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基于图像处理的列车轮轨接触关系研究

基于图像处理的列车轮轨接触关系研究

作者：杨桐兰州交通大学

学位级别：硕士

轮轨接触关系的研究是铁路交通安全运输的必要课题之一。我国铁路高速、重载的发展趋势直接导致轮轨间的动态相互作用加剧,严重影响车辆系统的安全性和平稳性,一旦列车发生脱轨,会造成生命财产的巨大损失。因此必须重视列车轮轨接触关... 详细信息

轮轨接触关系的研究是铁路交通安全运输的必要课题之一。我国铁路高速、重载的发展趋势直接导致轮轨间的动态相互作用加剧,严重影响车辆系统的安全性和平稳性,一旦列车发生脱轨,会造成生命财产的巨大损失。因此必须重视列车轮轨接触关系研究问题,并积极探索解决脱轨问题的有效方法和路径。由于轮轨接触关系复杂且决定列车是否脱轨的因素众多,本文采用图像处理技术和多传感器数据融合技术对列车轮轨接触状态进行跟踪处理,预测的动态脱轨系数用于指导列车的安全运行,研究内容如下:（1）根据轮轨接触几何状态的特点,按照位移量和接触点的不同建立了道岔区和无岔区轮轨接触模型,结合车载摄像机采集到轮轨接触区图像特征以及爬轨实验中车轮抬升量随时间变化曲线图,以轮轨中心线相对位移量的不同对轮轨接触状态进行了安全等级分类,确立了位移量脱轨评判准则。（2）建立相机成像的几何模型,通过实验与计算求解几何模型参数对摄像系统进行标定。采用一种综合径向畸变、切向畸变和薄棱镜畸变因素的两步标定算法,通过求解出内外参数和多次迭代逼近,在Matlab仿真平台中运行标定算法,标定结果精度和实时性优于张氏标定法,对现场实际采集的无标定过程的无岔区与道岔区轮轨接触图像帧的畸变进行了复原,从枕木的弯曲程度上可以看到校正效果良好。（3）采用组合标记控制法改进分水岭存在的过分割问题,对预处理后图像进行形态学的膨胀腐蚀操作并结合图像信息熵得到优化后的梯度图像,进行高低帽变换标记出阈值,将分水岭分割后的结果作为T-snake变换的初始轮廓。引入区域能量项改进T-snake模型曲率约束不足的问题,实验结果表明分水岭优化的T-snake算法对复杂背景下的轮轨接触区域图像提取效果理想。（4）构建基于遗传算法优化的小波神经网络的多传感器数据融合模型,小波神经网络非线性逼近和容错能力强,遗传算法优化后可提高预测模型的精度和收敛速度。输入相对位移量,速度量,加速度量以及轮重减载率进行数据融合预测脱轨系数。现场测试结果显示,利用该方法预测的脱轨系数准确率高,考虑因素较为全面。采用K折交叉验证法,结果表明预测模型具有良好的鲁棒性和和准确性。

关键词：轮轨接触分水岭算法 T-snake模型多传感器数据融合脱轨系数预测

基于有限元法的轮轨滚动行为模拟试验台轮轨接触特性研究

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基于有限元法的轮轨滚动行为模拟试验台轮轨接触特性研究

作者：罗易飞西南交通大学

学位级别：硕士

轮轨试验台是研究轮轨滚动接触及损伤行为的重要工具,其轮轨接触行为与现场的异同决定了其适用性。西南交通大学牵引动力国家重点实验室建立的“轮轨滚动行为模拟试验台”属于缩尺车轮—环轨型轮轨试验台,与传统的双轮对滚试验台相比,... 详细信息

