基于损伤一致性的动车组转向架载荷实验谱研究

动车组转向架构架载荷状况复杂, 实际运用条件下包含多个基本载荷系, 因此转向架构架局部位置的总损伤是若干载荷系在该位置相应损伤的累积; 转向架构架实验谱是考核动车组构架寿命的关键手段, 在没有实测载荷的条件下如何编制实验谱是本文的研究目标.本文首先对转向架构架承载系统的线性假设、稳定假设及典型假设进行了确认研究; 然后根据长期实测线路仅有的动应力数据, 将转向架构架典型应力分区域编制应力谱; 其次根据构架受力特点对构架建立载荷系, 在试验台中标定各个载荷系下的载荷应力传递关系, 并将区域典型测点的最大标定系数作为该区域的载荷应力传递系数; 然后基于损伤一致性原则建立优化函数, 并将获得的载荷应力传递系数矩阵代入优化函数, 得到一种适用于由线路实测动应力大数据推导出实验载荷谱的方法. 试验结果证明该方法具有较高的精度, 对构架关键部位的考核实现了典型区域全覆盖; 在中国线路运用工况下, 相比国际通用规范, 该方法对所有典型区域做到损伤再现, 所编制实验谱对转向架构架的考核更具有适用性.      

基于损伤一致性的动车组转向架载荷实验谱研究

动车组转向架构架载荷状况复杂,实际运用条件下包含多个基本载荷系,因此转向架构架局部位置的总损伤是若干载荷系在该位置相应损伤的累积;转向架构架实验谱是考核动车组构架寿命的关键手段,在没有实测载荷的条件下如何编制实验谱是本文的研究目标.本文首先对转向架构架承载系统的线性假设、稳定假设及典型假设进行了确认研究;然后根据长期实测线路仅有的动应力数据,将转向架构架典型应力分区域编制应力谱;其次根据构架受力特点对构架建立载荷系,在试验台中标定各个载荷系下的载荷应力传递关系,并将区域典型测点的最大标定系数作为该区域的载荷应力传递系数;然后基于损伤一致性原则建立优化函数,并将获得的载荷应力传递系数矩阵代入优化函数,得到一种适用于由线路实测动应力大数据推导出实验载荷谱的方法.试验结果证明该方法具有较高的精度,对构架关键部位的考核实现了典型区域全覆盖;在中国线路运用工况下,相比国际通用规范,该方法对所有典型区域做到损伤再现,所编制实验谱对转向架构架的考核更具有适用性.     

基于实验测试的采煤机截割载荷的分形分布规律研究

为研究采煤机截割载荷分布规律,实验组设计了复杂工况下采煤机截割煤壁的实验检测系统。本文选择实时测试摇臂四根销轴的应变信号,利用Matlab导入计算公式求出了滚筒截割载荷谱,并将载荷谱进行小波降噪处理;最后运用分形理论求出了采煤机在不同工况下滚筒载荷比例系数R,并对比例系数R进行了分析。结果表明:①在一定煤岩硬度下,R与牵引速度近似呈线性递减关系,即随着牵引速度的增大,滚筒载荷波动逐渐减小;②直线截割与斜切截割这两种工况对R影响不大;③随着煤岩硬度的增加,滚筒载荷比例系数R逐渐减小。本文研究结果为采煤机载荷分析和滚筒设计提供了一种新方法。     

轮轨滚动摩擦温升分析

利用有限元法,考虑轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流以及热辐射的影响,建立了轮轨滚动接触热耦合计算模型来模拟轮轨滚滑摩擦温升;在模拟轮轨纯滑动条件下,计算分析了由磨损引起的滑动接触斑的尺寸增大对轮轨温度场的影响;在模拟轮轨接触斑部分滑动工况时,针对不同蠕滑率、摩擦系数以及轴重对轮轨温度场的影响进行了相应的计算分析.结果表明:接触斑材料的磨损速度只影响磨损过程中的温度场分布,其稳态温度场分布基本一致;热载荷随着纵向载荷、蠕滑率以及摩擦系数的增大而增大,进而影响轮轨滚动接触热疲劳.     

