Parameters studies for rail wear in high-speed railway turnouts by unreplicated saturated factorial design

Rail wear is one of the main reasons for reducing the service life of high-speed railway turnouts in China. The rail wear characteristics of high-speed railway turnouts are influenced by a large number of input parameters of the complex train-turnout system. To reproduce the actual operation conditions of railway turnouts, random distributions of these inputs need to be considered in rail wear simulation. For a given nominal layout of the high-speed railway turnout, 19 input parameters for rail wear simulation in high-speed railway turnouts are investigated based on orthogonal design of experiment. Three dynamic responses(wheel-rail friction work, normal contact force and size of contact patch) are defined as observed values and the significant factors(direction of passage, axle load, running speed, friction coefficient, and wheel and rail profiles) are determined by two unreplicated saturated factorial design methods, including the half-normal probability plot method and Dong 93 method. As part of the associated rail wear simulation, the influence of the wear models and the local elastic deformation on the rail wear was separately investigated. The calculation results for the wear models are quite different, especially for large creep mode. The local elastic deformation has a large effect on the sliding speed and rail wear and needs to be considered in the rail wear simulation.

Numerical investigation on wheel-turnout rail dynamic interaction excited by wheel diameter difference in high-speed railway

目的:车轮型面磨耗和加工误差导致轮对两侧车轮的轮径不同。本文旨在探讨不同幅值和分布形式的轮径差对道岔区轮轨接触几何、轮轨法向接触性能和车辆通过道岔动力响应的影响规律,提出保证车辆通过道岔时的安全性和舒适性的轮径差限值。创新点:通过数值仿真,分析轮径差对道岔区轮轨接触性能和轮轨动态相互作用的影响。方法:1.基于迹线法,揭示轮径差对道岔区轮轨接触几何的影响。2.通过建立轮轨接触有限元计算模型,探讨轮径差对轮轨法向接触性能的影响。3.通过建立车辆-道岔耦合动力学模型,综合考虑在不同幅值和分布形式的轮径差激励下,车辆通过道岔的轮轨动态相互作用、运行舒适性和磨耗指数评价指标,提出轮径差限值。结论:1.轮径差加剧了道岔区固有结构不平顺。2.轮径差通过改变轮载过渡位置,对尖轨上的轮轨法向接触性能有较大影响。3.可根据轮径差幅值将轮径差对道岔区轮轨动力响应的影响划分为三个区域:轮径差小于1.5 mm时,轮缘与尖轨提前接触使轮轨横向力快速增大;轮径差在1.5~2.5 mm时,等值同相轮径差使车辆通过道岔失稳;轮径差大于2.5 mm时,轮缘与尖轨的持续接触增强了车辆稳定性,但增加了轮轨磨耗。4.建议将轮径差控制在2.5 mm以内,且应控制同相分布轮径差小于2 mm。

The effect of track alignment irregularity on wheel-rail contact geometry relationship in a turnout zone

The irregularity is a key factor affecting the wheel-rail contact geometry relationship. In this paper, we calculated the wheel-rail contact points at typical sections and obtained the longitudinal variation of the wheel-rail geometry relationship with the trace line method. The profile of the key rail sections was matched by cubic spline curve, and the shape interpolation was realized in non-controlling sections. The results show that the roll angles at each typical section increases gradually with the enlargement of track alignment irregularity. When the flange contact occurs, the roll angle increases dramatically. Proper track alignment irregularity towards the switch rail improves the structure irregularity of the turnout.

面向高速铁路道岔设备故障处置的知识图谱构建与应用

为了解决道岔设备故障处置过程中产生的大量知识难以存储应用,半结构化故障文本数据不能直接检索和推理等问题,提出一种高速铁路道岔设备故障处置知识图谱的构建方法。以少量人工标注故障文本数据为基础,采用基于强化学习的方法搭建BERT-BiLSTM-CRF*深度学习模型抽取实体;根据知识领域特点和数据结构设计关系匹配模板抽取各实体间的关系;针对实体冗余问题,采用文本相似度与结构相似度结合的方法进行故障实体融合;以我国各铁路局近3年的高速铁路道岔设备故障文本为研究对象,累计抽取实体807个且标注准确率在90%以上,构建实体关系2232条。基于以上知识图谱构建的高速铁路道岔设备故障处置知识图谱直观展示道岔设备故障关系,实现不同实体对象间的数据关联查询,挖掘隐含关系,辅助道岔维护人员进行故障处置决策,实现道岔设备预防性维护,延长设备寿命。

