地铁曲线波磨地段振动特性影响因素分析

为研究地铁曲线波磨地段振动特性影响因素,建立车辆-轨道及轨道-隧道-大地模型,分析不同波磨波深、隧道埋深、轨道减振措施下隧道壁及地面的振动响应。结果表明:减小钢轨波磨波深或增加隧道埋深,隧道壁和地面的垂向最大加速度和加速度分频最大振级均有减小趋势;采取不同轨道减振措施时,浮置板的减振效果最佳;隧道埋深和轨道减振措施的改变,不会改变隧道壁和地面加速度峰值的频段区间及加速度分频最大振级的中心频率;振动在隧道壁传递到地面的过程中高频衰减较快。

基于图像处理技术的车载钢轨波磨自动识别与预警系统

[目的]目前地铁轨道日常巡检采用的人工检测和轨道检查车方式存在效率低、成本高等问题,已无法满足日益发展的轨道交通安全运营需求。对此,需要基于图像处理识别技术,研究车载钢轨波磨自动识别与预警系统。[方法]阐明了钢轨波磨自动识别的总方案,从钢轨表面图像的去噪与光照不均校正问题及钢轨表面图像的定位与分割、钢轨波磨区间的定位、钢轨波磨周期估计等方面,详细阐述了基于图像处理的钢轨波磨自动识别与评估方法。基于系统构成和逻辑架构从软硬件角度分别描述了病害自动识别与预警系统的构建,并介绍了该系统在北京地铁的示范应用情况。[结果及结论]该系统能实现对轨道波磨病害的实时检测、定位、评估及预警。示范应用测试结果表明:该系统的钢轨波磨病害识别准确率达到97%以上;与传统人工巡检和专用轨道检测车相比,检测效率极具优势。

轮轨润滑对地铁小半径曲线段外轨磨耗影响

[目的]地铁线路小半径曲线段的数量占比高、钢轨磨耗严重,通过润滑改变轮轨接触区的摩擦因数可以有效降低钢轨磨耗,因此有必要对轮轨润滑与钢轨磨耗之间的影响关系进行研究。[方法]介绍了润滑减磨理论;建立侧磨预测模型,将钢轨侧磨量为5 mm作为1个阶段,仿真计算不同侧磨阶段下的外轨磨耗规律;结合润滑减磨仿真计算结果,提出相应的外轨润滑措施。[结果及结论]钢轨上道初期,当钢轨出现侧磨后进行润滑,润滑减磨效果不显著;当钢轨侧磨量达到5~10 mm时,润滑涂敷效果差别显著,可以延缓钢轨磨耗发展时间至少3个月;外轨磨耗后期,钢轨侧磨速度明显加快,润滑涂敷效果差别不显著。建议在钢轨出现侧磨后进行润滑涂敷,当钢轨侧磨量达到5~10 mm时,对钢轨进行重点润滑涂敷。轮轨润滑可以降低钢轨磨耗速率,减缓曲线外轨磨耗发展,延长钢轨使用寿命,降低维修成本。

城市轨道交通轨面短波不平顺特性分析

研究目的:为深入分析城市轨道交通轨面短波不平顺特征,本文基于某城市时速120 km地铁线路实测数据,分析轨面短波不平顺波形特征及幅值分布规律,计算并分析轨面短波不平顺谱特征,提出城市轨道交通轨面短波不平顺谱拟合表达式。研究结论:(1)焊缝接头区不平顺每隔25 m出现一次,其影响范围为焊缝处左右±1.5 m,波形主要以M型(低接头)为主;(2)小半径曲线区段的减振轨道均存在明显短波波磨波形,无长波波磨特征;(3)曲线区段内外轨短波谱均存在明显较大尖峰值,其大多是由钢轨波磨引起的,且内轨比外轨波磨严重;(4)提出的六阶多项式拟合函数,能更好地反映城市地铁线路轨面短波不平顺特征;(5)本研究结果可用于指导城市地铁车辆轨道动力学性能设计,也可为城市地铁线路轨道状态评估及养护维修管理提供理论依据。

