基于Hilbert-Huang变换的车轮扁疤识别方法(英文)

建立了56自由度车辆动力学模型和车轮扁疤模型,计算了车辆的动态响应,采用HHT时频分析方法研究了扁疤冲击引起的轴箱振动的HHT谱特征,对比了车轮扁疤和车轮不圆的HHT谱特征之间的差异,并分析了车辆运行速度和轨道激励对扁疤冲击振动的HHT谱的影响。分析结果表明:健康车轮轴箱加速度的HHT谱呈现均匀分布,带有扁疤车轮的轴箱加速度的HHT谱呈现纵向条带分布,条带间隔与车速成反比,车轮不圆的轴箱加速度呈现横向条带分布,故根据轴箱加速度的HHT谱特征可以识别扁疤车轮。在京津线、国内既有线和美国三级谱上,最低可辨识频率分别为30、50、80Hz。车辆运行速度在150km.h-1以下时辨识频段取为40～100Hz,车辆运行速度在150km.h-1以上时辨识频段应加宽至200Hz。     

高速列车轮轨参数对车轮踏面磨耗的影响

建立了高速列车多体动力学仿真模型和车轮踏面磨耗计算模型, 通过动力学模拟计算了轮轨接触关系和接触力, 用FASTSIM重新计算轮轨接触斑内的滑动速度、轮轨切向力和摩擦功率的分布, 采用基于摩擦功的轮轨磨耗模型计算了车轮滚过一圈时踏面上一个接触斑的磨耗质量, 再通过累积得到运行一定距离后的踏面磨耗深度。采用数值仿真方法研究了不同车轮踏面外形、轮对内侧距、轨底坡和车速对踏面磨耗深度和磨耗分布的影响。计算结果表明: LMA和S1002踏面的磨耗分布比较均匀, LM踏面的磨耗深度最大, LM和XP55踏面的磨耗区域更靠近轮缘; 在LMA踏面标准轮轨匹配参数下, 轮对内侧距增加会增加磨耗, 磨耗深度随着轨底坡减小而增大; 高速列车车轮踏面磨耗与等效锥度密切相关, 较小的等效锥度会减小磨耗, 但等效锥度的选择需要兼顾动力学性能的其他方面。     

Parametric analysis of wheel wear in high-speed vehicles

In order to reduce the wheel profile wear of highspeed trains and extend the service life of wheels, a dynamic model for a high-speed vehicle was set up, in which the wheelset was regarded as flexible body, and the actual measured track irregularities and line conditions were considered. The wear depth of the wheel profile was calculated by the well-known Archard wear law. Through this model, the influence of the wheel profile, primary suspension stiffness, track gage, and rail cant on the wear of wheel profile were studied through multiple iterafive calculations. Numerical simulation results show that the type XP55 wheel profile has the smallest cumulative wear depth, and the type LM wheel profile has the largest wear depth. To reduce the wear of the wheel profile, the equivalent conicity of the wheel should not be too large or too small. On the other hand, a small primary vertical stiffness, a track gage around 1,435-1,438 mm, and a rail cant around 1：35-1：40 are beneficial for dynamic performance improvement and wheel wear alleviation.     

重载货车车轮磨耗仿真

以装用转K6型转向架的C80型货车为例,在SIMPACK软件中建立车辆动力学模型,采用LM型车轮型面和75 kg.m-1级钢轨型面匹配,并根据大秦线实际情况建立线路模型。基于FASTSIM算法和Zobory踏面磨耗模型,对重载货车车轮磨耗进行仿真分析,并与现场实测结果进行对比。研究结果表明:磨耗主要发生在踏面上-50~45 mm范围内,轮缘处磨耗最大,在轮缘根部磨耗最小;随着运营里程的增加,轮缘和滚动圆处的磨耗速度变慢;踏面垂直磨耗量的仿真结果小于现场实测结果;车轮磨耗后,车辆临界速度下降,空车临界速度下降13~18 km.h-1,重车临界速度下降2~8 km.h-1。     