新型高速道岔结构研发及列车过岔安全性分析

为了减小尖轨对列车高速运行安全性的影响,研发了一种新型高速道岔转辙器结构。新型转辙器去掉了既有结构中的尖轨,全部采用标准60 kg/m钢轨的轨头断面;转辙轨一端固定,另一端可左右转动,从而实现转向。基于车辆-道岔耦合动力学理论,分别建立标准18号道岔、新型道岔模型以及CRH_(2)型车的单车模型;通过与标准道岔对比,分析列车侧逆向通过新型道岔的安全性。结果表明:与标准道岔相比,列车侧逆向通过新型道岔时,在转辙器区域脱轨系数由0.49降为0.32,降低34.69%;轮轨横向力峰值由40.24 kN降为26.51 kN,降低34.12%;轮轨垂向力峰值由90.71 kN降到84.66 kN,降低6.67%。列车通过新型道岔时轮重减载率在跟端轨缝位置出现突变,在转辙器区域优于标准道岔。

市域(郊)铁路桥上无缝道岔至梁缝距离研究

市域(郊)铁路桥梁占比高,结合车站配线设计,道岔不可避免需要设置在高架站前后的道岔连续梁上。考虑市域(郊)铁路采用的道岔型号、桥梁结构及设计荷载与高速铁路明显不同,桥上无缝道岔至梁缝距离研究相对缺乏。由于市域(郊)铁路设计速度比地铁高,轮轨作用力大,轮轨之间的振动和冲击对周围环境影响大,因此,桥上道岔采用跨区间无缝线路技术。基于“道岔-桥梁”相互作用原理,建立“岔-板-梁-墩”一体化12号无砟轨道、无缝道岔有限元模型,对常用的单开道岔、4.3 m线间距渡线道岔至梁缝距离开展计算分析并研究其影响规律,以道岔钢轨强度、尖轨尖端位移值、心轨尖端位移值、转辙机处基本轨与桥梁相对位移值及断缝值为限值条件,提出市域(郊)铁路桥上无缝道岔至梁缝合理距离限值。研究结果表明:桥上无缝道岔始终端距梁缝距离越大,尖轨尖端位移、心轨尖端位移和转辙机处基本轨与桥梁相对位移明显减小,道岔钢轨伸缩力和制动力计算结果差异不大;温暖地区道岔始端、终端至梁缝距离不小于10 m,寒冷地区道岔始端、终端至梁缝距离不小于18 m,相关研究成果纳入《市域(郊)铁路设计规范》。

循环荷载作用下大坡度地铁道岔钢轨爬行分析

[目的]当道岔铺设在坡道上时会由于列车的循环制动导致轨道的纵向力有所增加,进而产生不均匀的钢轨爬行现象,使得道岔的受力变形规律更为复杂,甚至会影响道岔的正常服役使用,因此需对循环制动荷载作用下的大坡度道岔钢轨受力变形特征进行研究。[方法]开展了循环荷载作用下的扣件纵向阻力试验,建立了9号道岔非线性有限元模型,分析了循环荷载作用下的道岔钢轨爬行规律。[结果及结论]扣件系统在循环荷载作用下会出现阻力退化现象;在第1次列车制动后,道岔钢轨的爬行量最大;在循环荷载作用下,钢轨累积爬行增长量会随着循环荷载作用次数的增加而逐渐趋于稳定;坡度的存在会显著增大循环荷载作用下的钢轨爬行量;列车荷载形式对循环制动荷载作用下道岔钢轨的爬行量影响很小。

尖轨端面复杂廓形机器人铣削轨迹规划方法

铁路道岔尖轨数控成型铣削后的打磨抛光目前普遍由人工完成,存在效率低、质量一致性差和漏打磨等问题,难以满足尖轨高效高质加工需求。而将工业机器人铣削技术应用到打磨抛光工序中虽可提升尖轨制造自动化水平,但尖轨端面廓形的复杂多变以及机器人存在的弱刚性又导致其加工轨迹平滑度难以得到保障。为此,需要对尖轨端面复杂廓形机器人铣削轨迹规划方法进行创新。首先,基于MD-H参数法建立机器人运动学模型并分析其运动特性;然后,采用三次NURBS曲线对尖轨端面廓形进行参数化描述,以铣削作业法向刚度性能指标作为优化目标,建立轨迹点姿态优化模型;同时,考虑机器人关节连续性约束,建立机器人铣削轨迹姿态规划模型;在此基础上,基于S型曲线算法实现机器人铣削速度规划;最后,通过仿真和试验进行验证。结果表明:该方法能够有效控制机器人的运动轨迹,解决了外凸夹角区域的“过切”和“跳刀”问题,加工后尖轨端面廓形更为平滑,能满足尖轨制造要求。

