车轨系统随机响应周期性拟稳态分析

提出用于三维车轨耦合系统随机动力响应高效求解的周期性拟稳态分析方法. 车辆采用三维刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模. 假定轨枕间距均匀,则列车在轨道上行驶过程中,车轨耦合系统动力学方程具有典型周期时变特征. 应用虚拟激励方法将轨道随机不平顺转化为虚拟简谐不平顺,在状态空间下运用周期系数微分方程的性质和Schur分解技巧将上述问题的求解转化为周期性拟稳态响应分析,只需通过求解系数矩阵为上三角的线性方程组即可代替以往时变系统虚拟响应求解过程中的逐步积分过程,计算效率获得较大提高. 采用该方法进行了三维车轨耦合系统的随机动力响应分析,并进行了不平顺随机载荷在车体、转向架、轮对和轨道等部件中传递机理分析,获得了一些有价值结论.      

单轨火箭橇靴-轨冲击响应传递特性研究

单轨火箭橇靴-轨的冲击响应是影响其运动过程中系统稳定性的主要问题。本文以单轨火箭橇为研究对象,采用有限元结构动力学仿真分析方法建立了非线性火箭橇-轨道耦合动力学模型;对比分析了理想平直轨和不平顺轨两种轨道模型条件下滑靴、卡环、发动机的振动量变化,并进行了火箭橇的试验验证和数据对比。结果表明:不平顺轨道对火箭橇靴-轨冲击响应振动加速度均方根值的影响大于理想平直轨道,滑靴处二者最大偏差为3～5倍,且随机振动特性显著;最大速度时刻的靴-轨冲击预测结果与实测值在侧向和竖向振动趋势上具有很好的一致性。研究结果为火箭橇结构优化设计及稳定性分析提供了理论依据和技术保障。     

吊车压轨器强度的实验测试

宽厚板厂房的行车轨道在行车运行时承受来自行车水平导向轮的水平推力，该水平推力可能导致压轨器破坏，为确保压轨器的安全设计，采用平面光弹性、三维光弹性进行实验测试，分析在最不利工况下，各种压轨器所承担的水平推力份额，压轨器的变形和应力分布，给出强度分析评估，确定系统中各个压轨器以及固定螺栓的关键部位的应力水平。     

小半径曲线科隆蛋扣件地段钢轨波磨特性

为研究小半径曲线科隆蛋扣件轨道的波磨演化特征,首先通过分析钢轨波磨实测数据,获得了波磨的典型通过频率;然后运用车辆-轨道空间耦合模型和基于摩擦功理论的钢轨材料摩擦磨损模型,对曲线段钢轨波磨特性进行了分析。结果表明:导向轮可承载的外侧蠕滑力几乎全程达到饱和,内侧蠕滑力部分达到饱和,且饱和部分呈周期性出现;当蠕滑力等于饱和蠕滑力时,磨耗深度最大,并且内轨的磨耗深度幅值大于外轨。结合钢轨磨耗预测型面可知,外轨主要发生侧磨,内轨则趋向发生波磨,从而出现内轨波磨严重而外轨波磨轻微这一现象。磨耗频域特性分析表明,内轨磨耗等级含有与实测波磨通过频率相近的特征频率,且这些频率处的磨耗增长率较大,说明对应频率的磨耗将不断发展,最终形成波磨。     

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.      

基于北斗导航卫星信号的低轨卫星自主定轨（英文）

利用北斗卫星导航信号对低轨卫星自主定轨进行了研究。首先对卫星轨道动力学方程进行了推导,建立一个考虑地球J2摄动下的卫星动力学模型,并利用4阶龙格-库塔数值积分法进行轨道传播。选用北斗卫星导航信号的伪距和伪距率作为定轨的测量方程。然后,对北斗卫星可见星的个数进行了分析。最后,采用SRUKF算法对低轨CHAMP卫星轨道状态进行估计,并通过STK8.1生成仿真数据对SRUKF、UKF和EKF算法的跟踪性能进行对比分析。仿真结果表明,在跟踪过程中最少能接收到18颗北斗卫星信号,能够满足定轨要求。在相同条件下,SRUKF算法的跟踪精度优于UKF、EKF算法,SRUKF算法能减少89%的位置误差和90%的速度误差。     