交通事件小波分解与支持向量机声频识别方法

分析了现有交通事件自动检测和识别方法, 提出了应用小波分解与支持向量机相结合的交通事件声频识别方法。将车辆行驶的声音信号进行小波分解, 以不同频段的重构信号能量作为特征向量, 对由多个支持向量机构成的交通事件分类器进行训练, 并对正常行驶、刹车和碰撞事件的声音信号进行识别。试验结果表明: 利用车辆声音信号能够正确识别不同的交通事件, 识别准确率达95%, 识别方法可行。     

重载货车车轮磨耗与动力学性能演变

基于多体动力学软件SIMPACK建立了考虑车轮磨耗过程的车辆动力学模型, 编制了自动实现轮轨迭代计算程序, 并将车辆动力学模型、轮轨接触模型、轮轨磨耗模型、轮轨外形更新及运行工况统一组织在动力学软件中。采用内嵌SIMPACK软件的子程序进行动力学计算和磨耗过程的工况和数据组织, 采用FASTSim算法进行车辆动力学计算, 采用Contact算法进行磨耗计算, 并构成在线自动磨耗计算循环, 无需外部程序的协同仿真和数据交互。基于C80B型敞车在大秦线的运行环境, 研究了车轮磨耗和车辆动力学性能在车辆运用过程中的演变。研究结果表明: 车轮踏面磨耗深度和车轮全断面磨耗面积均与运行里程呈近似线性关系, 每1.0×10~5 km的车轮磨耗深度和磨耗面积分别约为1.68mm和100.63mm2;随着车辆运行里程的增加, 车轮磨耗与车辆动力学性能也随之恶化, 车辆运行2.5×10~5 km后, 车辆横向运行平稳性从新车工况下的优级下降为良级, 脱轨系数、轮重减载率与曲线通过轮轴横向力等车辆运行安全性指标均较新车状态增大50%以上。     

轴箱定位偏差对机车轮缘偏磨的影响

建立了2C0轴式机车动力学模型,分析了轮对轴箱定位偏差,仿真了各轮对轴箱定位偏差对同一转向架各轮对横向位移与偏转方向的影响.仿真结果表明:第1轮对轴箱定位偏差对第1轮对横移量有较大的影响,中间轮对与第3轮对轴箱定位偏差对中间轮对横移量有较大的影响,2.4 mm的轴箱定位偏差最大可引起6.0 mm的轮对横移量.当任意2个轮对同时存在定位偏差时,相比同相位偏差,反相定位偏差影响更大,更容易产生轮缘偏磨现象,1.6 mm的组合偏差可导致最大6.5 mm的轮对横移量.通过控制轴箱定位偏差的大小,可以有效改善轮缘偏磨现象.     

改善轮轨接触状态的车轮型面几何设计方法

改进了车轮型面设计方法, 给出了设计方法的解析数学表达式, 将轮对等效锥度与轮轨型面接触状态联系起来, 对设计实例进行了轮轨几何接触、非赫兹滚动接触和车辆动力学性能分析。研究结果表明: 轮轨接触点能够均匀分散分布; 由于接触斑面积增大约23%, 最大接触压力降低约21%, 使轮轨滚动接触应力降低了约20%;装备实例型面的车辆临界速度与LMA型面几乎相同, 由于轮对等效锥度略有提高使其曲线通过性能略好于后者。可见, 该方法可以改善轮轨接触状态, 有利于轮轨型面均匀磨耗及缓解轮轨滚动接触疲劳。     

曲线工况下跨座式单轨走行轮侧偏刚度对轮胎磨损的影响

基于车辆轮胎磨损理论, 研究了走行轮侧偏刚度对走行轮侧偏力和导向轮、稳定轮径向力的影响, 分析了单轨车辆曲线运行时, 走行轮摩擦功随轮胎侧偏刚度的变化趋势。分析结果表明: 受导向轮、稳定轮径向力影响, 随着走行轮侧偏刚度增加, 走行轮侧偏力逐渐增大; 当走行轮侧偏刚度处于1¹20kN·rad^-1范围时, 走行轮侧偏力与侧偏角处于线性范围, 侧偏角呈现微量变化; 当侧偏刚度超过120kN·rad^-1时, 侧偏角迅速增大, 进入非线性区域。基于轮胎磨损指标, 随着走行轮侧偏刚度增加, 走行轮磨损量以1.2%的速率增加。走行轮侧偏刚度还将影响车辆曲线通过性, 过小的侧偏刚度不利于形成摇头力矩, 通过性能变差。在保证车辆良好通过性前提下, 尽量减小走行轮磨损, 其侧偏刚度设计值推荐为9.37kN·rad^-1。     

