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WRRB轮轨滚动行为模拟试验台轮轨高频动态模拟特性初探

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铁道学报 2025年第1期47卷 54-62页

作者：罗易飞赵鑫温泽峰黄双超周志军西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室四川成都610031

为研究WRRB轮轨滚动行为模拟试验台的高频动态模拟特性,利用Ansys/LS-DYNA建立试验轮轨和我国服役轮轨的瞬态滚动接触有限元模型。模型充分考虑轨下离散支承和系统结构高频振动,集成基于罚函数的“面-面接触算法”、轨面不平顺模型、T... 详细信息

为研究WRRB轮轨滚动行为模拟试验台的高频动态模拟特性,利用Ansys/LS-DYNA建立试验轮轨和我国服役轮轨的瞬态滚动接触有限元模型。模型充分考虑轨下离散支承和系统结构高频振动,集成基于罚函数的“面-面接触算法”、轨面不平顺模型、Tγ磨耗模型。对比二者在平顺条件和典型高频激励(轨面单个凹坑和波磨)下的轮轨力、接触应力、钢轨磨耗深度,结果表明,试验轮轨在比例载荷作用下能定量模拟服役轮轨的滚动接触行为,但由于轮轨截面几何、悬挂结构、驱动方式等因素的影响,二者存在以下差异:试验轮轨在零横移时也具有约0.12倍静轮重的横向力,法向接触应力偏低,切向接触应力和钢轨磨耗量偏高;轨面短波不平顺激励下的动态轮轨力偏低,车轮滚出凹坑后轮轨力衰减得更快,波磨引起的轮轨“拍”振不明显,但钢轨磨耗深度平均值和峰-谷值均偏高,有利于实物试验时加速轨面不平顺演变。利用该试验台模拟直线或大半径曲线运行工况时应注意以上差异,并考虑加装车轮悬挂与侧滚装置。

关键词：缩尺车轮-环轨有限元法短波不平顺瞬态滚动接触相似性

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芯片原子层抛光研究进展与挑战

清华大学学报(自然科学版) 2025年第2期65卷 215-232页

作者：江亮吴渊张永顺郑佳昕陈宇山仲夏周辽魏宇廷陈磊钱林茂西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室摩擦学研究所成都610031

芯片是现代信息社会的基石,对于国家核心竞争力和国家安全具有重要意义。随着摩尔定律不断推进,芯片特征尺寸不断缩小并趋近物理极限,亟需发展原子层抛光,对器件表面实现以原子层为基本单元的极限精度抛光去除,以实现原子级精度表面,满... 详细信息

芯片是现代信息社会的基石,对于国家核心竞争力和国家安全具有重要意义。随着摩尔定律不断推进,芯片特征尺寸不断缩小并趋近物理极限,亟需发展原子层抛光,对器件表面实现以原子层为基本单元的极限精度抛光去除,以实现原子级精度表面,满足光刻、键合等工艺苛刻需求。目前,化学机械抛光是芯片制造中唯一能够同时实现晶圆局部和全局平坦化的关键技术,具备实现原子层抛光的潜力。为此,该文系统总结了芯片衬底表面和互连异质表面化学机械抛光的机理和工艺。对于衬底表面,目前已经实现单晶硅的微观单原子层可控去除和宏观近理论极限表面粗糙度抛光,基本探明化学机械抛光在晶圆表面的极限精度加工能力。对于互连异质表面,首先从摩擦学的角度,依据磨粒与表面之间的不同相互作用,分类总结化学机械抛光中的材料去除模式:机械犁沟和化学成键。然后在此基础上,提出互连异质表面同步去除调控原理和方法,归纳铜/钽、铜/钴、铜/钌等互连异质表面平坦化工艺。最后提出利用机械、化学、电/光/等离子体/能束等多场协同作用,将化学反应/机械化学反应限域在最表层原子,以期实现原子层抛光,助力高端芯片原子级制造。

关键词：芯片原子层抛光化学机械抛光异质表面同步去除平坦化

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永磁同步牵引电机全速域双模式模型预测控制策略

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中国电机工程学报 2025年第2期45卷 748-757,I0029页

