车轮扁疤对高速列车车轴疲劳损伤的影响

以高速列车非动力车轴为研究对象,基于车辆轨道刚柔耦合动力学模型、材料力学分析方法、SWT疲劳损伤模型和Miner损伤累计理论,通过计算正常车轮与扁疤车轮作用下的动力学行为和应力应变响应特点,分析车轮扁疤对车轴疲劳损伤的影响。研究结果表明:在车轮扁疤的作用下,轮轨力和轴箱振动加速度的幅值均会显著提升,但一系悬挂垂向力由于垂向减振器的作用导致车轮扁疤对其影响较小;在车辆运行过程中,随着轮对的周期性转动,车轴疲劳损伤在不同滚动周期内的波动较为剧烈,具有正态分布的特点;车轮扁疤的存在会加剧车轴的疲劳损伤,使其服役寿命急剧降低。因此,在车轴的设计阶段,需要考虑扁疤等轮轨缺陷对车轴服役寿命的影响。

车轮扁疤激励下高铁轴箱系统振动特性研究

以某型高速列车轮对和轴箱轴承为研究对象,构建包含轮对轴箱轴承的车辆-轨道耦合动力学模型,研究在京津线轨道不平顺激扰及车轮扁疤激扰工况下轴箱系统内部结构的接触振动特性。结果表明:当车轮出现扁疤缺陷时会引起轴箱在垂向和横向的高频振动;随着车轮扁疤长度的增加,轴箱轴承滚子与外圈接触载荷高频段所占成分逐渐增加,引起轴承滚子与外圈的中高频激振,加速轴承的疲劳破坏;扁疤长度超过30 mm时,0号滚道区域的接触载荷变化较大,扁疤长度50 mm处轴箱轴承滚子与外圈接触载荷均值与扁疤长度10 mm处滚子与外圈接触载荷均值的最大值相比增加了33.38%;当列车运行速度在250 km/h左右时,车轮扁疤长度安全阈应限制在30 mm以内,尽量降低车轮较长扁疤引起的轮轨结构高频振动。

采用轮轨振动加速度信号对车轮扁疤的识别研究

实现车轮扁疤损伤的早期识别,并跟踪其发展过程,是研发轨道交通故障智能识别系统的重要内容。目前相关研究着重于分析车轮扁疤激励对车辆和轨道系统相关部件的影响,以及如何在确保行车安全的条件下确定扁疤的安全限值,缺乏通过钢轨振动响应识别车轮扁疤机理的研究。因此基于车辆-轨道耦合动力学理论,通过动力学仿真计算得到车轮扁疤激励下,车辆系统和轨道系统的动力学响应。采用小波包分解算法,提取不同部件的垂向振动加速度的能量值作为评判指标,从能量特征的角度研究车轮扁疤冲击响应的评价方法。考虑了轮轨之间平顺、随机不平顺、以及叠加粗糙度3种激励状态,对车体、构架、轴箱、轮对以及钢轨的加速度时域信号特征和能量特征进行了对比分析。研究发现钢轨小波包能量值与扁疤深度之间具有线性递增关系,车轮扁疤冲击仅影响同侧钢轨的小波包能量值,因此可以利用钢轨振动响应的小波包能量值进行车轮扁疤检测。

基于小波时频图和量子遗传算法的车轮扁疤检测方法

针对地铁车轮扁疤在线诊断困难问题,提出了一种基于小波时频图、灰度投影法和量子遗传算法的智能在线车轮扁疤检测方法。首先对轮轨间的垂向振动信号进行小波时频分析,得到小波时频图,然后结合灰度投影法从时频图中提取车轮扁疤的特征;最后采用量子遗传算法对支持向量机进行优化以提高SVM的分类准确率。通过一个工程实例验证了该方法在识别车轮扁疤时的有效性。结果表明,该方法能够准确且快速地检测出对车轮扁疤,且所使用的分类模型的性能优于现有模型。

