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振动与冲击 2021年第14期40卷 228-236页

作者：崔晓璐漆伟杜子学董睿玺钟建科重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074 重庆市轨道交通(集团)有限公司重庆401120

针对山地城市地铁线路钢轨波磨通常发生在长大坡道大半径曲线外轨处的异常波磨现象,根据现场调研建立了波磨高发区段的车辆-轨道系统动力学模型,研究了As地铁车辆通过波磨高发区段时导向轮对-钢轨系统的动态特性。基于轮轨摩擦自激振动... 详细信息

针对山地城市地铁线路钢轨波磨通常发生在长大坡道大半径曲线外轨处的异常波磨现象,根据现场调研建立了波磨高发区段的车辆-轨道系统动力学模型,研究了As地铁车辆通过波磨高发区段时导向轮对-钢轨系统的动态特性。基于轮轨摩擦自激振动观点建立了相应区间弹性长轨枕支承轮轨系统的有限元模型,采用复特征值分析研究了波磨高发区段轮轨系统的摩擦自激振动特性。综合动力学分析和摩擦自激振动分析,研究了轮轨蠕滑特性、轮轨摩擦自激振动与波磨病害的关联性,从而揭示此类异常波磨病害的产生机理。进一步地,分别研究了车辆动力学参数和轨道支承结构参数对该区段轮轨摩擦自激振动的影响,并提出抑制波磨的相关方法。分析结果表明,在山地城市地铁线路波磨高发区段的缓和曲线到圆曲线处导向轮对外轮与外轨间的蠕滑力趋于饱和,轮轨间饱和蠕滑力易于诱导轮轨摩擦自激振动的产生,从而可能导致曲线外轨处产生波长为50~60 mm的异常波磨。在抑制方法的研究中发现车辆动力学参数的改变对轮轨摩擦自激振动特性的影响不大。同时,在一定范围内减小扣件垂向刚度和垂向阻尼有助于抑制该区段轮轨摩擦自激振动的发生,当扣件的垂向刚度为5 MN/m,垂向阻尼为10000 N·s/m时,轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小。以上均为山地城市异常波磨病害的抑制提供参考。

关键词：钢轨波磨山地城市地铁动力学分析摩擦自激振动分析抑制方法

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山地城市地铁牵引与制动工况下钢轨波磨成因对比研究

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表面技术 2024年第3期53卷 152-161页

作者：崔晓璐尹越徐佳漆伟杨红娟重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074 重庆市轨道交通(集团)有限公司重庆401120 成都理工大学机电工程学院成都610059

目的探究山地城市地铁牵引与制动工况下的钢轨波磨成因。方法基于摩擦自激振动理论,结合山地城市地铁长大坡道区段现场调研,分别构建上坡牵引和下坡制动工况下车辆−轨道系统的动力学模型,对比研究长大坡道区段牵引与制动工况下车辆−轨... 详细信息

目的探究山地城市地铁牵引与制动工况下的钢轨波磨成因。方法基于摩擦自激振动理论,结合山地城市地铁长大坡道区段现场调研,分别构建上坡牵引和下坡制动工况下车辆−轨道系统的动力学模型,对比研究长大坡道区段牵引与制动工况下车辆−轨道系统的动力学特性。分别构建对应区段的轮对−钢轨−牵引系统和轮对−钢轨−制动系统的有限元模型,并采用复特征值法对比研究山地城市地铁牵引与制动工况下的钢轨波磨成因。采用最小二乘法和粒子群算法提出抑制长大坡道区段钢轨波磨的车辆−轨道参数的最优解。结果在轮对−钢轨−牵引系统中存在不稳定振动频率369.93 Hz,其复特征值实部为19.36。在轮对−钢轨−制动系统中存在不稳定振动频率443.92 Hz,其复特征值实部为4.9705。结论在牵引摩擦副与轮轨摩擦副的共同作用下产生的摩擦自激振动,在制动摩擦副与轮轨摩擦副的共同作用下产生的摩擦自激振动,分别是长大坡道牵引与制动区段钢轨波磨的主要诱因,且牵引区段发生的可能性高于制动区段。在制动工况下设置制动压力为5 kN,在牵引工况下设置牵引运行速度为80 km/h,并结合优化后的扣件参数,能有效抑制长大坡道区段钢轨波磨。

关键词：钢轨波磨摩擦自激振动复特征值牵引工况制动工况山地城市地铁

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山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨打磨限值研究

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润滑与密封 2023年第6期48卷 1-6,24页

作者：崔晓璐吕东包鹏羽李童漆伟重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074 重庆市轨道交通(集团)有限公司重庆401120