插入道岔施工对运营高速道岔锁定轨温变化影响试验

为研究插入道岔施工(Turnout Inserting Construction,TIC)对既有高速道岔锁定轨温(StressFree Rail Temperature of Existing high-speed Turnout,SFRTET)的影响,提出基于双向应变法的锁定轨温变化测试方案,推导不同因素影响下的锁定轨温变化测量原理,确定监测数据的处理方法,并开展道岔锁定轨温变化现场试验研究.研究结果表明:基于锁定轨温变化监测方法确定的传感器安装时轨温与实测数据差异仅1.4%,验证了测试方案的合理性和数据处理方法的正确性;高速道岔的锁定轨温会受插入道岔各工序施工的影响,其在轨道结构拆除、轨道结构施工、道岔形位精调和工电联调3个工序中表现出显著的动态变化特征,即锁定轨温经历多次循环变化才达到稳定状态;既有高速道岔锁定轨温受侧股钢轨重新焊接施工影响最为显著,尤其是靠近焊接位置的侧股钢轨,其锁定轨温变化达12.87℃,建议侧股钢轨重新焊接工序尽可能选择在轨温接近既有道岔原锁定轨温时开展.

高速道岔组装式滑床台板传力特征及服役性能研究

为探明高速铁路道岔基本轨轨底疲劳伤损原因,开展组装式滑床台板传力特征及服役性能研究。建立转辙器基本轨受力分析模型,研究两点与平面扣压式滑床台板条件下基本轨轨底应力特征,结合基本轨轨底材质疲劳试验与转辙器组装疲劳试验,评估两点与平面扣压式滑床台板对基本轨服役性能的影响。结果表明:两点扣压式滑床台板使得基本轨轨底形成应力集中,且扣压点对应的轨底下表面以受拉为主;130~190 kN疲劳荷载条件下,两点扣压式滑床台板可使得基本轨轨底最大应力达611.2 MPa,已经超出基本轨轨底疲劳极限,而平面扣压式滑床台板对应的基本轨轨底最大应力为237.5 MPa,相对两点扣压结构降低50%~60%;转辙器结构组装状态对基本轨服役性能影响显著,基本轨轨底应力与尖轨-滑床台接触状态密切相关。

基于B样条曲线的心轨重构廓形参数影响分析

针对固定辙叉钢轨廓形不规则变化特点,基于B样条理论提出一种考虑固定辙叉钢轨断面廓形特征的参数化设计方法,并提出拟合钢轨廓形贴合度评价指标和关键控制参数对廓形贴合度影响权重指标;以60 kg/m钢轨12号固定辙叉为例,采用DOE(design of experiments)方法分析轨顶横坡、侧面纵坡和复合圆弧段比例系数对心轨轨头整体廓形、轨顶面廓形和侧面廓形的影响.结果表明:1)在心轨20 mm断面,轨顶横坡、侧面纵坡和复合圆弧段比例系数对心轨整体廓形变化的影响权重分别为21.08%、56.89%和22.02%,对心轨顶面廓形变化影响权重分别为8.42%、61.95%、29.63%;在心轨50 mm断面,各关键控制参数对心轨轨头整体廓形变化影响权重分别为55.9%、33.38%、10.72%;侧面纵坡对心轨20 mm和50 mm断面的侧面廓形变化影响权重分别为76.82%、66.04%.2)当心轨轨头宽度为20 mm时,侧面纵坡对各部分廓形变化影响均达到50%以上;随着心轨轨头宽度的增大,心轨轨顶横坡对整体廓形变化影响权重由21.8%增至55.9%,侧面纵坡和复合圆弧段比例系数影响权重则分别减小41.3%和51.3%.

