两种加载频率下LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为对比

在加载频率为180、15Hz条件下, 分别利用高频疲劳试验机和电液伺服疲劳试验机完成了各6根光滑漏斗形圆棒试样的短裂纹复型试验。试验结果表明: 在微观短裂纹(MSC) 阶段, 主导短裂纹的扩展均经历2次显著的减速过程, 在加载频率为180Hz, 扩展率降至最小值时, 裂纹统计平均尺度分别为11.49、106.32μm, 在15Hz下分别为14.14、122.29μm; 考虑试样个体间不可避免地存在微观结构细节差异, 从统计角度出发, 可以认为2次减速完成时的裂纹尺度分别对应铁素体晶粒平均直径14.26μm和富珠光体带状结构间距111.53μm这2种特征尺度; 进入物理短裂纹(PSC) 阶段后, 扩展率随主导短裂纹尺度增加持续上升; 2种加载频率下主导短裂纹扩展率曲线和密度曲线在很大程度上相互重合, 变化趋势一致, 整体来看无显著差异; 在MSC阶段, 低加载频率下的短裂纹扩展率略高于高加载频率下的结果, 但差异并不明显, 最大速率差未超过一个数量级; 加载频率15Hz下短裂纹突破微观组织结构障碍消耗的寿命占总寿命比例较小, 2次降速对应的平均寿命分数分别为0.027和0.525, 而180Hz下对应的寿命分数分别为0.071和0.688;通过统计分析, 对比了7种常用统计分布, 确定了主导短裂纹尺度服从极大值分布, 疲劳寿命分数和有效短裂纹密度服从极小值分布。     

铁道车辆转向架的发展

第一台火车样机出现于1804年,它的设计灵感源于当时马车的设计形式一两根车轴。为了使蒸气机车具有更大的牵引力,一般设计成具有多个轮对的车架式结构,这种结构通过曲线很困难。一般前有导向轮;因为,中间的轮对没有轮缘,这种结构通过曲线就更加困难。     

时滞对高速铁道车辆悬挂系统半主动控制的影响

利用多体动力学技术和联合仿真的方法及半主动开关控制和改进型开关控制中的时滞,对车辆动力学性能的影响进行了仿真分析.结果表明：无时滞理想状态下,半主动控制对车辆横向动力学性能的控制效果明显,且运行速度越高控制效果越好;时滞对车辆横向动力学性能的影响较大,但并非随着时滞的增大而逐渐恶化,而是呈波浪形起伏,当时滞处于100~200 ms和400~500ms范围时,半主动控制效果最差,甚至失效;考虑时滞后,开关控制效果优于其改进型,这与没有考虑时滞因素时结论相反,证实了时滞分析的必要.     

空气弹簧模型对铁道车辆动力学性能的影响

建立了空气弹簧等效模型、线性模型与非线性模型,分析了3种模型对车辆直线平稳性和曲线通过安全性的影响.研究结果表明:在计算车辆直线垂向平稳性时,空气弹簧等效模型计算精度较差,而空气弹簧线性模型和非线性模型计算精度较高;由于空气弹簧线性模型比非线性模型简单,建议在计算直线垂向平稳性时优先采用空气弹簧线性模型;在计算车辆曲线通过安全性时,空气弹簧非线性模型能反映空气弹簧的充排气特性,计算精度较高;由于模型自身的局限性,空气弹簧线性模型和等效模型无法反映空气弹簧的充排气特性,计算精度较差,因此,建议在计算曲线通过安全性时采用空气弹簧非线性模型.     

铁道车辆用油压减振器粘温特性的研究

对铁道车辆用油压减振器的阻尼特性理论进行分析,结合粘温关系特性和油压减振器的热平衡理论,建立油压减振器压缩、复原模型和车辆振动模型,然后用Matlab进行仿真研究,初步揭示温度对油压减振器特性的显著影响.结果表明:连续工作一段时间之后,油压减振器内部温度升高并逐渐趋于热平衡状态.随着油压减振器油液温度的升高,油液粘度逐渐减小,车体和转向架构架垂向振动速度明显增大,阻尼性能明显降低.     

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。     

随机疲劳长裂纹扩展率的新概率模型

为实现在全应力强度因子范围合理进行结构安全性分析, 提出了概全门槛值和断裂韧度的随机疲劳长裂纹扩展率的新概率模型。考虑了平均应力效应, 以给定应力强度因子下裂纹扩展率服从对数正态分布为基础, 考虑数据分散性规律和试样数量对概率评价的影响, 将存活概率和置信度相融合, 由线性回归结合极大似然原理确定概率模型的参数。通过对铁道车辆LZ50车轴钢试验数据的分析表明, 模型从数学上良好描述了疲劳长裂纹从裂纹启裂到瞬时断裂的整个随机过程, 比较Paris、Elber和Forman模型拟合试验数据表明, 该模型相关系数最大, 拟合效果最好。     