制动工况下重载货车车轮扁疤对轮轨振动响应分析

随着我国重载铁路的发展,重载货车轴重不断增加,车轮扁疤问题也日渐突出,该问题会导致轮轨动载荷急剧增大。建立了重载车辆-轨道刚柔动力学模型,在考虑了重载货车不同制动工况下,探究车轮扁疤对轮轨之间垂向冲击力和纵向蠕滑的影响,并进行了扁疤限值计算。结果表明,车辆的P1和P2力随着扁疤长度和速度的增大而增加,且紧急制动工况下大于正常制动工况。空车状态下轮轨垂向力远远小于重车状态,但在扁疤的作用下空车状态下的垂向轮轨力产生的波动会更大。车辆进行制动会导致纵向蠕滑率和纵向蠕滑力发生改变,同时在扁疤的作用下纵向蠕滑率和纵向蠕滑力都会产生波动,扁疤越大波动幅度越大。根据标准中的轮轨垂向力和轮重减载率的限值,对车辆在不同工况下进行扁疤限值计算,结合空重车以及制动工况,得到重载货车扁疤限值为38 mm。该研究将为重载货车运维提供相关指导。

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。

车轮扁疤对地铁车辆动力学性能的影响研究

在地铁车辆运行过程中,车轮扁疤损伤时有发生。为了探究地铁车辆在车轮扁疤激励下的动力学性能,基于Simpack动力学软件建立地铁车辆动力学模型,结合动力学指标,研究分析车轮扁疤尺寸、车辆运行速度对地铁车辆动力学性能的影响。研究结果表明,随着扁疤长度的扩展,车体垂向加速度的幅值和垂向平稳性指标逐渐增大,车轮扁疤尺寸变化比车速变化对轮轨垂向力的影响更为显著。

时频能量谱与VGG16结合的车轮扁疤损伤程度估计方法

为了实现对运营中车辆车轮扁疤损伤程度的实时精准监测,提出了一种时频能量谱与VGG16卷积神经网络相结合的车轮扁疤损伤程度估计方法,该方法通过对车辆运营中轴箱振动加速度信号的分析处理来实时定量估计车轮扁疤的损伤程度。建立了车辆轨道刚柔耦合系统动力学模型和车轮扁疤数学模型,仿真计算不同扁疤损伤工况下的车辆轴箱振动响应。运用形态学滤波器以及完全噪声辅助集合经验模态分解结合Wigner-Ville分布的时频分析方法,将轴箱振动加速度信号滤波降噪后表达在时频能量谱中。构造了VGG16卷积神经网络模型,通过大量车轮扁疤故障数据的时频能量谱构造的训练集来训练VGG16模型。随机仿真若干车轮扁疤工况,对训练完善的VGG16模型进行测试验证。仿真试验表明,运用时频能量谱与VGG16模型结合的方法能准确地估计运营中车辆的车轮扁疤损伤程度,估计误差在1.6 mm内。

高速铁路车轮扁疤激扰响应的小波包分解与限值研究

扁疤是轨道交通车辆车轮踏面的典型故障之一,其对于列车运行的平稳性和安全性有很大影响。目前尚未对不同速度下的扁疤限值制定统一的标准。本文对动力学仿真计算得到的轮轨力随机响应采用一种全局性的小波包分解处理方法,提取轮轨力随机信号的能量系数作为评判指标,从能量特征的角度研究了不同速度等级下的车轮扁疤安全限值,并与在时域信号中提取轮轨力随机响应的最大值、均值和脉冲因子作为评判扁疤安全限值的方法相比较。结果表明:小波包能量系数从全局性角度描述轮轨力特性,节点能量系数呈线性规律,可作为高速铁路车轮扁疤安全限值的评判指标。研究得出当列车速度在150~250 km/h范围内,扁疤长度应控制在30 mm以内;当列车速度在250~350 km/h范围内,扁疤长度应控制在25 mm以内。

高速铁路车轮扁疤智能识别算法的曲线适应性

高速铁路曲线地段轮轨之间的动力相互作用复杂,智能识别算法在曲线地段的适应性是实现对车轮扁疤全线不间断识别跟踪的前提。考虑高速铁路车轮扁疤信号的随机性特征,提出了一种基于变分模态分解(variational modal decomposition, VMD)的高速铁路车轮扁疤识别方法。考虑曲线线路不同地段以及不同轨侧的影响,对动力学计算得到的轮轨力随机响应进行变分模态分解并将信号重构,通过包络谱特征识别车轮扁疤冲击频率和对应扁疤的长度。研究表明:在曲线地段正常车轮与扁疤车轮对应的包络谱之间存在显著差异,包络谱中10 mm以上扁疤冲击倍频特征明显;倍频峰值频率特征与列车速度对应扁疤冲击频率一致;前4阶包络谱均值与扁疤长度之间呈线性关系,可以通过包络谱均值直接识别扁疤的长度。对曲线外轨侧识别的车轮扁疤长度进行修正后,可以实现车轮扁疤全线不间断识别跟踪。