轮轨试验台是研究轮轨滚动接触及损伤行为的重要工具,其轮轨接触行为与现场的异同决定了其适用性。西南交通大学牵引动力国家重点实验室建立的“轮轨滚动行为模拟试验台”属于缩尺车轮—环轨型轮轨试验台,与传统的双轮对滚试验台相比,可考虑轨下离散支承特性。但该试验台的模拟特性及适用范围尚不明确,其应用亦处于起步阶段。鉴于此,本文运用有限元方法对轮轨滚动行为模拟试验台的轮轨接触特性开展数值模拟研究,为该试验台的应用提供有意义的理论参考。首先指出有限元模拟该试验台的轮轨接触行为、分析其模拟特性的必要性,就国内外轮轨试验台应用现状、轮轨滚动接触求解方法、试验台模拟特性分析等方面开展文献综述。以轮轨滚动行为模拟试验台的设计参数建立了试验轮轨的静态接触和瞬态滚动接触有限元模型,可获得时域轮轨力、接触应力、蠕滑率等结果,结合Tγ磨耗模型(T、γ分别为轮轨切向力和蠕滑率)可进一步求解钢轨磨耗深度。相应地,以同样的方法建立了线路服役轮轨的静态接触和瞬态滚动接触有限元模型,用于试验轮轨模拟特性的定量分析。以Hertz接触最大法向接触应力等效准则确定试验车轮垂向载荷,分析车轮纵向位置、车轮冲角、车轮横移量对试验轮轨静态接触的影响,并与同等条件下的服役轮轨进行了比较。结果表明,试验轮轨具备精确模拟服役轮轨静态接触的能力,车轮纵向位置和车轮冲角对其静态接触的影响很小,但由于侧滚自由度的差异,车轮横移量需控制在-1.0～3.0 mm才能定量地再现服役轮轨的接触应力、接触斑几何、轨内Von Mises等效应力等静态接触特征。在轮轨表面平顺的条件下,求解了试验轮轨典型工况(速度116.7 km/h、牵引系数0.1、黏着系数0.5)下的瞬态滚动接触,探明了牵引系数、速度、黏着系数对其瞬态滚动接触行为的影响规律,以1:3的速度缩比和350 km/h的服役轮轨进行了定量对比。结果表明,试验轮轨具有偏高的轮轨横向力、切向接触应力、自旋蠕滑率、钢轨磨耗深度,其速度的增大使轮轨力波动更加明显,牵引系数增大会显著提高轮轨纵向力、切向接触应力、纵向蠕滑率、钢轨磨耗深度,黏着系数降低使得其纵向蠕滑率和钢轨磨耗深度分别显著增大和减小。对于高速(350 km/h)条件下的试验轮轨瞬态滚动接触模拟,通过在隐式积分中考虑轮轨初始转速,改善了模型求解效果。引入轨面单个凹坑和连续波磨两种高频激励,得到激励下的轮轨瞬态滚动接触行为以及不平顺的发展趋势,探明了凹坑长度与深度、波磨波长与波深对试验轮轨瞬态滚动接触的影响规律,定量对比了典型激励下试验轮轨和服役轮轨的瞬态滚动接触行为。结果表明,典型凹坑激励下,试验轮轨垂向力和接触应力先减后增,凹坑有扩宽、变浅的趋势;凹坑长度增加(>10 mm时)会使轮轨垂向力和接触应力波动量、钢轨最大磨耗深度减小;凹坑深度增加使得轮轨力波动量、接触应力均增大,钢轨最大磨耗深度总体上呈增大趋势。典型波磨激励下,试验轮轨的轮轨力和接触应力呈周期性波动且滞后于波磨几何,波磨有波长不变、纵向位置逐渐移动的趋势;波长的增加显著降低试验轮轨垂向力、接触应力峰值及波动量,波长超过26.7 mm后钢轨磨耗深度变化不大;当波深增加,轮轨力和接触应力波动量均线性增大,钢轨磨耗深度总体上减小。与等比例的凹坑或波磨激励下的服役轮轨相比,试验轮轨会低估轮轨力和接触应力的波动幅度而高估钢轨磨耗深度。作为对上述时域结果的补充,从频域的角度对比了试验轮轨和服役轮轨的固有特性。结果表明:试验轨道和服役轨道的垂向敏感频带分别为2 222～2 901、963～1 845Hz,横向敏感频率分别为1 904、2 699 Hz和528、692、963、1 845 Hz。试验车轮的固有频率是同等振型的服役轮对的2.30～5.05倍,试验钢轨扭转和垂向弯曲固有频率分别是服役轨道的4.5倍和3.3倍左右,试验轮轨整体的P2共振固有频率是服役轮轨的1.9倍。

