小半径曲线上P75钢轨打磨廓形设计及应用研究

以国内某重载铁路R400 m曲线P75钢轨为研究对象,建立了轮轨接触模型和轮径差曲线描述模型,选取代表性车轮踏面和钢轨廓形,采用轮径差曲线逆向求解法优化了轮轨接触区域钢轨廓形,并依据打磨量最小化原则设计得到了曲线钢轨打磨廓形。建立了实测参数下的车辆-轨道多体动力学仿真模型,对比分析了实测廓形和设计廓形匹配下的动力学指标。按钢轨廓形设计要求,在该R400 m曲线上实施了钢轨打磨试验和轮轨动力学测试。研究结果表明,优化后轮径差曲线趋于平滑,车辆曲线通过能力得到提高,抗脱轨能力得到保持;轮轨关系得到显著改善、轮轨接触点交叉跳跃和集中问题得到缓解;轮轨横向力减小20%以上,脱轨系数减小16%以上,钢轨法向接触应力减小32%以上,轮轨蠕滑力减小26%以上;实施打磨后,轮轨横向力减小34%以上,脱轨系数减小35%以上,钢轨振动加速度减小35%以上;打磨后3个月轨面疲劳伤损未见明显发展,钢轨使用寿命由前一换轨周期的8个月延长至13.5个月。仿真分析和打磨试验验证了钢轨廓形设计方法在重载铁路小半径曲线的应用效果。

地铁曲线地段扣件刚度对钢轨波磨的影响实测与仿真分析

钢轨波磨是地铁典型病害之一。为抑制钢轨波磨的产生,对某地铁线路的钢轨波磨特征、轨道刚度进行测试,并基于摩擦自激振动理论,研究了扣件刚度对钢轨波磨的影响。结合实测与仿真结果,提出了钢轨波磨控制措施,并通过后续测试对治理效果进行评价。研究结果表明:该线路存在40 mm~60 mm典型波长的钢轨波磨,并且内轨钢轨波磨更为严重。轮轨系统的不稳定振动主要发生在内侧轮轨之间,且频率为445.38 Hz。增大扣件垂、横向刚度可以抑制该不稳定振动,降低轨道结构在400 Hz, 800 Hz频率下的动态响应。波磨治理1年后,内外轨的不平顺幅值并未有明显增长,钢轨波磨发展速度得到明显控制。研究结果可为既有线路钢轨波磨治理以及新建线路钢轨波磨预防提供参考。

基于多目标函数的钢轨打磨廓形优选研究

针对CR400BF和CRH5动车组6~8 Hz主频车体抖动问题,从改善轮轨关系角度出发,分别建立车轮踏面和钢轨廓形样本库,通过确定目标函数和设置边界条件求解得到优选钢轨廓形。建立实参数车辆-轨道刚柔耦合动力学模型和轮轨接触弹塑性有限元模型,通过仿真分析对比优选钢轨廓形和60N廓形的等效锥度、动力学指标和轮轨接触应力。按优选钢轨廓形进行钢轨打磨试验,结果表明:优选钢轨廓形与磨耗车轮踏面匹配时轮轨关系改善,等效锥度小于上限值0.4;与不同磨耗车轮踏面匹配时,优选钢轨廓形动力学指标优于60N,且轮轨接触应力和打磨量均更小;按优选钢轨廓形进行钢轨打磨后,CR400BF、CRH5动车组舒适度、平稳性指标分别减小15.7%、13.1%以上,车体振动加速度主频消除。优选钢轨廓形可有效缓解CR400BF和CRH5动车组车体抖动,优选方法和实施流程可为相关问题研究提供参考。

