轨道交通领域校内科研实践基地建设探索与实践——以西南交通大学轨道交通装备安全科研实践基地为例

文章结合全日制专业学位硕士培养的现状及目的,论述了建设校内科研实践基地的必要性,并阐明了建设目标和建设内容。课题组依托西南交通大学轨道交通装备安全科研实践基地,开展了面向参与实践的研究生的问卷调查和部分基地导师的访谈,收集师生对于校内实践基地运行现状的看法和建议。通过对问卷结果进行统计,分析了基地项目实施成效和整体运行效果,并对有待进一步完善的建设项目进行了展望,可为高校提升专业学位硕士实践能力培养质量提供参考。

制动装置推出刚度对轨道交通车辆振动性能的影响

[目的]电机械制动是采用电机控制丝杆驱动,实现推杆的推出动作使闸瓦与车轮接触,完成制动力传递与摩擦制动的一种制动方式。需要研究这种新型制动方式对轨道交通车辆振动性能的影响。[方法]介绍了电机械制动器和空气制动器的基本结构组成,并对两种制动器进行了推出刚度测试和线路振动试验测试,分析了制动器推出刚度对车辆颤振的影响。[结果及结论]刚度测试发现,因电机械制动器采用了电机驱动方式,未采用空气制动器的气孔活塞,故电机械制动器的推出刚度在常工作区内远大于空气制动器且存在非线性特征。在制动器装车后的线路试验中发现,与装用空气制动器相比,装用具有大推出刚度的电机械制动器会加剧车辆的制动颤振现象,其关键部件的振动加速度也会增大。综合各项研究结果,建议降低电机械制动器的推出刚度,保证车辆实现平稳安全的制动过程。

基于振动加速度与声音信号融合的轨道交通列车轴箱轴承故障诊断方法

[目的]轴箱轴承是轨道交通列车转向架的关键零部件,其健康状态直接影响列车的运行安全。需建立更为科学、高效的轴箱轴承故障诊断方法,以有效提取强干扰噪声下的轴承故障特征信息。[方法]以振动加速度及声音信号(以下简称“振声信号”)为研究目标,分析了轴箱轴承振声信号的故障特征,提出了一种最优带通卷积滤波的信号降噪方法。该方法将原始信号在频域内划分为多个分段,确定不同分段的带通滤波参数,构建了多通道带通卷积滤波器组。采用时域指标分段峭度来选择最优滤波信号,并对最优滤波信号进行频率加权能量算子解调,以识别轴承的故障部位。[结果及结论]所提故障诊断方法可以在强干扰噪声下实现对振动加速度信号、声音信号故障特征的提取,仿真结果及现场试验结果均验证了该诊断方法的有效性。振动加速度、声音信号的故障诊断结论可相互补充验证,进一步提高轴箱轴承故障诊断的准确率。

城市轨道交通列车碰撞动力学参数对爬车行为的影响

[目的]为了加强城市轨道交通列车在运行过程中的被动安全性设计能力,需要研究列车碰撞动力学参数对爬车行为的影响。[方法]基于车辆-轨道耦合碰撞动力学模型、Hertz接触理论及刚体非线性连接模型,搭建了列车碰撞三维动力学仿真平台。选取速度、加速度和轮对最大抬升量作为对比参数,采用列车碰撞有限元模型来验证列车碰撞三维动力学模型的精度。基于所建立的仿真平台,选取列车结构中的部分重要参数,研究其对轮对抬升量的影响。筛选出吸能防爬装置,头车和中间车的车钩等的安装点(以下简称“安装点”)至车体质心垂向距离、车体质量、车体质心高度、二系悬挂装置垂向刚度及一系悬挂装置垂向刚度共5个敏感度较强的参数,并对其进行列车碰撞动力学敏感度分析。[结果及结论]通过列车碰撞有限元模型,验证了列车碰撞三维动力学模型的精度满足要求。列车碰撞动力学敏感度分析表明:当参数比率在0.8~1.0范围内变化时,5个敏感性参数的排序依次为二系悬挂装置垂向刚度、车体质量、车体质心高度、安装点至车体质心垂向距离、一系悬挂装置垂向刚度;当参数比率在1.0~1.2范围内变化时,上述参数的排序依次为一系悬挂装置垂向刚度、安装点至车体质心垂向距离、车体质心高度、车体质量及二系悬挂装置垂向刚度。

