碳化与疲劳耦合作用下铁路桥梁的结构动力响应研究

为研究碳化与疲劳荷载耦合作用对既有铁路桥梁结构动力响应的影响,建立混凝土碳化与疲劳荷载耦合损伤模型;以朔黄铁路线上一典型预应力混凝土简支T梁为例,提出碳化与疲劳荷载耦合作用下主梁的碳化深度影响因素及随年限发展模型,并结合实测桥梁碳化数据,验证耦合损伤模型的准确性;利用有限元软件计算不同服役年限下既有铁路桥梁结构的动力响应,研究碳化与疲劳荷载耦合作用对既有铁路桥梁结构动力响应的影响。结果表明:提出的碳化与疲劳荷载耦合损伤模型计算结果与实测碳化深度吻合较好,表明耦合模型的可靠性。当桥梁服役年限为10年以内时,疲劳荷载对桥梁结构的碳化影响不大;随着服役年限的增长,疲劳荷载对桥梁结构碳化的影响越大;当服役年限为100年时碳化与荷载疲劳耦合作用下的碳化深度为仅碳化时的3倍。桥梁跨中截面竖向位移和动应变峰值随服役年限的增加而减少,加速度响应峰值随服役年限的增加有一定波动,整体趋势将减少。

扣件刚度非线性对波磨区轮轨瞬态滚动接触行为的影响

WJ-8型扣件橡胶垫板刚度在长期服役过程中表现出非线性特征,静刚度随荷载增加而降低,为提高三维瞬态滚动接触有限元模型计算精确性,本文以LMA踏面车轮及CHN60型钢轨为基础,基于显式积分算法,将以往研究中线弹性扣件转化为非线性扣件,建立考虑扣件刚度非线性特征的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究刚度非线性对车轮与钢轨波磨间高频动态响应及瞬态接触行为的影响,并重点分析了波磨工况下时频域内轮轨接触力、轴箱加速度的变化信息.结果表明:扣件非线性对轮轨接触力变化影响明显,主要表现为车轮行驶至扣件前端时强振动导致橡胶垫板表现为柔软特性使轮轨接触力减小,车轮行驶至扣件上方时在轴重作用下振动减弱表现为刚硬特性使轮轨接触力增大,轮轨力变化差异最大达到13.1%.

扣件系统横向刚度及抗倾翻试验研究:以WJ-8型扣件为例

为了对扣件系统横向刚度及抗倾翻性能进行研究,首先借鉴等间隔弹性点支承梁模型分析钢轨横向力学行为;然后,考虑钢轨自身截面特性,推导扣件系统横向刚度及抗倾翻系数计算公式;最后,设计并进行1组及3组WJ-8型扣件横向加载试验,验证分析及推导的合理性。试验结果表明:当钢轨整体扭转中心为轨底中心点时,钢轨自身扭转不可忽略,钢轨横向力及扭矩的传递过程都是非线性过程;1组及3组扣件试验得到的位移相对误差不超过6.8%,转角相对误差不超过9.5%;3组扣件试验允许加载范围更大,且更适用于非对称式扣件;WJ-8型扣件钢轨横移过程可按扣件横向反力的组成划分为钢轨滑移、线性变形和非线性变形3个阶段,钢轨倾翻过程可按钢轨轨底与轨下垫板接触形式划分为钢轨脱离和整体倾翻2个阶段。扣件横向刚度及抗倾翻系数可通过横向力-位移曲线、扭矩-转角曲线确定。

新型有轨电车扣件系统设计及性能

针对国内有轨电车无枕式扣件调高量不足、共享路权地段扣件强度尚待加强等问题,提出了一种新型有轨电车扣件系统,并对该扣件进行了有限元分析和室内试验。该扣件系统为弹性不分开式有挡肩扣件,其中基板和调高座采用玻纤增强聚酰胺材料注塑成型,在保证承载力的前提下提高了基板和调高座的防腐蚀性和绝缘减振性;其余零部件为国铁标准件或地铁通用件。该扣件垂向调整量为0~+20 mm,轨距调整量为-12~+8 mm,调整极差为1 mm。计算和试验结果表明:本文研发的新型有轨电车扣件系统关键零部件受力和变形满足要求,结构可靠;300万次荷载循环后各零部件无损伤,无失效;能满足有轨电车对扣件系统调整量、强度和可靠性的要求,性能稳定,维修养护方便。将该扣件系统应用于实际工程,通车运营三年,服役状态良好。