钢轨调频阻尼器质量分布与性能研究

为研究减振块中谐振质量分布对钢轨调频阻尼器动力性能的影响,采用数值仿真与平台试验相结合的方法,对比分析不同谐振质量体分布下的钢轨调频阻尼器在典型频率和钢轨振动衰减率方面的差异,并分别选取2个试验段,采用现场测试的方法对钢轨调频阻尼器在减振垫浮置板轨道、减振扣件轨道结构下的钢轨振动以及轨旁噪声控制效果进行分析。研究结果表明:减振块中质量体的分布影响减振块的模态频率、有效频段和分频吸振效能,上层质量体及邻近弹性层厚度确定了垂/横向1阶频率,近轨侧弹性层厚度及总质量确定了吸振能力最高的频率。钢轨调频阻尼器的模态频率与试验平台垂向振动衰减率峰值频率和衰减率增加的显著频段一致性较好,可根据模态频率和参振质量比对减振块质量分布进行优化。经平台试验,前十五阶模态参振质量低与高的两款钢轨调频阻尼器安装后,钢轨振动衰减率最大值由安装前的0.53dB/m分别提升至3.54dB/m和4.07dB/m,钢轨垂向振动衰减率分频最大增加率分别为1143%和2023%。由现场测试结果可知,安装调频钢轨阻尼器可降低减振垫浮置板轨道1~1000 Hz频段钢轨振动加速度总级值5.6 dB,降低波磨主频处分频振级2.2~5.8 dB,并有效降低钢轨表面粗糙度发展速度;安装后可降低高等级减振扣件轨道轨旁噪声6.1 dB(A)。研究成果可为钢轨调频阻尼器的结构设计及优化提供参考。

钢轨连接不良处钢轨波磨的演化机制和参数化研究

地铁线路的钢轨连接不良主要包括钢轨焊接不良和轨缝不良,现场调研发现在钢轨连接不良处通常伴有钢轨波磨,对列车的运行造成潜在危害。为揭示钢轨焊接和轨缝不良处钢轨波磨的演化机制,结合现场调研构建钢轨连接不良处轮轨系统的有限元模型,基于摩擦耦合振动理论,分别采用复特征值分析和瞬时动态分析探究钢轨焊接和轨缝不良处轮轨系统的摩擦耦合振动特性,并探究焊缝波深、波长及轨缝间隙变化对钢轨波磨的影响规律。研究结果表明:列车通过钢轨连接不良处时会加剧轮轨系统的摩擦耦合振动,从而诱导钢轨波磨;钢轨焊接和轨缝不良处轮轨系统的摩擦耦合振动频率分别为472、464 Hz,轮轨系统动态响应产生的摩擦耦合振动主频在455~495 Hz之间,与现场调研钢轨波磨的频率一致;随着焊缝波深、轨缝间隙的增加以及焊缝波长的减小,轮轨系统的摩擦耦合振动特性也随之增大,更容易在钢轨焊接和轨缝不良处产生钢轨波磨。

重载曲线钢轨滚动接触疲劳时变规律及治理优化

为探明某重载铁路小半径曲线钢轨因滚动接触疲劳提前失效机理及优化现有打磨策略,针对该重载线曲线段发生的U75V热处理钢轨滚动接触疲劳损伤,开展不同半径、运量曲线钢轨的现场试验、室内试验、数值仿真,揭示现场不同圆曲线段钢轨疲劳随服役时间的演化规律。研究结果表明:钢轨疲劳随服役时间的演化大致分为裂纹萌生与快速扩展和裂纹-磨耗共生2个阶段。在进入裂纹-磨耗共生阶段后,R600 m、R800 m重载圆曲线段随着服役时间累计会因钢轨显著失形导致轮轨匹配恶化,虽对轨距角裂纹产生了一定抑制作用,但轨面部分区域产生了严重剥离掉块,可能会威胁到安全行车,究其根本原因是钢轨失形到一定程度后轮轨接触点向轨肩集中所致;所跟踪的其余曲线因钢轨磨耗较小未明显失形,故不会出现严重剥离掉块。在实验室内通过对下道钢轨失效分析后发现,涡流探伤仪测量到的最大深度与真实最大深度间存在误差;测量深度一般大于真实深度,真实深度在变大的同时测量深度与真实深度间的误差会越来越大。基于钢轨滚动接触疲劳时变规律,为进一步延长R600 m、R800 m重载钢轨的使用寿命,建议加大打磨频率(特别是在新轨上道6个月内),优先将廓形打磨为标准廓形,兼顾磨去疲劳裂纹;对于更大半径曲线考虑到经济性等,保持当前的打磨策略即可。

