Vibration and sound radiation of a rotating train wheel subject to a vertical harmonic wheel–rail force

The rapid development of high-speed railway networks requires advanced methods for analysing vibration and sound radiation characteristics of a fast rotating train wheel subject to a vertical harmonic wheel-rail force. In order to consider the rotation of the wheel and at the same time increase the computational efficiency, a procedure is adapted in this paper taking advantage of the axial symmetry of the wheel. In this procedure, a recently developed 2.5D finite element method, which can consider wheel rotation but only requires a 2D mesh over a cross section containing the wheel axis, is used to calculate the vibration response of the wheel. Then, the vibration response of the wheel is taken as acoustic boundary condition and the 2.5D acoustic boundary element method, which only requires a 1D mesh over the boundary of the above cross section, is utilised to calculate the sound radiation of the wheel. These 2.5D methods and relevant programs are validated by comparing results from this procedure with those from conventional 3D analyses using commercial software. The comparison also demonstrates that these 2.5D methods have a much higher computational efficiency. Using the 2.5D methods, we study the wheel rotation speed influences on the factors including the vertical receptance of the wheel at wheel-rail contact point, sound pressure level at a pre-defined standard measurement point, radiated sound power level, directivity of the radia- tion, and contribution of each part of the wheel. It can be concluded that the wheel rotation speed splits most peaks of the vertical receptance at the wheel-rail contact point, sound pressure levels at the field, and the sound power level of the wheel into two peaks. The directivity and power contribution of the wheel are also significantly changed by the wheel rotation speed. Therefore, the rotation of a train wheel should be taken into account when calculating its vibration and sound radiation.

Frictional Heat-Induced Phase Transformation on Train Wheel Surface

By combining thermomechanical coupling finite element analysis with the characteristics of phase transformation [continuous cooling transformation （CCT） curve], the thermal fatigue behavior of train wheel steel under high speed and heavy load conditions was analyzed. The influence of different materials on the formation of the phase transformation zone of the wheel tread was discussed. The result showed that the peak temperature of wheel/track friction zone could be higher than the austenitizing temperature for braking. The depth of the austenitized region could reach a point of 0.9 mm beneath the wheel tread surface. The supercooled austenite is transformed to a hard and brittle martensite layer during the following rapid cooling process, which may lead to cracking and then spalling on the wheel tread surface. The decrease in carbon contents of the train wheel steel helps inhibit the formation of martensite by increasing the austenitizing temperature of the train wheel steel. When the carbon contents decrease from 0.7% to 0.4%, the Ac3 of the wheel steel is increased by 45 ℃, and the thickness of the martensite layer is de creased by 30 %, which is helpful in reducing the thermal cycling fatigue of the train wheel tread such as spalling.

Analysis of torque transmitting behavior and wheel slip prevention control during regenerative braking for high speed EMU trains

The wheel-rail adhesion control for regenerative braking systems of high speed electric multiple unit trains is crucial to maintaining the stability,improving the adhesion utilization,and achieving deep energy recovery.There remain technical challenges mainly because of the nonlinear,uncertain,and varying features of wheel-rail contact conditions.This research analyzes the torque transmitting behavior during regenerative braking,and proposes a novel methodology to detect the wheel-rail adhesion stability.Then,applications to the wheel slip prevention during braking are investigated,and the optimal slip ratio control scheme is proposed,which is based on a novel optimal reference generation of the slip ratio and a robust sliding mode control.The proposed methodology achieves the optimal braking performancewithoutthewheel-railcontactinformation.Numerical simulation results for uncertain slippery rails verify the effectiveness of the proposed methodology.

Wear characteristics and prediction of wheel profiles in high-speed trains

Wheel/rail relationship is a fundamental problem of railway system. Wear of wheel profiles has great effect on vehicle performance. Thus, it is important not just for the analysis of wear characteristics but for its prediction. Actual wheel profiles of the high-speed trains on service were measured in the high-speed line and the wear characteristics were analyzed which came to the following results. The wear location was centralized from-15 mm to 25 mm. The maximum wear value appeared at the area of 5 mm from tread center far from wheel flange and it was less than 1.5 mm. Then, wheel wear was fitted to get the polynomial functions on different locations and operation mileages. A binary numerical prediction model was raised to predict wheel wear. The prediction model was proved by vehicle system dynamics and wheel/rail contact geometry. The results show that the prediction model can reflect wear characteristics of measured profiles and vehicle performances.

