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。     

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。     

考虑打磨量的重载钢轨打磨廓形优化设计

为在重载钢轨打磨廓形优化设计中最小化钢轨打磨量,建立了打磨量的钢轨廓形对齐及计算方法,设计以轮轨磨耗指数、轮轨接触应力以及钢轨打磨量为优化子目标的综合优化评价模型,并对不同优化策略的优化结果进行了分析. 首先,通过矩阵旋转变换、曲线拟合及样条插值等理论建立钢轨廓形自动对齐算法,并计算目标廓形打磨量;其次,考虑轮轨磨耗指数、接触应力以及钢轨打磨量,建立综合优化目标函数,采用遗传算法并联合车辆轨道动力学仿真模型求解优化钢轨打磨廓形;最后,运用所建立的钢轨廓形优化设计模型计算分析不同优化策略的设计结果. 研究结果表明:同时考虑轮轨磨耗、轮轨接触应力和钢轨打磨量,优化后曲线外、内轨廓形平均磨耗指数相比初始廓形下降68.9%,内轨接触应力下降39.1%,打磨量下降21.8%,优化效果最佳;只考虑轮轨磨耗和接触应力时,优化后曲线外轨廓形磨耗指数和内轨接触应力下降较为明显,但打磨量下降速率相对较慢,仅为11.3%;只考虑打磨量时,优化后钢轨廓形打磨量下降最快,为24.4%,但轮轨接触应力显著变大.      

黔桂线小半径曲线换铺60 kg/m钢轨问题

为了分析小半径曲线换铺60kg/m钢轨引起的钢轨作用于扣件的横向力和轨道几何误差，建立了力学分析模型，并以黔桂线最小曲线半径（177.1m）为实例进行了计算分析。分析结论说明，在小半径曲线换铺60kg/m钢轨时，钢轨的几何误差在允许范围内，我需对轨道结构采取额外的加强措施。     

钢轨非对称廓型的设计方法

为科学确定钢轨非对称廓型,指导打磨作业,基于经典的轮轨接触几何学和接触力学,建立了以等效锥度、接触应力水平和打磨量等为评判依据的设计与评价方法,以比选确定最优打磨方案.实例分析表明,这种方法综合考虑了不同打磨方案对曲线通过性能、滚动接触疲劳和打磨成本等关键因素的影响,可以为目标廓型的选择提供参考.     

小半径曲线预应力箱梁桥设计

结合某小半径曲线连续梁桥的工程实例,简要论述了小半径预应力混凝土连续梁桥在计算理论、受力特点和构造上的处理方法,并对曲线梁桥设计要点进行了总结。     

小半径曲线钢轨波磨激扰下列车车内振动噪声特性

为探究小半径曲线钢轨波磨与车内振动噪声的关系,以高铁站区线路中出现的钢轨波磨为对象,开展了实车试验与轨面平直度现场测试;采用同步压缩小波变换提取了车厢内部振动与噪声信号的时频特征,并引入全局小波功率谱和小波能量比对信号进行量化分析;建立了波磨严重程度与车厢内振动噪声水平的关联关系,对比了车体与走行部构件之间动力响应的差异,探讨了波磨所在曲线半径对车内振动噪声的影响。研究结果表明：在小半径曲线地段,车厢内振动与噪声信号的优势频率为500~550 Hz,与钢轨波磨引起的轮轨冲击频率一致,且该频段的能量在波磨严重区段愈加显著;轴箱与转向架构架振动信号在500~550 Hz频带也存在能量峰值,而轴箱振动信号中出现的330、1 046 Hz等峰值频率被一系悬挂有效过滤,使得构架振动响应中未见此频率成分;在车厢内采集的各项信号中,车体垂向振动响应与钢轨波磨沿线路里程的分布特征最为相关,而车内噪声、纵/横向振动、侧滚运动的相关性次之,摇头运动的相关性最低;与直线和大半径曲线相比,小半径曲线区段的车体振动与噪声水平受钢轨波磨的影响更为显著。     

小半径曲线桥梁设计问题的分析

对于小半径曲线桥存在的支座脱空和箱梁抗扭问题,提出了切实可行的处理方法。     

基于高频率测量数据的钢轨精确打磨方法

移动式钢轨廓形检测系统能够对线路钢轨进行全区段的连续、高频率测量,获得里程位置准确的高精度钢轨廓形三维图像,但如何利用这些钢轨廓形数据进行精确打磨尚没有成熟的方法。为此,提出了一种基于高频率测量数据的钢轨精确打磨方法,通过实测廓形与目标廓形对比得到所需打磨量随里程的变化曲线,然后进行轨头精细化分区、打磨里程分段,最终得到整个测量区间的精确打磨方案,通过在京沪高铁虹桥线路进行现场试验,证明该方法能够实现钢轨精确打磨。最后还提出一种钢轨廓形相似指数PSI(profile similarity index),对钢轨打磨前后的廓形进行了评判。结果表明,PSI能够量化反映实测廓形与目标廓形的相似程度,直接准确地评估打磨作业效果。     