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨频发,钢轨打磨是一种常用的抑制钢轨波磨发展的手段,而确定钢轨波磨的打磨限值是关键。根据现场调研构建山地城市地铁平纵曲线交叠区段的车辆-轨道系统动力学模型,采用动力学分析研究波磨特性对轮... 详细信息

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨频发,钢轨打磨是一种常用的抑制钢轨波磨发展的手段,而确定钢轨波磨的打磨限值是关键。根据现场调研构建山地城市地铁平纵曲线交叠区段的车辆-轨道系统动力学模型,采用动力学分析研究波磨特性对轮轨动态响应的影响规律,从车辆运行安全性的角度提出钢轨波磨的安全限值;构建波长为50 mm典型波磨区段的轮轨系统有限元模型,采用瞬时动态分析研究轮轨摩擦耦合振动特性,从钢轨波磨发展趋势的角度提出钢轨波磨的打磨限值。动力学分析结果表明,山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨波长为30、40、50、60、70 mm时的波深安全限值分别为0.03、0.04、0.05、0.08、0.15 mm。轮轨摩擦耦合振动分析结果表明,轮轨系统摩擦耦合振动随着波深的增大而增大,控制波深打磨限值在0.02 mm以下能有效抑制轮轨摩擦耦合振动并延缓波磨发展。

关键词：山地城市地铁钢轨波磨打磨限值安全性评价摩擦耦合振动

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山地城市地铁典型轨道损伤的打磨限值研究

山地城市地铁典型轨道损伤的打磨限值研究

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作者：吕东重庆交通大学

学位级别：硕士

山地城市地铁因线路坡度大、曲线半径小和平纵曲线交叠的特点导致了钢轨损伤形式多样,尤其是诸如钢轨波磨、焊接不良和轨缝不良等典型轨道损伤。这些轨道损伤不仅严重影响列车运行安全,还成为制约山地城市轨道交通高质量可持续发展的关... 详细信息

山地城市地铁因线路坡度大、曲线半径小和平纵曲线交叠的特点导致了钢轨损伤形式多样,尤其是诸如钢轨波磨、焊接不良和轨缝不良等典型轨道损伤。这些轨道损伤不仅严重影响列车运行安全,还成为制约山地城市轨道交通高质量可持续发展的关键因素。通常钢轨打磨是治理以上典型轨道损伤最为有效的方式,而确定山地城市地铁典型轨道损伤的打磨限值是实现钢轨精准维护的重要环节。本文针对山地城市地铁典型轨道损伤的现场调研,基于车辆-轨道系统动力学理论和轮轨系统摩擦耦合振动理论,构建了典型轨道损伤处的车辆-轨道系统动力学模型和轮轨局部系统有限元模型,开展了车辆-轨道系统动力学特性和轮轨系统摩擦耦合振动特性研究。分别从车辆运行安全角度提出了轨道损伤的钢轨打磨安全限值,以保证列车的运行安全;从典型轨道损伤的发展预测角度提出钢轨打磨的优化限值,以避免轨道损伤的进一步加剧。本文主要工作和结论如下:(1)利用钢轨波磨和焊接不良处的车辆-轨道系统动力学模型,结合车辆服役安全性评价指标,探究了钢轨波磨与焊接不良特征对车辆-轨道系统全局动力学特性的影响规律。车辆服役安全性指标随着钢轨波磨和焊接不良波深的增大和波长的减小而增大,其中轮重减载率超限最为明显。(2)从保证列车运行安全的角度,以轮重减载率的超限情况为控制指标,提出了钢轨波磨和焊接不良的打磨安全限值。波长为30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm的钢轨波磨的打磨安全限值分别为0.03 mm、0.04 mm、0.05 mm、0.08 mm、0.15 mm;波长为100 mm、200 mm、300 mm的焊接不良的打磨安全限值分别为0.3 mm、0.6 mm、0.8 mm。(3)利用典型轨道损伤处的轮轨局部系统有限元模型,研究了典型波长钢轨波磨、焊接不良的波深、通过速度及轨缝间隙对轮轨局部系统摩擦耦合振动的影响规律。在钢轨波磨和焊接不良区段,随着钢轨波磨和焊接不良波深增大,轮轨系统摩擦耦合振动随之增大,并在钢轨波磨波深为0.02-0.03 mm和焊接不良波深为0.25-0.30 mm时增长速率最大;在轨缝不良区段,随着轨缝间隙的增大,轮轨系统摩擦耦合振动随之增大,当轨缝间隙8-10 mm时,其增长速率达到最大。(4)基于典型轨道损伤处的轮轨系统摩擦耦合振动分析,从降低延缓轨道损伤的发展趋势的角度,提出了相应的打磨优化限值。在波长为50 mm钢轨波磨和波长为100 mm的焊接不良区段,其打磨优化限值分别为0.02 mm和0.25 mm;在轨缝不良区段,轨缝间隙的优化限值为8 mm;轮轨系统摩擦耦合振动均可以得到有效的抑制,进而抑制轨道病害的发展趋势。

