先产生波磨的主要原因;内股钢轨波磨产生后会导致轮轨系统不稳定,并将振动传递至外股钢轨,从而诱发小半径曲线地段两侧钢轨均产生波磨;适当地提高扣件垂横向刚度、控制轮轨摩擦系数在0.4以下,能够有效地降低轮轨系统发生不稳定振动的趋势,从而抑制波磨发展.       

轮轨波磨形成机理与再现试验

根据非线性振动理论和赫兹理论，分析了钢轨波磨与轮轨纵向自激振动幅值和接触椭圆纵向轴长的关系。分析表明，钢轨波磨产生的机理是轮对自激振动幅值大于接触椭圆纵向轴长；对于实际的轮轨系统，波磨产生的条件是轮对横移量大于临界值。据此，对波磨形成的过程进行了仿真计算并设计了再现试验。计算结果表明，在轮对横移量为8mm时，接触表面产生短波长（16—20mm）波磨。再现试验用机车轮对在滚动振动试验台上进行。当横移量为8和11mm时，均产生波磨。前者波长均匀，约20mm；后者波长不均匀，在18—27mm之间。横移量为6mm时无明显波磨。仿真计算和试验均支持关于波磨产生的机理和条件的结论。     

轮对结构和扣件刚度对钢轨波磨的影响

为研究地铁线路小半径曲线轨道上钢轨波磨的形成机理和影响因素,基于轮轨摩擦耦合自激振动导致钢轨波磨的观点,建立了小半径曲线轨道上由动车轮对-钢轨-轨枕组成的轮轨系统有限元模型.采用复特征值分析和瞬时动态分析研究了轮轨系统的稳定性和动态特性.计算结果表明:在饱和蠕滑力作用下,轮轨系统存在较强的摩擦自激振动趋势,即产生钢轨波磨的趋势;动车轮对上齿轮箱的安装位置对系统的自激振动影响较小;扣件横向刚度对自激振动的影响较小,垂向刚度对自激振动的影响较为明显;不稳定振动随扣件垂向刚度的增加呈现先增大后减小的趋势,当其垂向刚度约为20 MN/mm时,钢轨波磨最容易发生.     

基于轮轨垂向力的波磨状态估算方法

为了探明轮轨垂向力与波磨状态之间的映射关系并采用轮轨力检测数据定量评价波磨严重程度,以中国CRTSⅡ高铁线路与服役动车组典型参数构建三维轮轨动力学有限元模型;细化波磨区段钢轨表面不平顺特征,采用高速综合检测列车在高铁波磨区段上实测轮轨垂向力时频数据验证有限元模型输出结果的准确性;模拟了车辆运行速度为300 km·h^-1时波长在40～180 mm波磨激励下的轮轨垂向力,分析了其时频域分布特性;引入轨面不平顺变化率表征波磨沿钢轨纵向的变化特性,采用非线性最小二乘法与有理式方程拟合了不同波长条件下轮轨垂向力大值与轨面不平顺变化率之间的函数关系,分析了钢轨Pinned-Pinned固有共振频率及其半值振动模态对拟合参数曲线的影响,并推导了基于轮轨垂向力的波磨谷深估算方法;该谷深估算方法在某高铁线路波磨状态监测中初步试用,共发现32个波磨区段,并对比了波磨区段上实测谷深和估算谷深。分析结果表明：谷深估算值与实测值相关系数为0.97,两者具有较高的线性相关性;在谷深估算值大于0.08 mm时,估算值与实测值之间的均方根差约为0.01mm,基于谷深估算方法作出波磨打磨整治决策时...     

高速铁路制动区间钢轨摩擦自激振动研究

为了探究高速铁路制动区间的典型钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点展开了研究,通过武广高速铁路制动区段的现场调研,掌握该区段的波磨特征并采集相应的轨道不平顺;基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点分别建立制动区段高速列车的动/拖车轮对-轨道-制动系统的有限元模型,并利用复特征值法进行动/拖车轮轨系统的摩擦自激振动分析,比较动/拖车轮轨系统在制动和非制动工况下系统发生摩擦自激振动的可能性,以及在制动工况下动车轮轨和拖车轮轨系统的摩擦自激振动情况;使用控制变量法研究了制动系统摩擦系数和扣件垂向刚度对动/拖车轮轨系统摩擦自激振动的影响规律.研究结果表明：制动工况更容易引起系统的摩擦自激振动;拖车轮轨系统更容易引起系统摩擦自激振动;控制制动装置摩擦系数约为0.30,扣件垂向刚度约为50 MN/m时能一定程度降低轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性,进而抑制钢轨波磨的产生.     