利用扣件位置关系定位图像边缘处不完整扣件的方法

扣件定位在扣件检测过程中具有至关重要的作用,其准确性直接关系到后续检测的可靠性。在使用线阵相机采集扣件图像时,扣件在图像中的位置并不固定,将会导致同一扣件可能横跨连续的2张图像,并在图像边缘处被截断。本文将这些被截断的扣件称为不完整扣件,其上半部分和下半部分分别出现在2张连续图像边缘处。不完整扣件由于形状缺失,难以定位其位置,从而降低了扣件检测的可靠性。为解决上述问题,本文提出一种利用扣件位置关系定位不完整扣件的方法。首先,通过像素统计法定位原始图像中的钢轨位置,并基于先验知识获得包含钢轨和扣件的原始图像子图,本文称所获得子图像为条形钢轨图;然后,拼接条形钢轨图,保证图像内存在多对扣件;接着,利用模板匹配获得与扣件模板最相似的位置,再利用该位置信息以及扣件之间的位置关系判断图像中是否存在不完整扣件并获取不完整扣件位置信息;最后,将2部分不完整扣件拼合为一张完整的扣件图像。研究结果表明,本文提出的方法能够100%定位采集图像中115对不完整扣件图像。研究结果具有实际工程价值,能够有效地解决图像边缘处不完整扣件定位问题,提高扣件检测的可靠性。

可调高式无砟轨道结构研究

针对无砟轨道基础变形适应能力小的难题,提出一种可调高式无砟轨道结构,由“扣件+垫板”组成,能够灵活调节轨道结构高度,主动适应轨下基础变形。建立可调高式无砟轨道结构整体受力分析有限元模型,分析轨道结构合理尺寸;建立轨道局部受力计算模型,分析垫板厚度变化的影响及锚固螺栓受力状态。结果表明:轨枕块高度为200 mm,埋深为140 mm时,各部件受力较小;通过更换不同厚度的垫板能够实现轨道结构0~60 mm的垂向调整量;锚固螺栓能够正常工作,满足强度设计要求。

高速铁路大跨桥梁端钢轨伸缩调节器监测技术

钢轨伸缩调节器被广泛应用于高速铁路大跨桥上无缝线路中,但因相对位移量大、零部件多等问题成为高铁薄弱环节之一,实时监测其服役状态对于高铁运营安全至关重要。为保证监测数据的实时性与准确性,结合计算机视觉技术与实际工程现状,建立调节器服役状态在线监测系统。具体包括:完成监测系统设计与布点方案优化研究,开发现代化的信息管理系统;针对现场传感器的实时采集数据设计一整套数据处理流程,结合随机森林、长短期神经网络等算法实现调节器服役状态的超前预测,结合YOLO系列目标检测算法实现钢轨位移量的非接触式测量;基于现场需求设计综合试验平台,对重点关注的钢轨位移、应力等重要指标进行模拟试验。试验结果表明,研究的调节器监测数据处理方法可以适应调节器区域监测需求,具有重要的工程意义。

32 m T型梁梁端变形对无砟轨道扣件受力规律研究

无砟轨道扣件实现了钢轨与混凝土道床、下部基础的连接。扣件受力除轮轨作用下的正常服役工作状态外,还包括桥梁地段梁端变形诱发扣件受力状态变化。为保障桥梁地段无砟轨道扣件正常服役状态,本文以32 m T型梁为载体,通过分析梁端转角、垂向位移、预留梁缝及扣件安装位置等变量,研究了T型梁梁端变形及接口构造对无砟轨道扣件受力的影响。结果表明:梁端变形引起的扣件上拔力与梁端转角、垂向位移及转角位移组合变形线性相关,提出了不同构造变量与扣件上拔力的线性表达式。研究成果可为客货共线桥梁铺设无砟轨道梁端变形控制及构造设计提供参考。