Minimum Curve Radii for High-Speed Trains, Including the Gyroscopic Moments of the Wheels

This paper studies the title problem including an analysis of the gyroscopic effects of the wheels of a rail-car travelling at high-speed around a level, horizontal curve. The analysis is based upon the fundamental principles of dynamics. The result is a design formula for the minimum curve radius needed to prevent derailment. Aside from the rail car geometric and physical properties, the minimum curve radius depends upon the square the train speed. An illustrative example shows that the wheel gyroscopic effect is destabilizing and additive to the centrifugal force derailment tendency. From a track design perspective, however, the gyroscopic effect is relatively small compared with the centrifugal force effect.

基于轴箱高频振动的车轮不圆辨识方法研究

为实现对高速列车车轮高阶不圆的实时检测,研究了轴箱高频振动与车轮不圆的频谱特征和映射关系,采用频域积分方法对车轮不圆的幅值和阶次进行辨识.首先,通过静态测试和台架试验,研究我国高速铁路车轮多边形、钢轨波磨和轨道模态的表现形式;其次,通过高速列车长期服役性能跟踪试验,掌握转向架轴箱振动的时频特征和演化规律;最后,以现场出现车轮20阶多边形的车辆为研究对象,提出基于频域积分的车轮不圆阶次和幅值辨识方法.研究结果表明:CRTS-Ⅱ型轨道板钢轨三阶弯曲频率为592 Hz;列车以300 km/h运行时,20阶车轮多边形和136 mm波长钢轨波磨的响应频率分别为580 Hz和613 Hz;钢轨模态、车轮多边形以及钢轨波磨的振动主频较为集中,轴箱高频振动幅值随车速和镟后里程的增大而增大;采用加速度频域积分方法,从理论上可实现对车轮不圆幅值和阶次的辨识;基于线路实测轴箱加速度的20阶车轮多边形辨识结果与静态测试值相对误差不超过5%.

不同牵引特性城轨列车车轮磨耗与疲劳研究

针对列车频繁牵引起动对车轮磨耗与疲劳损伤产生的影响问题,在恒定牵引力的基础上,探究了不同牵引特性曲线恒功率区转折点速度对车轮磨耗与疲劳的影响规律。采用SIMPACK和MATLAB软件进行联合仿真,建立了不同牵引特性下城轨列车动力学模型和基于Archard的车轮磨耗模型,分析在牵引电机不同起动转矩下牵引特性曲线恒功率区转折点速度对城轨列车轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度、磨耗面积以及疲劳指数的影响规律。结果表明:列车牵引起动过程中,电机起动转矩越大,轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度和磨耗面积也越大,而疲劳指数则越小;电机起动转矩一定时,随着列车牵引特性曲线恒功率区转折点速度的增大,轮轨蠕滑率、车轮磨耗深度和磨耗面积也增大,疲劳指数则有所减小;当电机起动转矩从800 N·m增大到1400 N·m,车轮磨耗深度和磨耗面积增长率最大为6.9%和12.6%,而疲劳指数下降率最大为7.2%;当恒功率区转折点速度从50 km/h增加到80 km/h,车轮磨耗深度和磨耗面积增长率最大为4.4%和4.3%,疲劳指数下降率最大为1.9%。本文研究了车辆起动转矩与恒功率转折点速度变化对车轮磨耗与疲劳的影响规律,可为车辆牵引特性设计和电机控制以及车轮运维提供参考。

车轮多边形磨耗对地铁列车蠕滑特性的影响分析

为研究车轮多边形磨耗对轮轨接触蠕滑特性的影响,依据多体动力学理论和滚动接触理论,建立基于地铁列车参数的多体动力学模型,并计算多工况下车轮踏面磨耗指数,分析车轮多边形阶数和幅值变化对轮轨力、蠕滑率和蠕滑力等特性的影响,结果表明:蠕滑率以及蠕滑力会随车轮多边形阶数和幅值的上升而增大;车轮踏面磨耗随地铁列车运行里程的增加而逐步增大。使用轮轨垂向力指标,根据车速小于160 km/h,轮轨力应不大于200 kN的标准,确定地铁列车80 km/h运行速度下3~23阶多边形幅值安全限值,结果表明多边形幅值安全限值随阶数增加呈下降趋势。

