2018年, 第54卷, 第4期　
刊出日期：2018-02-20

  

• 全选
  |

序言
• Select
  铁路运输系统中若干急需解决的问题

  赵国堂

  机械工程学报. 2018, 54(4): 1-2. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.001

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
轮轨磨耗
• Select
  高速铁路轮轨磨损特征、机理、影响和对策——车轮踏面横向磨耗

  金学松, 赵国堂, 梁树林, 陶功权, 崔大宾, 温泽峰

  机械工程学报. 2018, 54(4): 3-13. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.003

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  系统分析总结我国高速铁路轮轨断面横向磨耗情况、特征、形成机理、对车辆动态行为的影响以及对策研究。高速车轮踏面横向磨耗以在名义滚动圆处形成凹坑磨耗和轮缘磨耗为主，主要发生在相对高的等效锥度和具有较厚轮缘的轮对上。车轮踏面横向凹坑磨耗与高速轨道高平直度和高速列车高运行平稳性密切相关。轮轨平稳地高速滚动接触，导致轮轨接触光带狭窄平直，且主要集中在名义滚动圆附近，此处车轮踏面材料磨耗累积迅速形成凹坑，轮对的等效锥度迅速增大。凹坑磨耗在一定深度范围内，将会引起轮对横向晃动，影响车辆的舒适性。提出7个方面的措施，来抑制或减缓车轮踏面凹坑磨耗。最后讨论了钢轨断面横向磨耗情况，主要反映在小半径曲线处外轨内侧磨耗，原因类似普通线路小半径曲线钢轨侧磨情况，也是车轮轮缘磨耗的主要原因，简单讨论减缓措施。所做的工作将对我国高速铁路轮轨型面和硬度匹配深入研究提供重要的参考依据。
• Select
  不同温湿度对高速列车车轮磨耗的影响分析

  肖乾, 方姣, 杨逸航, 昌超

  机械工程学报. 2018, 54(4): 14-21. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.014

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为深入研究温湿度对高速列车车轮磨耗的影响，在已有的相关试验数据基础上，采用数据统计方法和Zobory、Archard磨耗模型，推导温湿度相关的函数型摩擦系数模型和考虑温湿度影响的磨耗预测模型；基于温湿度相关的函数型摩擦模型定义高速轮轨滚动接触关系，并采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立高速轮轨稳态滚动接触有限元模型，完成不同温湿度条件下高速轮轨接触特性分析，并利用考虑温湿度影响的磨耗预测模型，分析不同温湿度条件下车轮接触接触斑内磨耗特性；最后将现场监测数据与模型预测数据进行对比，分析考虑温湿度影响的磨耗预测理论可行性。研究结果表明：在不考虑横移及横向力的作用下，随着温湿度的上升，车轮接触斑内纵向蠕滑力/率、横向蠕滑力/率、磨耗深度均呈现下降的趋势；对比现场监测数据与模型预测数据可知，现场监测数据与模型预测数据之间相关性较好，且呈现出较为一致的变化规律，建立的考虑温湿度影响的磨耗预测理论模型可行性较强。
• Select
  基于修正的轮轨非Hertz接触的重载铁路曲线超高对钢轨磨耗的影响分析

  杨新文, 姚一鸣, 周顺华, 练松良

  机械工程学报. 2018, 54(4): 22-29. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.022

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了探讨重载铁路平曲线超高对钢轨磨耗的影响，首先利用有限元方法求解了轮轨法向接触影响系数，然后建立了详细的钢轨磨耗预测分析模型，模型包括车辆-轨道耦合动力学模型、修正的轮轨非赫兹法向接触模型、轮轨切向接触模型和Archard磨耗模型，并用现场实测结果验证了预测模型的正确性。利用该模型计算分析了曲线超高对重载铁路钢轨磨耗的影响。结果表明：假定车速为60 km/h，在曲线半径450 m线路条件下，曲线中点处外轨的侧磨量大于垂磨量；随着通过总重的增加，钢轨磨耗宽度，垂磨量呈阶梯状发展，磨耗宽度在磨耗初期发展迅速，随后趋于稳定；在曲线超高0.05 m、0.07 m、0.09 m，线路半径1 000 m的条件下，随着外轨超高增大，外轨磨耗有增大的趋势，内轨磨耗有减小的趋势，主要原因是轮对横移量比轮轨法向力对钢轨磨耗的影响更加明显。
• Select
  基于虚拟砂轮建模的钢轨打磨材料去除仿真研究

  商维, 张沭玥, 郭俊, 刘启跃, 王文健

  机械工程学报. 2018, 54(4): 30-36. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.030

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  通过对实际砂轮表面形貌的测量分析，获得砂轮磨粒面密度和突出高度的分布规律，基于虚拟格子法建立砂轮磨粒位置随机分布、突出高度服从正态分布的虚拟砂轮模型，进而建立钢轨打磨的三维仿真模型。仿真分析不同打磨转速对打磨磨削力、去除量、表面粗糙度及打磨表面形貌的影响。利用钢轨打磨摩擦试验机开展了钢轨打磨试验，试验结果与仿真结果进行了对比。结果表明：打磨转速增加时，钢轨磨削力呈小幅度减小，打磨去除量明显增大；钢轨表面粗糙度随打磨转速的增加而减小，随打磨深度的增加而增大；打磨后钢轨表面呈现多条犁沟和区域性的材料隆起；仿真与试验结果具有较好的一致性，验证了所建立的仿真模型预测钢轨打磨材料去除行为的可靠性。
高速列车车轮多边形的动力学响应
• Select
  高速列车车轮多边形磨耗对轮轨力和转向架振动行为的影响