关键词：试验台缩尺车轮—环轨有限元法轮轨接触固有特性

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港口机械轮轨接触分析及车轮小型化研究

港口机械轮轨接触分析及车轮小型化研究

作者：刘绍武同济大学

学位级别：硕士

目前港口机械正朝着大型化、重型化和高效化的方向发展，根据经典公式计算出的许用轮压，就必须加大承重车轮的尺寸或增加数量，从而使得整机的重量增大、重心升高，这对港口机械的稳定性、抗风、抗震等性能以及码头负荷都是极其不利的... 详细信息

目前港口机械正朝着大型化、重型化和高效化的方向发展，根据经典公式计算出的许用轮压，就必须加大承重车轮的尺寸或增加数量，从而使得整机的重量增大、重心升高，这对港口机械的稳定性、抗风、抗震等性能以及码头负荷都是极其不利的。经典公式是基于Hertz理论的，偏于保守，为了分析车轮的实际承载能力，本文使用非线性有限元方法对轮轨关系进行全面的研究。本文的主要工作如下：首先，利用非线性有限元理论对简化的二维轮轨滚动接触问题进行弹塑性分析，为后面的三维分析提供参考，并使用了一个简单的二维模型考查了摩擦系数对二维问题的影响。其次，对港口机械常用的Φ630mm车轮和QU120轨道系统进行了三维弹性分析和弹塑性分析，得出了载荷和应力的关系曲线，为实际的车轮设计及小型化提供借鉴。再次，对目前亚洲最大的4000t全旋转浮式起重机的“滚轮”进行了应力试验，并与有限元解进行对照，证明了本文研究方法的可靠性。最后，对车轮小型化的可能性进行了探讨。经过分析表明，将非线性有限元应用于港口机械的轮轨接触分析是切实可行的，为以后的车轮设计提供了新的思路。

关键词：港口机械轮轨接触非线性有限元车轮小型化

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基于向量式有限元分析轮轨接触问题

机车电传动 2015年第4期 26-30页

作者：钟俊杰广州市地下铁道总公司广东广州511430

基于向量式有限元(V-5)采用间隙单元法编制接触程序模块(V-5-gap),求解二维轮轨静态接触问题;通过对大量载荷进行计算,得到轮轨接触刚度随载荷的函数关系;选取轴重为14 t对应的接触刚度取代间隙单元,采用V-5计算相应接触工况。结果表明:... 详细信息

基于向量式有限元(V-5)采用间隙单元法编制接触程序模块(V-5-gap),求解二维轮轨静态接触问题;通过对大量载荷进行计算,得到轮轨接触刚度随载荷的函数关系;选取轴重为14 t对应的接触刚度取代间隙单元,采用V-5计算相应接触工况。结果表明:V-5-gap计算得到的接触压力分布与ABAQUS结果以及Hertz解吻合;轴重分别为10 t、16 t、20 t时,获得的最大接触压力以及接触斑宽度随载荷变化的趋势合理;采用接触刚度取代间隙单元计算得到的接触压力分布与Hertz理论结果相近,证明采用拟合接触刚度计算接触压力是合理的。

关键词：向量式有限元间隙单元轮轨接触接触刚度 Hertz理论

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轮对弹性及参数对轮轨接触关系影响研究

轮对弹性及参数对轮轨接触关系影响研究

作者：林国进北京交通大学

学位级别：硕士

轮轨接触关系是轨道交通中的重要研究课题之一。随着列车运行速度提高,轮轨相互作用更加激烈,轮轨载荷也更加复杂。为了研究车辆在高速运行时更加真实的轮轨接触状态,本文以我国某型动车组为研究对象,建立了全弹性系统动力学模型,同时... 详细信息

