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达速条件下高速铁路道岔适应性研究

铁道学报 2022年第6期44卷 75-83页

作者：王璞王树国杨东升司道林中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

针对我国高速铁路进一步回升运营速度的需求,对达速条件下高速道岔适应性进行理论和试验研究。建立车辆-道岔耦合动力学模型,对车辆达速通过道岔时的动力性能变化规律进行仿真分析;选取试验段,对复兴号列车分别以300、350 km/h通过时道... 详细信息

针对我国高速铁路进一步回升运营速度的需求,对达速条件下高速道岔适应性进行理论和试验研究。建立车辆-道岔耦合动力学模型,对车辆达速通过道岔时的动力性能变化规律进行仿真分析;选取试验段,对复兴号列车分别以300、350 km/h通过时道岔动力性能变化特性进行测试分析;并对既有运营条件下高速道岔出现的主要伤损、成因以及与速度相关性进行了统计分析。研究结果表明,列车达速通过道岔时,脱轨系数和轮重减载率均增大,但均在限值内,安全性可以保证;达速运行对尖轨-心轨侧轮重减载率影响较明显,对脱轨系数影响较小;轮轨相互作用加剧,尖轨-心轨侧轮轨垂向力显著增大,轮轨横向力略有增加;车辆动力性能呈现劣化趋势,轮对和车体振动加速度均增大;达速条件下,道岔承受的轮轨冲击荷载呈增大趋势,只有直基本轨所受横向力有所减小;转辙器区钢轨垂向变形增大、横向变形减小,导曲线区钢轨横向变形增大;列车荷载作用下直尖轨与基本轨密贴状态变差,岔区轨道结构振动加剧;既有运营条件下我国高速道岔主要出现了尖轨不足位移、心轨翼轨离缝、严寒地区高低不平顺、直尖轨非工作边纵向裂纹、辙叉结构部件频繁伤损、尖轨跟端低塌、直基本轨和曲尖轨严重磨耗等问题。部分病害会影响列车通过的安全性和平稳性,可能成为达速的限制因素;此外,达速运行将加快部分病害的发展频速,降低道岔服役寿命,建议采取一系列加强措施。

关键词：高速道岔动力学仿真现场试验伤损发展达速运行

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道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响

中国铁道科学 2023年第5期44卷 169-179页

作者：高原司道林王树国杨东升中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

为揭示轮轨廓形演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响,结合迹线法和基于先进经验的窗口放缩搜索法,构建道岔区轮轨多点接触几何模型,并利用传统迹线法和成熟商业软件对比验证几何模型计算的精确性;在测试长期服役过程中真实车轮型面和道... 详细信息

为揭示轮轨廓形演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响,结合迹线法和基于先进经验的窗口放缩搜索法,构建道岔区轮轨多点接触几何模型,并利用传统迹线法和成熟商业软件对比验证几何模型计算的精确性;在测试长期服役过程中真实车轮型面和道岔变截面钢轨廓形的基础上,研究不同服役阶段下轮轨廓形演变对接触点分布、滚动圆半径差和侧滚角的影响,进而分析轮轨接触几何关系和轮轨力过渡特性。结果表明:随着道岔通过总重的增加,轮轨接触点从基本轨提前迁移至尖轨;磨耗会导致轮轨接触点发生跳跃、分布不连续,从而显著增加轮轨间动态相互作用;随着磨耗进一步加剧,轮对侧滚角最大值从0.04 mrad逐渐减小至0 mrad并最终出现负值;轮轨垂向力和车体加速度从86.643 kN和0.032 m·s^(-2)分别升至101.466 kN和0.038 m·s^(-2)后,脱轨系数和轮重减载率对应从0.433和0.215分别升至0.505和0.247,显著降低了列车行车平稳性和安全性。

关键词：高速道岔多点接触算法廓形演变轮轨接触关系窗口放缩搜索法

基于改善轮轨共形度的60kg/m钢轨廓形优化

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西南交通大学学报 2022年第6期57卷 1233-1238页