毛竹纤维细胞壁的黏弹性力学性能研究

以毛竹纤维细胞壁(BFCW)为研究对象,运用纳米压痕技术对BFCW的蠕变性能和松弛性能进行了研究。通过设计不同的加载方式,得到了纳米压痕的载荷与压入深度的关系曲线;通过拟合不同应变率的实验结果数据,计算得出了BFCW的蠕变应力指数。研究了BFCW在不同压入深度、加载速率、保载时间下的松弛行为,分析了不同的载荷、加载速率、保载时间对BFCW蠕变行为的影响。结果表明:BFCW纵向和横向具有不同的力学性质,在纵向表现出更明显的松弛特性和更强的抗蠕变变形能力;BFCW的蠕变行为随着压入载荷的增大愈加明显,表现为蠕变位移和蠕变速率增大;BFCW纵向的压入深度和蠕变位移量均比横向的小,在最大压入载荷为15mN时,其差值分别达到了24.96%和32.25%;BFCW的松弛模量、载荷松弛量与压入深度呈正比;BFCW纵向的松弛能力比横向的强,在加载速率为50nm/s时纵向载荷松弛量较横向高34.58%。     

正交异性钢桥面板肋-面板焊缝疲劳分析

基于焊缝的局部三维断裂力学模型和超重多轴货车的载荷谱,进行正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹的疲劳寿命分析。采用Schwartz-Neuman交替法计算肋-面板焊缝处半椭圆表面裂纹的应力强度因子,基于裂尖反向塑性区模型考虑循环载荷中压应力对疲劳裂纹扩展的作用。正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝的应力计算结果表明:超载货车作用下肋-面板焊缝处的横向应力峰值和应力幅都有明显增加;相比于标准疲劳荷载车,超载货车作用下肋-面板焊缝处半椭圆表面裂纹的裂纹扩展率增大了6.1倍;对应于正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝处的拉-压循环应力,平面应变状态下的裂尖反向塑性区使裂纹扩展率增加了3.7倍;基于所得裂纹扩展速率,本研究给出仅在严重超载的五轴和六轴货车作用下正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝疲劳寿命不足20年,远远低于桥梁的设计寿命。因此,考虑超载多轴货车的载荷谱和循环载荷中的压应力对肋-面板焊缝疲劳裂纹扩展的影响十分重要。     

侵彻弹体结构纵向振动频率特性分析

加速度传感器测试弹体加速度历程时,测试结果包含由于目标阻碍导致弹体减速的过载加速度和弹体结构振动引起的加速度。通过将弹体简化为均匀的长直圆杆,从理论上分析弹体纵向振动的频率特性。利用ANSYS建立了弹体有限元模型,通过模态分析得到了弹体纵向振动对应的固有频率及固有振型,并对弹体进行谐响应分析,一阶纵向振动固有频率的理论值、模态分析与谐响应分析的模拟结果都在1 200 Hz。利用Fourier变换和小波分析,对加速度传感器测试数据的频率特性进行了分析,Fourier变换得到的信号功率谱峰值在1 114 Hz,与理论计算结果、模拟结果都能较好吻合。     

基于实测载荷谱的重载铁路货车车钩钩尾框剩余寿命预测

随着我国重载铁路货车运行规模及开行频次的增加, 车钩钩尾框断裂破坏问题日益严重. 本文以国产16/17型车钩钩尾框(锻造E级钢)为研究对象, 首先通过系统的材料试验获得了锻造E级钢的基本力学性能和断裂性能参数; 其次建立了含初始裂纹缺陷的钩尾框有限元模型; 最后基于实测线路载荷谱, 采用NASGRO方程开展了伤损钩尾框剩余寿命预测. 计算结果表明: 当裂纹形貌比a/c为0.8, 0.5, 0.3时计算得到的车钩钩尾框剩余寿命逐渐减小, 疲劳裂纹从深度2 mm扩展至20 mm的计算剩余寿命分别为36, 32, 26万公里, 均不足一个段修期; 3种裂纹形貌比下裂纹扩展至12 mm后的剩余寿命占比均较小, 仅为总剩余服役里程的4.7%, 4.0%, 2.2%, 因此可将12 mm作为钩尾框损伤容限止裂判据较为合理; 为研究近门槛区对裂纹扩展寿命的影响, 当裂纹形貌比为0.5且初始裂纹的尺寸降低至0.5 mm时, 裂纹将处于裂纹扩展门槛区附近, 剩余服役里程约为156万公里, 约为2 mm初始裂纹的4.9倍, 跨越了三个段修期. 论文研究结果可为重载铁路货车钩尾框检修周期的优化提供基本参考.      