基于机器视觉的智能物流搬运机器人的设计与研究

第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛智能+赛道基于机器视觉的智能物流搬运机器人,对OpenMV4视觉模块进行研究,应用该模块进行二维码、不同颜色物料等多种目标的识别,信息经过模块上STM32F427微控制器的处理,与Arduino Mega 2560板通信,机器人识别场地上的三个区域,用PID算法驱动麦克纳姆轮机器人的四个直流电机旋转并且定位机器人,通过PCA9685模块的I2C通信协议,发送PWM脉冲信号给机械臂上的四个关节舵机,使智能物流搬运机器人对场地上的物料进行自动搬运。实验证明其可以较为精确地完成各项搬运任务。

城市轨道交通列车轮轨垂向力测量方法

[目的]城市轨道交通运营中通常会出现大量的隧道病害,列车轮轨力是各种病害的主要成因,因此,需在不影响城市轨道交通列车正常运营的条件下,对列车轮轨垂向力的测量方法进行研究。[方法]以成都地铁7号线茶店子站—一品天下站下行区间道床剥离病害为研究对象,基于弯矩差法理论,采用ANSYS有限元软件建立了静荷载及动荷载作用下的钢轨有限元模型,并对其进行了数值模拟分析。在室内对1根长2 m、3跨布置的钢轨进行了标定试验。[结果及结论]静荷载数值模拟分析表明,钢轨测点可选择在钢轨跨中轨底上表面边缘两侧位置;当钢轨跨中位置受到垂向力作用时,该点沿钢轨方向的应变最大,且应变随垂向力线性增加。通过标定试验测得的标定系数为0.6260×10^(6)kN,而数值模拟测得的标定系数为0.6441×10^(6)kN,两者偏差仅2.8%,可通过静荷载标定试验确定标定系数。轮轨垂向力的测量方法可以更好地评估轨道结构和列车运行的安全性,及时发现安全隐患,并采取相应措施进行修复和改进。

车轮打滑对2万吨重载列车纵向冲动影响分析

针对低黏着接触条件下车轮滑行所引起的列车纵向冲动问题,文章建立了“1+1”编组2万吨重载列车-轨道垂纵耦合动力学模型,对比分析电制动工况下不同轮轨接触状态对2万吨列车纵向冲动的影响,分别计算了车轮发生滑行位置和电制动力载荷大小对纵向冲动的影响规律。结果表明,在电制动运行工况下,当列车施加100%电制动力时,列车在湿润、油污和冰雪接触条件下均检测到了车轮滑行,在25%~75%电制动工况下列车仅在冰雪接触条件下检测到了车轮滑行;车轮滑行导致了车钩力的波动,特别是中部机车发生车轮滑行时会引起其前、中、后部车钩力较大幅度波动,并增大中部机车前部车辆压钩力,严重影响列车的平稳运行;随着制动力的降低,低黏着接触状态下的车轮滑行对最大车钩力的影响明显减小。

轨道车辆制动副摩擦自激对车轮磨耗的影响

轮轨周期性磨耗会加剧轮轨动态相互作用,造成车辆系统关键部件发生疲劳断裂,引起车体的异常振动,对乘坐舒适性和运行安全性有较大影响,然而先前研究很少将制动副振动与车轮磨损进行联系。为研究车轮周期性磨耗的原因,通过考虑制动单元的自激振荡对车轮磨损的影响,建立考虑轮轨附着的列车制动系统扭转模型。利用数值方法对制动系统的振动状态进行求解,通过一些非线性理论的相关图谱(系统运动的分岔图、相图、庞加莱截面图、频谱图和时域图等),深入探究制动工况下系统的振动情况,得到制动单元内部因摩擦因数的负斜率特性引起的自激振荡对车轮磨损的影响。研究结果表明:制动系统因摩擦自激产生的不稳定运动仅在车速较低时发生,随着制动速度的降低,当车速低于12.88 km/h时,制动系统会从稳定区间进入振荡区间进而引发制动系统颤振。与此同时,制动系统的颤振会引起车轮蠕滑率的波动,进而影响轮轨间的切向力与轮轨磨损。当制动速度处于振荡区间时,车轮会出现不均匀磨损;当制动速度靠近振荡区间的临界值时,车轮磨损近似均匀;当制动速度处于稳定区间时,车轮纵向蠕滑力近似无波动,车轮不再因制动副的自激振荡产生异常磨损。最后探究了制动压力对系统运动稳定性与轮轨磨耗的影响,发现大制动压力下系统振幅增大,磨损更为明显。探究制动系统对车辆周期性磨耗的影响,可为车轮周期性磨耗机理的研究和控制措施的选用提供参考。