  吴越, 韩健, 刘佳, 梁树林, 金学松

  机械工程学报. 2018, 54(4): 37-46. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.037

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  列车车轮多边形磨耗会显著加大轮轨相互作用力和转向架关键部件振动幅度，恶化车辆系统和轨道部件的工作环境，严重时将会威胁到行车安全。基于三维车辆-轨道耦合动力学模型，用谐波叠加法模拟车轮多边形磨耗，作为车辆轨道耦合动态行为分析时的激励输入，计算车轮多边形磨耗阶次、车辆运行速度和运行里程对轮轨力的影响，并分析车轮多边形磨耗与轮轨力之间的相位关系；建立转向架系统高频振动全有限元模型，以时域轮轨力作为模型输入，分析车轮多边形磨耗参数对转向架轴箱、构架振动响应的影响。计算结果显示，随着列车运行速度、车轮多边形磨耗幅值和阶数的提高，轮轨垂向作用力波动范围和转向架振动响应均会显著增大。所得的结果可为高速列车车轮多边形形成的机理和抑制措施的进一步研究提供参考和指导。
• Select
  高速铁路列车车轮多边形化对道岔区动力学性能的影响

  王平, 张荣鹤, 陈嘉胤, 徐井芒, 陈嵘

  机械工程学报. 2018, 54(4): 47-56. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.047

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为表征车轮多边形化对车辆通过道岔的动力学性能的影响，以高速动车组和客运专线12号道岔为研究对象，建立高速车辆-道岔耦合动力学模型。多边形车轮采用简谐波与实测多边形两种形式模拟，综合考虑多边形车轮经过道岔的状态、左右侧车轮分布方式、多边形阶数和幅值等影响因素，计算车轮多边形化车辆通过道岔的动力响应。结果表明，多边形车轮半径偏差变化率最大点经过心轨处的响应最大。随着多边形阶数增加，动力响应呈先增大后减小的趋势，15、16阶时响应达到最大；左右侧车轮多边形同相位分布比反相位分布的响应大。多边形幅值越大，轮轨垂向力和轮对垂向加速度越大，当幅值达到0.20 mm，轮轨垂向力超过安全限值，且幅值超过0.16 mm，响应会明显增强。多边形车轮对车辆通过道岔的平稳性影响较小。
钢轨波磨机理与防治
• Select
  车辆轨道关键参数对高速铁路钢轨波磨发展的影响

  蒋忠辉, 赵国堂, 张合吉, 吴磊, 温泽峰, 王衡禹

  机械工程学报. 2018, 54(4): 57-63. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.057

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  基于轮轨垂向动力学、轮轨滚动接触理论以及磨耗理论建立高速铁路无砟轨道钢轨波磨发展的理论计算模型，并发展出相应的数值仿真方法。其中轮轨垂向动力学模型包含高速车辆和高速铁路无砟轨道模型；采用Hertz接触理论和Carter二维轮轨接触理论计算轮轨切向力；利用摩擦功磨耗模型计算钢轨表面的磨耗。利用数值仿真再现了高速铁路钢轨波磨的演化过程，以此来研究车辆一系悬挂刚度以及悬挂阻尼，轨道扣件刚度、扣件阻尼以及钢轨硬度对高速铁路钢轨波磨发展的影响规律。结果表明：文中模拟所得的钢轨波磨波长特征与高速铁路上的波磨调查结果相符；较小的车辆一系悬挂刚度，适当的一系悬挂阻尼和扣件刚度，以及较大的扣件阻尼和钢轨硬度有利于抑制高速铁路钢轨波磨的发展。
• Select
  北京地铁DTVI₂扣件钢轨波磨整治措施的试验研究

  陈嘉梁, 刘维宁, 刘卫丰, 冯奇境, 张厚贵

  机械工程学报. 2018, 54(4): 64-69. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.064

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  DTVI₂扣件是目前北京地铁最常用的一种扣件型式，并在长期的使用中保持了良好的稳定性。然而，在新运营线路上采用DTVI₂扣件的区段却出现了钢轨波磨问题。针对该问题，提出在钢轨上安装调频式钢轨阻尼器（Tuned tail damper，TRD）的治理措施，并在北京地铁6号线某区段进行了现场试验研究。对DTVI₂扣件轨道安装TRD区段与未安装TRD区段进行对比试验，测试了钢轨的频响函数和振动衰减率，并对钢轨走形带粗糙度进行了为期456天的跟踪监测。试验结果表明：安装TRD可以改变钢轨频率响应动力特性，消除竖向209 Hz及横向845 Hz等多处共振峰，竖向与横向一阶pinned-pinned共振响应幅值分别下降23%与25%；安装TRD显著提高了轨道系统200~5 000 Hz频段阻尼，钢轨竖向振动衰减率最大提升约16倍（315 Hz），钢轨横向振动衰减率最大提升约8倍（160 Hz）；DTVI₂扣件钢轨波磨典型波长为25~80 mm，跟踪监测结束时未安装TRD区段钢轨表面粗糙度级最大超出ISO3095限值达17 dB左右（50 mm），而安装TRD区段无显著钢轨波磨，安装TRD可以有效抑制DTVI₂扣件钢轨波磨的发展。
• Select
  地铁钢轨波磨演化过程中的特性分析

  李伟, 温泽峰, 王衡禹, 赵鑫, 王鹏

  机械工程学报. 2018, 54(4): 70-78. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.070

