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地铁钢轨波磨成因及治理措施的仿真和试验研究

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Journal of Central South University 2022年第12期29卷 3925-3938页

作者：汤雪扬蔡小培彭华马超智常文浩姚宇飞 School of Civil Engineering Beijing Jiaotong UniversityBeijing 100044China

地铁钢轨波磨的成因和整治一直是一个热门且具有挑战性的问题。通过对钢轨波磨、轨道刚度及动态响应进行现场测试,并建立三维有限元模型,研究钢轨波磨的形成原因。模型考虑了轮轨相互作用以及轮对间振动波的反射。综合测试和仿真结果,... 详细信息

地铁钢轨波磨的成因和整治一直是一个热门且具有挑战性的问题。通过对钢轨波磨、轨道刚度及动态响应进行现场测试,并建立三维有限元模型,研究钢轨波磨的形成原因。模型考虑了轮轨相互作用以及轮对间振动波的反射。综合测试和仿真结果,提出了钢轨波磨的整治措施及内在机理。结果表明:轮对外侧钢轨在380 Hz附近的垂横向振动是钢轨波磨形成的主要原因。扣件刚度的增加能够减小钢轨的振动能量及轮轨相互作用力,但仅增加扣件刚度可能无法有效抑制钢轨波磨的发展。必要时应对钢轨进行打磨,使其粗糙度降低到一定程度后,增加扣件刚度能有效抑制钢轨波磨。

关键词：钢轨波磨模态分析现场测量扣件刚度有限元模型

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高速铁路钢轨擦伤形成影响因素

交通运输工程学报 2023年第1期23卷 132-142页

作者：侯博文秦家栋高亮马超智刘秀波王璞北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 山东轨道交通勘察设计院有限公司山东济南250014 中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081 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ANSYS显式动力分析建立了三维瞬态轮轨接触力-热耦合有限元模型,考虑了温度对热-弹塑性材料参数的影响;以初始温度30℃、轴重16 t、初始速度300 km·h^(-1)、滑滚比30%工况为例,研究了车轮在经过钢轨典型断面前、中、后3个时刻下钢... 详细信息

基于ANSYS显式动力分析建立了三维瞬态轮轨接触力-热耦合有限元模型,考虑了温度对热-弹塑性材料参数的影响;以初始温度30℃、轴重16 t、初始速度300 km·h^(-1)、滑滚比30%工况为例,研究了车轮在经过钢轨典型断面前、中、后3个时刻下钢轨踏面的接触压力、有效塑性应变、温度分布及其变化特征;在此基础上,进一步分析了列车轴重、钢轨踏面状态、列车牵引和制动状态对钢轨踏面最大温升与最大接触压力的影响,并基于钢轨马氏体白蚀层的形成机制讨论了钢轨擦伤的形成机理。研究结果表明:在本文计算工况下,钢轨踏面最大接触压力为1 186.43 MPa,出现在接触区中心位置,车轮通过后钢轨内部存在部分残余热应力和机械应力,钢轨最大有效塑性应变为0.028 2,最大温升为554.55℃;随着列车轴重从12 t增大至16 t,钢轨最大温升由339.89℃增大至402.79℃;钢轨踏面摩擦因数由0.2增大至0.6时,钢轨最大温升由230.93℃增大至519.25℃;滑滚比由10%增大至40%时,车轮制动和牵引引起的钢轨最大温升分别由264.52℃和362.10℃增大至700.46℃和819.61℃,相同滑滚比条件下,牵引工况引起的钢轨最大温升大于制动工况引起的钢轨最大温升,其中在滑滚比增大至40%时,制动和牵引状态下钢轨踏面最高温度分别为700.46℃和819.61℃,钢轨最大温升均超过相变温度,可导致钢轨踏面产生马氏体白蚀层,从而形成钢轨踏面擦伤。