车轮扁疤引起的轮轨冲击分析

为了研究高速列车车轮扁疤引起的动力学问题,根据多体动力学理论和等效轨道激扰法,建立了我国某型高速车辆的动力学模型及车轮新、旧两种扁疤模型.应用车轮轮径变化扁疤模拟法对车轮扁疤进行模拟,并对高速车辆轮轨冲击动力效应进行仿真分析.结果表明:新、旧扁疤轮轨冲击力规律不同,旧扁疤产生轮轨垂向冲击力随车速的增大而增大,在高速运行条件下,远大于新扁疤产生的垂向冲击力;当车速分别高于200和250 km/h时,车轮扁疤长度需要限制在35和30 mm以内.

修改车轮扁疤容许限度标准势在必行

本文详细分析了现有《铁路技术规程》中关于车轮扁疤标准的缺点 ,提出了修改车轮扁疤容许限度的三大原则 ,及等效扁疤长度的新概念。

基于钢轨振动响应分析的车轮扁疤检测方法研究

车轮扁疤会影响列车运行舒适性并加速车辆、轨道基础设施部件故障。提出一种基于钢轨振动响应的车轮扁疤动态检测和识别方法。通过建立车辆轨道垂向耦合模型和车轮扁疤模型,计算车轮扁疤作用下的钢轨动态响应。比较了不同轨道不平顺、不同列车运行速度以及不同扁疤深度条件下,对钢轨振动响应进行Hilbert-Huang变换(HHT)和高阶谱分析两种方法的车轮扁疤识别能力。利用HHT中的Hilbert谱可以定性区分正常车轮与有扁疤车轮,但该方法会受到轨道不平顺大小的影响。而利用高阶谱分析方法能够定量判断扁疤深度,且识别能力不受轨道不平顺大小及运行速度影响。研究结果表明,利用钢轨振动响应结合高阶谱分析可以有效检测和识别车轮扁疤。

轮对扁疤对高速列车转向架振动特性的影响

为准确预测高速列车轮对擦伤对车辆性能的影响,基于车轨耦合动力学和非赫兹接触理论,对新旧两种轮对扁疤的几何外形进行数值描述,建立了考虑轮对扁疤的高速列车动力学模型,分析了轮对扁疤激扰对车辆走行部的影响。结果表明,旧扁疤对走行部冲击要大于新扁疤,随着扁疤尺寸的增大,走行部各部件受到的冲击载荷与振动加速度逐渐增大;随着速度增大,轮轨间垂向冲击先增大、后减少;当扁疤长度为10mm,速度为100km/h时,轮轨垂向力达到最大值;随着速度增加,走行部簧下部件与簧上部件的振动特性差异不断加大。以轮轨垂向力为判断标准时,轮对扁疤尺寸应限制在30mm以内。

车轮扁疤引发附加冲击力对车轴应力谱影响的研究

根据低接头冲击力公式与扁疤冲击速度公式,引入了一种简化的扁疤冲击力计算公式。为求得含扁疤冲击时车轴危险截面的应力,利用Koettgen虚应力求解策略,将左轮和右轮的横向、垂向随机轮轨作用力与扁疤冲击力解耦分别进行线弹性有限元计算,然后对应力分量叠加,利用Neuber缺口应力修正算法计算局部应力应变历程。本文根据数值仿真求解车轴应力谱的思路,利用上述方法计算了含扁疤冲击时车轴危险截面的应力谱,为疲劳可靠性评定提供了依据。

车轮扁疤伤损对高速列车轮对动力学性能影响

车轮扁疤是铁道车辆车轮踏面的缺陷形式之一,对轮轨动力和运用安全有明显的影响.本文建立了弹性车辆系统动力学模型,且将车轮扁疤伤损考虑为车轮轮径变化.利用数值仿真,研究了车轮扁疤伤损对高速列车轮轨冲击力、轮对振动及轮轨接触性能等的影响,并结合列车运行安全性指标得到了不同速度等级下车轮扁疤长度安全限值.结果表明,弹性车辆系统模型可以准确体现轮对旋转运动特征.车轮扁疤伤损对轮轨系统垂向和横向均产生冲击作用,对轮轨系统垂向冲击作用尤为明显,将显著增大轮对旋转振动频率及其倍频对应的振动能量,且会激起轮对中高频弹性共振.车轮出现40mm扁疤时,随着车轮旋转运动,轮轨接触点向轮背侧出现周期性横移,轮轨接触斑面积最大可达142mm2,轮轨纵向和横向蠕滑率分别增大4%和16%.轮轨力、轮对振动加速度及轮轨磨耗指数均会随车轮扁疤长度的增加而增大.当列车运行速度在300km/h及以下时,车轮扁疤长度需限制在30mm;当列车运行速度达到350km/h时,车轮扁疤长度需限定在25mm.

