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钢轨焊接接头感应加热电源三维数学模型及其控制策略研究

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电焊机 2024年第2期54卷 44-51页

作者：任鑫润吕其兵西南交通大学材料科学与工程学院四川成都610031

钢轨焊接接头必须进行焊后正火处理以提高接头性能,感应加热正火方式相对于火焰加热正火方式具有自动化程度高、正火质量稳定、作业环境好等优势,在钢轨现场焊接接头正火中越来越得到认可。重点研究了钢轨焊接接头感应加热电源的交流侧... 详细信息

钢轨焊接接头必须进行焊后正火处理以提高接头性能,感应加热正火方式相对于火焰加热正火方式具有自动化程度高、正火质量稳定、作业环境好等优势,在钢轨现场焊接接头正火中越来越得到认可。重点研究了钢轨焊接接头感应加热电源的交流侧调功的PFM、PWM、PFM&PWM三种控制方法,通过建立三种控制方法的数学模型和MATLAB三维可视化分析,发现PFM&PWM控制方法在功率开关器件的开关损耗和功率调整过程中频率变化方面具有优势。基于此,提出了基于PFM&PWM控制方法的钢轨焊接接头感应加热电源的控制策略,并结合数学模型说明了其控制轨迹,同时,设计了基于TMS320F28335 DSP芯片的软硬件,实现了该控制策略的控制波形。为钢轨焊接接头感应加热电源的优化控制提供了理论支持,有助于提高钢轨焊接接头的性能和稳定性。

关键词：钢轨焊接接头感应加热电源 MATLAB 三维数学模型 PFM&PWM

钢轨焊接接头不平顺演变条件下的轮轨接触分析

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铁道标准设计 2023年第2期67卷 37-42页

作者：陈嵘孙耀亮安博洋王平阚前华西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室成都610031 西南交通大学土木工程学院成都610031 西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

钢轨焊接接头处容易出现短波几何不平顺,严重制约着钢轨的服役寿命并影响行车安全。为研究钢轨焊接接头几何不平顺演变对轮轨接触行为的影响,首先,基于有限元方法建立三维轮轨滚动接触模型,分析我国某线路实测钢轨焊接接头几何不平顺处... 详细信息

钢轨焊接接头处容易出现短波几何不平顺,严重制约着钢轨的服役寿命并影响行车安全。为研究钢轨焊接接头几何不平顺演变对轮轨接触行为的影响,首先,基于有限元方法建立三维轮轨滚动接触模型,分析我国某线路实测钢轨焊接接头几何不平顺处的轮轨动态响应;随后,建立局部钢轨有限元模型,通过引入钢轨材料的循环本构模型,研究循环荷载作用下钢轨接头处的应力-应变响应。研究表明:(1)随着钢轨焊接接头几何不平顺的演变,轮轨接触力和接触应力逐渐增大,其变化率也随之提高;(2)考虑列车牵引工况时,在轮轨切向力的作用下,钢轨焊接接头处的材料响应在其几何不平顺演变过程中均处于棘轮效应状态,尤其是几何不平顺演变中后期,循环积累的应变显著增加,累积应变变化率由之前的22.4%增长到53.2%,即加快了钢轨的劣化;(3)若不考虑列车牵引或制动操作时的作用力,材料响应则为塑性安定。

关键词：钢轨焊接接头几何不平顺轮轨接触有限元方法棘轮效应

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钢轨焊接接头圆弧区域超声爬波探伤技术应用

铁道技术监督 2022年第3期50卷 24-27页

作者：高东海罗国伟史启帅李锦李庆耀王岩中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081 中国国家铁路集团有限公司工电部北京100844 北京中铁科新材料技术有限公司北京100081 中国铁路沈阳局集团有限公司工务部辽宁沈阳110001

为解决常规超声波探伤技术在钢轨焊接接头的头腰和腰底圆弧区域检出疲劳伤损较为困难的问题,针对钢轨焊接接头头腰和腰底圆弧区域从表面产生疲劳裂纹的特点,提出利用超声爬波探伤,并分别设计爬波探头和试验试块。工艺试验和现场验证结... 详细信息