关键词：高速铁路钢轨擦伤力-热耦合滑滚比钢轨马氏体显式动力学

一种提高巷道维护形变周期的维护工艺在王坡煤矿中的应用

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科技创新与应用 2023年第6期13卷 183-186,190页

作者：马超智田红卫山西天地王坡煤业有限公司山西晋城048021

针对王坡煤矿集中辅运巷3209运顺—3217运顺段出现的大块浆皮脱落现象进行研究,巷道受回采动压的影响,集中辅运巷架设U型钢棚段变形严重,导致原有喷浆区域与顶帮分离,给辅助运输管理工作带来极大安全生产隐患。针对此类现象,提出新的维... 详细信息

针对王坡煤矿集中辅运巷3209运顺—3217运顺段出现的大块浆皮脱落现象进行研究,巷道受回采动压的影响,集中辅运巷架设U型钢棚段变形严重,导致原有喷浆区域与顶帮分离,给辅助运输管理工作带来极大安全生产隐患。针对此类现象,提出新的维护工艺,从而提高巷道维护后形变周期,减少巷道受压出现的大块浆皮脱落的现象,这种维护工艺在实践中取得显著效果,可有效控制大块浆皮脱落,提高巷道承受期限,减少巷道维护成本。

关键词：大块浆皮脱落初喷架棚假帮假顶复喷

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基于轮轨系统耦合振动的地铁钢轨波磨研究

中南大学学报（自然科学版） 2022年第8期53卷 3232-3244页

作者：汤雪扬蔡小培彭华马超智北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

针对某地铁短枕式整体道床轨道出现的钢轨波磨问题,开展波磨状态的现场测试,获得波磨特征参数。基于有限元理论建立轮对模型、轨道模型、单轮对-轨道模型和双轮对-轨道模型,采用谐响应分析验证模型的正确性。通过对比4种模型的固有频率... 详细信息

针对某地铁短枕式整体道床轨道出现的钢轨波磨问题,开展波磨状态的现场测试,获得波磨特征参数。基于有限元理论建立轮对模型、轨道模型、单轮对-轨道模型和双轮对-轨道模型,采用谐响应分析验证模型的正确性。通过对比4种模型的固有频率以及振型特征,明确适用于钢轨波磨成因分析的理论模型。研究钢轨波磨成因与轮轨系统振动特征之间的内在联系,分析转向架轴距及扣件刚度对钢轨波磨波长及幅值的影响。研究结果表明:当钢轨波磨主、次波长分别为50 mm和315 mm时,对应的波磨通过频率为472 Hz和75 Hz;双轮对-轨道模型由于考虑了轮轨之间的相互作用以及钢轨振动波的反射,对于波磨通过频率处的轮轨系统振动特征描述更为全面,更适用于钢轨波磨成因的分析;主波长波磨的产生主要与轮轴的垂、纵向二阶弯曲振动以及两轮对之间钢轨的三阶弯曲振动有关;次波长波磨的产生主要与轮轨系统的P2共振有关;转向架轴距的增大仅会导致由钢轨横向弯曲振动引起的波磨波长增大,对由轮轴垂向、纵向振动及P2共振引起的波磨波长几乎无影响;扣件刚度的增大仅会导致由P2共振引起的波磨波长减小,对由轮轴垂向、纵向振动及轮对之间钢轨横向弯曲振动引起的波磨波长几乎无影响;钢轨波磨幅值随转向架轴距增大呈现波动趋势,但随扣件刚度增大而减小。

关键词：轮轨振动钢轨波磨有限元理论固有频率谐响应分析

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重载铁路钢轨波磨对有砟道床动力特性的影响

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第1期49卷 110-115页

作者：崔旭浩马超智金锋北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

为分析钢轨波磨对重载铁路有砟道床动力特性的影响,考虑道砟颗粒的不规则外形,采用离散单元法建立了有砟道床的数值模型.通过施加由车辆-轨道耦合动力学模型计算得到枕上动压力,分析了有砟道床在钢轨波磨条件下的动力响应.结果表明:钢... 详细信息