遗传算法结合小波神经网络的列车车轮扁疤故障检测方法

为了寻求一种更加有效的列车车轮扁疤故障分析算法,提出一种通过轮轨噪声来确定车轮扁疤严重程度的检测方法。该方法将遗传算法与小波神经网络相结合,同时为了避免出现局部极小值,加速学习速度,在小波神经网络中增加了动量模型;在搜寻小波神经网络隐含层链接权值之前,使用遗传算法进行计算以优化小波神经网络结构;硬件只需2组麦克风阵列以及2个速度感应器就可以提供实时结果,成本远低于我国现有的检测方法。对不同列车车速下的轮轨信号进行了实时测试,结果表明:与传统神经网络、小波神经网络和遗传算法相比,该方法的检测准确率最多分别提高了16%、11%和3%,并且收敛最快。

车轮扁疤激起的轮轨冲击噪声机理分析

为了预测和控制快速和准高速线路上车轮扁疤激起的轮轨冲击噪声,应用车辆-轨道耦合动力学理论和声辐射理论,建立了基于车辆-轨道相互作用的轮轨冲击噪声预测模型,编制轮轨噪声仿真程序计算分析了车轮扁疤激扰下轮轨冲击噪声的特性。结果表明:(1)车轮扁疤是造成轮轨冲击噪声的重要源泉;(2)车轮扁疤引起的冲击噪声主要集中在250 Hz以上频段;(3)车轮扁疤引起的轮轨冲击噪声跟扁疤长度、扁疤个数以及列车运行速度有很大的关系;(4)车轮新扁疤比旧扁疤激起的轮轨冲击噪声大2 dB(A)～3 dB(A)。

基于Cowper-Symonds本构模型铁路车轮扁疤激发的轮轨冲击仿真分析

轮轨关系是高速铁路工程领域最重要的研究课题之一,车轮扁疤作为一种主要的轮轨失效形式,严重影响了高速列车运行的平稳性和安全性。利用Hypermesh软件建立了带有扁疤的三维轮轨滚动接触模型,并基于轮、轨钢Cowper-Symonds本构模型,采用LS-DYNA3D显式算法进行了相应的有限元仿真分析,重点研究了车速、扁疤长度和轴重对轮轨冲击响应的影响。仿真结果表明:车轮扁疤缺陷引起的最大轮轨垂向冲击力显著大于相应的准静态垂向载荷,最大von Mises等效应力和最大等效塑性应变通常发生在轮轨接触表面;轮、轨钢的应变率效应对轮轨垂向冲击力没有影响,但由于应变率的强化效应,与不计应变率效应的结果相比,基于Cowper-Symonds模型得到的最大von Mises等效应力明显增大,而最大等效塑性应变略有降低;车速、扁疤长度和轴重对轮轨冲击响应均有显著的影响。研究结果可为轮轨系统的安全性设计与评估提供技术支持。

基于声传递向量方法的车轮扁疤冲击噪声分析

建立一种基于声传递向量分析车轮扁疤冲击作用下轮轨噪声时频特性的模型。首先建立详细的车轮有限元模型进行模态分析,提取模态质量,模态振型等参数。结合车轮模态特征,并将钢轨视为Timoshenko梁,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立可以考虑车轮弹性变形和轮轨接触非线性的时域车轨耦合振动模型。通过轮轨动力学计算得到车轮扁疤冲击下的车轮和钢轨时域振动速度,并由快速傅里叶变换(FFT)获得轮轨接触点处轮轨振动速度的频谱;同时,采用边界元声传递向量(ATV)方法计算得到单位力作用下车轮与钢轨噪声辐射频谱。结合车轮扁疤引起的轮轨振动速度频谱、单位力作用下的速度导纳和噪声辐射频谱计算得到受声点处的声压谱,并通过快速傅里叶逆变换(IFFT)获得其声压时程。结果表明本文模型可以很好地模拟轮轨冲击振动和噪声的时域与频域特性。