基于优化多核极限学习机的车轮多边形磨耗识别

多边形车轮是铁路机车车辆中普遍存在的一种磨损现象, 随着列车运营里程的增加, 车轮磨耗程度显著提升, 严重影响着列车乘坐舒适性和运营安全性, 借助于列车运营监测大数据开展多边形车轮动态检测方法研究具有重要意义. 本研究基于列车轴箱垂向加速度建立了多边形车轮定量识别模型, 首先通过阶次分析识别出轴箱加速度中包含的多边形车轮主要阶次, 同时获取各阶次对应的加速度幅值信息, 在此基础上引入加速度信号熵特征共同构建多边形车轮磨耗幅值识别特征矩阵, 然后建立遗传变异粒子群优化多核极限学习机 (GMPSO-MKELM) 识别模型, 通过特征矩阵与磨耗幅值的映射关系, 进一步实现了车轮多边形磨耗幅值识别. 通过仿真与现场实测数据研究结果表明, 所提出的识别模型能有效地从轴箱加速度中提取多边形车轮主要阶次, 磨耗幅值的识别精度均优于对比模型且具有较高的检测效率, 可实现均方根误差为0.0010 (仿真结果) 与0.0134 (试验结果) 的精确识别, 本文提出的多边形车轮磨耗识别模型可为列车车轮检测与智能维护提供理论基础.      

车轮多边形激励下高速列车制动界面摩擦学行为分析

高速列车车轮多边形磨耗是一种沿车轮周向的不均匀磨耗,是列车服役过程中常见的车轮失效现象,其产生的剧烈轮轨激励严重威胁车辆系统服役可靠性.制动系统作为保障高速列车服役安全的核心部件,其界面摩擦学行为直接受到轮轨激励的影响.为探究车轮多边形激励下的制动界面摩擦学行为,建立了刚柔耦合车辆动力学模型和制动系统热机耦合有限元模型,并分别通过线路试验和台架试验验证了模型的正确性.然后,提出一种考虑车轮多边形激励的制动界面摩擦学行为分析方法,能够真实地反映服役过程中制动界面摩擦学行为.基于此,研究了不同车辆运行速度下车轮多边形激励对制动系统动态接触、温度以及振动特性的影响规律.结果表明：车轮多边形磨耗导致系统接触面积、摩擦热、接触应力和振动等摩擦学行为更为复杂且剧烈.此外,系统接触面积标准差和振动加速度均方根值随速度的增加而增大.因此,车轮多边形磨耗对制动界面摩擦学行为具有不可忽略的影响.该研究成果可为制动系统界面摩擦学行为研究及结构优化设计提供有效方法与工程指导.     

Interaction of subway LIM vehicle with ballasted track in polygonal wheel wear development

This paper develops a coupled dynamics model for a linear induction motor (LIM) vehicle and a subway track to investigate the influence of polygonal wheels of the vehicle on the dynamic behavior of the system. In the model, the vehicle is modeled as a multi-body system with 35 degrees of freedom. A Timoshenko beam is used to model the rails which are discretely supported by sleepers. The sleepers are modeled as rigid bodies with their vertical, lateral, and rolling motions being considered. In order to simulate the vehicle running along the track, a moving sleeper support model is introduced to simulate the excitation by the discrete sleeper supporters, in which the sleepers are assumed to move backward at a constant speed that is the same as the train speed. The Hertzian contact theory and the Shen- Hedrick-Elkins’ model are utilized to deal with the normal dynamic forces and the tangential forces between wheels and rails, respectively. In order to better characterize the linear metro system (LMS), Euler beam theory based on modal superposition method is used to model LIM and RP. The vertical electric magnetic force and the lateral restoring force between the LIM and RP are also taken into consideration. The former has gap-varying nonlinear characteristics, whilst the latter is considered as a constant restoring force of 1 kN. The numerical analysis considers the effect of the excitation due to polygonal wheels on the dynamic behavior of the system at different wear stages, in which the used data regarding the polygonal wear on the wheel tread are directly measured at the subway site.     