为解决常规超声波探伤技术在钢轨焊接接头的头腰和腰底圆弧区域检出疲劳伤损较为困难的问题,针对钢轨焊接接头头腰和腰底圆弧区域从表面产生疲劳裂纹的特点,提出利用超声爬波探伤,并分别设计爬波探头和试验试块。工艺试验和现场验证结果表明,超声爬波受钢轨表面状态干扰少,能够有效发现钢轨焊接接头头腰和腰底圆弧区域的疲劳伤损,具有较高的现场应用价值。

关键词：钢轨焊接接头圆弧区域疲劳伤损超声波探伤超声波爬波

两种热处理钢轨焊接接头冲击磨损与损伤性能研究

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摩擦学学报 2021年第3期41卷 382-392页

作者：向鹏程蒋文娟丁昊昊王文健郭俊刘启跃西南交通大学牵引动力国家重点试验室摩擦学研究所四川成都610031

研究了过共析钢轨焊接接头淬火和正火后不同区域的硬度与微观组织,利用冲击磨损试验机对不同区域进行冲击试验,分析了各区域冲击磨损与损伤特性.结果表明:钢轨焊接接头分为母材区、焊缝区和热影响区.母材区微观组织为片层状珠光体,焊缝... 详细信息

研究了过共析钢轨焊接接头淬火和正火后不同区域的硬度与微观组织,利用冲击磨损试验机对不同区域进行冲击试验,分析了各区域冲击磨损与损伤特性.结果表明:钢轨焊接接头分为母材区、焊缝区和热影响区.母材区微观组织为片层状珠光体,焊缝区为珠光体与先共析铁素体且正火后铁素体含量较多,热影响区淬火后为粒状珠光体而正火后存在少量片层状珠光体.焊接接头不同区域硬度大小为母材区>淬火焊缝区>正火焊缝区>正火热影响区>淬火热影响区.硬度越低的区域,冲击深度和磨损体积越大.母材区冲击损伤轻微,表面呈轻微剥落;焊缝区损伤较严重,出现明显裂纹且正火后损伤较淬火后严重;热影响区损伤最为严重且正火后损伤较淬火后略轻微.

关键词：钢轨焊接接头淬火正火冲击磨损冲击损伤

钢轨焊接接头平直度数据库管理系统设计与开发

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电焊机 2010年第9期40卷 22-25页

作者：周世恒刘拥军陈丽西南交通大学焊接研究所四川成都610031

高速铁路快速发展对无缝线路质量的要求越来越高,对线路平直度的要求越来越严格,如何管理大量繁琐的平直度数据成为了无缝线路平直度测量后的一个重要课题。传统方法依靠人工记录和后期评判加以管理,其工作量大、效率低。基于可视化开... 详细信息

高速铁路快速发展对无缝线路质量的要求越来越高,对线路平直度的要求越来越严格,如何管理大量繁琐的平直度数据成为了无缝线路平直度测量后的一个重要课题。传统方法依靠人工记录和后期评判加以管理,其工作量大、效率低。基于可视化开发工具Visual Basic6.0中文企业版,以《钢轨焊接》(TB/T1632.1-2005)为标准,设计开发了钢轨焊接接头平直度数据库管理系统。该系统能实现对钢轨焊接接头平直度的综合评判,能够对不同焊接方法、不同运行速度、不同焊接工况情况下的焊接接头平直度进行对比,能够生成平直度评判的综合报表,减少了人工记录及分析的工作量,提高了平直度数据分析的效率。经多次调试表明,该系统运行可靠,具有较强的应用价值和市场价值。

关键词：高速铁路钢轨焊接接头平直度数据库

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钢轨焊接接头受力测试研究

铁道工程学报 2008年第9期25卷 35-38页

作者：罗文俊练松良华东交通大学南昌330013 同济大学上海200092

研究目的:为了研究轨道不平顺对轮轨作用力的影响,从而为钢轨焊接接头不平顺限值提供技术依据。研究结论:通过对比研究不同焊接接头轨面不平顺条件下的轮轨作用力和轨道结构的振动加速度大小现场动测试验,表明钢轨焊接接头的平顺性对轮... 详细信息