作者：王璞王树国赵振华司道林中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

重载铁路及客货共线铁路运营条件下,轮轨磨耗问题尤为突出.为了有效减缓轮轨磨耗发展,以不同接触条件下轮轨廓形共形度最优为原则,设计目标函数及约束条件,建立钢轨廓形非线性优化数学模型,并基于序列二次规划法进行求解,提出60 kg/m钢... 详细信息

重载铁路及客货共线铁路运营条件下,轮轨磨耗问题尤为突出.为了有效减缓轮轨磨耗发展,以不同接触条件下轮轨廓形共形度最优为原则,设计目标函数及约束条件,建立钢轨廓形非线性优化数学模型,并基于序列二次规划法进行求解,提出60 kg/m钢轨廓形的优化方案;从轮轨接触几何关系、车辆-轨道系统动力作用、磨耗的角度对优化廓形的优化效果进行了对比分析.结果表明:1)所提出的60 kg/m钢轨优化廓形相对于原始廓形使目标函数值降低了50%,与LM车轮廓形具有更高的共形度水平;2)优化廓形的轮轨接触点分布更为均匀,在轮对横移量较小的条件下轮径差更小,在轮对横移较大的条件下轮径差更大;3)优化廓形对车辆运行安全性和平稳性无显著影响,可有效增大轮轨接触面积达11.24%,降低接触应力达20.42%,减缓轮轨磨耗发生发展速率.

关键词： 60kg/m钢轨廓形非线性优化轮轨共形度轮轨接触几何车辆-轨道系统动力学

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高速道岔尖轨磨耗特征及管理限值研究

中国铁道科学 2022年第1期43卷 9-16页

作者：王树国王璞葛晶司道林杨东升中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

采用现场监测方法,研究不同过岔条件下高速道岔尖轨的实际磨耗特征;通过脱轨风险分析和尖轨强度分析,研究高速道岔尖轨磨耗管理限值。结果表明:控制曲尖轨使用寿命的主要因素是侧向磨耗,在逆向和顺向过岔条件下,高速道岔曲尖轨磨耗特征... 详细信息

采用现场监测方法,研究不同过岔条件下高速道岔尖轨的实际磨耗特征;通过脱轨风险分析和尖轨强度分析,研究高速道岔尖轨磨耗管理限值。结果表明:控制曲尖轨使用寿命的主要因素是侧向磨耗,在逆向和顺向过岔条件下,高速道岔曲尖轨磨耗特征差异显著,顺向过岔时曲尖轨侧磨主要发生在前端较窄区段,而逆向过岔时曲尖轨侧磨主要发生在后端顶宽较宽区段;顺向过岔时的道岔下道尖轨最大侧磨发生在15 mm断面,侧磨量为3.9 mm,并未达到6 mm的规范限值,而逆向过岔时的道岔下道尖轨从35 mm断面至全断面区段侧磨量均在7.5 mm以上,超过规范限值。基于此,高速道岔尖轨磨耗除满足维修规则要求外,还应确保车轮抬升2 mm时,车轮廓形切线夹角小于43.6°的危险区域不与尖轨接触;曲尖轨5 mm断面位置侧磨限值由规范中的6 mm减为3.5 mm。

关键词：高速道岔尖轨磨耗特征管理限值脱轨强度现场监测

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数据与机理融合的结构件加工变形控制方法

数据与机理融合的结构件加工变形控制方法

作者：王树国南京航空航天大学

学位级别：硕士

结构件在加工结束之后往往会因残余应力不平衡发生弯、扭等形式的变形,严重影响工件的加工质量。针对结构件加工变形控制问题,基于加工过程中的监测数据对工件的加工变形进行预测并优化加工工艺是降低加工变形的一种有效途径。而针对残... 详细信息

