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地铁车轮多边形磨耗动态监测评价指标

城市轨道交通研究 2024年第12期27卷 235-240页

作者：陈洪轩马盛况沈钢余道洪王伟铭范广能同济大学铁道与城市轨道交通研究院上海201804 中车南京浦镇车辆有限公司南京210031

[目的]地铁车轮的多边形磨耗会使车辆产生振动,影响车辆运行的平稳性和舒适性。现有的车轮不圆度静态检测手段需要消耗大量的人力、物力,因此需对车轮多边形磨耗的严重程度进行动态监测。[方法]建立整车刚性、轨下基础柔性动力学仿真模... 详细信息

[目的]地铁车轮的多边形磨耗会使车辆产生振动,影响车辆运行的平稳性和舒适性。现有的车轮不圆度静态检测手段需要消耗大量的人力、物力,因此需对车轮多边形磨耗的严重程度进行动态监测。[方法]建立整车刚性、轨下基础柔性动力学仿真模型;提出基于钢轨振动加速度的车轮多边形阶数特征分析方法,分析车轮多边形磨耗评价指标,并基于实测数据对其进行验证。[结果及结论]车轮多边形程度指标K受轨道不平顺影响小,能够定量地反映车轮的不圆程度;基于评价指标K计算获得的车轮多边形幅值与实际车轮的圆周径跳幅值具有较好的一致性。

关键词：地铁车辆车轮多边形磨耗

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车轮多边形磨耗对机车振动行为的影响

车轮多边形磨耗对机车振动行为的影响

2018年全国固体力学学术会议

作者：陶功权刘欢温泽峰罗贇陈国胜西南交通大学牵引动力国家重点实验室

某和谐型货运电力机车遭受较为严重的车轮多边形磨耗,导致机车振动和噪声显著增加。为研究车轮多边形磨耗对机车振动行为的影响,建立了机车-轨道刚柔耦合动力学模型,如图1所示。模型中轮对和构架采用有限元建模,机车其它部件考虑为刚体... 详细信息

某和谐型货运电力机车遭受较为严重的车轮多边形磨耗,导致机车振动和噪声显著增加。为研究车轮多边形磨耗对机车振动行为的影响,建立了机车-轨道刚柔耦合动力学模型,如图1所示。模型中轮对和构架采用有限元建模,机车其它部件考虑为刚体;钢轨采用铁木辛柯梁模拟,轨枕和有砟道床考虑为刚体。详细考虑了机车子系统和轨道子系统各部件之间的连接关系以及机车子系统中各悬挂元件的非线性特性。以实测车轮多边形磨耗为输入激励,仿真计算了车轮多边形态下机车的振动行为,并与机车线路振动测试结果进行了对比,如图2和图3所示。仿真计算得到的轴箱和构架加速度时域和频域结果与测试结果具有较好吻合。车轮多边形激励起了轮对的一阶弯曲振动,频率约为90 Hz,仿真结果中较好地体现了这一振动特性。此外,通过数值仿真和现场测试探明了车轮多边形激励下机车振动的传递关系,为减缓机车振动提供了必要地指导。车轮多边形激励下引起的轮对振动主要通过电机吊杆传递至构架。控制车轮多边形幅值和合理设计电机吊杆的刚度和阻尼参数是降低机车振动的关键。

关键词：机车车轮多边形磨耗振动刚柔耦合动力学

车轮多边形磨耗的演变对车桥耦合系统振动响应的影响

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车轮多边形磨耗的演变对车桥耦合系统振动响应的影响

第一届全国人因振动工程理论及技术应用学术会议（CHVE 2023）

作者：张钞奕吴梦雪唐德发徐昕宇李永乐

车轮多边形磨耗的演变会影响桥上高速列车运行的品质和桥梁结构的安全运营,为分析车轮多边形磨耗主导阶数的发展对车桥耦合振动系统响应的影响,针对多边形磨耗主导阶数的关键影响因素及发展规律进行归纳总结,采用ANSYS和SIMPACK联合仿... 详细信息