关键词：山地城市地铁轨道损伤车辆-轨道系统动力学轮轨系统摩擦耦合振动打磨限值

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山地城市地铁钢轨波磨打磨限值及廓形优化研究

山地城市地铁钢轨波磨打磨限值及廓形优化研究

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作者：唐传平重庆交通大学

学位级别：硕士

山地城市的复杂地形和多变气候条件使得地铁线路钢轨波磨问题更加突出,且随着地铁网络的不断扩展和客流量的持续增长,钢轨波磨病害的治理也变得更加迫切。钢轨打磨作为一种有效控制钢轨波磨的技术手段,国内外已有较多的研究基础和实践... 详细信息

山地城市的复杂地形和多变气候条件使得地铁线路钢轨波磨问题更加突出,且随着地铁网络的不断扩展和客流量的持续增长,钢轨波磨病害的治理也变得更加迫切。钢轨打磨作为一种有效控制钢轨波磨的技术手段,国内外已有较多的研究基础和实践经验。但针对山地城市地铁特殊环境的钢轨波磨打磨限值和打磨廓形优化的研究尚显不足。因此,本文以重庆地铁线路的钢轨波磨为研究对象,研究其现场测量和打磨控制方法,形成一套钢轨波磨测量-打磨限值评判-打磨廓形优化的完整研究过程,有助于提升山地城市地铁钢轨打磨技术的针对性和有效性。本文主要的工作和结论如下:(1)以重庆地铁线路为研究对象开展现场调研,掌握地铁线路全线和局部钢轨波磨的分布特征;基于结构光视觉测量原理搭建钢轨廓形的测量系统,编写程序来分别进行测量系统标定、测量图像处理和图像配准;最后对现场钢轨波磨高发区段进行实测并处理,从而得到现场钢轨廓形和波磨的波深数据。研究发现:山地城市地铁复杂的线路条件导致了小半径曲线段钢轨波磨频发且复杂严重,其波长主要分布为30-60 mm,波深为0.1-0.5 mm;测量钢轨廓形图像配准的均方根误差为0.485,结构光测量与机械式测量的波磨波深值平均误差为0.0696 mm。提出基于结构光的测量方法具有一定准确性,为现场数据采集提供手段。(2)根据现场调研,首先分别构建车辆-轨道耦合动力学模型和小半径曲线区段轮轨系统有限元模型。然后,进行动力学分析来探究钢轨波磨对各动力学评价指标的影响规律;进行摩擦耦合振动分析来探究钢轨波磨激励下轮轨系统的摩擦耦合振动特性,从而得出两组限值。最后,综合评价并提出钢轨波磨的综合打磨限值。研究表明:各动力学指标均随钢轨波磨波长减小或波深增大而不断增大,轮重减载率和轮轨垂向力的敏感度最大。波磨波深变化不改变系统振动主频,波长越小会引起更高频的振动,振动频率与钢轨波磨激发频率接近。随着钢轨波磨波长减小或波深增大,轮轨摩擦耦合振动愈加剧烈。针对波长为30 mm、40 mm、50 mm和60 mm的钢轨波磨,建议的综合打磨限值分别为0.04 mm、0.1 mm、0.25mm和0.3 mm。(3)结合现场测量,首先基于NURBS曲线构造钢轨廓形的参数化模型。然后,根据轮轨接触性能响应分析不同打磨深度下的粗打磨廓形。最后,融合人工神经网络和多目标优化对钢轨波磨的粗打磨廓形进行多目标优化并求得精打磨廓形。研究表明:轮轨接触应力和复特征值实部在波磨波峰处最大和波谷处最小,波峰至波谷处逐渐减小。随钢轨廓形打磨深度增大,两组指标值均减小,且打磨深度越接近打磨限值结果变化越小,说明钢轨波磨打磨越彻底越能改善轮轨接触,抑制钢轨波磨的发展,实际打磨时依据情况打磨深度可略微减小;经过参数调优的神经网络模型有较好的泛化性和鲁棒性。相比于粗打磨廓形,多目标优化后的精打磨优化廓形的轮轨接触应力减小比例13.2%,复特征值实部减小比例16.2%,轮轨接触磨耗功减小比例26.3%。同时,三项接触指标计算值与预测值的误差分别为6.49%、7.98%和5.81%。说明经过粗打磨后再精打磨优化的钢轨波磨精打磨廓形能明显改善轮轨接触性能,减小轮轨摩擦自激振动,进而抑制钢轨波磨的发展。