轮轨接触关系是轨道交通中的重要研究课题之一。随着列车运行速度提高,轮轨相互作用更加激烈,轮轨载荷也更加复杂。为了研究车辆在高速运行时更加真实的轮轨接触状态,本文以我国某型动车组为研究对象,建立了全弹性系统动力学模型,同时建立了与之完全对应的刚性系统动力学模型,并在此基础上进行相应的数值计算、分析和研究,结果表明：(1)低速时,刚性和弹性两种动力学模型的轮轨接触特性没有太大的区别;高速时,弹性系统动力学模型能够更加真实地反映轮轨之间相互作用;当两种系统高速曲线通过时,弹性模型更能体现这一特征。(2)随着运行速度提高,轮轨之间相互作用加剧,脱轨系数和减载率均增大,对轮轨系统安全性影响明显。(3)车辆高速通过不同半径曲线轮轨接触状态有所差异,曲线半径较小时轮轨间发生两点接触,导致轮轨磨耗增大,大曲线半径时轮轨间单点接触,轮轨磨耗小;相同曲线半径上,内外两侧车轮纵向蠕滑力大小相同方向相反,横向蠕滑力方向相同但幅值不一致。(4)轮轨间的几何参数对车辆系统动力学性能有影响：临界速度随着轮轨间摩擦系数的增大而增大：改变轮对内侧距导致游间变化从而影响轮轨匹配关系;轨底坡变动同样会对轮轨匹配关系产生直接的影响,如滚动圆横向跨距和轮轨接触斑面积发生变化,即轨底坡越小接触斑面积越大等。本文对弹性系统的轮轨接触特性进行分析和研究,研究结果对降低轮轨磨耗、提高列车运行安全性具有重要意义。

关键词：弹性体轮对轮轨接触曲线通过性能几何参数动力学性

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擦窗机轮轨接触副参数变化对接触性能的影响

擦窗机轮轨接触副参数变化对接触性能的影响

作者：李清磊沈阳建筑大学

学位级别：硕士

随着异形墙面建筑的发展,擦窗机作为一种高空机电一体化的高空作业设备,对于高层建筑和摩天大楼中的幕墙的建造定期维护和清洁,已成为一种重要的高空作业工具。臂长超过30 m的大型窗户清洁器已得到迅速发展,为扩大窗户清洁器的范围并满... 详细信息

随着异形墙面建筑的发展,擦窗机作为一种高空机电一体化的高空作业设备,对于高层建筑和摩天大楼中的幕墙的建造定期维护和清洁,已成为一种重要的高空作业工具。臂长超过30 m的大型窗户清洁器已得到迅速发展,为扩大窗户清洁器的范围并满足更高的操作要求,伸缩臂屋顶轨道式擦窗机已成为该行业的主流型号。擦窗机在实际架设与工作中,轨道架设时会存在伸缩缝,在实际铺设中,轨道也不是完全处于一个平面,会有一定的坡度,机器整体质量和重心的变化如果发生偏移,对擦窗机的行走机构会产生某些不利影响,直接影响机器整体性能和安全性。所以擦窗机行走机构中的承重轮及基础的轨道在工位转换时尤为重要。本文首先以CWGS250型擦窗机为例,使用Solid Works建立擦窗机整机的原尺寸三维模型,将模型导入动力学仿真软件ADAMS中,建立擦窗机的虚拟样机原比例模型。为获得擦窗机运行时行走机构的动态接触特性和动力参数,让擦窗机模型进行一次完整的工位转换过程,为擦窗机承重轮与轨道的结构有限元分析做准备并提供一定的数据。运用赫兹接触理论与有限元弹性接触分析的方法对承重轮与轨道进行点接触与线接触状态下的弹性接触分析,两种理论模型中有限元弹性接触分析的方法较为符合实际接触状态,与Hertz的理论计算方法相比,有限元弹性接触分析方法的局限性更小且更准确。对承重轮和轨道的有限元弹塑性接触分析和弹性接触分析的结果进行比较,结果均显示,承重轮最大接触应力已达到材料的屈服极限,但变形量小且具有较好的承载能力。引入坡度轨道,通过改变接缝处轨道坡度和直轨轨道坡度,总结出一个有参考价值的坡度限定范围,合理限定在实际施工中的基础标准。基于Workebench进行参数化建模,在ANSYS中完成擦窗机轮轨接触的有限元模型,对其进行力学仿真与分析,获得对接触分析影响最大的参数,并以此进行优化,为获得接触分析的有效结果提供参考。最后,对承重轮尺寸进行优化,利用Workebench优化模块对承重轮进行研究,并对优化方案进行六西格玛失效率设计,验证优化结果的合理性,在原H型轨道上进行改进,为轨道的设计提供一种新的设计方向。综上所述,本文通过对承重轮与轨道的接触分析,获得的接触区域最佳特性参数和轨道结构参数对提升轨道承载能力和寿命具有一定的工程应用价值。