车轮多边形磨耗的演变会影响桥上高速列车运行的品质和桥梁结构的安全运营,为分析车轮多边形磨耗主导阶数的发展对车桥耦合振动系统响应的影响,针对多边形磨耗主导阶数的关键影响因素及发展规律进行归纳总结,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真方法,对不同影响因素下车轮多边形磨耗主导阶数的演变对车桥耦合系统振动特性的影响展开研究。研究结果表明:随着运营里程的增加,当车轮多边形磨耗阶数从3阶演变到20阶过程中,桥梁跨中横向加速度和竖向加速度分别增加了1.26倍和4.97倍,列车脱轨系数增加了1.44倍;列车速度从200km/h提升到300km/h过程中,车轮多边形磨耗的主导阶数从30阶演变到20阶,当列车以300km/h(车轮多边形磨耗主导阶数为20阶)运行时,与200km/h(车轮多边形磨耗主导阶数为30阶)运行时相比,列车脱轨系数增加了1.75倍;钢轨扣件垂向刚度从80MN·m-1(车轮多边形磨耗主导阶数为20阶)增加到150MN·m-1(车轮多边形磨耗主导阶数为2阶)过程中,桥梁跨中横向加速度和竖向加速度分别降低了21.73%和65.72%,列车脱轨系数降低了58.08%;车轮直径从915mm(车轮多边形磨耗主导阶数为20阶)减小到830mm(车轮多边形磨耗主导阶数18阶)过程中,列车脱轨系数在车轮轮径为830mm(车轮多边形磨耗主导阶数为18阶)时最小,约为0.31。整体来讲,当车轮产生高阶多边形磨耗时,列车出现瞬时跳动现象,需要及时对车轮进行镟修打磨工作。

关键词：车轮多边形磨耗列车—桥梁耦合系统主导阶数演变动力响应

基于摩擦自激振动引起高速列车车轮多边形磨耗的仿真研究

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基于摩擦自激振动引起高速列车车轮多边形磨耗的仿真研究

作者：王科西南交通大学

学位级别：硕士

随着高速列车车速的提升,车辆和轨道之间的动力作用会加剧。这种剧烈的动力作用会引起车辆强迫振动,使列车车轮磨耗损伤问题恶化。车轮多边形磨耗是车轮磨耗损伤的一种特殊形式。当车轮存在多边形磨耗时,非圆的车轮在车辆行驶过程中会... 详细信息

随着高速列车车速的提升,车辆和轨道之间的动力作用会加剧。这种剧烈的动力作用会引起车辆强迫振动,使列车车轮磨耗损伤问题恶化。车轮多边形磨耗是车轮磨耗损伤的一种特殊形式。当车轮存在多边形磨耗时,非圆的车轮在车辆行驶过程中会产生周期性的垂向激励并引起车辆的强迫振动,加速车辆部件损坏,影响乘客乘车舒适度。同时,高频大幅振动可能会导致机车发生脱轨。但国内外对车轮多边形磨耗的形成机理并没有一个明确且统一的认识。目前而言,针对车轮多边形磨耗问题,一般只有采取对非圆车轮进行镟修的办法来降低其危害。但这种方法会增加列车的维护费用,不能从根本上解决问题。所以最好的办法是研究车轮多边形磨耗的形成机理,从源头采取措施消除其产生条件。西南交通大学的陈光雄教授提出了摩擦自激振动可以引起车轮多边形磨耗的观点。该观点认为高速列车在直线轨道牵引加速或制动减速时,可能发生轮轨滑动现象。此时轮轨间的蠕滑力趋于饱和,其大小约等于摩擦力。在这种饱和的蠕滑力作用下,轮轨系统可能发生不稳定摩擦自激振动,从而导致摩擦功波动并引起车轮多边形磨耗现象。本文运用有限元软件提供的瞬时动态分析法验证了摩擦自激振动可以导致摩擦功波动从而引起车轮多边形磨耗的观点;运用有限元软件提供的复特征值分析法研究扣件阻尼和刚度、摩擦系数、轴重对摩擦自激振动发生趋势的影响。从产生条件出发提出了抑制车轮多边形磨耗的方法。本文的主要工作如下:(1)对国内外车轮多边形磨耗的研究现状进行了调查。国内外学者对车轮多边形磨耗的研究主要是通过仿真研究和现场试验两种方法。他们建立了车辆-轨道动力学模型并结合考虑了车轮初始不圆顺的车轮踏面磨耗模型,进行迭代计算。同时结合现场实测数据,预测车轮多边形磨耗的发展规律,研究车轮多边形磨耗对车辆动力学的影响。(2)通过有限元软件ABAQUS提供的瞬时动态分析法分析高速列车通过直线轨道时轮轨系统摩擦自激振动的动态特性。对钢轨表面节点垂向振动加速度和轮轨间法向接触力信号进行PSD分析,得到振动的主导频率为239.16Hz。研究发现由饱和蠕滑力作用引起的轮轨系统摩擦自激振动会导致轮轨间法向接触力波动,摩擦功也会以同频率波动。摩擦自激振动可以引起车轮多边形磨耗现象。(3)通过有限元软件ABAQUS提供的复特征值分析法,研究轮轨系统的稳定性。通过该方法预测轮轨系统可能发生自激振动的频率和对应的振动模态。通过复特征值分析法得到的振动主导频率为239.48Hz。并探讨扣件阻尼和刚度、摩擦系数、轴重对轮轨系统的摩擦自激振动发生趋势的影响。提出了提高扣件阻尼的大小,在一定范围内提高扣件刚度的大小和降低轮轨摩擦系数的大小是抑制高速列车车轮多边形磨耗的可能办法。并发现仅通过改变轴重大小并不能抑制车轮多边形磨耗。