为分析钢轨波磨对重载铁路有砟道床动力特性的影响,考虑道砟颗粒的不规则外形,采用离散单元法建立了有砟道床的数值模型.通过施加由车辆-轨道耦合动力学模型计算得到枕上动压力,分析了有砟道床在钢轨波磨条件下的动力响应.结果表明:钢轨波磨会降低道床稳定性,显著提高散体道床的振动水平;钢轨波磨区段砟颗粒之间的接触力会有较小程度的增大;钢轨波磨会增大道砟颗粒之间的滑动位移及摩擦耗能,加剧了道砟颗粒之间的磨耗.对比而言,钢轨波磨对有砟道床中道砟颗粒的振动加速度影响最大,对道砟颗粒磨耗影响次之,对道砟颗粒的接触力影响最小.

关键词：重载铁路钢轨波磨有砟道床离散元法动力响应

基于神经网络的钢轨磨耗与通过总重关联关系的预测方法

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铁道学报 2021年第10期43卷 75-83页

作者：姜涵文高亮安博伦马超智北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044

为研究京沪高速铁路线路上钢轨磨耗深度与通过总重的关联关系,进而更加精准地确定钢轨打磨周期,首先基于TensorFlow架构建立钢轨磨耗-通过总重神经网络预测模型,实现通过输入钢轨磨耗深度、列车运行速度、轴重和轮轨廓形参数后预测通过... 详细信息

为研究京沪高速铁路线路上钢轨磨耗深度与通过总重的关联关系,进而更加精准地确定钢轨打磨周期,首先基于TensorFlow架构建立钢轨磨耗-通过总重神经网络预测模型,实现通过输入钢轨磨耗深度、列车运行速度、轴重和轮轨廓形参数后预测通过总重的功能。然后建立包含动力学仿真模块、磨耗计算模块和钢轨廓形更新模块的钢轨磨耗仿真计算模型,将其计算结果作为预测模型的训练与测试数据。研究结果表明:钢轨磨耗-通过总重预测模型能够通过钢轨磨耗深度等参数准确预测通过总重,预测精度在93.28%~97.98%之间。该预测模型能够为精准确定京沪高速铁路钢轨打磨周期提供理论依据和参考。对比分析不同隐含层神经元数目的神经网络预测模型的训练结果可知,预测模型的均方误差(MSE)随隐含层神经元数目变化呈现波动态势,为提高神经网络预测精度,隐含层神经元数目需要合理选取。随着通过总重的增加,钢轨磨耗深度增大,轨头部分曲率半径增大。

关键词：高速铁路钢轨磨耗神经网络通过总重钢轨打磨周期

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基于改进摩擦功模型的轮轨滚动接触磨耗研究

铁道学报 2019年第12期41卷 49-55页

作者：马超智辛涛高亮崔旭浩北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044 北京交通大学北京市轨道交通线路工程与防灾工程技术研究中心北京100044

摩擦功模型常用于轮轨接触磨耗的分析,但无法反映轮轨磨耗程度的差异,亦不能很好考虑材料塑性屈服对接触磨耗造成的影响。结合轮轨接触处的Mises应力分布特征,提出弹、塑性分区磨耗及塑性区摩擦功这一评估指数,实现了对摩擦功模型的改... 详细信息

摩擦功模型常用于轮轨接触磨耗的分析,但无法反映轮轨磨耗程度的差异,亦不能很好考虑材料塑性屈服对接触磨耗造成的影响。结合轮轨接触处的Mises应力分布特征,提出弹、塑性分区磨耗及塑性区摩擦功这一评估指数,实现了对摩擦功模型的改进。基于建立的滚动接触有限元模型,分析轮轨塑性区摩擦功与总摩擦功随轮轨屈服强度比的变化规律。结果表明:塑性区摩擦功能反映材料塑性屈服与摩擦功激扰的共同作用。随着轮轨屈服强度比的提高,接触斑总摩擦功缓慢增大,车轮及钢轨塑性区摩擦功之和变动明显,并呈先减小后增大趋势;车轮磨耗高于钢轨发生在轮轨屈服强度比小于0.96的范围内;轮轨屈服强度比为1.01~1.02时,系统塑性区摩擦功数值降到最小。