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  调查分析了广州某条地铁线路轨道短波长钢轨波磨现象形成原因。首先，现场测试了线路钢轨波磨状态，对比分析了采用相同车辆结构和运营条件的另一条地铁线路钢轨波磨特征的差异。然后，基于地铁轮对-轨道高频相互作用线性理论和钢轨磨损理论，建立了钢轨波磨频域分析模型。最后，基于力锤敲击测试方法获得了轨道结构动态特性，利用钢轨波磨频域模型计算分析了地铁车辆通过半径800 m曲线时的钢轨磨损率特征。结果表明：①地铁线路采用的GJ-Ⅲ型减振扣件和DTVI型普通扣件长轨枕轨道在大半径（大于等于800 m）曲线均出现了30~40 mm波长钢轨波磨现象，其产生不是由轮对固有模态特性所致。②当车辆以90 km/h速度运行时，仿真获得的轨道钢轨磨损率在1030~1130 Hz和620~840 Hz范围表现最大，易萌生22~24 mm和28~40 mm波长波磨；仿真结果与现场测量的钢轨波磨特征吻合。③轨道垂向位移导纳值在620~840 Hz高频段表现低是导致该地铁线路出现30~40 mm短波长波磨的主要原因。
• Select
  整车无砟轨道钢轨波磨计算模型

  李霞, 吴磊, 温泽峰, 金学松

  机械工程学报. 2018, 54(4): 79-86. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.079

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  概述了钢轨波磨研究现状及现有钢轨波磨计算模型。基于刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型、改进的轮轨非赫兹滚动接触力学模型、钢轨材料摩擦磨损模型和磨耗叠加计算模型，建立整车-无砟轨道钢轨波磨计算模型。其中刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型可以同时考虑钢轨、轨道板柔性以及钢轨周期离散支撑条件等因素；改进的三维非赫兹接触模型考虑不均匀磨损对轮轨接触的影响；材料摩擦磨损模型考虑自旋对磨耗的贡献。钢轨波磨计算模型考虑了轮轨之间的动力作用对波磨形成和发展的影响，以及波磨导致接触表面改变后其对轮轨接触及动力学的反馈作用。该模型可以模拟整车八个车轮和钢轨相互作用所形成的波磨。利用该模型再现了现场残余波磨的初期演化情况，该项研究可为钢轨波磨的减缓和治理提供理论基础和技术手段。
• Select
  波浪型面钢轨砂带打磨时变接触行为与仿真研究

  樊文刚, 程继发, 吕洪宾, 李建勇, 宋晓阳

  机械工程学报. 2018, 54(4): 87-92. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.087

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  钢轨服役中由于受到复杂多变载荷冲击作用，表面纵向往往会形成具有一定长度和幅值的波浪形不平顺，导致对其打磨作业过程中，接触区域钢轨型面的实际等效曲率和法向接触压力均动态变化。为此，分析波浪型面钢轨砂带打磨的基本接触特性，基于弹性赫兹接触理论，建立包含时间、打磨压力、打磨进给速度、接触轮直径以及橡胶层厚度等参量的宏观时变接触理论模型，揭示任意时刻下更加符合客观实际的接触区域形态和接触应力分布变化规律。对三个典型不同时刻（分别靠近波峰、波谷和水平位置）进行理论和有限元仿真计算对比分析，结果表明在一定误差范围内理论值和模型值呈现较高程度吻合，验证了时变接触理论模型的正确性和有效性。
轮轨接触关系
• Select
  高速列车轮轨匹配关系改进研究

  李国栋, 曾京, 池茂儒, 宋春元, 干锋

  机械工程学报. 2018, 54(4): 93-100. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.093

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对某型动车组运营过程中出现的转向架蛇行失稳报警和车体低频晃动等问题，结合S1002CN型车轮踏面与实测钢轨打磨前和打磨后轨面的轮轨接触特征，将车轮踏面接触区分为踏面喉根圆接触区、常工作区和踏面端部接触区三部分，并对其外形进行改进设计（称为LMB_10型车轮踏面）。改进的LMB_10型车轮踏面保持工作区的轮轨接触关系，减小轮缘厚度并平缓轮缘根部，降低了由于高等效锥度带来的转向架蛇行失稳报警风险；同时增大踏面端部斜率，降低了由于低等效锥度带来的车体低频晃动风险。仿真分析和线路试验结果表明，改进的LMB_10型车轮踏面与标准CH60型轨面匹配的等效锥度降低至0.105，增大了轮轨间隙，与打磨前后轨面匹配适应性增强，改善了车辆的蛇行运动稳定性、运行平稳性和曲线通过性能。在线路运营考核中，改进的LMB_10型车轮踏面镟轮周期最长达39万公里，在整个运行过程中始终具有良好的动力学性能。
• Select
  钢轨脱碳层对轮轨瞬态滚动接触行为的影响分析

  寇峻瑜, 王衡禹, 赵鑫, 赵国堂, 金学松

  机械工程学报. 2018, 54(4): 101-108. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.101