钢轨波磨研究进展

为了解轨道车辆运营中普遍存在的钢轨波磨问题,分析了钢轨波磨的形成机理,阐述了钢轨波磨对车辆-轨道系统动力学性能的影响,综述了常见的钢轨波磨检测、监测与抑制方法,并展望了钢轨波磨的研究方向。研究结果表明:车辆-轨道系统耦合振动、轮轨反馈振动、轮轨自激振动和轮轨接触振动是形成钢轨波磨的主因,车辆-轨道结构、线路运营条件、轮轨材料、钢轨型面和车轮踏面轮廓等多方面因素相互耦合作用亦会引起钢轨波磨;重载、高速铁路和地铁钢轨波磨会影响车辆-轨道系统动力学性能和车辆与轨道零部件寿命,也会影响扣件、钢轨、轨枕、轨道板(道砟)和轴箱等零部件的振动特性,各零部件的阻尼、刚度等物理参数与运行条件不匹配时也会造成钢轨波磨,列车长时间运行在钢轨波磨路段时会导致车辆-轨道结构产生强烈共振,造成严重疲劳损伤,影响行车安全;检测与监测是研究和发现钢轨波磨的重要辅助手段,抑制钢轨波磨主要通过改善轮轨接触关系、钢轨打磨、提高钢轨表面材料硬度、添加相关摩擦调节剂和轮轨润滑剂、使用钢轨吸振器技术、优化轮轨系统结构以及调整列车运营规定等措施来实现;目前,钢轨打磨仍是消除和减轻钢轨波磨最直接、最有效和最经济的措施,应提升并改善钢轨打磨技术。      

高速、重载轮轨接触表面波浪形磨损及接触疲劳的研究

随着列车速度的提高，钢轨波磨现象和滚动接触疲劳破坏现象变得日趋严重，导致较高的铁路运输成本、恶劣的生活环境，而且影响铁路运输安全。在本项目的研究中，建立了较完整的钢轨波磨计算模型，模型中结合了车辆轨道系统动力学、轮轨材料摩擦磨损模型和三维非赫     

钢轨磨耗型波磨计算模型与数值方法

分析了国内外铁路钢轨波浪形磨损理论模型,提出了车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型,发展了相应的数值方法。模型中车辆结构和轨道下部结构被简化成等效的质量、弹簧和阻尼系统,钢轨用Euler梁代替,并考虑它的垂向、横向弯曲变形和扭转变形,利用修改的Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论和相应的数值方法计算轮轨蠕滑力和摩擦功,假设材料单位面积磨损量正比于轮轨接触面摩擦功密度。利用该模型和相应的数值方法分析了几个磨耗型波磨情况,结果表明该模型可以模拟轨道多种缺陷(轨缝、扁疤、凹坑、轨枕间距、随机不平顺等因素)引发的钢轨磨耗型初始波磨和发展规律,可以模拟由于钢轨在机械加工或打磨过程中形成的初始波磨的演化过程,可以通过改善轨道特性来消除或减少波磨的发生和发展。     

小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨成因研究

结合现场测试发现的小半径曲线科隆蛋扣件区段内轨的钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动理论研究了该波磨现象的成因。首先,结合现场调研建立了车辆-轨道系统的动力学模型,根据动力学模型建立了相应的转向架-轮对-钢轨系统有限元模型。然后采用复特征值分析研究了轮轨系统的摩擦自激振动特性。最后采用控制变量法研究了一系悬挂垂向刚度阻尼和科隆蛋扣件刚度阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。研究结果表明：导向轮对与钢轨间的饱和蠕滑力引起的轮轨系统的摩擦自激振动是诱导小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨的主要成因。转向架-轮对-钢轨系统中一系悬挂的垂向刚度和阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响较小,而科隆蛋扣件参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响较为明显。随扣件垂向刚度的增加,轮轨系统的摩擦自激振动呈现先减小后增大的趋势。扣件垂向刚度为20 MN/m时轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小,同时增大扣件的垂向阻尼可以一定程度抑制轮轨系统的摩擦自激振动。     