作者：孙振耀徐帅任冠州马光同池茂儒轨道交通运载系统全国重点实验室(西南交通大学) 四川省成都市610031

有限集模型预测控制因具有多目标多约束的控制特性以及较好的动态控制性能,在中压大功率牵引传动领域得到较多关注。轨道车辆牵引电机调速范围较广,在高速弱磁域要求达到最大直流母线电压利用率。但是,传统有限集模型预测控制过调制能... 详细信息

有限集模型预测控制因具有多目标多约束的控制特性以及较好的动态控制性能,在中压大功率牵引传动领域得到较多关注。轨道车辆牵引电机调速范围较广,在高速弱磁域要求达到最大直流母线电压利用率。但是,传统有限集模型预测控制过调制能力有限,进入过调制后电流跟踪性能下降,无法最大化变流器直流母线侧电压利用率,实现方波运行。针对此问题,提出一种双模式模型预测控制方法,在线性速度范围内采用传统单步长预测控制,在高速弱磁域内采用一种改进多步长模型预测控制方法,实现牵引电机全速域工况运行。首先,建立永磁同步电机线性速度域内的预测电流模型和目标函数;其次,分析电机在方波工况下的交直流电流轨迹特征,引入多步长预测以计算电流轨迹平均值,建立基于电流平均值的目标函数,从而确定最优的换流时刻;再次,提出双滞环结构控制模式切换方法,实现线性控制模式和方波控制模式的平滑切换;建立前馈弱磁控制计算模型,实现高速弱磁区域的参考电流给定;最后,通过稳态和暂态实验结果验证所提出控制算法的有效性。

关键词：轨道车辆模型预测控制永磁同步电机方波弱磁控制多步长预测

长大坡道下高速列车制动系统摩擦学和动力学行为

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清华大学学报(自然科学版) 2025年第2期65卷 201-214页

作者：莫继良张棋翔陈伟王权王志伟西南交通大学机械工程学院成都610031 西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031

随着轨道交通的快速发展,高速列车制动系统在长大坡道等复杂工况下的服役安全面临日益严峻的挑战。研究制动系统在长大坡道下的摩擦学和动力学行为,揭示其性能退化机理,对于提高制动系统在复杂工况下的性能和寿命至关重要。该文总结了... 详细信息

随着轨道交通的快速发展,高速列车制动系统在长大坡道等复杂工况下的服役安全面临日益严峻的挑战。研究制动系统在长大坡道下的摩擦学和动力学行为,揭示其性能退化机理,对于提高制动系统在复杂工况下的性能和寿命至关重要。该文总结了长大坡道工况下高速列车制动系统在摩擦学和动力学领域的研究进展,包含试验研究、有限元仿真和动力学建模等方面的主要成果。通过开展制动性能试验研究、建立热-机-磨损耦合有限元模型、构建考虑界面接触行为的集总参数模型及考虑轮/轨黏着特性的制动系统动力学模型,可以揭示长大坡道下制动摩擦副的磨损演化规律和性能退化机理以及工况对系统振动响应和稳定性的影响,为进一步优化高速列车制动性能提供理论依据。

关键词：高速列车制动系统长大坡道试验研究有限元仿真数值分析

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曲线几何参数及制动工况对列车轴箱轴承动态特性影响研究

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机械工程学报 2025年第1期61卷 187-198页

作者：楚明杨林川王志伟江志伟王权莫继良西南交通大学机械工程学院成都610031 西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031

轴箱轴承是高速列车转向架的关键部件,其动态特性对车辆的可靠性及安全运行至关重要。当车辆曲线通过时,特别当曲线制动时,轴箱轴承的动态特性极为复杂且尚不明确。为此,建立了考虑轴箱轴承和制动系统的高速列车拖车刚-柔耦合动力学模型... 详细信息