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  采用显式有限元法建立考虑钢轨脱碳层的三维轮轨瞬态滚动接触模型，将轮轨真实三维几何、材料非线性和车辆-轨道高频动力作用充分考虑在内，采用"面-面"接触算法于时域内重现了车轮在带脱碳层钢轨上的瞬态滚动接触行为，得到了随时间变化的法、切向接触解。对比发现，屈服应力较低的脱碳层会增大钢轨表层的塑性变形，使得轮轨接触斑和黏着区增大，而最大法、切向接触应力和摩擦功相应降低；厚度有限（一般小于1 mm）的脱碳层对接触斑形状与尺寸的影响可忽略，但对接触应力、黏滑分布和摩擦功的影响不可忽略。脱碳层增厚会加大表面数层单元的总塑性变形，但第一层单元的塑性变形会因变形的再分布而稍稍变小。脱碳层的纵向不连续会使轮轨力、接触应力均在边界上呈现重要变化，车轮由带实测脱碳层钢轨滚入无脱碳层钢轨时，法、切向轮轨力会出现幅值分别为0.32和1.14 kN的动态力，相应的最大法、切向接触应力和摩擦功较脱碳层钢轨上的稳态值分别增加4.42%、19.71%和83.19%。某些条件下，这些突变或可引发不均匀磨耗，进而导致原本平顺的轨面上出现几何不平顺。
• Select
  车轮踏面凹形磨耗对轮轨相互作用的影响研究

  孙宇, 朱胜阳, 翟婉明

  机械工程学报. 2018, 54(4): 109-116. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.109

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为了研究踏面凹形磨耗车轮的动力学行为，改进Kik-Piotrowski方法提出一种可考虑轮对摇头和轮轨多点接触的非Hertz接触模型，结合车辆-轨道耦合动力学理论计算具有实测踏面凹形磨耗车轮的CRH2高速动车组在钢轨上运行时的轮轨动态相互作用行为。计算结果表明，改进的Kik-Piotrowski方法可以很好地模拟磨耗车轮与钢轨的多点接触和非Hertz接触行为，轮轨法向力、轮轨蠕滑力以及接触斑形状都与CONTACT计算结果比较接近。对于踏面凹形磨耗的车轮，接触区域分布在车轮磨耗边缘的两个孤立位置，当接触斑从一个区域向另一区域转换时存在瞬时的两点接触。由于两点接触的过渡，接触区域在两个位置转换时造成的冲击效应并不明显。与无磨耗车轮的动力学响应对比，该类车轮踏面凹形磨耗对轮轨力的影响从总体上来说不大，对轮轨横向力的影响略大于对轮轨垂向力的影响，磨耗会增加轮轨垂向力和轮轨横向力的高频成分。
• Select
  地铁异常磨耗车轮与辙叉接触分析

  张合吉, 何泽寒, 刘建桥, 吴磊, 王衡禹, 温泽峰

  机械工程学报. 2018, 54(4): 117-123. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.117

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对地铁运营中出现的道岔心轨损伤问题，调查并测量了车轮型面和辙叉区轨头型面，发现运营3.1万km后车轮踏面发生异常磨耗，在踏面尾部出现凸台（或称假轮缘）；在翼轨上存在沟槽磨耗。基于实测型面建立了车轮辙叉接触有限元模型，结合迹线法，分析了不同凸台高度的车轮分别与新辙叉、磨耗辙叉之间的接触几何关系和接触应力。对比分析结果表明，具有凸台的车轮异常磨耗对轮轨接触不利，会减小车轮与新辙叉的接触面积，增大轮轨接触应力。在轮对横移时，凸台磨耗会造成车轮与心轨薄弱处接触，易导致心轨损伤。采用镟修异常磨耗车轮或合理的闸瓦与车轮匹配关系，可消除或减缓车轮凸台形异常磨耗，从而避免道岔心轨损伤。
• Select
  基于POLACH方法的轮轨蠕滑曲线研究

  安博洋, 王平, 徐义新, 徐井芒, 陈嵘

  机械工程学报. 2018, 54(4): 124-131. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.124

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  蠕滑曲线对于描绘轮轨相互作用关系是十分重要的，影响车辆牵引/制动控制、运行平稳性和安全性。选用POLACH基于实测数据提出的接触方法，详细调查影响轮轨蠕滑曲线变化的因素，参变量涵括衰减因子、函数型摩擦因数、轮轨接触几何、轴重和车辆运行速度。研究发现衰减因子可表征轮轨接触界面粗糙度，用以描述蠕滑曲线初始斜率的衰减；函数型摩擦因数则可描述蠕滑曲线在大蠕滑区下降的趋势；轨距角与轨顶处的蠕滑曲线存在不可忽略的差异，这便于解释钢轨小半径曲线侧磨现象；在潮湿工况下，黏着系数随速度的提升而降低，但计算所得黏着系数高于文献报道的实测结果。为此，引入一种考虑运行速度和微滑速度的函数型摩擦因数，取得了与实测数据相吻合的结果。
• Select
  基于弹性模型的高速列车曲线通过时轮轨接触特性研究

  杨光, 任尊松

  机械工程学报. 2018, 54(4): 132-141. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.132

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为研究高速列车曲线通过时的轮轨接触几何关系、蠕滑性能及磨耗情况，基于我国某型高速动车组，利用有限元和多体动力学方法，考虑轮对旋转运动，建立高速列车车辆系统弹性模型，并通过数值仿真，得到高速列车曲线通过时，不同曲线参数影响下，轮轨接触点横向位置、轮轨蠕滑力以及轮轨磨耗指数等的变化规律。结果表明，相对于刚性模型，利用车辆系统弹性模型仿真能够更加真实反映轮对旋转运动时的轮轨接触状态，也更符合高速列车实际曲线通过情况。高速列车曲线通过速度和线路横向不平顺激扰幅值增大均会显著加剧轮对横向位移、轮轨接触点横向位置、轮轨横向蠕滑力等轮轨系统横向相互作用，且会加大轮轨磨耗；曲线半径和超高增大对于曲线轨道外侧轮轨磨耗影响较大，但对于轮轨系统横向相互作用影响较小。将通过速度为350 km/h的7 000 m半径曲线超高设置为170 mm，可有效平衡内、外侧轮轨磨耗，列车降速通过则会加剧曲线内侧轮轨磨耗。
• Select
  钢轨磨耗对轮轨滚动接触关系的影响研究