平板式永磁电动悬浮系统设计与实验研究

该文提出一种以汽车为载体的平板式永磁电动悬浮系统,并从结构设计、等效实验、原理样机测试三方面对电磁特性开展研究。首先,阐述系统的结构及原理,依托自主研制的最高时速600 km的动轨实验台,分析在固定参数下的电磁力特性和垂向自稳定能力,并验证有限元模型的准确性。其次,对悬浮磁体、导向磁体、导体板进行计算分析。最后,改装汽车,加装间隙调节机构、简易悬浮架、车载磁体及测试系统,并搭建长50 m的铜制导体板轨道,开展原理样机测试。整车约为1500 kg,最高实验速度为70 km/h,最大悬浮间隙约为35 mm。实验结果验证了导向磁体的有效性,展现出平板式永磁电动悬浮系统较强的载重能力。

嵌入式轨道系统振动传递研究

[目的]嵌入式轨道的阻尼较大,有较好的减振降噪性能,因此有必要对嵌入式轨道的减振降噪机理进行研究。[方法]以广州地铁14号线为例,对嵌入式轨道系统与普通扣件式轨道系统进行了静态与动态的振动测试;基于现场测试的轨道结构频响函数及纵向衰减率,分析嵌入式轨道系统的减振特性。[结果及结论]嵌入式轨道系统在垂向减振中存在着明显的工作频段;嵌入式轨道在绝大多数频段中的振动加速度幅值均小于普通扣件式轨道的振动加速度幅值;当振动频率为550~1200 Hz时,嵌入式轨道的高分子阻尼材料与弹性垫板的减振体系在该频段具有良好的吸振能力;嵌入式轨道与调频式钢轨阻尼器一样存在固定的调整频段,其调整频带范围在振动频率为400 Hz附近;相比于离散支承的轨道结构形式,连续支承的轨道结构形式在振动频率大于750 Hz频段的钢轨振动衰减率更优。

高速铁路无砟轨道车辆荷载传递特性研究

为进一步探讨无砟轨道荷载设计参数取值,为我国时速400 km及以上高速铁路建设提供重要理论支撑,通过开展无砟轨道静力分析以及钢轨焊缝、车轮扁疤激励下车辆-轨道动力相互作用,揭示列车静、动力载荷特征及传递规律;同时根据轨道承载特点和无砟轨道设计原理,提出车辆竖向设计荷载取值建议。研究结果表明:(1)高速列车车轮扁疤和钢轨焊缝不平顺将造成显著的轮轨冲击,其轮载动载系数最大可达5.79,远高于现行规范取值;扣件系统对扁疤和焊缝不平顺引起的轮轨力高频成分衰减作用明显,扣件支反力的动载系数最大为2.64;(2)钢轨焊缝不平顺引起的轮轨冲击力随着车速提高以及焊缝不平顺幅值的增大而迅速增大,建议500 km/h及以下高速铁路的钢轨焊缝平直度标准取0.2 mm/m;(3)列车轮载通过扣件支反力作用于轨道板,从传递特性的角度来说,以扣件支反力作为轨道板竖向设计荷载更为合理,其动载系数可取3.0,且能满足400 km/h及以上高速铁路的行车需求。