基于60N钢轨廓形的客货共线铁路道岔区轮轨接触关系

为了研究客货共线铁路采用60N钢轨廓形时道岔区的轮轨关系,以标准60 kg/m钢轨为对比,首先建立多体动力学模型,采用基线法,从导曲线区、转辙器区及辙叉区三个部分的特征断面入手,研究了采用两种钢轨廓形时轮轨接触位置、轮径差等关键轮轨接触几何参数的变化规律;然后,建立轮轨接触有限元模型,计算分析各特征断面轮轨接触应力变化情况。结果表明:相比标准60 kg/m钢轨,车轮与60N钢轨廓形匹配时,接触点分布更集中,轮径差变化较小,接触斑呈椭圆形,应力增长相对缓和,但在转辙器区及辙叉区过渡较急促;60N钢轨廓形更适合工况较简单的导曲线区段,而标准60 kg/m钢轨廓形更适合工况较为复杂的转辙器区及辙叉区。

基于集成深度学习的转辙机故障诊断研究

[目的]为了能够充分利用故障日志数据诊断转辙机故障,提出了基于集成学习算法的道岔转辙机故障诊断方法。[方法]通过分析转辙机故障文本数据,并结合专家经验,建立了两级故障诊断思路;将故障文本数据预处理为机器能够识别的数据,作为故障诊断模型输入数据;介绍了基于AdaBoost集成学习法的CNN(卷积神经网络)-LSTM(长短期记忆网络)故障诊断模型的原理和方法。[结果及结论]试验结果表明,在数据类别不平衡或者样本数量有限的情况下,采用CNN-LSTM模型能够有效提高故障诊断的准确率;与其他故障诊断模型相比,CNN-LSTM模型性能更好;所提出方法具有有效性,能够满足应用场景准确率要求。

市域铁路地下停车场50 kg/m钢轨9号道岔设计与研发

市域铁路地下停车场无砟道床采用50 kg/m钢轨9号道岔,但目前没有成熟产品,需要研制可用于无砟道床的50 kg/m钢轨9号道岔。首先,通过调研总结国铁、城市轨道交通道岔技术研究成果,确定需研制道岔的设计原则;其次,开展道岔平面线形设计、关键参数检算、尖轨扳动力检算、转辙器结构设计、辙叉结构设计,并通过试制、试铺进行验证。研究表明,(1)采用相离半切线型弹性可弯尖轨技术、刨切基本轨加厚尖轨技术,尖轨设1个牵引点及1个可调连杆,可有效减小电务及工务的养护维修工作量。(2)转辙器跟端传力机构采用限位器结构、辙叉加长设计,可满足铺设无缝线路的条件;转辙器设置辊轮滑床板,滑床板采用弹性夹扣压结构,可降低尖轨扳动力并确保扣压稳定;间隔设置防跳限位装置,可确保尖轨稳定。(3)采用分开式可调扣件,具备良好的调轨距、调高功能;采用桁架式混凝土岔枕,岔枕与道床连接稳固;岔枕应预留施工定位孔,以便于施工。

ZDJ-9型交流道岔转辙机故障智能识别方法

[目的]通过分析交流转辙机的三相动作电流异常情况能够判断道岔设备故障,但是城市轨道交通线路道岔数量众多,转辙机时时刻刻都在动作,运维人员无法实时查看所有转辙机的动作电流曲线,易造成故障定位遗漏,因此需研究智能化的道岔转辙机故障识别方法。[方法]介绍了ZDJ-9型交流转辙机故障识别判断逻辑;以ZDJ-9型交流转辙机电流曲线数据为基础,介绍了智能化道岔转辙机故障识别方法的核心内容,包括电流曲线分段、电流曲线特征提取和故障匹配。[结果及结论]在南宁轨道交通4号线培训室进行了ZDJ-9型交流转辙机智能化故障识别模拟试验,所采集到的电流数据按照以组为单位提供给算法分析软件进行电流分段及故障树匹配,均能精确匹配到相关故障,均能正确产生报警提示。试验结果表明,所提出的智能化道岔转辙机故障识别方法有效可行。

超重道岔梁夹轨式顶推施工技术应用探讨

在超重道岔梁施工中,由于道岔梁超重、体积大、变截面等特点,导致顶推施工难度增大。针对超重道岔梁顶推施工中的难点问题,论文结合长沙磁浮东沿线接入T3航站楼工程,对比分析了常规钢丝绳拖拉顶推和夹轨式顶推方案,并详细阐述了夹轨式顶推施工工艺流程和质量控制要点。