关键词：高速列车直线轨道蠕滑力摩擦自激振动车轮多边形磨耗瞬时动态分析复特征值分析

动车组车轮多边形磨耗发展历程模拟及影响因素的研究

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动车组车轮多边形磨耗发展历程模拟及影响因素的研究

作者：任海星北京交通大学

学位级别：硕士

随着我国高速铁路的发展,动车组车辆运营速度的不断提高,一些问题逐渐显露出来,车轮多边形磨耗就是亟待解决的问题之一。针对动车组车轮多边形磨耗愈发严重的问题,本文基于多体动力学理论建立车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,结合Archard... 详细信息

随着我国高速铁路的发展,动车组车辆运营速度的不断提高,一些问题逐渐显露出来,车轮多边形磨耗就是亟待解决的问题之一。针对动车组车轮多边形磨耗愈发严重的问题,本文基于多体动力学理论建立车辆-轨道刚柔耦合动力学模型,结合Archard磨耗模型,建立长期磨耗迭代模型。使用长期磨耗迭代模型模拟了动车组车辆运行速度分别为250km/h和300km/h时车轮多边形磨耗从无到有的整个发展历程,将计算结果与文献报告和实测车轮多边形磨耗进行对比,仿真与实测结果吻合验证了长期磨耗迭代模型的准确性。为探究车轮多边形磨耗产生的原因,使用长期磨耗迭代模型对比分析了钢轨和轮对的模态振动特性对车轮多边形磨耗发展的影响,通过研究扣件垫板的刚度和阻尼特性对车轮多边形磨耗发展的影响进一步确定了车轮多边形磨耗产生的原因。另外,研究了车辆匀速与变速运行,变速方式,车轮表面状态以及钢轨波磨等外部因素对车轮多边形磨耗发展的影响。具体研究工作如下:1、根据多体动力学理论,以某型高速动车组拖车的实际运行参数为基础建立了多刚体车辆动力学模型。构建柔性轮对和柔性轨道的有限元模型,对多刚体动力学模型中的刚性轮对和刚性轨道进行替换,从而获得车辆刚柔耦合动力学模型。将实测车轮多边形磨耗输入动力学模型进行计算,将计算得到的钢轨振动加速度峰值与测量峰值对比误差较小,证明了考虑柔性轮对和柔性钢轨的车辆刚柔耦合动力学模型的可靠性。2、通过编写程序将车轮圆周均匀离散为若干个点,设置动力学模型的采样频率以获取每个采样点的动力学数据。提取动力学计算结果,将FASTSIM算法与Archard磨耗模型相结合,得到轮轨接触斑上的磨耗分布,将磨耗纵向叠加横向取均值来表示该点在车轮滚动一圈产生的磨耗量。使用傅里叶级数对圆周磨耗进行平滑,设置合适的放大系数,将放大后的磨耗与车轮初始多边形结合获得磨耗后的车轮多边形磨耗,以此作为新的参数进行输入,通过不断迭代的方式构建出可以模拟车轮多边形磨耗发展全过程的长期磨耗迭代模型。将文献报告和实测车轮多边形磨耗与仿真计算结果进行对比验证了长期磨耗迭代模型的准确性。3、使用长期磨耗迭代模型仿真模拟了动车组车辆不同速度下的车轮多边形磨耗从无到有的发展过程,对车轮多边形磨耗的主要阶次进行统计分析发现不同速度下车轮多边形磨耗的主要阶次产生的激励频率均在550～600Hz范围内。通过这一现象推测出在轮轨之间存在一个具有固定频率的激励源,这一激励源对车轮多边形磨耗的产生具有促进作用,该激励源应为结构模态振动,存在于轮对和钢轨的二者之一或同时存在。4、探究了车轮多边形磨耗的产生原因,使用长期磨耗迭代模型对比分析了轮对和钢轨的模态振动特性对车轮多边形磨耗发展的影响,对比计算结果发现钢轨的模态振动特性对车轮多边形磨耗的产生和发展具有一定的促进作用。研究了钢轨扣件垫板的刚度和阻尼特性对车轮多边形磨耗发展的影响,进一步确定了钢轨的模态振动特性对车轮多边形磨耗发展的促进作用。5、使用长期磨耗迭代模型研究了车轮表面状态、车辆运行速度以及钢轨波磨等外界因素对车轮多边形磨耗的影响。结果表明提高轮对镟修质量,降低车轮初始不圆顺幅值,提高车轮表面硬度等措施可以在一定程度上抑制车轮多边形磨耗的发展。车辆在不同的运行速度下产生的车轮多边形磨耗的阶次和发展速度不同,产生这种现象的原因在于不同速度下的激励波长能否整除车轮周长,当激励波长能够整除车轮周长时将会促进车轮多边形磨耗的发展速度。车辆运营过程中频繁改变速度对车轮多边形磨耗的抑制效果明显,其中速度随机变化产生抑制效果最好。钢轨波磨的存在将会促进车轮多边形磨耗的产生和发展,当波长能够整除车轮周长时这种促进效果最明显,随着钢轨波磨幅值的增大对车轮多边形磨耗的促进作用将会逐渐提升。图85幅,表13个,参考文献70篇。