钢轨横向不均匀支撑刚度对钢轨波磨的影响

建立了钢轨波浪形磨损计算模型,模型中考虑车辆轨道垂向横向耦合动力学行为、轮轨三 维滚动接触力学行为和轮轨材料摩擦磨损的循环相互作用关系. 发展了相应的计算程序,并 用1: 1试验装置验证了理论模型. 详细分析了实际线路上由轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度和不同行车速度对曲线钢轨接触表面不均匀磨损的影响. 通过数值分析可知： (1)列车通过曲线钢轨时,轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度易引发曲线钢轨波磨的形 成和发展;(2)这类钢轨波磨具有与轨枕间距几乎相等的波长和28~35mm的短波长,这个短波长不均匀磨损主要是由轮轨高频接触振动引起;(3)同一个转向 架4个车轮作用下形成的钢轨波磨最大深度波谷的分布是不同的;(4) 改变过车速度不能有效地抑制轨枕离散支撑导致的钢轨波磨形成和发展速度.     

Interface damage and its effect on vibrations of slab track under temperature and vehicle dynamic loads

This paper presents a three-dimensional finite element model to investigate the interface damage occurred between prefabricated slab and CA (cement asphalt) mortar layer in the China Railway Track System (CRTS-II) slab track system. In the finite element model, a cohesive zone model with a non-linear constitutive law is introduced and utilized to model the damage, cracking and delamination at the interface. Combining with the temperature field database obtained from the three-dimensional transient heat transfer analysis, the interface damage evolution as a result of temperature change is analyzed. A three-dimensional coupled dynamic model of a vehicle and the slab track is then established to calculate the varying rail-supporting forces which are utilized as the inputs to the finite element model. The non-linearities of the wheel–rail contact geometry, the wheel–rail normal contact force and the wheel–rail tangential creep force are taken into account in the model. Setting the maximum interface damaged state calculated under temperature change as the initial condition, the interface damage evolution and its influence on the dynamic response of the slab track are investigated under the joint action of the temperature change and vehicle dynamic load. The analysis indicates that the proposed model is capable of predicting the initiation and propagation of cracks at the interface. The prefabricated slab presents lateral warping, resulting in severe interface damage on both the sides of the slab track along the longitudinal direction during temperature drop process, while the interface damage level does not change significantly under vehicle dynamic loads. The interface damage has great effects on the dynamic responses of the slab track.     

柔性轮对的离散时间传递矩阵法建模及垂向振动

针对铁道车辆轮对系统的弹性振动及台架高频激振试验仿真问题, 以离散时间传递矩阵法建立了柔性轮对振动模型. 基于Newmark-β隐式法积分格式推导了分布质量弹性轮轴、集总质量车轮及弹簧-阻尼单元的离散时间传递矩阵, 采用Riccati法、Newmark-β法实现轮对系统垂向振动加速度以及速度、位移的求解, 将轮对模型与采用新型显式积分法求解的构架、轨道轮组动力学模型集成, 完成机车车辆单轴滚振试验台的动力学建模, 提出了混合积分模式下动态仿真求解流程. 基于滚振试验台, 开展了轨道轮初始表面粗糙度、打磨多边形及局部凹陷状态下300 ~ 400 km/h高速运行试验, 同步开展了相应的动力学仿真, 通过在时域-频域对测试和计算结果的比较, 检验了理论模型. 结果表明, 在振动加速度的时域-频域特性和幅值分布上, 单轮对柔体模型总体能够较好反映500 Hz频率下系统的中高频振动规律, 有效捕捉车轮不圆、多边形磨耗、局部凹陷等动态激扰, 三种轨面状态下计算的轴箱加速度幅值误差总体低于9%, 模型具有较好的适应性和准确性. 但相关建模方法如何在复杂空间结构中应用需要进一步探索.      