轴箱轴承是高速列车转向架的关键部件,其动态特性对车辆的可靠性及安全运行至关重要。当车辆曲线通过时,特别当曲线制动时,轴箱轴承的动态特性极为复杂且尚不明确。为此,建立了考虑轴箱轴承和制动系统的高速列车拖车刚-柔耦合动力学模型,仿真分析了不同曲线几何参数及曲线制动工况下轴箱轴承的振动、载荷及内部接触特性。结果表明:车辆曲线惰行时,轴箱轴承的横向振动加速度随超高值的增大先减小后增大,均衡超高下的一位轮对左、右两侧轴箱轴承垂向力相同,超高值小于均衡超高值约20 mm时,轴箱轴承的轴向力可以忽略不计。车辆曲线制动工况下,超高值小于140 mm时轴箱轴承的横向振动更为剧烈,一位轮对轴箱轴承垂向力减小,沿外股轨道方向的轴向力增大,进而导致两列滚子–滚道最大接触应力的差值显著增大。

关键词：轴箱轴承高速列车曲线半径超高制动系统

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尺寸效应对EA4T车轴钢疲劳性能的影响

机械工程学报 2025年

作者：徐犇杨冰王栓程肖守讷阳光武朱涛西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室

为研究载荷类型和试样尺寸对EA4T车轴钢疲劳性能的影响，首先采用旋转弯曲和轴向拉压两种加载方式，对最小截面直径分别为3 mm、6 mm和10 mm的EA4T车轴钢试样进行了疲劳试验；然后，利用高应力体积和威布尔分布理论分析了载荷类型和试... 详细信息

为研究载荷类型和试样尺寸对EA4T车轴钢疲劳性能的影响，首先采用旋转弯曲和轴向拉压两种加载方式，对最小截面直径分别为3 mm、6 mm和10 mm的EA4T车轴钢试样进行了疲劳试验；然后，利用高应力体积和威布尔分布理论分析了载荷类型和试样尺寸对疲劳性能的影响；最后，基于应力梯度理论对材料的疲劳极限进行了预测。结果表明：在试样最小截面直径相同的情况下，旋转弯曲加载条件下得到的疲劳强度总是大于轴向拉压加载条件下的结果；旋转弯曲加载条件下，疲劳强度随试样最小截面直径增大而减小，但在轴向拉压加载条件下并无该趋势，试样疲劳强度与最小截面直径无明显关联性；尺寸变化引起的应力梯度差异是EA4T车轴钢试样表现出尺寸效应的主要原因；量化了两种载荷类型疲劳极限之间的关系，提出的疲劳极限预测方法对试验数据有良好的拟合效果，可为EA4T车轴钢的疲劳极限预测提供参考。

关键词：尺寸效应 EA4T车轴钢疲劳强度高应力体积应力梯度

连续运行车辆——轨道垂向耦合动力学的时变分析法

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力学学报 2025年

作者：杨蔡进西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室

随着运行速度的提升，高速列车与服役结构及环境的耦合作用显著加剧，并且上述耦合作用表现在车辆运动的全过程。考虑实际的运行环境，建立精细的车辆—轨道耦合动力学模型，开展更为精确的服役模拟是当前研究热点，但面临许多挑战，例... 详细信息

随着运行速度的提升，高速列车与服役结构及环境的耦合作用显著加剧，并且上述耦合作用表现在车辆运动的全过程。考虑实际的运行环境，建立精细的车辆—轨道耦合动力学模型，开展更为精确的服役模拟是当前研究热点，但面临许多挑战，例如车辆与长大轨道结构耦合动力学建模难题。现代高速列车短时间内就能在轨运行至数百公里的距离，经典的理论方法采用了拉格朗日方式描述系统的运动和变形，限定系统的力学研究对象固定不变，往往需要针对全部长度的轨道结构进行建模，计算分析效率亟需提高。本文围绕高速轨道交通领域内关键基础力学模型问题，基于模型截断的策略，从时变系统动力学角度，构建长距离连续运行车辆—轨道耦合动力学高效建模与分析方法。引入移动控制体描述长大轨道结构在有效振动区域内动力学行为，利用任意拉格朗日—欧拉原理建立移动控制体内截断轨道梁的连续时变动力学模型，基于自适应步长Runge-Kutta-Fehlberg积分策略，通过预处理当前时间步的积分信息，确定预测下一时间步系统响应所需的迭代条件，从而表征控制体内轨道梁下轨枕和道床质量系统的离散时变动力学问题。最后，通过数值算例仿真，分析了车辆—轨道耦合系统的动力学响应，并将计算结果与传统模态叠加法获得结果进行比较，验证了本文方法的有效性。