小波包-神经网络在摆式列车倾摆控制系统故障诊断中的应用

针对摆式列车倾摆控制系统故障的特点, 研究了神经网络结合小波包分析进行故障诊断的方法, 采用小波包分解和信号重构的方法, 将在摆式列车试验台上采集到的振动信号分解到不同的频带以提取有关的故障信息, 并将振动信号各频带内的能量特征作为训练样本输入前向神经网络, 用优于改进梯度下降法的Levenberg- Marquardt优化方法对网络进行训练, 对倾摆控制系统的常见故障进行识别和诊断。实践表明, 该方法对摆式列车倾摆系统故障的诊断是可靠的。     

小波包和频响函数随机-模糊统计的斜拉桥损伤识别

针对单点损伤识别方法的缺点, 提出了基于频响函数和小波包能量谱的斜拉桥多点损伤识别指标。对结构损伤前后的频响函数值进行了随机-模糊均值处理, 将处理的频响函数作为基进行小波包能量谱分析, 提取能量累积变异值进行损伤识别, 并进行了独塔斜拉桥模型的试验研究和连续梁与简支梁的数值仿真。分析结果表明: 桥梁上有1处和2处损伤时都可被识别和定位; 损伤指标随着损伤程度的增加而变化, 损伤初期呈线性变化, 损伤程度在40%~50%时, 指标变化趋缓, 损伤超过50%后, 指标值又会急剧变化; 采用锤击激励比环境激励的损伤识别结果更好, 锤击激励力大小对损伤识别效果无影响。     

过度磨耗钢轨的打磨廓形设计方法

针对过度磨耗钢轨的打磨,提出一种以圆弧切点为关键参数的钢轨廓形设计方法;以轮轨接触位置为优化区域,以钢轨磨耗和打磨材料去除量作为优化目标函数,以廓形边界范围、凹凸性、脱轨系数和轮轨横向力为约束条件,建立磨耗钢轨打磨设计廓形多目标函数;集成多元模拟退火寻优算法进行求解;为了得到能代表重载线路曲线区段的钢轨廓形,作为优化的输入数据,采用最小二乘距离算法、算术平均算法、加权平均算法和散点重构算法得出4种钢轨代表廓形;使用Pearson相关系数、Kendall秩相关系数和Spearman秩相关系数计算出4种算法的钢轨代表廓形与实测廓形接触点概率分布曲线的相关性,取相关性最高的代表廓形为等效重载线路曲线区段的实际廓形;对某重载线路过度磨耗钢轨的经济性打磨廓形以及采用圆弧型廓形设计方法的优化廓形进行分析。分析结果表明：优化廓形与现场打磨廓形相较,截面廓形磨削量减少69.56 mm²,下降64.98%,脱轨系数小幅增大,轮轨横向力基本不变,轮对横移变化较小,曲线通过性能相近,80万次通过量下的磨耗面积增加2.19 mm²,钢轨的磨耗速率略微增大,整体仍延长了钢轨寿命。     

Alterable-element method for vehicle-bridge interaction considering the transient jump of wheel

The so called "alterable-element method" (AEM) was introduced to deal with the coupling interac-tion of vehicle and sub-structure considering the actual transient jump of wheel, while the classical "contact allalong" assumption based on which wheels and lower structure are always contact was abandoned. The alterableelement used in this method is a conceptional element, which is used to calculate the coupling interaction ofupper and lower structures and has some typical characteristics: firstly it flows along with the moving of contactpoint; secondly whether it is used for calculation depends on the contact state; thirdly its sizes could changeaccording to specific problems and so on. VISUAL FORTRAN program was coded, and different moving vehiclemodels were presented taking into consideration the effects of random corrugation in the numerical study. Thenumerical solutions are favored comparing with the results obtained by alternative methods when there is nojump phenomenon existed. With abrupt irregularity, the transient jump of wheel was studied using the presentmethod.     