高速铁路钢轨技术发展历程回顾

我国已开通运营2万多公里高速铁路,除秦沈、合武客专进口部分用于对比试验的钢轨外,全部采用国内自主研发生产的具有完全自主知识产权的国产百米定尺钢轨。自2008年8月我国首条高速铁路开通运营至今,钢轨使用情况良好,质量得到各方一致肯定。对高速铁路钢轨发展主要历程包括标准起草制定、生产技术改造、自主研发工作推进、上道试铺考核、性能评定及技术审查、批检验和实物质量控制,以及轨型、定尺长度和钢种选用,成分及性能优化,钢轨的焊接、运输,新轨头廓形钢轨研发,钢轨使用规范制定等配套技术的主要节点和事件进行回顾,认为标准先行、科研先导、质量至上、科学管理是高速铁路钢轨国产化取得成功的重要因素。

关于城市轨道交通钢轨选型的探讨和建议

根据钢轨制造技术的发展并结合轨道研究和设计领域的最新成果,对城市轨道交通钢轨定尺长度、钢轨质量及钢轨材质选择进行分析和探讨,并建议在钢轨选型时,应全面考虑不同线路布置特点,车辆及荷载情况,运输、施工及维修条件,建设工期,初期投资及运营成本要求等综合因素,力求使每条城轨交通中的钢轨选型方案在满足安全可靠的基础上,更具工程针对性和经济适用性。

基于打磨量曲线的重载铁路钢轨打磨模式设计

【目的】为解决目前重载钢轨大机打磨作业过程中存在的依靠经验选择打磨模式和打磨结果无法预测的问题。【方法】以GMC-96X大型钢轨打磨列车作为研究对象,通过MATLAB数值模拟,研究不同打磨模式的作用效果;并且结合打磨列车砂轮分布形式,建立钢轨打磨基本模式库,提出了一种基于打磨量曲线的重载铁路钢轨打磨模式设计方法。【结果】现场试验结果表明:采用该方法设计的打磨模式包含了打磨列车各个砂轮的摆布角度,可直接输入到打磨列车控制系统,更为贴合实际应用;并且通过打磨前钢轨实测廓形、理论打磨后钢轨廓形和实际打磨后钢轨廓形三者的对比,验证了该方法的可靠性。【结论】该打磨模式设计方法实现了重载铁路钢轨打磨模式的自动生成和轨头廓形的精确修理。

钢轨材料局部激光熔覆自熔性合金涂层的磨损与滚动接触疲劳行为

激光熔覆技术可用于钢轨局部损伤表面的局部修复,但局部修复钢轨材料的磨损与滚动接触疲劳损伤规律尚不清楚。通过在钢轨试样表面切除凹槽来模拟局部损伤,在凹槽处激光熔覆Ni基、Fe基和Co基自熔性合金粉末,分析修复钢轨微观组织与硬度,然后利用双轮对滚试验研究局部修复钢轨试样的磨损与滚动接触疲劳行为。结果表明,激光熔覆涂层形成了共晶与枝晶组织,Ni基涂层组织粗大、硬度较小,Fe基与Co基涂层组织尺寸较小,Fe基涂层硬度最大,Co基涂层硬度居中。相比未熔覆区域,激光熔覆区(涂层)塑性变形层厚度较小,且涂层原始硬度越高,硬化后硬度越大,但硬化率和硬化层厚度更小。未熔覆区滚动接触疲劳裂纹较长,但裂纹角度较小;熔覆区裂纹长度均有所降低,但裂纹扩展角度明显增大;熔覆区与未熔覆区结合处疲劳损伤最为严重,疲劳裂纹角度和深度均比熔覆区和未熔覆区更大。对比分析发现,Stellite21(Co基)熔覆试样摩擦因数较低,熔覆区与未熔覆区磨损深度差较小,抗滚动接触疲劳性能较好,较为适合钢轨局部损伤的激光修复。研究结果可为激光熔覆技术在钢轨局部修复上的应用与优化提供理论与技术指导。