关键词：轮轨接触倾斜轨道动力学仿真弹塑性分析优化设计

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大型射电天线轮轨接触刚柔耦合动力学研究

大型射电天线轮轨接触刚柔耦合动力学研究

作者：祝男杰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

大型射电天线轮轨系统是天线方位转动和支撑的基础,它通过滚轮和轨道之间的滚动接触来实现其承载和方位转动。轮轨组合是天线轮轨系统的重要组成部分,其接触滚动运行良好与否会对天线的运行产生直接影响。为此本文以国家天文台50m射电... 详细信息

大型射电天线轮轨系统是天线方位转动和支撑的基础,它通过滚轮和轨道之间的滚动接触来实现其承载和方位转动。轮轨组合是天线轮轨系统的重要组成部分,其接触滚动运行良好与否会对天线的运行产生直接影响。为此本文以国家天文台50m射电天线轮轨组合为研究对象,对轮轨滚动接触问题进行研究。论文首先基于刚柔耦合动力学理论,讨论了大型射电天线轮轨接触刚柔耦合多体系统动力学方程及其求解方法,探讨了轮轨接触刚柔耦合动力学模型的建模方法,为轮轨接触动力学分析提供理论基础。其次,运用有限元软件***/Nastran和多体动力学软件RecurDyn,分析轮轨间滚动接触参数及其边界条件设置,建立了50m射电天线轮轨接触刚柔耦合动力学模型。针对平顺轨道部分,分析了启动、平稳运行、快速制动三种工况下的力学性能,结果表明天线在启动和快速制动时,轨道上的应力变形比天线在平稳运行情况下大2倍左右。天线启动瞬时,轨道应力变形最大,最大应力可达559.64Mpa,最大变形可达0.153mm。分析了轨道上预设点的应力变形和滚轮作用点离该点距离的动态变化关系,结果表明其应力变形和滚轮作用点离该点距离成非线性反比关系。针对轨道接头部分,研究了轨道接头的力学性能和滚轮不同冲击速度的关系,结果表明在滚轮低速(0.6rad/s)冲击下轨道接头处最大应力变形比在高速(3rad/s)冲击下大,低速冲击下最大应力为666.32Mpa,最大变形为0.13mm,因此在保证天线运行精度的前提下可以适当提高天线的方位转动速度。对比研究了30°,45°,60°,75°四种不同轨道接头角度下的力学性能,确定了最优轨道接头角度为45°。最后,对50m天线轮轨接触系统进行现场实验测试:1)测量了全轨的水平度,发现轨道整体水平度存在不均匀现象,两个轨道接头处水平度偏差较大,原因是轨道接头处螺栓存在松动;2)测量了轨道预设点与滚轮作用点在不同距离下的变形情况并和仿真结果对比,发现在滚轮作用点到达预设点时轨道实测变形并未达到最大,主要原因在轨道接头;3)测量轨道加载后不同位置的变形,对比分析实测变形与仿真结果发现在轨道平顺位置,两者大小相一致,但在接头处,偏差较大,说明轨道接头的轮轨刚柔耦合模型还存在较大偏差,动力学模型参数还需修正。本文的研究成果可以为轮轨刚柔耦合滚动接触的参数识别和模型修正提供一定的技术指导,也为轮轨及轨道接头的磨损冲击变形提供参考。