考虑不确定性的高速列车车轮有限元模型修正

为了提高高速列车车轮模型修正效率和降低模型修正误差,考虑不确定性影响因素,提出了一种基于DREAM和Kriging模型的贝叶斯模型修正方法,并将其应用于高速列车车轮有限元模型修正。首先,根据设计参数建立某高速列车车轮有限元模型,初始待修正参数样本,由拉丁超立方抽样产生,分析不同样本所对应的频率函数并提取小波系数。其次,以车轮待修正参数初始样本为输入,小波分解后所得小波系数为输出构建Kriging模型。最后,使用满足精度要求的Kriging模型代替高速列车车轮有限元模型进行有限元分析,并使用DREAM算法对高速列车车轮有限元模型待修正参数进行修正。结果表明,基于DREAM和Kriging模型的贝叶斯模型修正方法,可以节约大量模型修正时间,提高模型修正效率,且修正后的高速列车车轮有限元模型误差较小。

400 km/h高速轮轨噪声特性及轮轨声源贡献量研究

为了研究400 km/h高速轮轨噪声特性,基于傅里叶级数方法和2.5维边界元方法,建立轮轨滚动噪声预测模型,分析轮对与轨道的声辐射特性。利用轮轨滚动噪声预测模型,对轮轨短波不平顺在不同波深和波长特征下的噪声响应,以及扣件参数对轮轨噪声的影响进行研究。结果表明,随着短波不平顺波深增大,轮轨横向力、垂向力分别呈非线性增大0.7、62.7 kN;短波不平顺波长在31.5~500.0 mm时,轮轨横向力、垂向力受影响较小;短波不平顺波深增大1 dB,轮对、轨道和轮轨系统总声功率级呈线性增大约1 dB(A);随着短波不平顺波长减小,轮对声功率增大,轨道声功率先增大后减小;随着扣件垂向刚度增大,轮对、轨道、轮轨系统总声功率级分别减小0.1、1.1、1.0 dB(A);随着扣件垂向损失因子增大,轮对、轨道、轮轨系统总声功率级分别减小0.7、4.4、4.1 dB(A);扣件的横向刚度和横向损失因子对轮轨系统总声功率级无显著影响。

车轮扁疤对高速列车传动齿轮动态特性影响

[目的]车轮扁疤会引起列车传动齿轮振动加剧,因此有必要研究车轮扁疤对高速列车传动齿轮的振动动态特性影响。[方法]基于多体动力学理论和某高速列车传动齿轮的技术参数,构建弯曲-扭转-轴向耦合斜齿轮和车轮扁疤的高速列车整车动力学模型;对不同扁疤长度下,高速列车传动齿轮的动态特性,大、小齿轮接触面间的最大接触应力,以及齿轮传递误差进行了计算与分析。[结果及结论]当车轮扁疤长度为0~30 mm时,高速列车大、小齿轮的振动加速度增长不明显;当车轮扁疤长度为30~60 mm时,高速列车大、小齿轮的振动加速度急剧增加,大、小齿轮间的最大接触应力由630 MPa增加至了1250 MPa,增长了2.08倍;随着车轮扁疤长度的增加,齿轮动态传递误差呈现增加的趋势;当车轮扁疤长度为0时,齿轮动态传递误差最大值为9μm;当车轮扁疤长度为60 mm时,齿轮动态传递误差最大值为72μm,齿轮传递误差增加了8倍。

车轮踏面磨耗对齿轨列车齿轮齿条接触状态影响研究

针对齿轨列车车轮踏面磨耗情况下难以探究齿轮齿条接触状态规律的问题,提出了一种基于Hertz接触理论的考虑车轮踏面磨耗情况的齿轮齿条齿面接触应力计算模型。首先,分析了磨耗情况下齿轮齿条的接触关系,获得了接触应力计算关键参数随车轮磨耗的变化规律,并结合Hertz接触理论构建了考虑车轮磨耗的齿轮齿条接触应力计算模型;然后,选取某工程齿轮齿条参数进行计算,获得了磨耗周期内的齿面接触应力分布,并通过27组有限元仿真试验获得了不同磨耗量、不同接触位置的齿轮齿条接触应力数据,与上述计算模型结果进行了对比;最后,运用上述计算模型进一步分析了车轮磨耗影响接触应力规律的内在机制和关键因素。结果表明,模型结果与仿真计算结果的最大相对误差为7.71%,验证了计算模型的准确性;车轮踏面磨耗量越大,齿轮齿条啮入点附近的接触应力越大,其影响机制是车轮磨耗导致啮入点附近驱动齿轮曲率半径急剧减小;增大初始中心距和齿条齿顶圆角影响系数,可降低车轮踏面磨耗对接触应力的影响,并可通过减小高度调整周期来优化接触状态情况。