铁路轮轨冲击振动模拟与试验

对铁路工程领域普遍存在的轮冲击振动现象进行了理论与试验研究。将车辆模拟为移动的多刚体振动系统,将轨道描述成离散点支承连续梁结构,应用快速数值 发方法编制了ＶＩＣＴ模拟软件,实现了轮轨冲击振动的快速数值模拟。     

Hopf bifurcation analysis of railway bogie

The railway bogie, the most important running component, has direct association with the dynamic performance of the whole vehicle system. The bifurcation type of the bogie that is affected by vehicle parameters will decide the behavior of the vehicle hunting stability. This paper mainly analyzes the effect of the yaw damper and wheel tread shape on the stability and bifurcation type of the railway bogie. The center manifold theorem is adopted to reduce the dimension of the bogie dynamical model, and the symbolic expression for determining the bifurcation type at the critical speed is obtained by the method of normal form. As a result, the influence of yaw damper on the bifurcation type of the bogie is given qualitatively in contrast to typical wheel profiles with high and low wheel tread effective conicities. Besides, the discriminant of bifurcation type for the wheel tread parameter variation is given which depicts the variation tendency of dynamics characteristics. Finally, numerical analysis is given to exhibit corresponding bifurcation diagrams.     

轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响. 钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态. 推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式. 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力. 采用移动轨下支承模型的车辆/轨道耦合系统激振模式,考虑轨枕离散支承对系统动力响应的影响. 通过新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,由数值分析计算得到不同轨下支承失效状态下直线轨道的动态响应. 结果表明,轨下支承失效对直线轨道变形及加速度有显著的影响,随着失效轨下支承个数的增加,轮轨相互作用力和轨道部件的位移、加速度将会急剧增大,将加速失效区段线路状况的恶化.      

Influence of soil deformation on off-road heavy vehicle suspension vibration

Analyses of the dynamic behaviour of a heavy vehicle during off-road operation are conducted under steady state condition. Three different numerical quarter-vehicle models (single point contact model, rigid wheel contact model and deformable wheel contact model) are introduced, and the simulation results are compared in order to find the most appropriate vehicle model. During the longitudinal travel of the vehicle, arbitrary ground profile is an input of vertical excitation to the vehicle. When ground deformation is included in the numerical model, the deformation filters the vertical excitation to the vehicle while the level of excitation varies depending on the soil deformability. Bekker's non-linear pressure/sinkage relationship is applied in modelling the ground behaviour. The simulations are conducted in the time domain and various surface roughness and ground deformability are applied in the ground/vehicle interaction during a parameter study. The ground deformation under the wheel acts like a non-linear spring during the vehicle movement and influences the vehicle vibration. If a vehicle mainly operates on off-road condition with high ground deformability lower value of damping is required in order to minimise the vertical body acceleration.     

低温环境下列车车轮材料磨损与损伤演变行为研究

利用低温环境装置和轮轨模拟试验机开展了室温(约20℃)与-40℃温度下列车车轮材料的滚动磨损试验,研究了-40℃下车轮材料磨损和表面与剖面损伤随循环次数的演变规律.结果表明：温度的降低对车轮材料磨损和损伤机制有明显影响.与室温相比,-40℃时车轮材料疲劳磨损明显减轻,磨损率下降.-40℃工况下车轮材料磨损与损伤的形成具有明显演变特征.在磨损初期,轮轨界面发生材料转移并在轮轨界面形成稳定的摩擦膜;摩擦膜的存在降低了车轮材料磨损率.随循环次数增加,由于低磨损率,车轮表层材料在滚动载荷作用下持续累积塑性变形.在磨损后期,累积了高塑性变形的车轮材料将促进裂纹萌生.因此在车轮试样亚表层萌生大量裂纹,亚表层裂纹相互汇合,从而加速疲劳裂纹扩展.     