关键词：摩擦功模型轮轨磨耗滚动接触弹塑性有限元模型

高速铁路轮轨耦合振动模态特征及其影响因素研究

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铁道学报 2021年第12期43卷 85-93页

作者：马超智高亮曾钦娥崔日新北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京市轨道交通建设管理有限公司北京100068

车轮与钢轨构成了一刚柔耦合、相互约束的系统,传统多关注钢轨自身的模态特征,缺少对系统模态的识别。建立车辆-无砟轨道系统动力学模型,获得摩擦功率及垂向力共振特征,通过分析单/双轮对作用下轮轨共振响应及车轮质点-钢轨梁系统的特征... 详细信息

车轮与钢轨构成了一刚柔耦合、相互约束的系统,传统多关注钢轨自身的模态特征,缺少对系统模态的识别。建立车辆-无砟轨道系统动力学模型,获得摩擦功率及垂向力共振特征,通过分析单/双轮对作用下轮轨共振响应及车轮质点-钢轨梁系统的特征值,识别导致轮轨系统共振的2类共4种模式的轮轨耦合振动模态:一类是车轮与钢轨作等幅同相振动的P2共振模态,其容易造成振动能量向簧上及轨下的传递;另一类是转向架范围内双车轮约束下钢轨2阶弯曲、3阶弯曲及pinned-pinned振动模态,其主要导致振动沿钢轨纵向在车轮间传递及反射,对车轮多边形、钢轨波磨的形成有重要贡献。最后对影响轮轨耦合共振的因素进行了分析,结果表明轮轨耦合共振对扣件间距不敏感,但受扣件刚度影响显著,轴距仅对钢轨局部弯曲共振有影响。

关键词：高速铁路车辆-轨道耦合动力学轮轨耦合振动模态共振

轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析

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振动与冲击 2020年第16期39卷 171-179页

作者：崔旭浩肖宏肖慧娟马超智北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044

为研究轨枕空吊对有砟道床动力特性的影响,建立有砟轨道的离散元分析模型。通过缩小与枕底相接触的道砟颗粒的粒径实现了轨枕空吊的模拟,研究了轨枕空吊状态下有砟道床的动力响应,分析了轨枕空吊形式和空吊数量对有砟道床动力响应的影... 详细信息

为研究轨枕空吊对有砟道床动力特性的影响,建立有砟轨道的离散元分析模型。通过缩小与枕底相接触的道砟颗粒的粒径实现了轨枕空吊的模拟,研究了轨枕空吊状态下有砟道床的动力响应,分析了轨枕空吊形式和空吊数量对有砟道床动力响应的影响。结果表明:轨枕空吊会使得道床中道砟颗粒接触力发生重分布,空吊轨枕所在道砟箱中强力键的个数会减少,两侧相邻道砟箱中强力键的个数会增多,轨枕非完全空吊时在列车荷载作用下会对道床产生冲击作用而增大部分道砟颗粒受力;空吊轨枕会失去对其下方道砟颗粒的约束作用而导致道砟颗粒振动的离散性增加,同时会增大轨枕盒中道砟颗粒的振动并显著提高两侧相邻轨枕下方道砟颗粒的振动水平;轨枕空吊会增大轨枕侧面与道砟颗粒之间的摩擦耗能,引起道砟出现"泛白"现象,同时还会增大两侧相邻轨枕下方道砟颗粒之间的摩擦耗能;3根轨枕连续完全空吊对道床动力响应的影响大于1根轨枕完全空吊的影响。

关键词：有砟道床轨枕空吊离散元法动力特性