市域铁路无砟道岔扣件系统设计及性能试验

市域铁路一般采用无砟轨道,为此设计无砟道岔扣件系统。道岔扣件系统板下弹性垫层采用三元乙丙橡胶,实现了无砟轨道道床低刚度要求;岔枕螺栓安装处设置具有防转功能的复合偏心套和防转盖板,增大道岔轨距调整范围,同时改善岔枕螺栓受力,增强扣件系统稳定性。扣件系统性能试验研究表明,扣件系统各项指标均满足规范要求,同时具有良好的减振性能。

基于振动响应的高速动车车轮踏面磨耗状态识别

针对高速动车车轮踏面磨耗状态识别问题,融合车辆振动响应及其幅值滑动平均值特征,提出一种基于双向门控循环单元(Bi-directional Gated Recurrent Unit,Bi-GRU)网络的车轮踏面磨耗状态识别方法。首先,以国内某型高速动车为对象,采用SIMPACK进行车辆动力学仿真,定义五类不同等效锥度磨耗状态的车轮踏面,考虑悬挂结构参数、轮轨接触状态等随机因素,获取车体与构架横向振动加速度;其次,结合横向加速度及其幅值滑动平均值,使用特征融合技术建立不同磨耗踏面的多维特征融合数据集;最后,采用Bi-GRU网络建立踏面磨耗状态识别模型,训练模型结构参数并验证其识别效果。结果表明:该模型能够有效识别高速动车车轮踏面磨耗状态,识别准确率优于传统最近邻、决策树和支持向量机模型,并具备一定抗噪能力。对于线路实测数据集,迁移模型准确率超过98%,证明模型具有良好的泛化性能。

基于3D相机的轨道扣件部件丢失与松动智能检测

轨道扣件在运营过程中会出现松动甚至掉落、断裂等异常情况,不利于列车行驶稳定和安全,需要进行定期、及时的检查与维修。传统的人工巡检效率低,难以匹配我国轨道交通的快速发展,且对于部件松动等不易察觉的问题检测效果差。利用计算机视觉形成自动化的检测设备逐渐成为发展趋势,其中基于三角测量原理的线结构光技术因其成本低、精度高、速度快等优点得到广泛应用,且适合轨道检测场景。该技术核心设备为可以采集并分析线结构光进行三维重建的3D相机,基于成像原理设计可搭载于轨道检测车的扣件检测系统并进行现场试验,经过数据分析和处理可以分别得到高质量的图像数据和三维模型。针对图像数据利用目标检测的方法,构建数据集,搭载YOLO(You Only Look Once)v5深度学习模型,实现挡肩及扣件部件的快速识别,进行部件丢失检测;针对三维模型利用轨道扣件相对位置固定的特点,根据阈值筛选扣件数据并进一步得到弹条及螺栓等部件的坐标信息,通过边缘提取、平面拟合等方法计算位移量,进行部件松动检测。研究结果表明,检测系统可以采集高质量的扣件数据,扣件部件识别平均精准度达到99.0%,速度满足现场实时检测的要求,同时对于弹条和螺栓的松动量检测精度分别达到了1 mm和0.1 mm。该方法具有实际工程价值,可以大幅提升轨道巡检效率,对于扣件部件丢失、松动等严重问题可以及时预警指导修复,保障轨道安全服役性能。

铁路轨道加强部件弹性轨撑研发与应用

轨撑是铁路曲线和长大坡度地段的重要轨道加强部件之一。经现场调研,既有轨撑结构存在局部刚度不均匀、调整性差、类型多等问题。既有结构的刚度不均匀会导致部分扣件不起横向支撑作用,给轨道带来较大的冲击,造成轨道状态恶劣,而调整性差则引起轨撑与轨腰间离缝、不密贴,长期使用会对轨枕和钢轨带来伤损,不利于工务运营维修。结合重载铁路、客货共线及其他铁路现场使用的需求,研制了50,60,75 kg/m专线系列钢轨用弹性轨撑,采用整体式结构,轨撑与轨腰完全贴合,增大接触面,提升抗横向性能。轨撑侧面镶嵌(硫化)弹性橡胶或聚氨酯材料,避免和钢轨硬接触,适当释放位移保证弹性,减轻轨撑抵靠钢轨轨腰带来的磨耗和伤损问题。采用有限元方法建立弹性轨撑实体模型,理论分析弹性轨撑方案受力规律,确定合理的技术参数。另制定弹性轨撑组装试验测试方法和技术要求,相同条件下与国铁弹条Ⅱ型扣件进行室内对比试验,经测试各项指标均达到预期效果,性能安全可靠。为验证弹性轨撑的实际应用效果,选取曲线半径为400 m的小半径曲线段进行现场试铺并进行观测,相关数据表明弹性轨撑能有效抵抗钢轨承受的异常横向荷载,轨距变化率小,达到设计要求,可保证列车安全运行,具有良好的推广应用价值。