铁道车辆的新能源——燃料电池

燃料电池是一种新型的高效环保能源。目前,燃料电池汽车已经在公路上行驶,正在解决实用化的问题。在铁路方面,一些铁路厂商和研究机构,如庞巴迪公司、欧洲及日本铁路研究所,也在对燃料电池在铁路应用的可行性进行研究分析。近年来，日本铁路由铁道综研所牵头，一直在进行燃料电池在铁路车辆应用的基础研究。     

基于时空关系对高速公路车辆出行规律的研究

基于高速公路车辆出行的特点,从概率的角度出发,结合车辆出行的两个交通参数——出行时间和出行里程,提出高速公路车辆出行时间和出行里程服从二维对数正态分布的假设,并用山东省高速公路调查数据对先验分布进行拟合。用车辆运行规律分析车辆出行时间-空间相关系数,再将它们作为交通状态参数,以车辆出行时间-空间相关系数来反映网络的运行状态,这些参数有其他交通状态参数所无法比拟的优越性。     

轮对安装误差对铁道车辆行车安全性的影响

为研究轮对安装误差对行车安全性的影响,建立了具有轮对安装误差的车辆动力学模型.以某高速车辆在直线上运行为例,用此模型分析各种安装误差对行车安全性的影响.分析结果表明:轮轴平行度误差对行车安全性影响较大,应严格控制;对角线误差对行车安全性的影响较小.     

LZ50车轴钢中的混晶组织

对具有不同原始组织的三个炉号的LZ50车轴钢进行了不同工艺的热处理,用金相方法分析了晶粒度的变化规律,比较了钢中微量元素Al、Ti含量与晶粒度的关系,结果表明：具有混晶组织的LZ50车轴钢加热到Ac1~Ac3之间时晶粒细化,但超过Ac3温度后即出现混晶,且不同钢中混晶倾向与原始状态的相同;钢中微量元素Al、Ti含量越高,混晶倾向越严重;高温固溶、低温析出预备热处理可以改变晶粒长大倾向,消除混晶组织.在此基础上对LZ50车轴钢的混晶原因进行了讨论.     

轴箱内置型铁路车轴疲劳性能与寿命评估

开展了EA4T合金钢材料的低周疲劳试验、旋转弯曲高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验, 考虑载荷类型、表面质量与尺寸系数等因素, 修正了标准小试样疲劳极限以预测全尺寸车轴的疲劳性能; 建立了轴箱内置铁路车轴(内箱车轴) 的有限元模型, 分析了内箱车轴与传统轴箱外置铁路车轴(外箱车轴) 临界安全部位的差异; 基于安全寿命设计理论, 结合修正的线性Miner疲劳累积损伤准则和载荷谱, 研究了内箱车轴的疲劳强度与服役性能; 分别采用Paris公式、NASGRO方程和LAPS模型拟合了裂纹扩展速率曲线, 基于损伤容限设计方法估算了内箱车轴和外箱车轴的裂纹扩展寿命。研究结果表明: 标准小试样的疲劳极限明显高于全尺寸车轴, 其疲劳极限均值分别为369、286 MPa; 与传统外箱车轴相比, 由于加载位置的改变, 内箱车轴的临界安全部位从卸荷槽处转移至轴身中部; 内箱车轴疲劳总寿命为2.5×10¹² km, 满足30年服役寿命的设计要求; 但是在运输或服役过程中车轴表面不可避免会存在缺陷, 缺陷处存在严重的应力集中, 为裂纹的萌生和扩展提供了便利条件, 使车轴疲劳寿命大幅降低; 当车轴临界安全部位的裂纹深度扩展到5 mm时, 内箱车轴和外箱车轴的剩余寿命分别仅为3.2×10⁵、2.0×10⁵ km, 应根据无损探伤精度合理制定无损检测周期, 确保车轴安全服役。     

微动对车轴钢疲劳性能的影响

针对铁道轮轴间微动损伤的特点,设计了能够模拟过盈连接在旋转弯曲载荷下微动损伤问题的试样轴和试样套管．在实物车轴的特定位置切割试样,加工制作了常规疲劳试样和微动疲劳试样,并采用温差法组装微动疲劳试样的轴和套管,然后借助四点旋转弯曲疲劳试验机,通过单点法试验得出了该车轴钢的常规疲劳寿命（S—N）曲线和微动疲劳寿命曲线．结果表明,微动显著降低了车轴钢的疲劳极限,并且微动疲劳试样均在轴套配合的边缘断裂．     