关键词：山地城市地铁钢轨波磨结构光视觉测量打磨限值打磨廓形优化

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山地城市地铁长大坡道区段钢轨波磨机理及控制方法研究

山地城市地铁长大坡道区段钢轨波磨机理及控制方法研究

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作者：尹越重庆交通大学

学位级别：硕士

山地城市因地势起伏较大,导致其地铁线路长大坡道居多,因此列车运行常处于上坡牵引或下坡制动状态。复杂的地铁线路条件及列车服役工况导致轮轨接触关系恶化,加剧了长大坡道区段钢轨波磨问题,从而极大地增加了山地城市地铁运营维护成本... 详细信息

山地城市因地势起伏较大,导致其地铁线路长大坡道居多,因此列车运行常处于上坡牵引或下坡制动状态。复杂的地铁线路条件及列车服役工况导致轮轨接触关系恶化,加剧了长大坡道区段钢轨波磨问题,从而极大地增加了山地城市地铁运营维护成本。本文基于轮轨摩擦自激振动理论及磨耗理论,开展了山地城市地铁长大坡道区段钢轨波磨机理及控制方法研究。首先,根据长大坡道区段现场调研,分析了牵引/制动工况下车辆-轨道系统的动力学特性以及轮轨系统的摩擦自激振动特性,探究了长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的振动诱因。进而,分析了牵引/制动工况下钢轨波磨的磨耗特性,预测了长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的磨耗发展。最后,研究了牵引/制动摩擦副关键参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律,提出了长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的控制方法。本文主要工作和结论如下:（1）在长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的振动诱因研究中,首先对山地城市地铁长大坡道测试区段的上下行进行了现场调研。然后分别构建了上坡和下坡的车辆-轨道系统的动力学模型,探究了牵引/制动工况下车辆-轨道系统的动力学特性。最后分别构建了该区段轮对-钢轨-牵引/制动系统的有限元模型,采用复特征值法研究了牵引/制动工况下轮轨系统的摩擦自激振动特性。结论表明:圆曲线段与缓和曲线段的交接处并伴随坡度变化的位置,以及轮轨蠕滑率趋于饱和的拐点位置,是长大坡道钢轨波磨的高发区段。而且列车在长大坡道区段运行时,牵引工况比制动工况更容易诱导钢轨波磨产生。牵引工况下的轮轨和牵引子系统的共同作用,以及制动工况下的轮轨与制动子系统的共同作用,产生的摩擦自激振动诱发了长大坡道区段的钢轨波磨,为第五章长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的控制方法研究提供了理论基础与模型基础。（2）在长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的磨耗发展研究中,首先采用红外线钢轨波磨磨耗测量装置,测量了长大坡道牵引/制动区段钢轨波磨的磨耗量。然后建立了牵引/制动工况下钢轨波磨的磨耗模型,结合瞬时动态分析及摩擦功磨耗理论,计算了牵引/制动工况下单个轮对通过时的钢轨磨耗深度。最后对比仿真预测数据与现场实测数据,确定了牵引/制动工况下钢轨的磨耗修正系数。结论表明:对比同一长大坡道牵引/制动区段,牵引区段钢轨波磨的磨耗发展更迅速。牵引工况下单个轮对通过的钢轨磨耗量为5.18×10-7 mm,制动工况下单个轮对通过的钢轨磨耗量为4.72×10-7 mm。对比仿真预测数据与现场实测数据,牵引工况下钢轨的磨耗修正系数μ1=1.16,制动工况下钢轨的磨耗修正系数μ2=1.13,为山地城市地铁长大坡道区段钢轨波磨的打磨周期提供了理论依据。（3）在长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的控制方法研究中,首先开展了长大坡道区段牵引/制动工况下轮轨、牵引以及制动摩擦副的影响研究,确定了影响轮轨系统摩擦自激振动的关键摩擦副。然后探究了牵引/制动摩擦副关键参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。最后采用神经网络拟合及模拟退火寻优,提出了长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的控制方法。结论表明:牵引/制动摩擦副极大地增加轮轨系统产生摩擦自激振动的可能性,导致列车在长大坡道区段牵引/制动工况下运行时容易诱导钢轨波磨产生。在牵引工况下降低牵引速度和增加齿轮啮合刚度,或者设置齿轮啮合刚度为2000 N·m-1,牵引速度为80 km·h-1,在制动工况下减小制动摩擦系数和制动压力,或者设置制动摩擦系数为0.35,制动压力为5 k N,能有效抑制长大坡道区段牵引/制动工况下钢轨波磨的产生,为山地城市地铁长大坡道区段钢轨波磨的防治措施提供了理论指导。

关键词：钢轨波磨牵引工况制动工况长大坡道山地城市地铁

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