轨道车辆垂向轮轨力时域识别对比及其机器学习修正

为了尽可能减小轨道车辆垂向轮轨力时域识别中存在的误差,以时域法为基础,开展了基于机器学习修正的轨道车辆垂向轮轨力识别研究.首先建立了车辆动力学仿真模型,获取了车辆在随机轨道激励下以250km/h速度行驶时的轴箱加速度响应和垂向轮轨力.其次,建立了Green函数法、状态空间法这2种时域法对应的动载荷识别模型,对状态空间法的初值误差进行了分析,并引入多项式拟合法修正其趋势项误差,进而对比分析了2种方法的计算精度和计算效率.然后,针对时域法存在的识别误差,提出采用NARX(nonlinear autoregressive models with exogenous inputs)模型对识别误差进行训练和预测,用于消减模型中存在的如响应观测不全与观测噪声等因素造成的影响,进而对时域法识别结果进行修正,提高识别精度.最后,通过一个10自由度轨道车辆垂向动力学模型,对方法的正确性进行了验证.研究结果表明:2种方法对轨道车辆垂向轮轨力均具有较高的识别精度,对于各轮对的识别精度各有优劣;在计算效率方面,状态空间法比Green函数法更优;经NARX模型修正的2种时域法对轨道车辆垂向轮轨力均具有很好的识别效果,识别值与正演值的Pearson相关系数大于0.99,为极强相关.基于NARX模型的机器学习误差修正方法可有效提高时域识别精度,可以为后续轨道车辆轮轨力预测提供参考,具有较强的工程运用价值.

多源车载数据驱动的地铁轨道不平顺智能识别方法

针对轨道不平顺检测成本高与时效性低等不足,从车辆动态响应与轨道不平顺之间的相关性为切入点,提出一种多源车载数据驱动的轨道不平顺智能识别方法。首先,建立地铁车辆系统动力学模型,获取车辆振动与运动姿态响应数据;其次,通过相关性分析算法,选取强相关性数据,制作网络模型数据集;最后,建立卷积神经网络-长短期记忆网络(CNN-LSTM),通过粒子群算法优化(PSO)神经网络模型参数,建立PSO-CNN-LSTM模型,实现对轨道不平顺的识别拟合。研究结果表明:在车辆动态响应信号中,与横向信号与轨道不平顺之间的相关性相比,垂向信号的更强,同时,车体的运动姿态如车体点头角速度与不平顺有明显的相关性。所提出的PSO-CNN-LSTM模型轨道垂向与横向不平顺识别拟合度分别达0.92和0.76。与经典的全连接神经网络FCNN和支持向量机SVR相比,PSO-CNN-LSTM有更好的识别效果与时效性。

中低速磁浮梁轨一体轨道梁钢混接头试验研究

针对中低速磁浮分离式轨道梁建筑高度较大、无法考虑F轨刚度贡献等问题,提出了一种开孔钢板式梁轨一体轨道梁结构,并针对其钢-混结合部的静力性能开展足尺模型试验和有限元仿真计算分析.首先,介绍了梁轨一体轨道梁工程背景以及钢-混结合部的结构特征;其次,设计了钢-混结合部静载模型试验,测试F轨、钢连接件和混凝土等构件在各级荷载下的应力和位移;最后,建立了钢-混结合部实体有限元模型,并结合试验数据分析了钢-混结合部的受力性能、传力机理以及设计参数影响.研究结果表明:1)在1.50倍设计荷载内,钢-混结合部基本处于弹性状态,连接件承载力满足设计要求;荷载继续增大时,F轨的荷载-应力曲线表现出一定的非线性;5.47倍设计荷载下,混凝土梁体发生开裂破坏.2)F轨内外磁极位移均较小,钢-混结合部刚度较大;F轨内外磁极位移差在设计荷载下满足设计限值;1.58倍设计荷载下内外磁极位移差达到0.54 mm,开始超过位移差限值;表明钢混结合部刚度的富裕量小于强度,钢连接件应以刚度控制设计.3)在正常运营状态,磁浮列车荷载主要由钢连件的钢板承压传递,焊钉与开孔钢板传力比例较小;钢连接件中开孔直径、贯穿钢筋直径对传力影响较小,钢连接件腹板厚度增加使得钢混结合部处传力更加平顺.