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。

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。

钢轨波磨水平对轮轨噪声影响研究

[目的]针对国内某地铁线路运营过程中频繁出现噪声超标现象,研究钢轨波磨水平对轮轨噪声的影响,以解决线路的波磨不平顺导致轮轨匹配度下降、波磨导致轮轨噪声增大的问题。[方法]根据实测不同区段波磨特征及噪声情况,建立了波磨不平顺下的噪声发展预测模型;分析了波磨1/3倍频程特征与产生噪声主频率,得出了易激发噪声波磨波长特征;分析了钢轨质量和列车运行速度与钢轨噪声间的关系。[结果及结论]轮轨噪声由钢轨噪声和车轮噪声叠加构成。频率在2000 Hz以内时,轮轨噪声由钢轨噪声主导;频率在2000 Hz以上时,轮轨噪声由车轮噪声主导。波磨不平顺会加剧轮轨噪声,轮轨噪声的敏感波长为25~55 mm,波谷越大则噪声越大,打铣磨可以降低轮轨噪声。轨道质量对轮轨噪声的影响较小,但列车运行速度对轮轨噪声有着显著的影响,车速越快则轮轨噪声越大,因此,在居民区等公共场合,可以通过适当限速来降低噪声对周边环境的影响。

地铁曲线地段钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨成因及控制方法

随着地铁列车行驶速度与行车密度不断提高,越来越多的线路出现了钢轨波磨现象,引起了严重的环境振动噪声问题。为研究曲线地段钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨的成因,对某地铁线路钢轨波磨情况以及轨道动力响应进行了现场测试,建立曲线地段轮对-钢弹簧浮置板轨道系统有限元模型,探究轮轨间摩擦系数、扣件刚度以及隔振器垂向刚度对钢轨波磨的抑制作用。结果表明,钢弹簧浮置板曲线地段波磨波长为30~50 mm,列车通过该波磨区间时会引起416~694 Hz的振动;轮轨系统位于曲线地段时的不稳定振动主要发生在内轮与内轨之间,导致内轨产生更为严重的钢轨波磨,412.56 Hz的不稳定振动是引起钢弹簧浮置板地段产生钢轨波磨的重要原因;随着曲线半径减小,钢轨波磨产生的可能性增大,特别是列车通过半径小于600 m的曲线时,轮轨间摩擦自激振动十分容易发生;降低轮轨间摩擦系数、增大扣件刚度与隔振器垂向刚度均可有效降低轮轨系统发生自激振动的趋势,从而抑制钢轨波磨的产生与发展;考虑轨道结构减振的需求以及负阻尼比的增长幅度,应优先选择增大扣件刚度的措施来抑制钢轨波磨的产生与发展。

基于结构函数分形表征的地铁钢轨波磨评价方法

钢轨波磨问题出现至今已有百年历史,但仍未得到有效解决,在现有钢轨打磨标准中提出的钢轨波磨评价指标普遍存在无法从多尺度对钢轨波磨粗糙情况进行评价的问题,难以与波磨对列车运行动力学性能的影响对标。通过对钢轨波磨轨面不平顺数据进行分形分析,改进并提出适用于钢轨波磨轨面不平顺的分形指标,以此来量化评估钢轨波磨对列车运行动力学性能的影响。研究表明,与轮轨力波动指标拟合效果最优的钢轨波磨评价指标为修正后的分形维数+尺度系数,并建立三者之间的映射关系经验公式,可用于指导基于钢轨波磨的钢轨打磨策略。

重庆轨道交通1号线低频晃车原因分析及整治措施

[目的]为解决重庆轨道交通1号线(以下简称“1号线”)低频晃车问题,需对晃车原因进行分析,并制定相应的整治措施。[方法]从晃车特征、轨道几何状态、桥梁振动及钢轨廓形变化等方面对1号线低频晃车原因进行了分析,制定了钢轨打磨措施。从线路和车辆两方面探讨了钢轨周期性磨耗的产生原因,提出解决钢轨周期性磨耗导致晃车问题的措施。[结果及结论]1号线低频晃车原因为:轨道几何不平顺和桥梁振动未直接导致车辆异常晃动;钢轨廓形存在波长约为12 m的周期性变化,车速较高时,在钢轨廓形周期性变化作用下,车辆频率为2 Hz的横向固有模态被激发,导致车体剧烈晃动。通过钢轨打磨方案,打磨后车辆运行平稳性指标相对打磨前降低了0.5左右,打磨区段内车辆运行平稳性指标均在限值2.5以内,晃车问题得到缓解。轨道几何不平顺较大,以及车辆的抗激扰性能较低是钢轨产生周期性磨耗的原因。通过钢轨铣磨配合轨道精调的措施可彻底解决钢轨周期性磨耗导致的晃车问题。