小半径曲线钢轨非对称打磨廓形设计方法

为设计可提升列车小半径曲线通过性能的钢轨非对称打磨目标廓形,对中国现有CN60钢轨廓形进行了几何推导;以钢轨廓形几何参数作为设计变量,以车辆系统多体动力学指标作为综合目标函数,考虑钢轨打磨约束条件,提出了一种针对小半径曲线钢轨非对称打磨廓形的多目标数值优化模型;基于差分进化算法编写了相应的数值计算程序,并选择合理的计算参数求解了优化模型;根据实际线路参数分析了优化后钢轨打磨廓形的轮轨接触几何特性,并验证了列车的小半径曲线动力学性能。研究结果表明：提出的优化方法具有较快的计算速度,优化模型仅迭代了97次即可获得理想的钢轨打磨廓形;非对称打磨使内外钢轨具有差异性的打磨位置与打磨深度,将轮轨对中位置向轨道内侧移动了约10 mm,且不会改变轮缘处的轮轨匹配特性,有效增大了轮对横移10 mm范围内的轮对滚动圆半径差与轮轨接触角差,降低了列车在通过小半径曲线时的轮对横移、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率,提高了转向架的横向稳定性和轮轨磨耗性能;虽然该打磨方式获得的钢轨廓形增大了轮轨接触应力,但并不会引起轮轨塑性变形。由此可见,该设计方法为提高列车的中小半径曲线通过能力提供了一种可行途径。     

高速铁路辙叉区钢轨打磨廓形设计方法

以心轨顶宽20、35、50 mm处的辙叉区钢轨关键截面作为研究对象,基于NURBS曲线理论建立辙叉区钢轨廓形重构方法;以关键截面钢轨廓形上若干型值点为设计变量,以打磨材料去除量的减少和脱轨系数的降低为目标,以钢轨廓形几何特征和降低钢轨滚动接触疲劳为约束条件,设计出18号道岔辙叉区钢轨经济性打磨廓形;建立了轮轨接触有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型,进行了轮轨接触应力与动力学指标计算。分析结果表明：优化的打磨廓形接触点分布均匀,具有良好的轮轨接触几何特性;钢轨打磨材料去除量在2号截面处降低了17.2%;各截面Mises应力分别降低了8.7%、8.3%和11.5%,轮轨接触应力降幅分别为12.9%、15.8%和18.0%;列车逆侧向过岔时,轮轨横向力与车体横向振动加速度分别降低了10.3%和15.6%,脱轨系数与轮重减载率分别降低了8.1%和10.6%,疲劳因子降低了12.2%。可见,优化廓形在保证列车运行安全性的同时,提升了列车运行的平稳性以及辙叉区钢轨的使用寿命。     

车辆动力学仿真中评判脱轨的直接方法

根据轮轨空间动态耦合关系, 提出了一种根据轮轨接触点位置进行脱轨评定的直接方法, 可用于对机车车辆动力学安全性分析评价。阐述了通过轮轨接触点进行脱轨评判的原理和采用此方法的优点。作为例子, 运用货车-轨道空间耦合模型, 对C62A货车曲线通过进行了脱轨仿真计算。仿真结果表明, 在仿真计算时采用此方法非常行之有效, 评判直观、可靠。     