基于钢轨电位时空关联的钢轨对地绝缘缺陷诊断方法

[目的]以钢轨电位为监测对象的各监测点数据间在时空上存在关联,钢轨对钢筋结构电阻变化后的直接表现形式为钢轨电位的变化。应基于钢轨电位时空关联的特点,对钢轨对地绝缘状态监测及缺陷诊断的方法进行深入研究。[方法]阐述了以钢轨电位为监测对象的杂散电流监测系统。对绝缘缺陷下的钢轨电位数据特征进行了分析,建立了数据的特征矩阵。基于闵可夫斯基距离的异常检测原理,阐述了钢轨对地绝缘异常区段的检测步骤,以及绝缘缺陷定位的检测步骤,提出了基于钢轨电位时空关联的钢轨绝缘缺陷诊断方法。以青岛某城市轨道交通工程为案例进行建模仿真,用以评估所提方法的有效性及准确性。[结果及结论]该方法能对钢轨绝缘状态进行有效监测,可准确定位绝缘缺陷位置。

实测轮轨蠕滑曲线对钢轨磨耗影响分析

轮轨蠕滑曲线会影响轮轨动态相互作用,进而影响钢轨磨耗,为研究实测轮轨蠕滑曲线对钢轨磨耗的影响,首先,基于最小二乘法获得适用于Polach模型和修改FASTSIM算法的参数,模拟40~400 km/h行车速度范围内的实测蠕滑曲线;随后,在SIMPACK软件中建立车辆系统动力学模型,并通过Polach模型测得实测蠕滑曲线;最后,采用Kik-Piotrowski模型和修改的FASTSIM算法进行轮轨非赫兹滚动接触计算,并结合USFD磨耗模型预测钢轨磨耗,对比了理想与实测蠕滑曲线条件下钢轨磨耗的差异.研究表明:理想蠕滑曲线条件下钢轨磨耗深度明显大于实测蠕滑曲线下的结果,随着车辆通过次数的增加,理想条件下钢轨磨耗分布范围更大,内外轨磨耗分布范围分别为实测蠕滑曲线的1.5倍和1.3倍;摩擦系数和磨耗率显著影响钢轨磨耗大小及磨耗分布情况,故在车辆动力学仿真和钢轨磨耗计算中有必要考虑实测轮轨蠕滑曲线;形成了确定实测蠕滑曲线参数的前处理程序,可服务于车辆动力学仿真和钢轨磨耗计算,可以有效指导现场进行钢轨打磨等养护维修工作.

多夹杂物对重载铁路钢轨疲劳寿命的影响

非金属夹杂物容易引起钢轨疲劳损伤,为了探究非金属夹杂物特征参数对重载钢轨疲劳性能的影响规律,文中采用ABAQUS有限元软件建立重载钢轨分析模型,对外载荷作用下含夹杂物钢轨的应力状态进行仿真计算,通过FE-SAFE疲劳仿真软件对含多夹杂物钢轨进行疲劳寿命预测。结果表明:相比于软质塑性MnS夹杂物,硬质脆性Al2O3夹杂物对钢轨最大应力的影响更大;夹杂物位于钢轨的高应力区时,在外部载荷作用下,曲线段钢轨的最大应力大于直线段钢轨的最大应力;相邻夹杂物相距临界距离时,多夹杂物水平分布时比其垂向分布时对钢轨应力的影响更大,且随着相邻夹杂物距离变小,钢轨基体的最大应力变小;相邻多夹杂物会使钢轨疲劳寿命骤减,含4个相邻夹杂物的钢轨比含2个夹杂物钢轨的疲劳寿命短。