  丁军君, 李东宇, 王军平, 李芾

  机械工程学报. 2018, 54(4): 142-149. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.142

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  钢轨廓形会随着磨耗的发展而发生明显改变，并对轮轨接触关系产生影响。以国内某客货共运干线铁路的小半径曲线为例，跟踪采集钢轨廓形，并测量通过该线路的客车和货车车轮廓形。对不同磨耗阶段的钢轨型面对应的轮轨共形接触和轮轨导向能力进行分析，并结合车辆-轨道动力学模型对多车轮条件下的轮轨接触位置分布特征和钢轨表面滚动接触疲劳损伤系数进行计算。结果表明：随着钢轨的不断磨耗，轮轨共形接触的概率先下降后上升，同时转向架导向轮对的轮轨导向能力先减弱后加强，而从动轮对的导向能力逐渐减弱。上股钢轨的轮轨接触宽度由25 mm扩大到45 mm，下股钢轨由27 mm扩大到45 mm，同时上股钢轨轨顶和轨距角处接触频率逐渐增加，轨肩位置处的接触频率逐渐减小。钢轨表面的累积滚动接触疲劳损伤系数先减小后增大，疲劳损伤区域逐渐向轨顶扩展，甚至达到轨顶外侧位置。
轮轨滚动接触疲劳
• Select
  高速动车组车轮滚动接触疲劳观测与模拟研究

  王玉光, 卢纯, 赵鑫, 温泽峰, JIN Xuesong

  机械工程学报. 2018, 54(4): 150-157. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.150

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  针对我国某型250 km/h级动车组近年来发生的连续型车轮滚动接触疲劳，赴涉及的动车组运用所开展为期约2个镟修周期的跟踪测试。测试结果表明，该疲劳裂纹在镟后10~15万km开始出现在名义滚动圆外侧15~30 mm范围内，表面裂纹角度多在45°和-45°左右，一个镟修周期内可萌生并扩展至0.25~1.2 mm深，但不会发展成剥离掉块，不影响正常运营。基于跟踪测试数据，采用SIMPACK建立车辆-轨道耦合动力学模型，其结果进一步代入到安定图和损伤函数模型来预测滚动接触疲劳的萌生。结果显示，上述动车组滚动接触疲劳是由部分曲线低轨侧轮轨廓形匹配不佳导致的，其根本原因可能是不合理地钢轨打磨廓形和车轮凹磨等。详细分析表明，可导致滚动接触疲劳的恶劣轮轨接触状态只发生在极个别曲线段，这是为什么线路上存在数量相当的左、右曲线，而往返运行不调头的上述动车组的滚动接触疲劳只集中在列车一侧。最后，讨论目前滚动接触疲劳预测模型的局限性，指出未来研究方向。
• Select
  基于三维重构的钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展预测

  周宇, 邝迪峰, 郑晓峰, 韩延彬, 木东升

  机械工程学报. 2018, 54(4): 158-166. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.158

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  采用X射线断层扫描技术测量钢轨轨距角-轨肩的滚动接触疲劳裂纹，通过裂纹平面化、尖端拟合和空间定位，重构真实裂纹的三维形态和空间位置；考虑裂纹尖端塑性区和磨耗的影响，提出基于三维重构的裂纹扩展预测方法。预测结果表明，X射线断层扫描技术可以得到真实裂纹的高精度形状和特征，实现钢轨轨距角-轨肩处近似平面状裂纹的三维建模。根据重载铁路典型的车辆和曲线轨道条件，预测裂纹在一定通过总重累积下的扩展情况，接触斑作用在裂纹上时引起的应力最大值集中在轨面及轨面以下垂直深度2~4 mm处，裂纹尖端及裂纹开口附近未出现应力集中；一、三位外轮和二、四位外轮引起的裂纹尖端节点的Von-Mises应力分别相近；当前轮与外轨发生两点接触时，前轮接触斑下方的裂纹尖端节点应力小于后轮引起的应力；预测的裂纹长度、深度与显微观测的实际裂纹接近，预测的裂纹沿钢轨纵向扩展的角度范围包含了显微观测的实际扩展角度。
• Select
  不同蠕滑率下U75V钢轨磨损与损伤性能分析

  郭立昌, 朱文涛, 何成刚, 马蕾, 王文健, 刘启跃

  机械工程学报. 2018, 54(4): 167-175. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.167

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  利用MJP-30A滚动磨损试验机研究U75V钢轨在不同蠕滑率下的磨损与损伤行为，探讨钢轨磨损率随蠕滑率的转变规律。结果表明：U75V钢轨磨损率随蠕滑率的增加呈现"台阶式"上升规律；根据Tγ/A-磨损率变化曲线，可将U75V钢轨材料磨损划分为三个区域：轻微磨损区、严重磨损区和灾难性磨损区。不同蠕滑率下U75V钢轨的磨损与损伤机制明显不同；当蠕滑率小于3%时钢轨材料主要磨损形式为氧化磨损与轻微疲劳磨损，当蠕滑率为6%~12%时钢轨材料主要磨损形式为轻微黏着磨损，当蠕滑率为18%~25%时钢轨材料主要磨损形式为严重黏着磨损；随蠕滑率增加，钢轨材料塑性变形层厚度、疲劳裂纹的深度和角度均呈先增加后减小的趋势，当蠕滑率为12%~18%时、塑性变形层厚度、疲劳裂纹的深度和角度达到最大。
• Select
  无碳化物贝氏体钢的滚动接触疲劳磨损行为