基于数据驱动的全线控底盘纵臂式悬架系统研究

汽车在越野类极限路况下行驶,对车身高度有一定范围的调节需求,传统悬架方案与全线控底盘进行技术融合时,存在机构运动干涉、底盘升降过程中车轮外倾程度过大、车轮发生侧向位移等现象,易导致轮胎过度磨损,致使行驶失稳.将车身高度变化对轮胎侧向参数的影响转化为车轮纵向滚动,进而实现稳定的大行程车身高度调节,是解决上述问题的关键.本研究建立整车七自由度动力学模型,对悬架系统导向机构展开力学分析,集两者作为系统研究的输入信息;通过正弦波激振台对弹性元件、减振器进行相关特性参数获取,基于数据驱动开展一体化电动轮的运动学仿真测试,包括对悬架系统关键铰接位置进行力学性能分析、对电动轮整体结构进行运动学特性研究,以此定义系统关键性能指标,结合理论研究与仿真测试,确定双纵臂式主动悬架系统方案.仿真结果与实车验证综合表明,搭载本研究系统方案的全线控平台,进行大行程高度调节过程中,车轮外倾问题得到有效解决,一体化电动轮具备良好的独立运行能力,本研究对提高车辆在极限路况下的通过性具有重要意义.     

不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较

以工程实例为研究对象,建立了整车-整桥系统耦合振动数值分析模型。考虑车轮的跳轨和挤密情况,建立了单边弹簧-阻尼系统弹性轮轨接触模型。采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了两种轮轨接触时动车组列车以不同车速通过大跨度连续桥梁的耦合振动响应。数值计算结果表明:两种轮轨接触模型的桥梁动力响应比较接近;列车的横向轮轨力、轮重减载率和脱轨系数相差较大,当速度为350km/h时,横向轮轨力增大了46.5%,轮重减载率增大了130.8%,脱轨系数增大了24.66%;用单边-弹簧阻尼系统弹性轮轨接触模型更符合实际。     

基于SQPSO优化DELM的踏面磨耗测量模型

针对难以建立轮轨磨耗的单一模型和无法对各种工况下车轮踏面磨耗进行定量计算的问题,提出一种基于SQPSO优化DELM的踏面磨耗测量方法(SQPSO-DELM). 首先将衍生特性引入到极限学习机中,提出一种衍生极限学习机模型(DELM). 然后引入序列二次规划(SQP)方法和量子粒子群优化(QPSO)算法,对DELM的参数进行优化. 通过SQPSO-DELM预测模型,对车辆动力学模型模拟不同试验参数下的车轮踏面最大磨耗量以及对现场列车踏面磨耗程度的实际测量值进行训练和预测. 结果表明:SQPSO-DELM预测模型的性能参数指标均优于LSSVM、ELM、PSO-ELM和QPSO-ELM,能较好地反映不同参数对车轮踏面磨耗值的影响规律.      

铁路车辆/轨道耦合系统在竖向冲击载荷作用下动态响应的计算机模拟研究

车辆与轨道的动态相互作用,是铁路轮轨接触式运输系统中最基本的问题之一,它直接制约着铁路运营速度的提高和运载重量的增加,也影响着铁路安全运行。本文采用有限元方法,对我国C61型运煤货车,按照车辆/轨道系统的实际几何形状、材料性质和边界条件建立了包括车辆和轨道系统的有限元模型,应用大型非线性动力分析程序LS-DYNA3D来模拟车辆通过轨道错牙接头时的轮/轨动态响应过程。计算结果表明车轮和轨道之间的竖向动态接触力大约是静轮载的2倍,与已有的现场试验结果基本吻合。因此应用有限元方法研究车辆/轨道耦合系统是可行和可靠的。     

基于高频轮轨作用的波浪型磨损研究

对高频轮轨相互作用下轨道的波浪形磨损问题进行了考察。通过引入轮轨的灵敏度，得到了轮轨间蠕滑力的波动同轨道表面不平顺幅值和表面曲率的波动关系；通过引入摩擦功计算了轨道表面的磨损，得到了磨损率的计算公式。结果表明，钢轨的磨损率同轨道的垂向动力行为密切相关；轨道表面不同点在不同激振频率下的磨损率不同。     