关键词：车轮多边形磨耗耦合动力学模型长期磨耗迭代模型动车组

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基于深度学习的重载机车车轮多边形磨耗识别

基于深度学习的重载机车车轮多边形磨耗识别

第十五届全国振动理论及应用学术会议（NVTA2023）

作者：董茂勇陈是扦翟婉明西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室

随着重载机车运量和速度提高,轮轨间相互作用变得日益激烈,车轮磨耗程度显著提升,车轮多边形化现象日益频繁。车轮多边形磨耗严重影响着机车的运行安全性和乘坐舒适性,是导致车辆异常振动的主要激励源。通过轴箱加速度信号及时监测并检... 详细信息

随着重载机车运量和速度提高,轮轨间相互作用变得日益激烈,车轮磨耗程度显著提升,车轮多边形化现象日益频繁。车轮多边形磨耗严重影响着机车的运行安全性和乘坐舒适性,是导致车辆异常振动的主要激励源。通过轴箱加速度信号及时监测并检测车轮多边形化是一种可行的动态诊断方法。为此,本研究基于深度学习方法提出了一种机车车轮多边形化定量检测框架,首先通过阶次分析确定车轮多边形化的主要磨耗阶次,其次搭建了一个融合卷积神经网络和长短时记忆网络的模型,卷积神经网络用于挖掘并提取原始轴箱加速度信号中的高级代表性特征,保留与车轮多边形磨耗幅值相关的信息,长短时记忆网络学习信号的长期依赖关系,防止网络模型梯度消失和爆炸,最后在仿真分析和现场试验中实现了均方根误差分别为3.2E-4和7.7E-4的高精度估计结果,验证了模型的可行性和有效性。所提出的检测方法可为车轮镟修作业提供指导性意见,为实现智能化运维提供理论基础。

关键词：车轮多边形磨耗轴箱加速度深度学习重载机车定量检测

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研磨子对车轮多边形磨耗的抑制机理分析

研磨子对车轮多边形磨耗的抑制机理分析

第十九届全国非线性振动暨第十六届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2023）

作者：董雅宏曹树谦

为了探明研磨子对车轮多边形磨耗的抑制机理,提高其抑制效果,基于转子动力学、摩擦自激振动、轮轨滚动接触等理论,考虑初始高阶多边形,建立车轮-研磨子耦合系统单盘转子动力学模型,研究了系统的振动特性。基于Archard磨耗模型,建立车轮... 详细信息