小半径曲线钢轨纵向条状剥离掉块原因分析及防治措施

针对一普速铁路半径600 m曲线上股钢轨剥离掉块现象,通过检测分析钢轨表面掉块形貌、不同位置廓形变化、磨耗量、硬度、裂纹扩展行为等,研究其病害原因,并提出防治措施。结果表明:U71MnH钢轨基体组织、硬度、脱碳层、非金属夹杂物等均符合标准要求;钢轨硬度从非工作边到轨距角方向显著增大,产生明显塑性变形层;在过大接触应力反复作用下,钢轨表面容易出现疲劳裂纹,裂纹扩展至一定程度后发生分叉和偏转,进而形成剥离掉块伤损,该缺陷主要出现在轨距角的鱼鳞纹和轨顶面的纵向裂纹交界处。建议对该路段钢轨进行打磨,以消除表面缺陷,改善轮轨匹配关系。由于轮轨接触时同时发生磨损与疲劳伤损,两者之间存在竞争关系,润滑虽然可以减少磨损,但可能加剧疲劳伤损,因此选择适当的润滑时机是十分重要的。

准池铁路小半径曲线钢轨磨耗防治措施

为了对准池铁路小半径曲线钢轨磨耗进行防治,本文首先利用UM软件建立三车编组C80货车模型,利用ANSYS软件建立柔性轨道模型,联合创建基于contact程序的钢轨磨耗模型。选取神池南特大桥上行线K177+050.438—K178+951.984曲线段,计算不同超高、摩擦因数、轨底坡下的钢轨磨耗,进而提出小半径曲线线路参数改善方案并进行验证。结果表明:本文建立的钢轨磨耗模型计算结果与实测结果相差较小,模型合理;曲线段的超高、摩擦因数及轨底坡对钢轨磨耗分布和幅值都有影响,其中超高和轨底坡的影响更为显著;准池铁路小半径曲线段轨道超高设为40 mm,内轨轨底坡设为1/20,外轨轨底坡设为1/30,可以有效缓解其钢轨磨耗。

高速铁路车辆-轨道垂向耦合振动分析

基于周期性结构振动理论,分别建立无砟轨道有限元模型和车辆-无砟轨道有限元耦合动力学模型。通过模拟锤击试验,分析了车辆耦合作用对轨道振动特性的影响,研究轨道长度、扣件刚度、扣件阻尼、扣件间距、轮对位置和转向架轴距对轨道振动特性的影响。结果表明:钢轨采用梁单元模型可以准确反映出Pinned-Pinned共振特征;无车辆耦合作用时,轨道出现了199 Hz的轨道一阶垂向弯曲共振峰和由周期性支撑导致的966 Hz的Pinned-Pinned共振峰,扣件阻尼、轨道长度和扣件间距基本不会影响轨道一阶垂向弯曲共振频率,扣件阻尼和刚度基本不会影响Pinned-Pinned共振频率,轨道长度大于42.9 m后轨道长度对Pinned-Pinned共振频率影响较小,扣件间距是影响Pinned-Pinned共振频率的关键因素,扣件刚度是影响轨道一阶垂向弯曲共振频率的关键因素;车辆耦合作用会影响轨道振动特性,轨道出现了P2共振峰和二阶—五阶垂向弯曲共振峰,扣件阻尼、扣件刚度、轮对加载位置和扣件间距对该5阶共振频率的影响不大,转向架轴距是影响该5阶共振频率的关键因素。

钢轨踏面斜裂纹伤损原因及对策的研究

广深准高速铁路全长139km。对准高速区段和非准高速区段曲线上钢轨进行探伤检查,发现在44个曲线,37km长的范围内存在踏面斜裂纹,斜裂纹主要发生在上下行上股钢轨,斜裂纹呈成段、非连续、跳跃式分布。踏面斜裂纹及断口的宏观形貌和理化检验与分析表明,踏面斜裂纹伤损属于滚动接触疲劳裂纹伤损类型。研究认为:钢轨性能、线路状况、车辆性能及运行速度、车轮踏面形状等是产生斜裂纹的主要原因。提高钢轨的接触疲劳强度,在曲线上使用微合金淬火钢轨,研究和改善轮轨接触方式,加强轨道的养护维修,合理地进行预防性打磨和校正性打磨是解决钢轨踏面斜裂纹伤损的主要措施。