关键词：高速列车长大轨道结构离散/连续时变系统动力学移动控制体任意拉格朗日—欧拉原理

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相邻直线电机边端效应及电磁力特性分析

西南交通大学学报 2025年

作者：张敏骆淑娟曹毅罗世辉西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室

直线感应电机在中低速磁浮列车应用中两两相邻，磁场相互干涉。为了探究磁场干涉对相邻电机电磁力特性的影响，首先，基于麦克斯韦方程组建立相邻电机各区域矢量磁位方程，利用边界条件对各区域矢量磁位进行求解。然后，推导得到相邻电... 详细信息

直线感应电机在中低速磁浮列车应用中两两相邻，磁场相互干涉。为了探究磁场干涉对相邻电机电磁力特性的影响，首先，基于麦克斯韦方程组建立相邻电机各区域矢量磁位方程，利用边界条件对各区域矢量磁位进行求解。然后，推导得到相邻电机气隙磁场、牵引力和法向力表达式，分析相邻电机磁场干涉对电机电磁力的影响，并利用有限元仿真对理论模型进行检验。最后，研究电机间距和滑差频率两大因素对相邻电机电磁力的影响。结果显示，两台电机边端效应引起的行波相互影响，前一台电机（LIM1）受后一台电机（LIM2）影响较小，而LIM2受LIM1影响较大；LIM2牵引力和法向力均随间距的变化波动，间距越小，波动幅度越大。同时，滑差频率越小，LIM2电磁力受间距影响波动幅度越大。当滑差频率为8 Hz、速度为160 km/h、电流为400 A时，LIM2牵引力相较LIM1最大可增加83%；LIM2法向力最大可减小6.6 kN，这将大大减轻悬浮系统的负担。研究结果可为直线电机在中低速磁浮列车中的应用提供理论指导和技术支撑。

关键词：中低速磁浮直线感应电机间距滑差频率电磁力

空簧联通状态对虚拟轨道车辆车体结构服役安全性影响研究

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振动与冲击 2025年第4期44卷 28-39,90页

作者：张弛王超朱涛张卫华肖守讷阳光武西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031 中车南京浦镇有限公司南京210031

虚拟轨道车辆作为一种新制式的城市轨道交通体系,运行条件下的虚拟轨道车辆服役状态评估显得尤为重要。首先基于有限元仿真和空簧联通前后状态的线路测试获取车体薄弱位置及加速度响应;然后,通过车辆悬挂系统的加速度传递特性构建车体... 详细信息

虚拟轨道车辆作为一种新制式的城市轨道交通体系,运行条件下的虚拟轨道车辆服役状态评估显得尤为重要。首先基于有限元仿真和空簧联通前后状态的线路测试获取车体薄弱位置及加速度响应;然后,通过车辆悬挂系统的加速度传递特性构建车体加速度等效传递系数,开展加速度-应变损伤评估方法研究;最后,结合断裂力学失效评估准则对薄弱位置进行结构完整性评定。通过将服役加速度和应变损伤作为输入,评估了空簧联通状态对虚拟轨道车辆车体的服役安全性。结果表明,车体结构薄弱位置主要分布在车体二位端纵梁焊接位置。车辆启动、制动工况对整体结构损伤影响较大,占整体站间纵向损伤的50%左右;过桥工况对垂向损伤影响较大,占整体站间纵向损伤的60%左右,空簧导通增强了车体结构平稳性,车辆服役环境荷载满足寿命要求,运行平稳性和舒适性良好。该研究方法可为虚拟轨道车辆的设计及服役安全性评估提供指导。

关键词：虚拟轨道车辆车体结构加速度特性疲劳损伤服役安全性