  郑春雷, 张福成, 吕博, 但锐, 苏丽婷

  机械工程学报. 2018, 54(4): 176-185. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.176

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  通过滚动接触疲劳磨损试验和扫描、透射、X射线衍射等分析方法，研究无碳化物贝氏体钢的滚动接触疲劳磨损行为。结果表明，无碳化物贝氏体钢拥有较为理想的滚动接触疲劳磨损性能，其疲劳磨损失效形式为浅层剥落，试样表面产生的严重塑性变形层，有效地阻碍了疲劳裂纹向深处扩展；经过920℃奥氏体化处理40 min，随后350℃盐浴等温30 min比等温100 min处理的试样的滚动接触疲劳磨损性能更加优异，其滚动接触疲劳磨损寿命可达到8.0×10⁶次；残余奥氏体能够有效地提高接触表面硬度，松弛裂纹尖端的应力集中，从而改善滚动接触疲劳磨损性能；在滚动接触疲劳磨损过程中，试样表面的硬度显著的提高，表面合金元素的再分配，对滚动接触疲劳磨损性能的提高有一定的促进作用。
振动与噪声
• Select
  典型路基结构对高速列车横风气动特性影响分析

  张业, 孙振旭, 姚永芳, 刘雯, 杨国伟, 郭迪龙

  机械工程学报. 2018, 54(4): 186-195. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.186

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  由于地域及环境的限制，高速铁路采用多种路基结构如平直地面、不同高度路堤、高架桥等，当列车运行在路堤及高架桥上时，车体周围的绕流流场比平直地面更加复杂。在强横风的作用下，不同的路基结构上的高速列车横风气动特性存在明显差异，不合理的路基结构将影响列车的横风安全性。同时列车结构复杂，转向架、受电弓等都对列车的流场特性有重要作用，过于简化的短编组列车外形不能够精细反映列车的真实气动特性。为研究典型路基结构对高速列车横风气动特性的影响，以9编组动力集中型高速列车实车为研究对象，考虑风挡、转向架、受电弓等细节特征，对列车运行速度为200 km/h，横风速度分别为20 m/s、30 m/s、35 m/s、40 m/s，路基结构分别为平直地面、3 m路堤、6 m路堤、高架桥等四种场景下的高速列车空气动力学性能进行了仿真计算和对比，分析了不同路基地面条件下列车的横风气动特性的差异及规律，为横风条件下复杂路基结构的列车运行安全控制提供了参考。
• Select
  波磨条件下地铁车轮瞬态滚动噪声特性研究

  周信, 赵鑫, 韩健, 何远鹏, 温泽峰, 金学松

  机械工程学报. 2018, 54(4): 196-202. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.196

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  联合应用隐式-显式有限元及边界元方法，分析地铁线路中几种典型钢轨波磨对车轮声辐射的影响。采用Ansys/LS-dyna建立有钢轨波磨存在的三维轮轨瞬态滚动接触模型，获得波磨激励下的轮轨接触力。将该轮轨力输入到有限元/边界元振动声辐射模型，进行波磨激励下车轮声辐射分析。结果表明，该模型能够反映波磨对轮轨作用力非线性的影响；钢轨波磨增大了轮轨间作用力，波磨波长越短，波深越深，对轮轨力的影响越大。对于直型辐板车轮，当钢轨波长较长或波深较小时，车轮声辐射主要由径向模态振动声辐射贡献，当钢轨波长较短或波深较大时，车轮振动声辐射在波磨激励频率处贡献较大。
• Select
  不同类型横风下高速列车气动性能研究

  王政, 李田, 张继业

  机械工程学报. 2018, 54(4): 203-211. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.203

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为研究不同类型风载荷下列车空气动力学性能，数值模拟了列车在均匀风和指数风两种不同类型横风作用下的气动特性。建立列车空气动力学模型，通过网格独立性检验选取合适的仿真计算网格。研究均匀风和指数风对列车迎风侧来流速度、列车气动力、车体表面压力和列车周围流场特性的影响。相比指数风载荷，均匀风条件下列车迎风侧来流速度较大，列车受到的侧力和倾覆力矩要大18%左右。通过对比列车在平地、复线路堤两种轨道基础形式上运行时空气动力学性能差异，发现列车在复线路堤背风侧运行时气动性能较差。研究结果表明：均匀风和指数风载荷作用下的列车气动性能差异较大；在横风作用下头车受到的侧力与倾覆力矩最大，且安全性最差；列车在路堤背风侧轨道运行时受到的气动载荷大于平地运行时的列车气动载荷。
• Select
  高速列车车窗隔声量研究

  张玉梅, 王瑞乾, 李晔, 李明, 温泽峰, 肖新标

  机械工程学报. 2018, 54(4): 212-221. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.212