关键词：轮轨式天线轮轨接触轨道接头刚柔耦合动力学分析

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基于轮轨接触关系的钢轨代表廓形研究

基于轮轨接触关系的钢轨代表廓形研究

作者：吴朋朋西南交通大学

学位级别：硕士

随着我国铁路交通的发展,尤其是近年来高速铁路的快速发展,钢轨伤损已成为铁路运营中不容忽视的重大问题,严重影响着列车运行的安全性与稳定性。钢轨打磨是解决钢轨伤损问题的有效策略之一,美国、日本、澳大利亚等国的大量实践经验,证... 详细信息

随着我国铁路交通的发展,尤其是近年来高速铁路的快速发展,钢轨伤损已成为铁路运营中不容忽视的重大问题,严重影响着列车运行的安全性与稳定性。钢轨打磨是解决钢轨伤损问题的有效策略之一,美国、日本、澳大利亚等国的大量实践经验,证明了钢轨打磨在抑制钢轨伤损、提高行车质量、延长钢轨使用寿命和降低铁路维护成本等方面的重要作用。我国的钢轨打磨技术起步较晚,与发达国家相比仍有很大的差距。目前,国内使用的打磨设备多依赖进口,也没有形成统一的打磨模式和打磨标准。因此,开展钢轨打磨技术的研究,促进我国打磨技术的发展是非常必要的。代表廓形是钢轨打磨中的一个重要研究方向,它在钢轨廓形的优化以及打磨量和打磨模式的确定等方面具有很高的实用价值。然而目前国内关于代表廓形方面的研究非常匮乏,本论文的主要目标就是对代表廓形的计算方法和评价标准等方面的内容进行探索,以填补国内在代表廓形研究方面的空白,为代表廓形的后续研究提供参考。本论文提出了基于轮轨接触关系对代表廓形的算法进行设计和评价的研究方法,并对代表廓形研究中涉及的代表廓形计算方法及其评价指标等进行了分析和试验。首先,针对钢轨测量廓形可能存在的噪声干扰和位置差异等问题,对测量数据的平滑滤波和廓形对齐等预处理算法进行了对比和分析,并确定了利用Savitzky-Golay法进行平滑和以轨头侧面直线为基准进行对齐的测量廓形预处理方案;其次,设计了最小二乘距离法、算术平均法、加权平均法和散点重构法等四种代表廓形算法,并对直线和曲线两组实测钢轨廓形的代表廓形进行了计算;然后,基于轮轨接触几何关系及接触点位置的概率分布,分析了各算法所得钢轨代表廓形与一组实测钢轨廓形的轮轨接触关系的相似度;最后,通过建立货车动力学模型,基于代表廓形和钢轨测量廓形,分别对车辆在直线和小半径曲线上运行时的安全性和稳定性等指标进行了动力学仿真计算和对比分析。结果表明:在直线和曲线区段,算术平均法和散点重构法所得代表廓形与测量廓形组的接触几何相似性基本都能达到中等相关或强相关的水平,而最小二乘距离法和加权平均法所得代表廓形与部分测量廓形的接触几何相似度仅有弱相关水平;经进一步比较发现,算术平均法所得代表廓形与钢轨测量廓形组的轮轨接触关系相似度最高,散点重构法次之,而加权平均法和最小二乘距离法较差;通过动力学仿真和分析,四种代表廓形算法所得代表廓形的轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等动力学性能指标的统计特征和分布百分数曲线均比较接近钢轨测量廓形组的对应指标或趋于测量廓形组对应指标的平均水平。

关键词：钢轨打磨代表廓形轮轨接触动力学相似度

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轮轨接触黏滑负摩擦机制特性分析

轮轨接触黏滑负摩擦机制特性分析