研究目的:为了研究轨道不平顺对轮轨作用力的影响,从而为钢轨焊接接头不平顺限值提供技术依据。研究结论:通过对比研究不同焊接接头轨面不平顺条件下的轮轨作用力和轨道结构的振动加速度大小现场动测试验,表明钢轨焊接接头的平顺性对轮轨作用力的影响较大,特别是当轨面平顺性大小波长不一致时,对P1和P2力的影响也不一致。由理论分析可知,P1力只对钢轨表面伤损产生较大影响,而P2力则对轨道结构所有的部件都有较大影响。研究表明,提高钢轨焊接接头的轨面平顺性,可有效降低P2力,从而达到降低轨道结构部件的应力水平的目的。

关键词：高速铁路钢轨焊接接头轮轨力

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钢轨焊接接头平直度测量控制系统的设计

电焊机 2010年第3期40卷 46-48页

作者：刘拥军周世恒张民安西南交通大学焊接研究所四川成都610031

高速铁路的发展对无缝线路平直度提出了更高要求,传统钢轨焊接接头平直度测量方法已不能满足高速铁路快速发展的需要,因此,研究钢轨焊接接头平直度测量新装置具有重要意义。在此设计的测量系统硬件部分以工控机为上位机,以PLC为下位机,... 详细信息

高速铁路的发展对无缝线路平直度提出了更高要求,传统钢轨焊接接头平直度测量方法已不能满足高速铁路快速发展的需要,因此,研究钢轨焊接接头平直度测量新装置具有重要意义。在此设计的测量系统硬件部分以工控机为上位机,以PLC为下位机,软件部分采集及分析程序采用VB6.0作为开发平台。经调试表明,所设计的系统合理,能快速准确地测量钢轨焊接接头平直度数据,绘制平直度曲线,形象反映出钢轨焊接接头分布,对钢轨焊接接头的校直和打磨具有一定的指导意义。

关键词：高速铁路平直度钢轨焊接接头 PLC VB

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钢轨焊接接头伤损分析

钢轨焊接接头伤损分析

作者：肖广文西南交通大学

学位级别：硕士

当今世界铁路,以无缝线路代替鱼尾板钢轨接头来连接轨道上相邻两根钢轨是一种首选的方法。无缝线路的应用在很大程度上降低轮轨冲击载荷和提高钢轨的使用寿命,但随着铁路运行速度的提高和轴重的加大,钢轨焊接接头伤损问题变得越来越严重... 详细信息

当今世界铁路,以无缝线路代替鱼尾板钢轨接头来连接轨道上相邻两根钢轨是一种首选的方法。无缝线路的应用在很大程度上降低轮轨冲击载荷和提高钢轨的使用寿命,但随着铁路运行速度的提高和轴重的加大,钢轨焊接接头伤损问题变得越来越严重,从而导致较高的铁路运营成本,直接影响铁路运输安全。因此,开展钢轨焊接接头伤损研究具有很强的理论意义和工程应用背景。本文以车辆-轨道耦合动力学理论、轮轨滚动接触理论、弹塑性力学和有限元方法为基础,应用数值仿真方法对不同形式的焊接接头伤损问题进行研究。 (1)为了能全面反映高速铁路钢轨焊接接头处轮轨作用力学行为,建立了较为完善的车辆-轨道耦合动力学模型。模型中,采用Timoshenko梁模型模拟钢轨;考虑了轨枕的离散支撑作用对车辆/轨道耦合动态行为的影响。另外,采用赫兹非线性弹性接触理论确定轮轨法向力时用到的轮轨接触常数由轮轨表面瞬态接触条件决定;采用沈氏理论计算轮轨蠕滑力,其中基于轮轨接触面法向速度差为零原则推导轮轨蠕滑率。焊接接头不平顺以余弦函数形式加入到轮轨接触几何算法。利用该模型分析了复合不平顺和单波不平顺引起的轮轨冲击载荷;长短波长焊接接头所引起的轮轨法向冲击载荷、钢轨/轨枕支承反力、车轮和轨道各部件的加速度;行车速度、轴重、波长、波深及焊接接头所在位置对轮轨法向冲击载荷的影响。结果表明,焊接接头短波波长不平顺容易激起轮轨系统的高频振动和导致车轮和轨道系统的冲击破坏。因此在焊接接头的现场施工和检修过程中,应尽可能的避免出现短波不平顺的现象。此外以焊接接头不平顺的波深与波长之比来控制焊接接头不平顺更为合理,并制定了焊接接头不平顺的控制数表。 (2)建立了基于车辆-轨道耦合动力学和三维弹塑性有限元模型的钢轨焊接接头应力分析模型。模型中考虑了钢轨母材和焊接接头材料及热影响区域具有不同的材料属性。首先由车辆—轨道耦合动力学仿真程序计算轮轨接触力、接触斑大小及位置。然后通过FASTSIM计算接触斑内切向力分布,最后输入到三维弹塑性有限元模型。应用该模型分析了不同工况下直线、曲线焊接接头区域附近的接触应力、弹塑性变形以及残余应力分布。结果表明,钢轨焊接接头不平顺将引起较大轮轨冲击载荷,导致较大的钢轨局部塑性变形。在铁路现场应尽量保证钢轨焊接接头材料和钢轨母材的材料一致,消除钢轨接头和母材间材料变形的非连续性而引起接头处高的轮轨冲击载荷。