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  基于波动法和模态叠加法，建立双板空腔结构隔声量计算模型，通过实测双板空腔混响隔声量验证了模型的合理性。基于计算模型研究了我国某高速列车车窗隔声量特性，并调查了车窗厚度、空腔厚度和空腔阻尼等参数变化下的隔声量特性。在定量评价车窗隔声量随各参数变化时，除了采用计权隔声量，还同时引入了基于基准车窗的修正质量定理，相关结果可为轻量化选材提供参考。轮轨噪声是高速列车的主要声源之一，为评价车窗对其隔声效果，实测了250 km/速度下轮轨区域噪声，提出了基于隔声量理论的等效车内声压级评价指标。结合以上两个评价指标，对车窗参数的隔声量影响进行了综合分析，结果表明：改变车窗厚度比例是提高车窗隔声性能的最有效方法，其次是增加空腔厚度或增加空腔阻尼。相关研究可为高速列车车窗低噪声设计提供依据和车窗选材提供参考。
• Select
  基于心理声学参数的新型卧铺动车组包间噪声分析

  张捷, 肖新标, 姚丹, 伏蓉, 张骏

  机械工程学报. 2018, 54(4): 222-230. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.222

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  在实际运营的线路上测试一种新型卧铺动车组250 km/h匀速运行时的包间噪声。基于心理声学参数，包括响度、尖锐度、抖动强度和粗糙度，详细分析新型卧铺动车组不同"坐卧型式"下的包间声品质特性，并使用球形声阵列对包间噪声进行基于心理声学参数的声源识别。研究结果表明：上、下铺平躺时的噪声主要差别在于响度和抖动强度，尖锐度和粗糙度的水平基本一致。对于右耳，上、下铺平躺时的心理声学参数差异规律和左耳相似，但是差异的百分比明显高于左耳。下铺平躺和坐立时，左、右耳规律不同，左耳心理声学参数相差最大的是响度，右耳相差最大的则是尖锐度。响度的声源位置主要位于车窗区域，其次为顶板区域；尖锐度的声源位置主要位于地板区域。相关研究结果可为新型卧铺动车组包间声学环境的优化提供科学依据和参考。
• Select
  高速列车受电弓气动噪声特性研究

  刘加利, 于梦阁, 田爱琴, 杜健, 张继业

  机械工程学报. 2018, 54(4): 231-237. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.231

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为研究高速列车受电弓气动噪声特性，利用大涡模拟方法计算高速列车受电弓表面脉动压力，并将其作为远场声场计算输入；利用Lighthill声学比拟理论计算高速列车受电弓远场气动噪声，并研究其声压级特性、频谱特性及速度依赖规律。计算结果表明：高速列车受电弓气动噪声的声压级在纵向方向上变化较大，最大声压级位于受电弓后方横截面上；声压级在距轨面0.5~5.0 m的垂向方向上变化较小，最大差异在0.5 dB以内；声压级在距轨道中心线7.5~30 m的横向方向上发生衰减，且不同车速下声压级衰减12.0~12.3 dB。通过频谱分析发现，受电弓气动噪声的主要能量分布在100~700 Hz，主要频率随车速增加往高频部分移动；受电弓气动噪声的功率谱密度随测点距轨道中心线距离的增加显著减小，但其主要频率基本不发生变化。受电弓气动噪声声压级随着车速的增加而显著增大，且与车速的对数近似成线性关系。
• Select
  基于声压贡献的球面阵波束形成声源识别滤波求和算法

  褚志刚, 陈涛, 赵书艺, 肖新标

  机械工程学报. 2018, 54(4): 238-244. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.238

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  运用实心球传声器阵列波束形成技术识别声源时，滤波求和算法提高了传统声压球谐函数角度分解算法的旁瓣抑制性能，但其采用声源强度作为输出，无法直接反映声源对目标接收者的声学贡献，且输出结果是否准确依赖于聚焦距离是否等于源到阵列中心的真实距离。针对此问题，以最小化最大旁瓣为目标，以声压贡献输出的主瓣峰值无畸变为约束条件，构建二阶锥规划优化模型，采用CVX凸优化求解器进行求解获取滤波参数，最终建立以声压贡献为输出的球面阵波束形成声源识别滤波求和算法。仿真及试验结果均表明，该算法实现了声源对目标接收者的声压贡献量化，且量化准确度几乎不受聚焦距离的影响，同时具有优秀的旁瓣抑制性能和良好的空间分辨率。
• Select
  随机风环境下高速列车运行安全评估研究

  于梦阁, 张骞, 刘加利, 张继业

  机械工程学报. 2018, 54(4): 245-254. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.245

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  研究随机风环境下高速列车的气动特性及运行安全特性，提出一种随机风环境下高速列车运行安全的评估方法。基于Cooper理论和谐波叠加法建立任意风向角下随车移动点的脉动风速数值模拟方法，推导随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算公式；建立高速列车系统动力学模型，研究非定常气动载荷作用下高速列车的运行安全特性，获得随机风环境下高速列车安全运行的平均特征风速曲线及其置信区间。计算结果表明，在随机风环境下，高速列车的非定常气动载荷及轮重减载率具有随机特性，且近似服从正态分布；风向角越接近于90°，非定常气动载荷及轮重减载率的波动幅值越大；在相同的风向角下，MCWC随着列车速度的增加而减小；在相同的车速下，不同风向角下的MCWC由小到大的排序为90°、60°、120°、30°、150°。
• Select
  摩擦因数对轮轨曲线啸叫噪声的影响分析

  王金, 杨新文, 练松良

  机械工程学报. 2018, 54(4): 255-263. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.255