基于结构振动响应的长型浮置板轨道隔振器失效检测方法

目前钢弹簧浮置板轨道的隔振器失效判别主要依赖于人工巡检或视觉成像系统,但此类方法效率低、检测滞后且成本高昂。本文提出了一种自动化的检测方法,该方法利用残差学习思想和卷积神经网络基本理论构建数据分类器,并通过列车动荷载作用下的结构动力响应对现役某常见的长型浮置板轨道进行隔振器失效的检测识别。首先,基于车-轨垂向耦合动力学建立考虑隔振器不同服役状态的地铁车辆-浮置板轨道垂向耦合动力学仿真分析模型,进而生成多种运营工况下的数据集,用于网络的训练和性能测试;其次,进一步研究了传感器布置方式对网络检测性能的影响,以决定适宜的传感器布置方案;最后,在实际地铁线路中开展试验,对所提出的方法进行了验证。结果表明:通过对传感器布置位置进行优化,深度残差网络模型的检测准确性显著提升;合理设置传感器的数量也可以提高本文方法的检测性能;此外,通过适当选取传感器布置方案,本文提出的基于深度残差网络的隔振器失效检测方法在仿真数据中实现了98.99%的准确度,并在试验数据中实现了96.33%的准确度。该方法具有较高的可行性和应用潜力,可为地铁浮置板隔振器智能运维提供参考,并有望在未来用于隔振器失效的自动化检测。

基于虚拟激励法的磁浮车桥耦合系统随机振动分析

为探讨随机轨道不平顺作用下中低速磁浮列车和桥梁的动力响应,将虚拟激励法引入磁浮车桥振动分析中,提出中低速磁浮车辆-悬浮控制系统-桥梁耦合系统随机振动分析方法.将中低速磁浮列车简化为弹簧阻尼器连接的多刚体,悬浮系统中电流使用比例-微分(PD)控制方法进行主动控制,采用有限元方法对桥梁进行建模,将随机轨道不平顺转换为一系列简谐波构成的虚拟激励;编制中低速磁浮车桥动力系统随机振动分析程序,自动生成系统随机振动方程,利用分离迭代方法对磁浮车辆控制方程和桥梁动力方程进行求解计算.研究结果表明:虚拟激励法能够高效计算中低速磁浮车桥系统随机动力响应,其计算效率约为蒙特卡洛方法的1/11,基于虚拟激励法能够获得中低速磁浮车桥动力系统均值、标准差和时变功率谱密度等统计结果.

五位姿参数下车载永磁体与永磁轨道之间的磁力特性研究

永磁磁浮交通系统利用车载永磁体和永磁轨道间的磁斥力实现悬浮,理解并掌握永磁体磁力与其空间位姿参数的关系对磁浮车辆走行部及轨道结构设计具有重要意义.参考兴国县永磁磁浮交通系统,建立车载永磁体和永磁轨道的三维磁场有限元模型;计算不同悬浮间隙、横向偏移、点头角、侧滚角和摇头角条件下车载永磁体受到的磁力,重点分析车载永磁体悬浮力和横向力随5个位姿参数的变化规律及其相关程度.结果表明:车载永磁体的磁力主要受悬浮间隙和横向偏移量的影响,受摇头角的影响较大,受点头角和侧滚角的影响很小;在设定的参数变化范围内,悬浮力最小值和最大值与额定悬浮力之比分别约为0.75和1.16,横向力最大值达到额定悬浮力的50.42%;车载永磁体横向力的方向与其横向偏移方向一致,摇头力矩与其摇头方向相同,需要为永磁悬浮系统设置导向装置,防止车载永磁体横向晃动和偏航运行.

真空管道磁浮交通气动特性的尺度效应

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响,基于CFD软件建立三种模型尺度(1∶1,1∶5和1∶10),同时考虑两种悬浮间隙关系(车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变)的模型;采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动,并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明:列车尺度(雷诺数)增大,车前活塞区域变长,尾流扰动区范围缩短;雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小,但在远尾流区,随着列车尺度减小,涡对脉动变强,涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异;列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大,悬浮间隙对最大正压值影响较小,但与最大负压值成正相关关系;尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力,整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关,但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反;列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型,1∶10模型(悬浮高度20 mm)的最大正压值减小3.82%,最大负压值增大3.94%,整车总阻力增大8.64%,头车升力减小101.56%,尾车升力增大15.88%.