为了探明研磨子对车轮多边形磨耗的抑制机理,提高其抑制效果,基于转子动力学、摩擦自激振动、轮轨滚动接触等理论,考虑初始高阶多边形,建立车轮-研磨子耦合系统单盘转子动力学模型,研究了系统的振动特性。基于Archard磨耗模型,建立车轮-研磨子磨耗模型,定义了研磨效果评价指标,实现了车轮-研磨子接触对抑制车轮多边形磨耗贡献的定量评价,找到了提高车轮多边形磨耗抑制效果的系统参数优化方案。研究结果表明:研磨子法向接触力几乎与车轮高阶多边形同频率、同相位,车轮多边形波峰处的研磨量始终大于波谷处的研磨量,增大法向接触刚度、适当增加研磨子长度和降低出闸压力可以提高研磨效果。研究成果为研磨子抑制车轮多边形磨耗的机理及提高抑制效果提供了新思路和理论依据。

关键词：研磨子车轮多边形磨耗抑制机理转子动力学

机车多边形磨耗车轮镟修异常原因分析及改进措施

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中南大学学报（自然科学版） 2019年第9期50卷 2317-2326页

作者：任德祥陶功权刘欢梁红琴陈国胜温泽峰西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 西南交通大学机械工程学院四川成都610031 大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室湖南株洲412000

针对某型号不落轮镟床不能有效消除机车车轮多边形磨耗的问题,建立车轮镟修的几何关系模型,分析采用驱动轮定位镟床不能有效消除车轮多边形的原因。基于SolidWorks Motion模块建立该镟床镟修的仿真模型,仿真不同状态多边形车轮的镟修效... 详细信息

针对某型号不落轮镟床不能有效消除机车车轮多边形磨耗的问题,建立车轮镟修的几何关系模型,分析采用驱动轮定位镟床不能有效消除车轮多边形的原因。基于SolidWorks Motion模块建立该镟床镟修的仿真模型,仿真不同状态多边形车轮的镟修效果,并研究相应的改进措施。研究结果表明:当车轮与镟床驱动轮接触点之间的弧长约为车轮多边形波长的整数倍时,采用驱动轮定位镟修将产生极强的仿形效果,这是不能有效消除多边形磨耗的根本原因。采用多次进刀镟修无明显改善效果,通过改变驱动轮间距可有效改善车轮多边形的镟修质量。建议将传统不落轮镟床优化设计为驱动轮间距可调节的改进型镟床,或采用轴箱定位镟修。

关键词：机车车轮车轮多边形磨耗不落轮镟修

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车轮多边形激励下高速列车制动界面摩擦学行为分析

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摩擦学学报 2022年第6期42卷 1083-1093页

作者：王志伟张亮莫继良王开云西南交通大学机械工程学院摩擦学研究所四川成都610031 西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗,是列车服役过程中常见的车轮失效现象,其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性.制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件,其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响.... 详细信息

高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗,是列车服役过程中常见的车轮失效现象,其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性.制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件,其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响.为探究车轮多边形激励下的制动界面摩擦学行为,建立了刚柔耦合车辆动力学模型和制动系统热机耦合有限元模型,并分别通过线路试验和台架试验验证了模型的正确性.然后,提出一种考虑车轮多边形激励的制动界面摩擦学行为分析方法,能够真实地反映服役过程中制动界面摩擦学行为.基于此,研究了不同车辆运行速度下车轮多边形激励对制动系统动态接触、温度以及振动特性的影响规律.结果表明:车轮多边形磨耗导致系统接触面积、摩擦热、接触应力和振动等摩擦学行为更为复杂且剧烈.此外,系统接触面积标准差和振动加速度均方根值随速度的增加而增大.因此,车轮多边形磨耗对制动界面摩擦学行为具有不可忽略的影响.该研究成果可为制动系统界面摩擦学行为研究及结构优化设计提供有效方法与工程指导.

关键词：高速列车摩擦学行为车轮多边形磨耗制动系统热机耦合

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