基于有限元的高速列车车轮多边形磨耗成因分析

研究了中国高速列车车轮多边形磨耗的形成原因,考虑轮对的旋转惯量,建立了高速列车轮对-轨道-盘式制动系统有限元模型. 基于轮轨系统摩擦自激振动的理论,采用有限元复特征值分析法研究了高速列车制动时轮对-轨道-盘式制动系统的稳定性. 研究了饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动系统摩擦力耦合作用对车轮多边形磨耗的影响,并调查了轮轨-轨道-盘式制动系统的参数敏感性. 数值模拟结果表明:在饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动器摩擦力耦合作用下,轮轨系统的摩擦自激振动导致高速列车车轮多边形磨耗的产生,其导致的21~22阶和23~24阶车轮多边形磨耗占主导地位,这与中国高速列车高阶车轮多边形磨耗最为符合. 饱和的轮轨蠕滑力主要影响较低阶车轮多边形磨耗,盘式制动器摩擦力主要影响较高阶车轮多边形磨耗. 制动压力为13 kN时,车轮多边形磨耗形成的几率最小,发展速度最慢. 过高或者过低的垂向悬挂力均不利于抑制车轮多边形磨耗. 垂向悬挂力为75 kN时,车轮多边形磨耗形成的可能性最小,发展速度最慢.      

基于轮轨蠕滑机理的货车车轮磨耗寿命预测

为对货车车轮磨耗寿命进行预测,在SIMPACK中建立车辆-轨道多体动力学模型,基于轮轨半赫兹接触理论和Zobory车轮磨耗模型编制车轮磨耗数值仿真程序.对C80型货车等在环形线和大秦线上运行时的车轮磨耗行为进行仿真,并根据实测结果和仿真结果对Zobory车轮磨耗模型进行修正,最后利用修正后的Zobory模型对C80型货车在国内某重载线路上运行时的车轮磨耗寿命进行预测.结果表明:车辆在环形线和大秦线上运行时,仿真得到的车轮磨耗分布范围以及圆周磨耗深度和轮缘厚度随运行里程的变化趋势均与现场实测结果较为接近,但车轮圆周磨耗率分别为实测结果的1.394 ～1.842倍和2.172 ～3.658倍,主要原因是仿真中采用了轮轨半赫兹接触理论,考虑了弹性剪切变形对滑动速度的影响,并且国内货车采用的CL60钢的硬度大于国外BSll钢的硬度;C80型货车在国内某重载线路上运行时,利用修正后的Zobory模型仿真得到的车轮段修磨耗寿命为39×105 km,运用磨耗寿命为65×105 km,与现场统计结果较为吻合.     

凸轮机构系统磨损及可靠性寿命的数值仿真

基于离散数学理论和计算机技术提出了平底从动件凸轮机构系统磨损及可靠性寿命的数值仿真模型，引入了位置矢量和磨损步长的概念，使连续的磨损过程离散化，对凸轮的磨损寿命及其可靠度进行了预测，并对从动件的运动规律进行了动态跟踪．结果表明，复杂的磨损过程可用数值法进行模拟仿真，从而摆脱了传统的仅依赖实验的相关研究方法，通过一系列离散性准静态模型解决了经典微积分数学方法无法解决的动态和非线性磨损问题．所建立的方法具有良好的工程应用前景．     

车-桥-线竖平面振动及其能量转化机制精细建模

建立了考虑车-桥(线)纵向振动及其能量相互转化机制的竖平面内精细耦合运动方程.将车-桥(线)视为一个整体系统,车辆各剐体的纵向运动均作为独立的自由度,考虑到车-桥(线)纵向振动及其能量相互转化机制,车辆驱动或制动作用采用轮轨间的纵向相互作用力和轮对作用力矩模拟,桥梁、线路结构采用梁单元离散,线路与桥梁之间的钢轨基础采用竖向和纵向的均布弹簧阻尼连接,建立了竖平面内精细耦合运动方程,它可合理模拟车桥(线)间能量相互转化的过程.简支梁桥算例表明:车辆在桥上无驱动或制动运行过程中,不考虑轨道结构时车速先增加后减小,而考虑轨道结构时车速只有减小的趋势,轮对还发生了高频的纵向振动,且车体和轮对的纵向振动对轨道竖向不平顺较为敏感;此外,考虑轮轨滚动碾压作用和能量转化机制时,钢轨加速度响应略偏大.本文研究可为实际车辆动态变速运行的模拟和更精细空间耦合模型的建立提供研究基础.