城市轨道交通道岔区振动源强特征与减振措施效果试验研究

城市轨道交通道岔区结构状态复杂且存在固有不平顺,从而导致环境振动噪声增强。为探明岔区振动产生机理以及不同减振措施对道岔区振动源强的影响规律,以普通整体道床、减振器扣件以及钢弹簧浮置板道岔为试验对象,分别于岔前、转辙器轮载过渡区、转辙器跟端、连接部分以及辙叉区5个断面布置测点,测试岔区不同位置隧道壁垂向与横向振动响应,并从频域、时频域以及Z振级角度分析不同减振道岔的源强特征。试验结果表明:普通整体道床道岔区振动源强主频位于50~100 Hz,与区间线路相似。但由于左右轨下刚度差异,辙叉区P2共振主频存在双峰值特征,且辙叉区存在有害空间,导致隧道壁50~200 Hz振动响应幅值较高,振动源强相对于其他断面增大3~5 dB。虽然转辙器区也存在轮载过渡,但转辙器区隧道壁垂向振动并未表现出明显的加剧。岔区隧道壁横向振动不可忽视,减振扣件区段隧道壁横向振动甚至高于垂向振动。减振扣件和钢弹簧浮置板道岔均可抑制50 Hz以上的隧道壁振动,但减振扣件使得车辆簧下质量-道岔P2共振频率降低至40 Hz,从而在该频率位置存在较高振动响应峰值。采用分频最大振级以及最大Z振级进行对比,道岔减振器扣件减振量相对较低,而钢弹簧浮置板减振效果良好,减振量在15 dB左右。试验研究结果可为城市轨道交通道岔区振动控制提供参考。

城市轨道交通道岔转辙机智能运维系统研究

道岔转辙机是信号系统核心设备,其维护量大、维保难度高、设备故障影响程度较广,随着智能运维研究在城市轨道交通行业的兴起,道岔转辙机智能运维是实现城轨信号维护智能化、运维生产组织模式智能化的基础。总结传统微机监测系统的不足,结合行业道岔转辙机维保难点和痛点,提出一套智能运维系统,主要包括关键状态感知、故障智能诊断、关键状态预警及健康评估等,并提出具体的实现方法。该系统目前已成功应用于南宁轨道交通4、5号线,具有显著效益。

路基不均匀沉降对高速车辆-道岔系统动力特性的影响

为了研究路基不均匀沉降对高速列车过岔时轮轨动力响应的影响,结合多体动力学和有限元法,考虑道岔多钢轨的相互作用及柔性变形,建立高速列车-道岔刚柔耦合动力学模型,分析路基不均匀沉降位置、沉降波长、沉降幅值、行车速度等因素对高速列车过岔安全性和平稳性的影响。结果表明:高速道岔区发生路基不均匀沉降会导致轮轨力和车体加速度增加,降低车辆过岔的安全性和平稳性,当路基不均匀沉降最大值位于尖轨顶宽15 mm断面时,对车辆过岔的动力学行为影响最大,轮载过渡段的长度较无路基不均匀沉降条件下延长25.64%;各项动力学指标随路基不均匀沉降波长增大而减小,随沉降幅值增大而增大;相比于区间线路,当道岔区发生路基不均匀沉降时,行车速度的变化对动力学响应的影响更大,尤其是轮轨横向力和车体横向振动加速度。

CBTC与TACS系统道岔资源管理方式分析

[目的]相较于CBTC(基于通信的列车控制)系统,TACS(列车自动控制系统)在运行效率上有着显著提升,这种提升主要源于其系统架构的优化以及对轨旁资源管理方式的改变。通过对比分析两套信号系统的道岔资源管理方式,进一步研究TACS系统运行效率提升的机理。[方法]介绍了CBTC和TACS系统道岔资源征用概念,对比分析了两套信号系统道岔锁闭和解锁方式的差异;基于大交路站后双折返线线型仿真分析了CBTC和TACS系统下的列车折返效率。介绍了道岔可动区域和侧冲区域的概念,并分析了在两套信号系统中的应用方式。[结果及结论]TACS系统道岔资源管理方式的效率较高。根据大交路站后双折返线线型列车折返过程仿真结果,CBTC系统下的列车折返时间为116.3 s,TACS系统下的列车折返时间为86.0 s,TACS系统下的列车折返效率提升明显。TACS系统实现了道岔与列车之间的实时信息交互,优化了道岔控制逻辑,实现了道岔与列车的协同调度,因此实现了较高的道岔资源管理效率,这是TACS系统运行效率提升的内在机理。