虚拟轨道列车全轮主动转向控制研究

针对多铰接式虚拟轨道列车的转向问题,基于后车跟随首车行驶轨迹运行的思路,提出了一种全轮主动转向控制方法.首先,利用移位寄存器储存首车的行驶轨迹作为目标路径;其次,根据车体后轴实际路径和目标路径间的横向偏差量,基于PID控制器和Stanley算法确定车体后轮转角,进一步利用阿克曼转向几何原理计算后车前轮的转角;最后,搭建TruckSim与Matlab/Simulink联合仿真平台,结合典型工况进行仿真分析.仿真结果表明,本文设计的控制方法有效提高了拖车模块对牵引车模块的跟随性能,减小了车间铰接处的作用力、车体的质心侧偏角和轮胎侧向力,从而提高了列车在转弯时的稳定性.

齿轨铁路齿条啮合与轮轨滚动接触间耦合作用机理分析

针对适于山地轨道交通的齿轨铁路,建立基于显式时间积分的三维齿轨轮对-轨道瞬态接触有限元模型,模型可分析齿轮齿条啮合和轮轨滚动接触间中、高频耦合动力作用。轮对和轨道真实几何,齿轮与车轮轮径差导致“车轮悖论”现象及结构振动等均有考虑,齿轮齿条啮合和轮轨接触采用集成库仑摩擦的“面-面”接触算法求解。对比零和非零轮轨摩擦系数工况,解构“车轮悖论”现象对动态接触的影响。以初步设计的Strub型齿轨铁路为例,分析速度为10 km/h和0‰、240‰、480‰坡度下动态接触现象。结果表明,受齿轮啮合影响,齿条、轮轨接触力均呈现周期性波动,但垂向接触总力和总牵引扭矩分别在重力载荷与牵引扭矩附近波动。“车轮悖论”使齿条垂向力和法向接触应力减小,而轮轨垂向力和法向接触应力增加,齿面切向接触应力与接触斑内滑移区面积相应增加,在坡度240‰下,轮轨摩擦系数由0增至0.2,齿条、轮轨最大法向接触应力由248.69、752.66 MPa增至195.17、757.44 MPa,最大切向接触应力相应由24.48、152.84 MPa变成21.31、2.14 MPa。轮轨接触斑因发生显著蠕滑呈现全滑移。相同速度及摩擦条件下,坡度增加使齿条垂向力和牵引力增加,轮轨垂向力和牵引力减小,接触应力呈同相变化。

海外套轨铁路列车轴距检查及其信号工程设计

海外铁路存在站内套轨股道向单一轨距区间发车的情况,信号工程设计应避免列车由套轨线路运行至轨距不符的单轨距线路而引发掉道事故。信号系统轨旁设备可设置套轨无岔区段双送双受轨道电路,该设备为联锁系统提供占用列车的轴距信息。联锁系统根据轴距占用信息和特殊联锁表逻辑实现进路控制,以提高车辆运营的安全性。该文从工程设计角度介绍相关方案的选定与信号工程设计情况。

升力翼高速列车曲线通过时的轮轨黏着性能研究

建立考虑轮轨关系、升力翼及流场耦合特性等因素的车辆系统动力学模型,分析升力翼高速列车曲线通过时的运动姿态和轮轨接触特性响应,研究列车在曲线轨道运行的轮轨黏着性能,探讨轨道不平顺、曲线半径、运行速度及轮轨接触条件对轮轨黏着性能的影响。研究结果表明:气动升力通过改变列车运行动态响应和轮轨接触特性导致内、外侧轮轨垂向力和纵向蠕滑力重新分配,促使内侧轮更易失去黏着;气动升力和运行速度的增大均会劣化轮轨黏着性能,但曲线半径的增大将显著提升轮轨黏着水平;轨道不平顺削弱了轮轨黏着性能,干态、湿态、油态条件下的轮轨黏着性能依次恶化。列车牵引运行时,干态、湿态、油态条件下的轮轨均能满足牵引力安全限值要求,但制动运行时,湿态和油态条件下的轮轨均不能满足制动力安全限值要求。研究结果可为超高速列车的安全运行与节能设计提供技术支持。