关键词：钢轨焊接接头钢轨伤损不平顺车辆-轨道耦合动力学有限元

钢轨焊接接头不平顺激扰下的轮轨动力响应分析

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钢轨焊接接头不平顺激扰下的轮轨动力响应分析

作者：涂贵军西南交通大学

学位级别：硕士

受益于无缝线路平顺性高与整体性好的优势,无缝线路已成为现代铁路线路的首选,钢轨焊接无疑是无缝线路技术中极为关键的一项,焊接接头的平顺性也因此受到越来越多的关注。焊接平顺性对车辆—轨道系统的动力响应有着重要影响,并会对焊接... 详细信息

受益于无缝线路平顺性高与整体性好的优势,无缝线路已成为现代铁路线路的首选,钢轨焊接无疑是无缝线路技术中极为关键的一项,焊接接头的平顺性也因此受到越来越多的关注。焊接平顺性对车辆—轨道系统的动力响应有着重要影响,并会对焊接接头的使用寿命产生影响,对钢轨焊接区动力响应进行研究极具现实意义与工程价值。本文首先回顾了钢轨焊接接头研究进展与现状,之后基于车辆—轨道耦合动力学理论,建立了垂向耦合模型,并采用Fortran语言编程实现。依据对某地铁线路实际运营中出现的焊接接头不平顺的实地测量数据,运用所建立的耦合模型,对焊接不平顺激扰下的车辆—轨道系统动力响应进行了讨论,并对比了实测不平顺与谐波不平顺作用下的系统动力响应。对诸如行车速度、不平顺波长与波深、焊接接头位置、轨枕间距、钢轨质量、轨道结构形式等相关参数对系统动力响应的影响进行了全面的分析,并重点考察了扣件及轨下胶垫弹性的影响。仿真计算结果表明,叠加不平顺所引起的系统动力响应同时具有长波衰减缓慢与短波瞬态冲击大的特点,最大轮轨力则由其中的短波成分决定。虽然实测焊接接头不平顺波形中并非数学意义上的谐波形式,但对动力响应起决定作用的是其中的主波成分,若谐波不平顺参数(波长、波深)选取得当的话,谐波不平顺可较好地再现实测不平顺的影响。可通过以下措施改善车辆—轨道系统的动力响应,如降低行车速度、增大不平顺波长、减小波深、采用弹性较好的轨道形式。轨枕间距、钢轨质量的提高或降低则应根据实际运营情况决定。为改善扣件及轨下胶垫受载情况,应尽量保证焊接接头布置于两钢轨支点中间,避免其出现在支点正上方。轨下胶垫老化会造成焊接接头区轮轨动力响应的恶化,相反,提高扣件及轨下胶垫弹性可大大改善车辆—轨道系统动力响应。因此,有必要定期检查焊接接头区轨下胶垫使用情况,并及时更换老化胶垫。实际线路维护过程中,可以通过更换接头附近3～4个老化胶垫为正常或高弹性胶垫,以达到改善动力响应的目的,条件允许的话,可更换5～6个。

关键词：车辆—轨道耦合动力学钢轨焊接接头地铁不平顺轨下胶垫