地铁钢轨波磨的基本特征、形成机理和治理措施综述

对世界各国地铁钢轨波磨的基本特征进行了系统梳理，总结了其普遍性与时间集中性，及其与曲线、轨道结构、车辆及其他因素相关性等典型特征，并对其分类方法、形成机理和治理措施进行了综合评述。研究结果表明:钢轨波磨普遍存在于地铁与有轨电车线路中，在新线开通初期与线路改造初期最为严重；一般而言，相对于直线和大半径曲线，小半径曲线的钢轨波磨最为普遍，低轨侧波磨波长短，幅值大，但也有例外，部分大半径曲线及直线上也有分布；波磨的波长特征和发展速度与轨道结构密切相关，轨道结构及部件不匹配时，易出现快速发展的波磨；车轮踏面廓形、轮对定位、悬挂刚度与簧下质量等车辆结构参数会对波磨萌生、发展与表现特征产生影响；波磨的产生还可能与钢轨材质、牵引和制动、运行环境、湿度及摩擦因数有关。地铁钢轨波磨的形成机理主要基于轮轨系统共振、轮轨黏滑(摩擦自激)振动、钢轨振动波反射等理论，对波磨形成过程的纵向动力学影响与系统非线性因素考虑不完善，关于黏滑自激振动与轮轨负摩擦特性对波磨影响的认识还不统一，难以解释直线以及曲线高低轨波磨特征的差异等，对波磨的形成和发展缺乏理论上的主动预测和试验验证；各国主要以钢轨打磨来控制波磨发展，通过调节轨道结构、运行环境，采用钢轨吸振器和轮轨摩擦调节装置，以及优化车辆设计等主动措施来控制波磨的研究仍需进一步开展；未来应针对车辆-轨道系统的动态特性以及实际运行工况下的轮轨微观接触行为和黏滑自激振动特性，开展车辆-轨道系统的轮轨动态磨耗演化仿真，掌握地铁钢轨波磨形成机理和关键因素影响规律，提出控制地铁钢轨波磨的主动措施和轮轨匹配优化设计原则。      

土石复合介质动力特性试验

基于室内不排水动三轴试验,研究了土石比、围压和地震烈度对土石复合介质的动力特性的影响;针对动强度的变化规律,分析了动强度参数动黏聚力和动内摩擦角的变化规律。研究表明:在相同压实度条件下,土石复合介质的动强度随土石比的减小而增大,随地震烈度的提高明显减小;对某一含石量,动黏聚力随烈度的增大逐渐减小,并且随土石比减小减小得更快,而动内摩擦角随烈度的增大而减小;在烈度相同,即相同振次条件下,动黏聚力随土石比减小而增大,动内摩擦角也随土石比减小而增大。最后,给出了动黏聚力和动内摩擦角随土石比和烈度变化的经验模型。     

熔融石英砂动力特性动三轴试验

为探究振动荷载作用下熔融石英砂液化破坏过程中动变形和动强度变化规律, 促进透明土技术在岩土工程动力特性可视化模型试验中的推广和应用, 对构成透明砂土骨架结构的典型粒径(0.5~1.0 mm)熔融石英砂开展饱和试样动三轴试验; 研究了不同围压、加载频率和动应力比等试验条件下熔融石英砂试样的累积轴向应变、动孔压发展模式、动应力衰减、动弹性模量和阻尼比的变化规律, 并将试验结果与相同级配的标准砂进行了对比。分析结果表明: 熔融石英砂累积轴向应变随动应力比的增大呈现出由稳定型向破坏型转变的趋势, 加载频率为0.5~1.5 Hz时, 临界动应力比为0.150~0.175, 小于标准砂的0.200~0.225;升高围压、增大动应力比、降低加载频率会加快试样塑性应变累积, 缩短液化破坏时间; 熔融石英砂孔压发展模式随围压增大逐渐由Seed孔压模型向指数型过渡, 增大加载动应力会加剧液化破坏后孔压的振动幅度; 相同动应力比下, 熔融石英砂与标准砂的动应力与动应变呈现线性相关, 在围压大于200 kPa时, 二者动应力衰减幅度随围压的增大而逐渐减小; 熔融石英砂的动弹性模量和阻尼比表现为线性关系, 动弹性模量随动应变的增大呈现出双曲线型减小的趋势, 并随围压的增大而增大; 阻尼比随动应变的增加先增大后基本稳定在0.22, 发展曲线受围压影响较小。      

路面随机不平度下车辆对路面的动载特性

采用快速傅立叶逆变换法对路面随机不平度进行时域模拟,建立二分之一车辆动力学模型,应用龙格-库塔法分析了路面等级、车速、载质量和车辆参数对路面动载荷的影响,研究了车辆产生的动载荷规律。仿真结果表明:车辆动载随着路面不平度的增大而明显增大;车辆动载和动载系数随着车速的提高而增大,且在固有频率附近会出现峰值;载质量的增加虽导致动载系数降低,但动载增大,故应严格限制超载现象;增大轮胎刚度和减小悬架阻尼都会引起车辆动载与动载系数的增大,因此,应限制高压轮胎的使用和选择合理的车辆阻尼参数。     