W型弹条关键几何参数对扣件力学性能的影响

扣件是保证轨道结构稳定性的关键部件,弹条是扣件组成中最为关键的扣压件,直接影响扣件乃至轨道结构的安全稳定。为研究W型弹条关键几何参数对扣件力学性能的影响,基于W型弹条空间几何关系,推导得出W型弹条轴线三维空间方程,并建立W型弹条力学分析模型,计算分析结果表明:影响W型弹条轴线空间方程的关键几何参数共计10个。弹条拱跨L^(0)、弹程H、中肢尾部半径R^(2)、直径d对扣件力学性能影响显著,设计时可从以上4个参数对扣件进行力学性能优化。

高铁扣件弹性垫板更换对列车运行平稳性的影响

为评估高速铁路扣件弹性垫板更换过程中新旧垫板过渡造成的轨道刚度突变对列车运行状态的影响,建立车辆-轨道耦合动力学仿真模型,分析直线、曲线区段以及钢轨接头处垫板刚度突变对列车运行平稳性的影响,并对垫板更换区间长度和刚度三级过渡模式进行了研究,提出扣件弹性垫板更换方案建议。结果表明:直线和曲线区段更换扣件弹性垫板有利于降低轮轨动力作用,仅在列车驶出垫板更换区后存在长度约10 m的行车不稳定区,会造成个别列车动力学指标增大,但增幅相对较小;行车不稳定区若存在钢轨焊接接头,会造成轮轨动力作用急剧增大;在垫板更换区末端采用静刚度为45 kN/mm的垫板设置长25 m的过渡区,有利于降低轮轨动力作用,提高列车运行的平稳性。

黄泛区粉土路基强度衰减对路面结构的影响分析

为了揭示黄泛区公路路面结构早期破损严重的机理并提出合理的处治措施,有必要深入研究粉土路基支撑强度的影响因素、变化规律及对路面结构的影响程度。采用现场调查、室内试验及理论分析,研究了粉土路基含水量分布规律、路基强度衰减规律及路面结构的受力特征,并提出相应的处治措施。结果表明,黄河冲积平原区粉土路基具有强烈的毛细现象及水敏性特征,在上部雨水渗入与底部毛细水上升影响下路基含水量有显著变化,易使路基强度发生衰减,造成耐久性严重不足,并由此找出了路基强度随含水量的变化规律。针对道路重载运营条件使联合路基强度衰减而造成该地区路面结构早期破损严重的情况,对路床区进行掺灰处理获得了较好的模量搭配,有效提高了路基的支撑能力和抗变形能力,使疲劳寿命显著延长,耐久性相应提高。

不同受力环境下的钢轨扣件减振橡胶动态特性

采用电液伺服试验机对钢轨扣件中橡胶材料受压为主和受剪为主提供弹性的2种减振橡胶的非线性动态特性进行试验研究。建立减振橡胶非线性动力学模型,运用最小二乘法进行参数识别,并进行模型有效性检验。利用建立的数学模型对各种工况的试验数据逐一拟合,得到2种扣件减振橡胶不同工况下的刚度和阻尼。刚度和阻尼的变化与振幅和频率密切相关;2种钢轨扣件减振橡胶的动态特性变化规律有一定相似性,但受压型扣件减振橡胶在刚度非线性程度、动刚度随振幅频率的变化率等方面均强于受剪型扣件减振橡胶,因此,在进行钢轨扣件的优化和创新设计过程中,应优先选用橡胶材料受剪切来提供弹性,以便实现不同载荷范围、不同振幅和频率条件下的刚度稳定性。