直线轨道涡流制动对高速列车制动动力学特性的影响

列车制动性能直接影响车辆运行安全性和平稳性、稳定性,本文研究了加装直线轨道涡流制动系统对不同动力分配方式的高速列车制动动力学特性的影响规律.首先建立了6M2T和4M4T两种编组方式的列车动力学仿真模型,并与线路实验数据进行对比,验证了模型的有效性.基于该模型,研究了不同时速下的列车在不同动力分配形式下的动力学特性.针对惰行工况、电空制动工况与加装直线轨道涡流制动系统的联合制动工况,分别研究了第1、5、8节车厢的Sperling指标、脱轨系数、轮重减载率、轮轨作用力的变化规律,研究结果表明,动力分配方式、制动特性对车辆动力学性能有显著影响,涉及的关键动力学性能指标均满足安全限值标准,研究结果将为高速列车加装直线轨道涡流制动系统提供理论参考.

基于SRCKF算法的多自由度非线性系统动载荷识别方法

为识别铁道车辆车钩等存在非线性刚度阻尼的单一维度、多自由度系统的外部动载荷,提出一种基于平方根容积卡尔曼滤波(SRCKF)算法的载荷识别方法。以一个二自由度的非线性弹簧阻尼系统为例,建立包含外部动载荷和系统部件状态变量的非线性过程函数,以各自由度振动加速度为观测量,基于平方根容积卡尔曼滤波算法识别外部动载荷。仿真结果表明,该方法可以较好地识别作用在多自由度非线性系统上的随机载荷,刚度非线性系统和阻尼非线性系统的识别结果相关系数分别为0.997和0.999。

一种列车制动信号无线传输通讯系统设计

在铁路运输趋于高速和重载的背景下,重载列车传统空气制动系统仅能适用于单元式重载列车,并且后期维护相对不便,且在制动时会带来过大的车钩纵向力,影响行车安全,因此具有高带宽、低延迟、维护便捷等优点的无线制动系统应运而生。为了解决上述问题,立足于制动系统制动信号的无线传输,基于嵌入式技术设计了一套制动信号无线传输通讯系统。硬件方面,以STC8H8K64U作为主控芯片完成通讯系统的原理图设计,主要包括电源模块、CAN(Controller Area Network,控制器局域网)网络模块、GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线服务技术)模块、无线网络LoRa(Long Range Radio,远距离无线电)模块等,并且对硬件进行抗干扰处理。软件方面,完成STC8的外设驱动程序设计、LoRa无线网络模块的程序设计以及装置与系统之间通讯协议的自定义。基于以上设计,完成通讯系统的调试与测试工作,对无线网络模块LoRa的通讯距离进行测试,通过建立动力学模型和线路试验来对比使用传统空气制动方案制动与使用制动信号无线传输通讯系统制动方案下的制动波速以及车钩纵向力。测试和试验结果表明:系统各模块功能正常,能有效完成与车辆控制装置和远程控制平台之间的数据交互;有行人、树木、建筑等遮挡物时,无线网络模块LoRa的通讯距离为400 m;使用制动信号无线传输通讯系统在列车制动时可有效提升制动波速,减小车钩纵向力。研究结果可为重载列车的制动系统设计提供参考。