结构件在加工结束之后往往会因残余应力不平衡发生弯、扭等形式的变形,严重影响工件的加工质量。针对结构件加工变形控制问题,基于加工过程中的监测数据对工件的加工变形进行预测并优化加工工艺是降低加工变形的一种有效途径。而针对残余应力分布复杂的工件,仅采用监测数据驱动的方法和已有工艺控制方法仍然难以满足其加工变形精确控制需求。针对以上问题,本文对数据和机理融合的结构件加工变形在控制技术进行了深入研究,主要创新如下:(1)针对结构件加工过程中变形相关数据在线监测问题,分析了结构件加工变形机理,研究了结构件的变形力和变形量在线监测方法,研制了一种集成传感器的自适应浮动装夹装置,为残余应力场推断和加工变形控制奠定了基础。(2)针对结构件毛坯初始残余应力场推断问题,提出了一种监测数据与机理模型融合的初始残余应力场推断方法。基于有限元方法建立了变形力与初始残余应力之间的机理模型,通过策略梯度迭代求解实现了初始残余应力场的推断。(3)针对结构件加工变形控制问题,提出了一种基于强化学习的预应力调控加工变形控制方法。分析了加工变形控制问题的马尔可夫性,建立了基于强化学习的加工变形控制工艺决策模型,实现了基于预应力调控的结构件加工变形控制。(4)基于以上研究,研制了自适应浮动智能装夹装置和加工变形控制软件系统,在飞机典型结构件上进行了应用验证。

关键词：监测数据机理模型残余应力场推断变形控制预应力调控强化学习

铺设锁定轨温差对高原铁路无缝道岔受力特性影响分析

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西南交通大学学报 2023年

作者：高原杨东升王树国中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所

为研究高原地区铺设无缝道岔的可行性与高原气候环境对跨区间无缝线路稳定性的影响，探讨了不同气候、不同海拔和不同结构型式道岔实现无缝化时，铺设锁定轨温差对无缝道岔力学特性的影响。首先基于高原铁路自然地理环境与线路运营条件... 详细信息

为研究高原地区铺设无缝道岔的可行性与高原气候环境对跨区间无缝线路稳定性的影响，探讨了不同气候、不同海拔和不同结构型式道岔实现无缝化时，铺设锁定轨温差对无缝道岔力学特性的影响。首先基于高原铁路自然地理环境与线路运营条件，选取青藏线升级改造过程中实现无缝化的典型道岔作为研究对象；其次结合不同结构形式下的道岔关键传力部件力学特性开展了室内参数测试，掌握高原气候低温环境对扣件、道床等阻力的影响；最后构建考虑多场耦合和塑性阻力的无缝道岔计算模型，揭示铺设轨温差对无缝道岔受力变形规律的影响。研究结果表明：当线路所处温差越大，铺设锁定轨温差引起的基本轨温度附加力增加速率从4.5kN/℃（达琼果站）增加到6kN/℃（唐古拉北站）；无缝道岔与相邻线路或相邻道岔间的铺设锁定轨温差对无缝道岔受力与变形影响较大，而线路轨节/道岔轨节铺设锁定轨温差引起的横向位移增加速率从0.010mm/℃（达琼果站）增加到0.011mm/℃（唐古拉北站），左右轨与直侧轨铺设轨温差对道岔失稳影响较小。考虑到高原道岔涉及多股钢轨锁定，易造成锁定轨温差相差较大，为提高安全冗余，铺设锁定轨温差应控制在±3℃，相邻轨节锁定轨温差不超过5℃。

关键词：高原铁路无缝道岔铺设轨温差温度力伸缩位移

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可动心轨辙叉转换位移计算及设计优化研究

西南交通大学学报 2023年

作者：赵振华王璞高原王树国中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所铁科(北京)轨道装备技术有限公司

本文以18号可动心轨辙叉为研究对象，分析了既有心轨转换位移曲线设计方法的不足。基于既有结构参数和有限元方法建立心轨转换模型，对心轨转换位移曲线进行了计算，结果表明：计算转换位移与设计转换位移存在偏差（最大偏差为6.64mm，... 详细信息