球磨机动态载荷谱的研究与测试

球磨机动态载荷谱是对球磨机进行动态设计、故障诊断的主要依据之一。本文对球磨机所受连续分布载荷进行分析简化，推导出载荷与传递函数、响应之间关系表达式。由锤击法测取Φ４００×４００球磨机对应点的传递函数，经转换得球磨机的载荷谱，得到了球磨机动载荷在频域中的能量分布情况。本文对连续分布载荷作用下的载荷谱的识别作了有益的探讨。对球磨机动载荷的研究与测试得出了一些有工程价值的结论。     

多变量三维风场的简化及应用

三维空间风场在三个方向上相关性很小,可认为各个方向是相互独立的。对于输电线路的影响而言顺风向脉动作用是主要的,远大于其它两个方向,可简化为一维风场计算。以小波为分析工具,实现由风载荷功率谱到风速一时间历程的转变,并对模拟结果进行了比较。研究结果表明：小波分析在风载荷模拟中可靠性较高,可为输电线路风响应的进一步研究提供参考。     

啮入冲击对直齿轮弹流润滑的影响

考虑齿轮啮入冲击载荷,曲率半径、卷吸速度沿啮合线随时间的变化以及温度场的影响,用非牛顿流体的Ree-Erying润滑模型,利用多重网格法模拟了轮齿从啮入到啮出整个时间历程中油膜压力、膜厚和温度分布的变化,对比分析了啮入冲击载荷与平稳载荷对渐开线直齿轮时变非牛顿热弹流润滑结果的影响.数值结果表明,啮入冲击载荷只对啮入初始阶段的油膜压力、膜厚、温度有很大影响,最小膜厚和最大压力都发生在冲击载荷的最大峰值载荷时刻,所以齿轮的啮入冲击对齿轮保持良好的润滑状态是不利的.     

渐开线直齿轮牛顿流体非稳态热弹流润滑分析

齿轮的非稳态弹流润滑问题由于啮合过程中滑滚比、曲率半径、卷吸速度和载荷变化范围较大,因此数值计算稳定性很差。而考虑热效应的齿轮非稳态弹流润滑问题,数值计算就更困难。本文应用多重网格技术,求得了齿轮牛顿流体润滑情况下,非稳态热弹流润滑问题的完全数值解。     

Slip-based experimental studies of a vehicle interacting with natural snowy terrain

As longitudinal slip affects vehicle–pavement interactions on roads and hard surfaces, so too does it play an important role in interactions between vehicles and soft terrains, including snow. Although many slip-based models have been developed recently for tire–snow interactions (e.g., [1] and references cited therein), these models have only been partially validated, due to a lack of relevant experimental data. This paper presents comprehensive data from tests that were performed using a newly-developed test vehicle traversing natural snowy terrain, over a wide range of values for longitudinal slip, vertical load and torque via an effective accelerate/brake maneuver. Drawbar pull, motion resistance, wheel states and tire stiffness were presented as a function of slip; tire sinkage was obtained using a laser profilometer; strength and depth of snow were found using a snow micropenetrometer. The effects of the rear tire going over snow compacted by the front tire were also studied. The maximum traction force normalized by the vertical load is found to be ≈0.47, maximum motion resistance normalized by the vertical load is ≈0.4. Comparison of the trend and order-of-magnitude of test results with those from existing slip-based numerical model [1] shows good comparison in motion resistance, tire sinkage, and longitudinal stiffness, but indicates that a better traction model is needed to improve the comparison.     

Bifurcation and chaos analysis of multistage planetary gear train

A nonlinear time-varying dynamic model for a multistage planetary gear train, considering time-varying meshing stiffness, nonlinear error excitation, and piece-wise backlash nonlinearities, is formulated. Varying dynamic motions are obtained by solving the dimensionless equations of motion in general coordinates by using the varying-step Gill numerical integration method. The influences of damping coefficient, excitation frequency, and backlash on bifurcation and chaos properties of the system are analyzed through dynamic bifurcation diagram, time history, phase trajectory, Poincaré map, and power spectrum. It shows that the multi-stage planetary gear train system has various inner nonlinear dynamic behaviors because of the coupling of gear backlash and time-varying meshing stiffness. As the damping coefficient increases, the dynamic behavior of the system transits to an increasingly stable periodic motion, which demonstrates that a higher damping coefficient can suppress a nonperiodic motion and thereby improve its dynamic response. The motion state of the system changes into chaos in different ways of period doubling bifurcation, and Hopf bifurcation.     

基于载荷分担理论的渐开线斜齿轮热混合弹流润滑分析

沿接触线把斜齿轮分成许多小薄片,每一薄片看成具有当量角速度的直齿轮,根据欧拉方程得到任一接触点处的曲率半径和表面速度.然后基于载荷分担、弹流润滑和粗糙线接触理论,建立了考虑表面粗糙度的斜齿轮传动混合热弹流润滑模型.研究了斜齿轮传动稳态载荷分布下牛顿流体和Carreau流体时的润滑特性.结果表明:牛顿流体和Carreau非牛顿流体模型下,中心油膜厚度、油膜承载比例、油膜温升随时间和接触线的变化规律相同.牛顿流体下的摩擦系数较工程实际偏大.Carreau非牛顿流体模型下摩擦系数和工程实际相符,其随接触线啮合位置的变化规律与油膜厚度正好相反.     