基于线结构光的钢轨断面磨耗改进检测算法

经典的最近点迭代(IterativeClosest Point,ICP)配准算法常被应用于钢轨断面磨耗检测系统。当轨道检修车工作运行时,基于线结构光的钢轨断面磨耗检测系统采集的钢轨廓形数据通常会受到各种离群点噪声的干扰,导致计算得到的钢轨廓形几何形态变化较大。在实际应用中,轨道检修车钢轨断面磨耗动态检测精度要求侧磨为±0.5mm,垂磨为±1.0mm,故磨耗检测算法的设计不能因为廓形含离群点噪声而降低检测精度。因此,文章提出了一种改进的两阶段钢轨断面廓形磨耗检测算法。该算法在第一阶段首先利用钢轨廓形的特征点对进行快速初始配准,使得2个点云集具有较好的初始位姿,第二阶段采用改进的鲁棒ICP算法完成精确配准,最后计算得到钢轨断面磨耗几何参数。通过在实验室搭建钢轨断面磨耗检测系统试验平台,以试验模拟实测数据常见的轨腰段和轨底段离群点干扰,并以手工接触式磨耗仪的测量数据作为参考基准,对比经典ICP算法和文章所提出的改进算法,分析磨耗检测的精度误差和有效性,并在此基础上,对算法的检测速度进行对比分析,对改进算法的重复性测量精度进行验证,最后在地铁线路上开展轨道检修车实测验证。结果表明,文章所提的改进算法有效提高了在离群点干扰场景下钢轨断面磨耗检测的精度和速度,具有工程实用价值。

基于DEM-FDM耦合的过渡段膨胀诱发钢轨上拱研究

研究目的:为分析涵洞过渡段地基膨胀引起的钢轨上拱响应,基于现场测试、室内膨胀试验数据,开展DEM-FDM耦合数值模拟,分析某涵洞附近路基土在膨胀范围为16 m,膨胀中心距离涵洞中心分别为0 m、5 m、10 m这三种工况下,不同膨胀率时基床填料的运动规律及钢轨的上拱响应。研究结论:(1)涵洞对于钢轨上拱位移的传递存在阻断作用,但会增大钢轨上拱的峰值,原位膨胀率下工况二的钢轨上拱峰值达到46 mm,当路基膨胀率为0.3%时钢轨上拱位移量达到无砟轨道钢轨可调节临界值(4mm);(2)过渡段钢轨上拱处同时产生轴向应力集中,其中原位膨胀率下工况二轴向应力峰值达到14.4 MPa;(3)对于膨胀区域位于涵洞下方的工况,钢轨轴向应力呈现出来的分布规律为钢轨上拱拱顶处为主拉应力状态,拱脚处为主压应力状态,因此一共包括三个压应力峰值点以及两个拉应力峰值点;(4)本文研究可为高铁涵洞过渡段路基膨胀病害解决方案的确定提供理论依据。

基于轨道板振动加速度的钢轨振动加速度反演估计与现场验证

为研究高速铁路轨道板与钢轨之间的时空关联规律,提出变分模态-转换器(Variational Mode Decomposition-Transformer, VMD-T)反演模型,该模型通过分解轨道板振动加速度来反演估计钢轨振动加速度.首先,对数据进行预处理并利用双门限法检测振动端点,分离振动信号与静默信号、干扰信号,再将提取后的振动信号整合输入到VMD-T模型.其次,利用VMD模型将轨道板振动加速度数据分解成一系列不同的子模态,并网格遍历搜索与钢轨振动加速度相关系数最大的子模态,以降低原始数据的复杂度以及非平稳性,提升Transformer模型的特征抽取能力.然后,通过Transformer模型对搜索出的轨道板振动加速度子模态与钢轨振动加速度数据进行反演估计训练.最后,将该模型应用于某城际高速铁路轨道板与钢轨实测振动加速度数据反演估计试验.现场高铁试验结果表明:与单一Transformer模型相比,VMD-T模型均方根误差(RootMean Squared Error, RMSE)、绝对平均误差(Mean Absolute Error, MAE)及决定系数(R2_score)分别提升近20%、11%及48.1%,特征学习能力更强,反演估计效果更佳,初步实现钢轨垂向振动加速度幅值非接触式监测估计.