城市轨道车轮结构振动-声辐射一体化优化方法

为了降低城市轨道车辆的车轮结构噪声,以服役的双S型辐板车轮为研究对象,建立了考虑振动与声辐射融合的城市轨道车轮结构噪声优化模型,获得了一种自上而下呈不等厚特征辐板的新型降噪车轮廓形,提出了以轨道车轮辐板区域为设计域的车轮结构振动-声辐射一体化优化方法;将整个辐板区域确定为设计域,分别设定编码规则、选择规则、交叉规则和变异规则,使振动-声辐射优化目标函数逐渐收敛,从而进化为较优的降噪车轮廓形,实现轨道车轮振动-声辐射结构优化设计;利用成熟有限元工具获得优化车轮的静强度、疲劳强度和振动声辐射性能,进一步验证双S型辐板车轮新型结构噪声优化结果的有效性和可靠性。研究结果表明：车轮结构振动-声辐射一体化优化方法适用于降噪车轮的结构廓形优化,优化后车轮峰值声功率级较原双S型辐板车轮降低了4.26 dB(A),在0~5 000 Hz频段范围内声功率级峰值处降噪效果明显;从辐板结构特征上看,双S型辐板车轮的辐板由优化前的基本等厚辐板进化为不等厚辐板,车轮辐板的不等厚特征有利于降低车轮的声辐射水平,从车轮的经济和降噪性能兼顾的角度,建议采用不等厚辐板车轮廓形作为轨道车轮降噪模型。     

基于磨痕检测的润滑油抗磨性能测定方法

为了测定润滑油的抗磨性能, 基于梯度信息提出了一种钢球磨痕直径测定方法。利用钢球磨痕区域具有丰富、同方向磨痕的特点, 采用四方向梯度模板提取磨痕纹理梯度图像。对磨痕纹理梯度图像进行二值化、闭运算、去零星和填补空洞等处理, 自动分割出钢球的磨痕区域。通过计算钢球磨痕区域的面积, 求取磨痕的等效直径, 根据测定的磨痕直径快速测量润滑油的抗磨性能。对磨痕检测结果进行了定性和定量试验, 并对本文方法和显微镜测定方法进行对比。试验结果表明: 利用本文方法提取的磨痕区域完整, 边缘清晰, 显微镜测定方法的平均测量误差为4.015%, 本文方法的平均测量误差为0.073%, 测量精度高。     

高速轮轨水介质接触数值分析方法

将多重网格法引入水介质存在时高速轮轨黏着问题的数值求解中, 研究了轮轨间存在水介质和不考虑轮轨表面粗糙度时, 速度与载荷对水膜厚度的影响。数值分析结果表明: 水膜厚度与轮轨表面粗糙度处于同一等级, 粗糙度的影响不可忽略。基于数值分析结果, 应用部分膜润滑理论研究了考虑表面粗糙度与轮轨间存在水介质时的接触机理, 分析了轮轨黏着系数随速度变化的情况。计算结果表明: 随着速度的提高, 黏着系数急剧降低, 其数值低于0.1。JD-1试验速度在60、90、120km·h^-1时, 黏着系数的试验结果与数值结果吻合较好, 最大相对误差不超过8%, 因此, 利用数值方法可较好地预估黏着系数。     

考虑UIC强度准则的轨道车轮辐板渐进结构拓扑优化方法

为了提高轨道车轮的结构性能, 利用渐进结构拓扑优化方法(ESO)建立了轨道车轮的结构优化模型; 以双S型轨道车轮为设计蓝本, 分析了轨道车轮的辐板设计域, 提出了轨道车轮在多工况作用下的渐进结构拓扑优化方法; 介绍了利用渐进结构拓扑优化方法实现结构应力均匀化的优化思路; 根据《整体车轮技术检验》(UIC 510-5:2003)标准, 分别考虑了轨道车轮在直线工况、曲线工况和道岔通过工况, 不仅获得这3种典型工况共同作用下的拓扑优化结构, 而且还获得了3种典型工况依次作用下的6种拓扑结构; 对比了优化前后车轮辐板的应力, 并利用有限元工具验证了优化后车轮的辐板应力特性, 证明渐进结构拓扑优化方法的正确性和有效性。研究结果表明: 利用渐进结构拓扑优化方法对轨道车轮的拓扑优化是适用的; 在车轮质量不增加的前提下, 优化后车轮辐板的厚度增加且不等厚, 有效地减小应力集中, 降低结构应力; 对比原双S型车轮, 优化后6种车轮模型的结构性能均有所提升, 分别提高了16.6%、20.7%、22.5%、21.3%、20.1%和19.5%, 其中, 方案3的优化车轮在3种工况下辐板处的最大结构应力分别降低了4.0%、14.5%和6.7%。研究有助于轨道车轮结构强度的提高, 并对多工况耦合作用下轨道车轮结构优化具有重要的参考价值。