本文以18号可动心轨辙叉为研究对象，分析了既有心轨转换位移曲线设计方法的不足。基于既有结构参数和有限元方法建立心轨转换模型，对心轨转换位移曲线进行了计算，结果表明：计算转换位移与设计转换位移存在偏差（最大偏差为6.64mm，位于弹性可弯中心），且最小轮缘槽宽度安全裕量较大，可适当减小以降低牵引点转换力。为此，本文基于所建立的有限元模型，提出了以最小轮缘槽宽度为关键指标、采用逐次逼近求解的方式对心轨转换位移曲线进行优化设计的方法，给出了76mm的最小轮缘槽宽度目标值，针对用量最大的18号可动心轨辙叉，通过计算提出第2牵引点动程为50.7mm的心轨转换位移曲线优化方案。在此基础上，根据辙叉直、侧向不同的形位公差要求，提出了按直向开通状态进行结构设计的原则和离散曲线、提取坐标、叠加计算确定关键部件线型的优化设计方法。

关键词：可动心轨辙叉有限元方法转换位移计算设计

60 kg/m钢轨12号单开道岔转换优化数值分析与试验研究

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工程力学 2023年第7期40卷 249-256页

作者：王璞杨东升赵振华王树国中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

基于60 kg/m钢轨12号单开道岔的结构优化需求,针对既有道岔转换设计方法的不足,对60 kg/m钢轨12号单开道岔的转换设计进行了优化研究。基于有限元理论建立了道岔转换精细化仿真计算模型,可基于尖轨斥离状态的实际受力确定斥离线形,与实... 详细信息

基于60 kg/m钢轨12号单开道岔的结构优化需求,针对既有道岔转换设计方法的不足,对60 kg/m钢轨12号单开道岔的转换设计进行了优化研究。基于有限元理论建立了道岔转换精细化仿真计算模型,可基于尖轨斥离状态的实际受力确定斥离线形,与实际情况更为相符,也更偏于安全。在此基础上,对12号道岔牵引点动程的合理取值方案进行了深入研究,基于所建立的道岔转换模型,通过数值仿真试验系统分析了不同牵引点动程条件下的最小轮缘槽宽度及第一、第二牵引点动程匹配关系的变化规律,提出了第一牵引点动程160 mm、第二牵引点动程90 mm的优化方案,可在满足最小轮缘槽要求的同时,使尖轨的变形总体较为协调。基于所提出的设计方案,进行了新型60 kg/m钢轨12号单开道岔的试制和试铺,并开展了尖轨转换试验。测试结果表明:新型12号道岔第一牵引点转换力为2400 N左右,第二牵引点转换力为3300 N左右,优于既有60 kg/m钢轨12号主型道岔;最小轮缘槽满足车辆安全通过的要求,且有3 mm~4 mm的安全裕量。试验结果证明了该文提出的转换设计方法和参数优化方案的合理性、有效性。

关键词：单开道岔道岔转换计算模型实际斥离线形牵引点动程优化道岔转换试验

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轴重40t车辆车轮扁疤冲击振动特性研究

振动工程学报 2022年第3期35卷 729-734页

作者：司道林梁晨张良威王树国王璞中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081 中车长江车辆有限公司轨道交通货运装备湖北省工程实验室湖北武汉430200

建立轴重40 t车辆-轨道动力学模型,采用变化车轮半径的方法模拟扁疤作用下的轮轨相互作用特征,分析轮轨冲击动力荷载特性。结果表明,车轮扁疤将激发出高频轮轨冲击荷载,高频区能量占主导。扁疤临界速度作用下轮轨冲击荷载达到峰值,扁疤... 详细信息

建立轴重40 t车辆-轨道动力学模型,采用变化车轮半径的方法模拟扁疤作用下的轮轨相互作用特征,分析轮轨冲击动力荷载特性。结果表明,车轮扁疤将激发出高频轮轨冲击荷载,高频区能量占主导。扁疤临界速度作用下轮轨冲击荷载达到峰值,扁疤越长,临界速度越高,扁疤长度为10,20,30和40 mm时临界速度分别为30,50,70和80 km/h,扁疤长度超过50 mm时,临界速度大于重载车辆最高运行速度100 km/h。高频区的轮轨荷载主要存在于轮轨界面,不会引起钢轨变形,频率在850 Hz以下时轮轨动荷载才能有效传至轨下基础,根据轨枕设计极限荷载,建议车轮扁疤长度不应超过40 mm。

关键词：轮轨冲击动力学重载铁路车轮扁疤轨道