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提出了以随机A*算法为基础，运用遗传算法来求解不满足先进先出原则的动态网络中最短路径问题的思路，其中通过运用提出的随机Dijkstra算法解决了将遗传算法应用于最短路径问题中的最大障碍－初始种群的产生。最后，以广州市电子地图为基础，对提出的算法进行了验证，试验结果表明遗传算法适合求解非常态且不满足先进先出原则的动态网络中的路径诱导问题。     

一种FRP轻便桥的冲击系数研究

分析了影响桥梁冲击系数的相关因素,对一种FRP轻便桥在车辆以不同速度通行时的动态响应进行了动载试验和动力分析。结合FRP轻便桥的动态试验结果和动力分析结果,给出了不同速度下FRP轻便桥的冲击系数参考值。对FRP桥梁的设计有一定参考意义。     

重载铁路水泥改良膨胀土工程特性与路用性能

为了探究重载铁路水泥改良膨胀土路基填料的工程特性及路用性能，采用室内动三轴试验、微观结构试验、路基原位动力试验相结合的方法，揭示了膨胀土掺入水泥3%～5%改良前后静态指标与动态指标的变化特征，分析了水泥掺量5%和3%改良膨胀土分别用作重载铁路基床底层及以下路堤填料建设期的工作性能，评估了服役期列车动载作用下路基的动力稳定性. 研究结果表明:膨胀土掺入3%～5%水泥改良后，强度提高同时胀缩性显著降低，水稳定性提高3～4倍；相比重塑素膨胀土，水泥掺量3%～5%改良膨胀土临界动应力提高5～6倍；检测路基压密程度与强度指标满足规范且有较大富裕，监测路基中线地基沉降在铺轨前处于稳定状态；原位动力测试表明列车动载作用下路基的动应力沿深度逐渐衰减，在基床表层与基床底层范围内最大衰减量分别可达40%和80%以上，动应力影响深度是基床设计厚度的1.4～1.8倍，动应力影响深度范围内路基的动应力值远小于同位置填料的临界动应力，运营期路基动力稳定性满足安全服役要求. 研究成果能够为重载铁路水泥改良膨胀土路基精细化建设养修提供理论参考.      

循环荷载下压实粉土的动态特性

为了研究交通循环荷载下黄河冲积粉土的动态特性,基于室内应力控制式动三轴试验,并考虑动应力、含水率两个因素的变化,研究了压实粉土的累积塑性变形、回弹模量及临界动应力的变化规律.试验结果表明:循环荷载下压实粉土的累积变形与动应力、含水率的高低均有关,动应力越大,累积变形随含水率增加而增长较快;压实粉土的回弹模量随动应力增加而缓慢降低,随含水率增加线性减小;压实粉土的临界动应力随含水率增加线性降低.     

边坡地震稳定性完全动力分析法

拟静力法和动力有限元安全系数时程分析法在评价地震动作用下边坡的稳定性时具有一定的局限性,拟静力法在分析边坡地震稳定性时无法反映边坡的动力特性,动力有限元安全系数时程分析法将动力问题转化成静力问题,只是在一定程度上考虑了边坡的动力响应.与拟静力法和动力有限元时程分析法相比,完全动力分析法在应用强度折减法的基础上考虑了边坡...     

行车荷载作用下路面结构动位移响应分析

为研究行车荷载作用下路面结构动位移响应规律，基于弹性层状体系理论建立路面结构有限元模型，将车辆随机动荷载作用在有限元模型上，通过改变路面结构层厚度与模量，研究了路面结构测试区竖向动位移变化规律，建立了测试区动位移峰值与路面结构层参数的数学模型，进一步揭示了路面结构动态响应问题. 计算结果表明:路面结构测试区动位移峰值随土基模量的增大而减少；土基模量对测试区动位移峰值影响最为敏感，两者的数学模型近似呈对数关系，测试区动位移峰与面层厚度和基层厚度近似呈线性关系，与底基层厚度近似呈对数关系；不同的面层模量、基层模量和底基层模量对应的测试区动位移曲线几乎重合，因此不是影响测试区动位移的主要影响因素. 研究结果为路面承载力检测提供了依据.      

基于MATLAB/Simulink的轮胎对路面的动态作用力分析

建立了轮胎与路面的耦合动力模型,利用MATLAB/Simulink对路面不平整度进行仿真,并以此路面不平度作为动力分析的输入激励,并对轮胎对路面的动态作用力进行建模仿真.仿真结果表明:路面不平度是符合期望为零的各态历经的平稳Gauss随机过程,无法用一个确定的函数式来表达;轮胎对路面的作用力是不断变化的随机动态作用力.动态作用力的均值也要明显大于静态作用力的恒定值,路面动态作用力的峰值也明显大于静态恒载.同时,随着路面等级的下降,轮胎路面的动态作用力表现的更明显,波动的频率和幅值都不断增加.