服役钢轨轨底缺陷的超声无损检测方案及装置设计

我国铁路向高速和重载方向发展对服役钢轨的质量提出了越来越高的要求,服役钢轨缺陷危及行车安全,因此及时有效检测服役钢轨中的缺陷具有重要意义。当前主要采用超声方法对服役钢轨轨头、轨腰及轨底中部的缺陷进行检测,尚未有适用于轨底两侧缺陷的超声自动化检测方法,轨底两侧缺陷因无法被有效检出而持续扩展,成为钢轨断轨的主要原因之一。针对当前轨底缺陷检测的不足,提出适用于服役钢轨轨底缺陷的超声无损检测方法,并研制设计相应的检测装置。以检测轨底两侧的横向裂纹为主,通过对超声探头主声束覆盖范围的分析,制定轨底缺陷全面检测的方案;考虑轨底扣件等影响,设计专用的装夹装置,确保探头处于可检测位置,提出淋水耦合方法解决轨底耦合的难题。选取60 kg/m钢轨,在轨底不同位置设计并人工加工为横向裂纹,通过改进的钢轨探伤车进行检测试验,结果表明,研究方法可以实现不同位置缺陷的有效检测。研究成果为后续服役钢轨轨底缺陷乃至全断面缺陷的自动检测提供了有效的解决方案。

基于GA-SVM的钢轨廓形类型在线识别算法研究

针对轨道交通日常运维中钢轨廓形自动化检测识别率不高的情况,提出了一种基于几何描述符和支持向量机(SVM)的高精度钢轨廓形在线识别算法。利用结构光传感器对钢轨廓形数据进行采集,采用几何去噪算法对廓形进行离群点剔除和重采样预处理。通过廓形几何描述符对不同类别钢轨廓形进行特征提取,制作廓形特征数据集用于训练SVM。采用遗传算法(GA)对SVM模型参数进行优化选取。将优化训练后的SVM模型用于钢轨廓形检测并和传统廓形识别方法进行对比。结果表明:提出的采用几何描述符的GA-SVM模型平均准确率达到99.62%,单帧廓形识别用时6.43 ms,能有效提升廓形识别准确率与高速性,满足轨道车辆在线检测的需求,并为轨道自动化检测提供了理论和技术支撑。

重载铁路钢轨抗疲劳型面的设计与应用

为了改善轮轨接触关系,基于三次插值样条曲线方法,通过降低钢轨轨肩-轨距边廓形,设计了重载铁路小半径曲线钢轨抗疲劳型面。结合重载运输条件下的车辆-轨道动力学模型,根据接触点位置、轮轨接触斑面积、横向力、脱轨系数、轮重减载率、磨耗指数等参数,确定了重载铁路钢轨打磨铣磨基准型面并进行现场应用。基准型面为:钢轨轨肩-轨距边廓形降低的起点在由轨顶中心向近轨距边方向移动5 mm的位置,廓形改变范围覆盖起点至轨距边侧磨点,改变范围内最大廓形弧面下降量出现在轨顶中心向轨距边26 mm处,且最大弧面下降量为0.6、0.7 mm。现场试验结果表明:该基准型面使得轮轨垂向、横向力均有所降低,轮轨接触关系改善,接触点位置稳定;预测的裂纹萌生寿命延长了16.3%~47.2%,满足改善车辆运行状态、延长重载铁路钢轨使用寿命等需求。

加强钢轨产品质量监督 确保铁路运输安全

阐明钢轨产品质量缺陷对在役钢轨的影响,介绍新的钢轨质量监督办法,以及建立钢轨质量监督站的意义。