铁道车辆蛇行稳定性主动控制综述

为了抑制蛇行运动,提高列车临界速度,针对铁道车辆特殊的轮轨自激振动系统综述了蛇行稳定性主动控制的总体结构形式、控制目标、控制算法、测量系统、作动系统、试验验证等关键环节的研究进展;概括了稳定性控制的典型结构形式及其各自的特点;根据不同运用场景,归纳了稳定性主动控制的主要目标,梳理了稳定性控制的主要算法以及优缺点;分析了不同反馈量测量方法的可行性和可靠性,研究了作动器动态特性对控制效果的影响;给出了稳定性控制的试验研究方法,展望了未来蛇行稳定性主动控制在算法设计、失效安全等方面的研究重点。研究结果表明：在蛇行稳定性主动控制研究中,控制方式和算法的选取要同时考虑控制目标的不同;除了高轮轨匹配等效锥度下的二次蛇行稳定性控制之外,控制目标应同时考虑低轮轨匹配等效锥度下的一次蛇行稳定性控制;控制方式应尽量简单、可靠、易于实施,且对测量系统的要求要小;测量系统也应尽量简单可测,以减小随机扰动和噪声对测量结果可靠性的影响;作动器响应时间及其时滞补偿方法共同决定了蛇行稳定性主动控制的实用效能;控制系统失效不能影响列车的运行安全,这是决定主动控制能否推广应用的关键。     

轨道车辆结构振动损伤识别技术综述

从智能运维的角度阐述了利用结构振动损伤识别技术进行轨道车辆结构健康监测的重要性和必要性;根据不同损伤识别的适用范围,将结构振动损伤识别技术分为基于模型的方法和基于响应信号的方法;结合结构健康监测中损伤识别的不同层次,分析了以结构损伤的存在性、类型、定位和程度表征的不同识别方法;概括了轨道车辆运维过程中损伤识别技术的典型特征,讨论了基于模型的损伤识别中固有频率、模态形状、曲率模态等与模态参数有关方法的优缺点;分析了基于响应信号方法的应用现状和发展趋势,并阐述了模型修正和优化技术在结构损伤识别中的应用;重点分析了车辆关键部件故障诊断与监测中损伤识别技术的实施,讨论了结构振动损伤识别技术在未来轨道车辆智能运维策略中的主要发展方向,展望了未来轨道车辆部件的状态检修策略和智能运维技术。研究结果表明：轨道车辆的智能运维应该充分考虑结构振动损伤识别技术与人工智能等新技术的结合;大数据驱动的结构振动损伤识别技术能够更好解决车辆状态实时监测的技术难点;考虑复杂环境因素对轨道车辆结构部件损伤识别技术的影响,需要不断完善基于耦合振动效应的结构振动损伤识别技术及方法。     

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。     

内轴颈高铁车轴结构设计与强度分析方法

针对高速列车的轻量化设计需求,分析了内轴颈高铁车轴独特的内支承结构与承载特点,建立了内轴颈高铁车轴受力状态和结构强度理论分析模型,提出了内轴颈高铁车轴设计极限载荷和疲劳强度的解析计算方法;在此基础上,制定了基于理论分析、有限元方法和车辆系统动力学的内轴颈高铁车轴结构设计方法,并以17 t轴重的内轴颈高铁车轴为例开展了应用研究;基于内轴颈高铁车轴受力状态的理论分析结果,确定了车轴的临界安全截面和详细尺寸方案;建立了内轴颈高铁车轴的有限元模型,评估并校核了车轴的疲劳强度;建立了轴箱内置式高速动车的刚-柔耦合系统动力学仿真分析模型,验证了车辆的动力学性能和车轴的动荷载。分析结果表明：17 t轴重的新型内轴颈高铁车轴的质量为273.6 kg,比同轴重传统外轴颈高铁车轴的质量低约30%;内轴颈高铁车轴各截面疲劳强度的安全系数均大于1.66,临界安全截面转移至轴颈与轮座之间的卸荷槽及轴颈与轴身之间的过渡圆弧区域;采用内轴颈车轴的高速动车能够以350 km·h^-1的速度稳定通过半径为5.5 km的曲线线路,主要动力学性能指标优良;在选定曲线通过工况下车轴所承受的动载荷均能被设计极限载荷包络,据此开展的车轴结构设计和强度分析是稳健的。可见,内轴颈高铁车轴在实现高速列车轻量化设计方面有显著的技术优势,且高速适应性较好,在高速列车领域的发展和应用潜力巨大。     

轨道车辆RAMS工程技术体系研究

从国内外轨道交通发展行业趋势及轨道交通企业发展需求出发,阐述了建设RAMS工程技术体系的必要性,结合轨道交通车辆特点,在对全寿命周期各阶段RAMS工作项目研究的基础上,从RAMS管理、RAMS设计分析、RAMS信息和验证确认4个方面创建轨道车辆RAMS工程技术体系,并在产品项目中进行了应用,取得了良好的效果.该RAMS工程技术体系的研究和建设,对RAMS工程技术的发展和在轨道车辆产品中的应用具有推动性作用,对轨道交通车辆产品可靠性的提高具有重要的现实意义.