微动磨损对弹条Ⅱ型扣件弹条断裂的影响分析

弹条是实现弹条Ⅱ型扣件功能的主要元件,传统的疲劳分析方法主要从弹条的应力、应变入手,这并不能反映真实情况,因为弹条在工作中与其它构件接触面表面之间存在微小的相互移动,即微动.应用非线性接触理论,采用库仑摩擦模型模拟弹条与周围接触元件之间的摩擦接触情况,计算出弹条各点的剪切应力τ、相对位移δ及二者乘积τ·δ的值;并采用离散裂缝模型来模拟扣件裂纹的生成及扩展.理论分析表明,若微动磨损在弹条疲劳断裂过程中起主要作用,则断口处应位于弹条中τ·δ值最大的点附件.扣件疲劳试验表明,弹条断口处位于弹条尾部与轨距挡板接触处,处于τ及τ·δ最大的点之间且更靠近τ·δ值最大的点.弹条尾部与轨距挡板之间由于微动磨损产生裂纹,形成污染源,反复作用下,裂纹扩展,最终导致弹条断裂.试验证明了弹条微动磨损理论分析的正确性,为改进弹条设计,提高其疲劳寿命提供科学依据.

WJ-7型无砟轨道扣件扣压力损失的室温蠕变试验研究

为了探讨室温（常温）蠕变对无砟轨道扣件扣压力损失的影响,通过试验研究分析室温蠕变对WJ-7型扣件扣压力的损失。分别进行保持扣件变形不变与保持初始扣压力不变的2组（各5套扣件）试验,在组装好的扣件相应位置埋设压应力传感器以测量扣件扣压力,在保持一定扣压力情况下,用T形螺栓螺母位移的变化表示弹条的蠕变变形量,对比分析2种情况下扣件蠕变规律及其对扣压力的影响。试验表明：在初始扣压力为10 kN,分别保持扣件弹条变形不变和保持扣件扣压力不变情况下,弹条蠕变分别为1.45 mm和2.12 mm,若都转化成扣压力的损失,则分别为1.00 kN和1.46 kN,且二者蠕变都是前期快后期慢,但后者蠕变时间更长,且蠕变量更大；在无车辆荷载作用下,轨下垫板变形是弹条变形的1/50~1/80,对弹条蠕变变形的影响可以忽略。

高速铁路无砟轨道扣件弹条断裂原因分析

为研究高速铁路无砟轨道扣件系统中的弹条部件断裂原因,以WJ-7型扣件为研究对象,建立扣件系统有限元实体模型,分析扣件安装、车轮多边形磨耗及曲线线型等3种条件下的扣件弹条力学特征。研究结果表明:预紧力到24 kN时扣件安装到位,即使无其他荷载作用,弹条本身就已存在相当大的应力值,过拧将继续增大应力值;车轮多边形磨耗阶数的提高会增大弹条应力值,3阶磨耗时应力增量36MPa,较无磨耗增大5倍,疲劳寿命较无磨耗状态降低95%;曲线半径减小和车速提高将增大弹条应力,降低其疲劳寿命,其中半径影响更显著,半径4 000 m时弹条寿命2万次,较8 000 m减少98%以上。本文可为扣件的养护维修提供参考。

螺纹道钉锚固抗拔力的分析和研究

螺纹道钉锚固抗拔力会因螺纹道钉的锈蚀及锚固剂老化等因素而变小,从而影响列车的安全运行,为解决这一问题对螺纹道钉锚固抗拔力进行分析。同时,以锚固剂的结合应力、螺纹道钉的锈蚀程度和偏心度等3个因素为变量对轨道螺纹道钉抗拔力进行实验,采用多元回归分析的方法对实验数据进行计算分析。计算分析表明,锚固剂的结合应力和螺纹道钉的锈蚀程度是影响螺纹道钉抗拔力的主要因素,应避免采用硫磺及有腐蚀性的化学品作为螺纹道钉的锚固剂。初步得出以锚固剂的结合应力、螺纹道钉的锈蚀程度为自变量的螺纹道钉抗拔力的表达式。