An Inertial Reference Frame Method for the Simulation of the Effect of Longitudinal Force to the Dynamics of Railway Wheelsets

In the current practice of wagon dynamics simulation, traction and braking forces are seldom considered although such forces modify the wheel-rail contact parameters and hence the wheelset dynamics. On the other hand, whilst the traction and braking forces are considered in the simulation of train and locomotive systems, their lateral dynamics is predominantly disregarded. Therefore, there exists a gap in the knowledge of the effect of the application of the longitudinal forces to the lateral dynamics of wagons; this paper aims at bridging this gap. An inertia reference frame method available in the literature has been extended for the purpose. This paper reports the formulation and presents numerical examples of a single wheelset contained within a bogie frame subjected to longitudinal forces of varying severity. The results have been validated where possible.     

高速列车轴承可靠性评估关键力学参量研究进展

轴承是高速列车牵引传动和轮轴系统的关键零部件. 受列车运行过程中电机转矩、齿轮啮合以及轮轨随机激励的影响,轴承可能发生疲劳破坏, 严重影响高速列车的行车安全.我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求,而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节.可靠性评估方面的相关研究在解决轴承可靠性研究的瓶颈问题中起到了承上启下的关键作用.高速列车轴承可靠性评估手段与技术旨在获得使用环境中轴承可靠性评估的关键力学参量,并以此推动复杂激励下轴承疲劳可靠性理论研究. 因此,需要哪些关键力学参量并且在复杂的实际使用环境下如何去获取这些力学参量是进行高速列车轴承可靠性评估的关键所在.本文首先概述了高速列车轴承所处的复杂使用环境及运用中的主要失效模式,并据此分析了高速列车轴承可靠性评估所需的关键力学参量,强调了轴承内部滚滑行为和载荷分布在可靠性评估和轴承状态监测中的重要作用,之后从计算模型和测试技术等方面系统阐述了针对这两个关键力学参量的研究进展.最后提出了在高速列车轴承可靠性评估关键力学参量特征及测试技术研究中值得关注的若干问题.      

The problems of multi-axle vehicle drives

The multi-axle drive provides for maximum traction of the vehicle. However, this mode of driving, apart from the complicated design of the driving mechanism, is connected with major problems due to the so-called kinematic discrepancy encountered by a vehicle under operation. In certain conditions, the kinematic discrepancy results in the phenomenon of so-called circulating power which causes, first of all, additional loading on the drive system, then increased energy loss and tyre wear and, in the case of an articulated frame-steer vehicle, the substantial growth of steering resistance.The paper reviews some examples of results of the studies on wheel slips, load on the drive system, and on the 4-wheel-drive articulated frame-steer vehicle's steering gear. The author also discusses a new concept for determining kinematic discrepancy. The suggested equations, when applying the present mathematical models which express the dependence of a tyre's slip rate on longitudinal forces, permit to solve the statically undeterminable problem concerning the distribution of the wheel's longitudinal forces in any multi-axle vehicle.     

基于美国ASME标准的重载货车车体焊缝疲劳寿命预测

为寻求在设计阶段能较准确地预测重载货车车体焊缝的疲劳寿命评估方法,基于各种标准提供的分析方法对转炉616装甲钢T型焊接接头进行疲劳评估,通过与试验的对比表明,美国ASME标准中的等效结构应力法更能准确预测焊缝的疲劳寿命。为提高某重载运煤敞车车体焊缝的疲劳寿命,建立了包括焊缝在内的敞车车体有限元模型,基于等效结构应力法和AAR标准中的载荷谱,预测了车体关键焊缝的疲劳寿命,其薄弱部位与车体实际发生疲劳裂纹部位基本吻合,依据焊缝的结构应力分布规律的特点,提出的枕梁改进结构可使车体关键焊缝疲劳寿命提高1.7倍。     

高速移动荷载下黏弹性半空间体的动力响应

分别以移动荷载和黏弹性半空间体模拟运动列车荷载和地基,分析了地基在运动列车作用下的动力响应.首先采用Green函数法求解黏弹性半空间体在各种移动荷载模式作用下的动力响应的解析解,包括恒常和简谐移动点源、线源和面源荷载.然后采用IFFT算法和自适应数值积分算法计算解析解中的二维积分,得到了包括低音速、跨音速和超音速移动荷载作用下位移的数值结果.最后分析了速度对位移的分布和最大值的影响,发现当速度大于Rayleigh波速时,位移发生显著变化.