钢弹簧浮置板轨道垂向动态特性及对轮轨力的影响研究

钢弹簧浮置板(steel spring floating slab, SSFS)作为一种高等减振轨道广泛铺设于我国地铁线路中,在服役过程中,该轨道在部分线路中出现了钢轨波磨问题,而轮轨动态行为对波磨形成具有较大的影响。为研究该轨道垂向动态特性及其对轮轨瞬态力的影响,建立SSFS轨道的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,分析在有、无车辆加载下轨道垂向位移导纳特性,模拟钢轨宽频不平顺激扰下轮轨垂向瞬态接触力的响应。结果表明:(1)无车辆加载作用下,SSFS轨道在100 Hz以下(22 Hz、43 Hz、68 Hz等)振动模态表现为钢轨和浮置板共同垂向弯曲,在100~1 400 Hz中高频段表现为钢轨相对浮置板弯曲;(2)车辆加载后,轨道导纳出现59 Hz的P2共振,及64 Hz和72 Hz的轨道整体弯曲振动峰值;(3)柔性轮轨耦合后轨道导纳受到轮对作用影响在364 Hz、489 Hz、623 Hz处出现新峰值,其中,364 Hz、489 Hz为车轮振动模态引起,623 Hz为双轮对干涉引起的钢轨弯曲模态;(4)车辆瞬态通过含60~220 mm波长钢轨不平顺的轨道时,轮轨瞬态垂向接触力在约70 Hz响应最显著,这是由轨道的整体弯曲振动模态被激发引起,该振动是SSFS轨道出现160~200 mm波长波磨的原因。

车辆载荷下钢弹簧浮置板轨道振动特性分析

建立车辆-钢弹簧浮置板轨道垂向耦合振动有限元模型,分析车载作用下的浮置板轨道和车辆垂向振动特性。结果表明,钢轨和车体垂向振动在浮置板1阶弯曲频率(10 Hz)、P2共振频率、部分阶次的轮对弯曲频率及车轮辐板模态频率处存在明显峰值,其中车体振动在车体浮沉频率(1 Hz左右)处也存在明显峰值。扣件刚度和阻尼的影响主要在轮对1阶弯曲频率以内的车辆-轨道系统耦合振动行为,扣件阻尼在高频处对轨道垂向振动也有较大影响。钢弹簧刚度和阻尼主要影响浮置板1阶弯曲频率附近的车辆和轨道响应,对车辆运行平稳性影响显著。车辆悬挂参数及车体和构架质量对轨道振动基本无影响,簧下质量通过P2共振以及系统约束下的轮对1阶弯曲和辐板对称伞形模态影响轨道振动。增大一系悬挂刚度和阻尼以及二系悬挂阻尼会增大中高频的车体垂向振动加速度,二系悬挂刚度主要影响车体浮沉频率附近的车体垂向振动。车体、构架和簧下质量对车体浮沉运动、浮置板1阶弯曲和P2共振处的车体振动加速度峰值有影响。

高速列车主动横向悬挂系统Hopf分岔特性

为研究采用主动横向悬挂的高速车辆系统Hopf分岔特性,建立整车横向简化7自由度非线性动力学模型,基于传统天棚控制原理提出天棚/地棚阻尼和刚度非线性控制律,即将二系横向减振器的理想主动力表示为车体或转向架横向位移和速度的三次多项式函数,理论研究状态反馈量和控制增益对车辆系统蛇行运动Hopf分岔速度、极限环幅值和频率的影响规律.结果表明:被动悬挂难以兼顾车辆一次和二次蛇行失稳工况;地棚阻尼和刚度控制律中一次项和三次项增益对一次蛇行分岔特性影响很小;优化地棚阻尼和刚度控制律一次项增益可提升二次蛇行失稳临界速度,其中地棚阻尼控制律提升效果更为显著;优化地棚阻尼控制律三次项增益可以显著降低极限环幅值且不改变蛇行频率,而地棚刚度三次项增益则不影响系统蛇行分岔特性;优化天棚阻尼和刚度控制律中一次项增益能够有效抑制一次蛇行,主要原因是改变了车体悬挂模态阻尼比和频率,然而天棚刚度控制会降低二次蛇行临界速度;综上,合理设计天棚/地棚阻尼和刚度控制律及参数,能够有效调控车辆系统分岔速度及极限环幅值.研究可为基于主动横向悬挂技术的动车组蛇行稳定性和运行平稳性协调控制研究提供理论依据和参考.