轮轨滚动接触疲劳现象分析

论述轮轨滚动接触疲劳破坏的几种典型现象 ,定性地分析它们的起因和发展过程。介绍我国部分铁路现场轮轨接解表面的疲劳破坏调查情况 ,给出由非赫兹滚动接触理论分析计算的我国铁路轮轨接触表面作用力分布情况。计算结果表明我国铁路轮轨接触表面疲劳现象如此严重的主要原因之一是轮轨型面不配匹和轨底坡设置不合理。

高速铁路钢轨波磨研究

通过现场测试和运用NUCARS动力学计算软件,对高速铁路钢轨波磨的特点及其对轨道结构动力响应的影响和钢轨波磨整治限值进行研究.结果表明：高速铁路线路高速区钢轨波磨的波长一般为120～150mm,而在车站附近的线路低速区钢轨波磨的波长一般为60～80mm,波磨的平均深度一般在0.10 mm以下;钢轨波磨的波长与列车速度耦合作用产生的特定频率会使轨道结构产生较为明显的高频振动分量,从而引起轮轨垂直力以及钢轨、轨道板和底座板振动加速度的增大,比钢轨无波磨区增大1倍左右;钢轨有、无波磨时轮轨水平力和梁面振动加速度变化不大;随着钢轨波磨深度的增加,轮轨垂直力和轮轨减载率均增大;综合考虑高速铁路无砟轨道线路的平顺性和安全性等技术要求,推荐高速铁路钢轨波磨整治的深度限值为0.08 mm.

考虑磨耗的钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测仿真

将基于Archard磨耗理论的钢轨型面磨耗模型和基于临界平面法的钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测模型通过分段迭代和疲劳累积的方法统一起来,提出考虑磨耗的裂纹萌生寿命预测方法,分析了U75V热处理钢轨在磨耗下的裂纹萌生特征。分析结果表明：考虑磨耗的裂纹萌生寿命预测结果更接近现场观测结果,裂纹萌生位置较不考虑磨耗时更靠近轨顶中心;曲线外轨的裂纹萌生寿命约为4.5×10^7 kN,对应车轮通过次数约为2.17×10^5次,在轮轨摩擦系数为0.3时,裂纹萌生在距离钢轨表面2.42mm以下的位置;在钢轨上道至车轮通过次数约为1.22×10^5次、对应通过总重约为2.24×10^7 kN时,轮轨关系较稳定,磨耗和疲劳裂纹萌生发展缓慢。

基于动态模板的钢轨磨耗测量方法研究

对CCD摄像机拍摄的钢轨表面轮廓测量光带进行图像处理,获得单个像素宽的二值化钢轨横截面轮廓;将结构光平面方程与摄像机投影矩阵相结合,对钢轨横截面轮廓进行三维重建,提取钢轨轮廓线中轨腰圆弧段圆心和轨头下端点2个特征点的世界坐标值;由2个特征点和钢轨上任意不与这两点共线的点以及标准钢轨横截面轮廓的空间几何关系动态生成标准模板;将钢轨实测轮廓和动态生成的标准模板轮廓的坐标映射到测量坐标系下,对比计算获得钢轨磨耗值。实验室验证结果表明:该方法能快速、准确地动态生成钢轨横截面轮廓模板,实现钢轨磨耗的高精度测量,且测量结果具有良好的重复性和稳定性。

朔黄铁路曲线下股热处理钢轨剥离伤损成因分析

对朔黄铁路的5段75 kg.m-1的U75V钢轨性能进行检验,分析伤损钢轨裂纹附近的性能。分析表明:U75V热轧钢轨母材的组织和硬度均合格,但U75V热处理钢轨的淬火层深度及横断面硬度均未满足TB/T 2635—2004的要求;显微硬度数据显示,在钢轨横断面存在较薄的硬化层;曲线下股钢轨踏面中心裂纹的深度在1.3 mm左右,并呈现不同程度的剥离掉块,与钢轨硬度分布特征有关;裂纹萌生于钢轨轨头表面塑性流变层内,裂纹起始的发展与列车运行方向成一定的锐角,出流变层后基本以垂直方向朝轨头内部扩展,到一定程度后,裂纹呈鱼钩状,以大致与列车运行的相反方向朝轨顶面扩展,最终导致剥离掉块。建议使用符合标准的热处理钢轨;对曲线钢轨及时进行大机打磨;采取措施,降低纵横向蠕滑力。

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。