山区铁路小半径曲线强化轨道动力性能

基于系统工程思想, 运用机车车辆-轨道耦合动力学理论, 对采取了强化技术对策后的山区铁路小半径曲线轨道的动力性能进行仿真计算, 并与强化前轨道结构动力学性能进行了对比分析。分析结果表明: 强化后轨道结构的轮轨动态相互作用力及轨枕支点压力均较强化前的相应值略大, 但皆属相同安全合格等级; 强化轨道结构位移大幅度降低, 有效抑制轨道结构变形, 增强线路稳定性, 尤其是钢轨横向位移和轨距动态扩大量较强化前下降十分显著, 前者仅约为后者的1/3左右; 强化轨道也有利于降低轨下结构振动和减轻列车提速后对轨下基础的破坏。     

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。     

缓和曲线线型对铁道车辆动力学性能的影响

分析了车辆在缓和曲线上的受力情况, 利用动力学仿真软件SIMPACK对转向架为ZK6的25t载货车辆通过3次抛物线型、4-3-4型、5次型缓和曲线时的动力学性能进行了仿真计算, 并与理论分析结果进行对比。对比结果表明: 缓和曲线线型对车辆动力学性能的影响较大, 特别是在连接点处; 3次抛物线型缓和曲线连接点处的动力学性能相对4-3-4型与5次型较差, 车体垂向加速度最大相差达到83%, 其他指标相差也在10%左右; 4-3-4型相对于5次型只是在缓和曲线上的分段点处的车体垂向加速度相差63%, 而其他动力学性能指标相差均在2%以内; 4-3-4型和5次型要体现其优势则需要增加其长度。     

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。     

车轮型面动态高速曲线通过性比较

为了有效选择高速车轮型面, 通过车辆轨道系统动力学仿真得到轮对高速通过曲线的运动状态, 利用运动状态参量进行三维轮轨接触几何特性与蠕滑率计算, 用Contact程序进行轮轨非赫兹滚动接触计算, 分析了LMa、S1002和XP55车轮型面高速曲线通过匹配特点。分析结果表明: LMa和XP55型面轮对运动参数曲线平滑, S1002型面出现大幅度波动, 并产生蛇行运动; 当轮对横移量为3. 0~3. 5 mm时, S1002型面轮轨接触点对产生约11 mm跳跃, 正好处于钢轨型面R300、R80 mm圆弧过渡区; S1002型面接触斑基本处于滑动状态, LMa型面接触应力最小, XP55型面接触应力最大。可见S1002型面与中国60 kg·m^-1钢轨不匹配, LMa型面匹配效果最理想, XP55型面匹配相对较好。     

货车极限黏着制动优化方法

基于Polach大纵向蠕滑理论的轮轨接触模型,确定了铁道车辆在制动工况下,轮轨黏着系数达到饱和时的轮轨蠕滑率。以闸瓦压力为优化对象,以轮轨蠕滑率为目标函数,在SIMPACK环境下构建了考虑制动系统的车辆动力学模型。通过ARX系统辨识技术,在SIMULINK环境下构建了轮轨蠕滑率响应的参照系统。为了使车辆模型与参照模型的蠕滑率在制动过程中保持一致,基于MIT自适应控制技术对制动时车辆的蠕滑率响应进行了跟踪,以实现对闸瓦压力施加方案的优化。计算结果表明:与一般闸瓦压力施加方案比较,优化后的闸瓦压力使轮轨最大蠕滑率下降了71.6%,使制动结束时的车速下降了11.8%,说明优化后的闸瓦压力不但能有效避免轮轨间的擦伤,还能够在一定程度上缩短车辆的制动距离。     

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。     

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。     

B级车轮铸钢疲劳可靠性S-N曲线重构方法

为实现任意可靠性水平疲劳强度设计、寿命预测和可靠性评定,提出了B级车轮铸钢疲劳可靠性S-N曲线的重构方法,应用Monte-Carlo模拟技术在可接受误差范围内重构了B级铸钢的疲劳极限和成组法S-N数据,依照常规法测定了B级铸钢中、短寿命范围的可靠性S-N曲线,应用概率疲劳极限外推法获得了包含中、短和长寿命范围的可靠性曲线。在此基础上,考虑工程应用实际情况,推导出了任意概率水平下的里程可靠性曲线。重构获得的疲劳极限及S-N数据最大模拟误差分别只有0.15%和0.07%,较好再现了原始数据,对曲线的外推使其合理性达到生产需要的104km以上,说明曲线重构方法可获得所需疲劳可靠性S-N曲线。