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  为分析摩擦因数为常数时是否会出现曲线啸叫，并探讨摩擦因数对轮轨接触特性和曲线啸叫噪声强度的影响，建立详细的轮轨曲线啸叫噪声预测模型，包括轮轨弹性振动模型、时域相互作用模型和声辐射模型，并用CONTACT软件验证了相互作用模型的正确性。分析结果表明：摩擦因数为常数时，也会出现曲线啸叫。摩擦因数对曲线啸叫频率没有影响，轮对横移量为5 mm、横向蠕滑率为-0.01时，啸叫频率总是与车轮的0节圆3节径轴向模态频率相近；摩擦因数越大，曲线啸叫噪声强度越大；可以用横向力级峰值的个数判断是否会出现黏滑振荡，用接触区域内滑动区所占比例的变化程度表示黏滑振荡的激烈程度，用横向力级最大值或声功率级最大值对应频率预测曲线啸叫频率；提出两个临界摩擦因数：摩擦因数小于0.20时不会出现曲线啸叫，大于等于0.24时会出现啸叫，介于0.20和0.24之间时有可能出现曲线啸叫。
动车组结构疲劳
• Select
  转向架构架模态频率与疲劳损伤参数敏感性研究

  李国栋, 王建斌, 曾京

  机械工程学报. 2018, 54(4): 264-269. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.264

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  转向架构架是车辆走行部主要承载结构，结构的疲劳强度可靠性是核心的设计指标。根据受力分析，构架弹性变形的载荷来自车体振动与轨道不平顺导致的超静定扭曲支撑。基于模态柔性并通过刚柔耦合车辆动力学仿真，分析车辆典型运行状态下构架模态参与系数；构架一阶扭转模态振动响应是构架变形的主要贡献量，且造成了横侧梁连接位置较大应力水平及损伤量；由于构架结构型式为H形，抽象了一种变扭转刚度的构架模型，通过改变耦合扭转刚度来改变构架扭转自振频率。通过惯性释放的准静态叠加法，分析扭转频率从0 Hz到45 Hz下构架不同位置的损伤量。侧梁各位置随着频率增加损伤量增大而横侧梁连接位置则随之降低且敏感性更强。确定了主变形条件下的等刚度设计原则，构架设计应提高横侧梁连接位置刚度。
• Select
  高速列车齿轮箱载荷特性分析

  李广全, 王文静, 杨广雪

  机械工程学报. 2018, 54(4): 270-277. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.270

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  以某型动车组齿轮箱为研究对象，建立齿轮箱隔振橡胶的有限元模型，分析载荷频率、振幅及预载荷对橡胶非线性刚度的影响规律。通过吊杆力传感器获得齿轮箱载荷时间历程，分析列车在启动牵引、制动停车、高低速直线运行及坡道运行等典型工况下齿轮箱载荷的时程曲线及载荷变化规律。在数据统计基础上得到齿轮箱趋势载荷对动态载荷及动态载荷谱的影响规律，同时定义疲劳损伤影响参数来分析不同载荷对结构整体损伤的影响程度。研究结果表明，在一定作用频率范围内，橡胶非线性刚度受频率影响较小，随着预载荷的增大而增大；趋势载荷的增大使齿轮箱动载荷幅值呈现出明显的增大趋势；趋势载荷和动态载荷单独作用下的疲劳损伤影响参数值分别为0.04、0.69，载荷谱中舍弃趋势载荷会导致结构疲劳损伤值降低31%。该研究结果在高速列车齿轮箱的仿真分析及国产化研究等方面具有一定参考价值。
故障诊断
• Select
  基于变尺度形态滤波的高速列车万向轴故障辨识研究

  李奕璠, 刘建新, 林建辉

  机械工程学报. 2018, 54(4): 278-284. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.278

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  多尺度形态滤波器中如何准确确定分析尺度一直是一个没有得到很好解决的问题，但这一问题又非常重要，因为尺度选取的差异会直接影响滤波结果。为此，提出一种变尺度形态滤波器。在滤波过程中，结构元素的长度和高度不再是固定的，它可以根据待分析信号的几何形貌特征作自适应的改变，使得结构元素与原始信号更为匹配，从而避免多尺度滤波中尺度选取这一难题。为了进一步提升滤波精度，构造一种新的结构元素，并与传统的扁平结构元素进行比较。将所提出的方法应用于在万向轴不平衡试验台上采集到的试验数据分析中，研究结果表明，变尺度形态滤波方法能有效辨识万向轴动不平衡引起的基频和倍频故障特征，与多尺度形态滤波方法相比，变尺度形态滤波更能突出故障特征。
• Select
  基于多目标交叉熵优化的轮对轴承故障特征提取方法

  顾晓辉, 杨绍普, 刘永强, 任彬, 张建超

  机械工程学报. 2018, 54(4): 285-292. https://doi.org/10.3901/JME.2018.04.285

  摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  从复杂干扰中提取轮对轴承的故障特征，需要同时从冲击性和循环平稳性两个方面考虑。而在提取过程中，单一的指标很难统一并平衡二者的权重。为此，提出一种基于多目标优化的非对称实Laplace小波解调方法。在第一个目标中，以最大化平方包络的峭度为适应度函数，利用窄带信号包络的时域稀疏性表征故障的冲击性特征。在第二个目标中，以最大化平方包络谱的峭度为适应度函数，利用窄带信号包络的频域稀疏性表征故障的循环平稳性特征。并通过将非支配排序和拥挤距离排序引入交叉熵算法实现了多目标最优非对称实Laplace小波解调以降低冲击性噪声或循环平稳性噪声的干扰。试验结果表明，该方法可实现复杂干扰下轮对轴承的故障特征提取，并通过与单目标优化方法的对比分析，验证了该方法的优越性。