列车运行下环形轨道模型振动试验分析

搭建了环形轨道振动试验平台,开展环形轨道振动试验、轨面不平顺振动试验研究。采用INV3062T信号采集仪和INV-9828加速度传感器分别对轨道的横向响应(道床)、纵向响应(轨腰)、轨道表面和扣件支撑处进行加速度信号采集。通过凸起模拟了轨道不平顺,试验分析了轨面不平顺对钢轨动态响应的影响。分析了速度对横波、纵波和轨面不平顺的影响。结果表明:轨道横向振动幅值远大于纵向振动;相邻扣件中点处的振动响应大于扣件处;轨面不平顺会使振动响应增大甚至引起跳动;随着速度的增大,轨道振动位移响应呈上升趋势。     

不确定车轨耦合系统辛随机振动分析

建立了轨道不平顺作用下具有不确定参数车轨耦合系统随机振动评估方法. 车辆系统采用物理坐标下多刚体系统模型,并应用高斯随机变量模拟车体、转向架和轮对一系、二系连接系统中动力学参数具有的不确定性. 采用无穷周期结构进行弹性轨道模拟,在哈密顿状态空间下建立了典型轨道子结构的状态运动方程,通过轮轨耦合关系建立了混合 物理坐标及辛模态坐标车轨耦合系统运动方程. 应用Hermite正交多项式展开得到了耦合系统动力响应相对于不确定性参数的控制方程. 由于利用轨道周期特性建模,所获得的控制方程有效地降低了方程维度. 轮轨接触处轨道不平顺载荷模拟为完全相干多分量平稳随机过程,推广和发展虚拟激励法建立了耦合系统随机振动受不确定动力学 参数影响的量化评估方法. 通过Monte Carlo数值模拟,验证了该方法在不确定参数变异很大时也能够保持较好的精度,具有一定的工程实用性.     

混沌振动压实动力学的仿真研究——（Ⅰ）混沌识别

本文提出了四自由度混沌振动压路机“机架-振动轮-土”系统的力学模型;建立了其数学模型;对数学模型进行了数值仿真;根据振动轮的运动,利用混沌识别的定性方法(相轨图、功率谱图和Poincare图)与定量方法(最大Lyapunov指数),对系统的混沌特征进行了识别．结果表明：系统的运动是混沌的．     

基于吸气式电推进的超低轨飞行系统分析

超低地球轨道(超低轨, VLEO)飞行器对于高质量通讯、地球与空间科学观测具有重要意义.为了克服超低轨区域的高层大气阻力,使飞行器长期在轨飞行,吸气式电推进(ABEP)飞行器的概念被提出并被广泛研究.文章首先分析了吸气式电推进飞行器在150 km高度轨道的主要飞行约束,包括归一化的工质平衡和能量平衡,并提出了影响飞行器超低轨维持的主要因素.为了使有效载荷飞行器长期维持在150 km附近超低轨高度并保持一定的载荷有效覆盖率,提出了两种超低轨飞行系统方案,包括基于无线能量传输技术构建的飞行系统和近地点150 km椭圆轨道飞行系统.计算了相应的轨道高度限制并考虑有效载荷地面覆盖率给出了星座构建方案,评估了上述两种方案的可行性与综合效果.两种方案中,有效载荷均可以在150 km附近的轨道高度内长期维持地面覆盖率,可以为超低轨长期稳定的通讯网络构建、对地观测和相关科学实验提供条件.     

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.     

钢轨短波长波浪形磨损的安定性分析

针对轮-轨滚动接触的短波长波浪形磨损现象,采用有限元法分析了三维实体模型的接触状态,通过计算分析了高频力作用下接触表面的塑性变形过程.结果表明:在一定的运动条件下,由于重复滚压作用,接触表面发生硬化并达到安定极限状态,生成有规律的短波长变形;钢轨表面塑性变形受枕木间距的影响;就具有随动硬化特性的钢轨材料而言,当摩擦系数μ<0.3时,屈服现象发生在材料表层下方;随着摩擦系数的增大,接触表面的切向力增大,安定极限的临界接触压力Po降低,屈服点移向接触表面,材料失效加快.     

Thermal stresses and shakedown in wheel/rail contact

Summary  Sliding friction between railway wheels and rails results in considerable contact temperatures and gives rise to severe thermal stresses at the surfaces of the wheels and rails. An approximate analytical solution is presented for a line contact model. The increased bulk temperature of the wheel after a long period of constant operating conditions is also taken into account. The thermal stresses have to be superimposed on the mechanical contact stresses. They reduce the elastic limit of the wheel and rail, and yielding begins at lower mechanical loads. When residual stresses build up during the initial cycles of plastic deformation, the structure can carry higher loads with a purely elastic response in subsequent load cycles. This phenomenon is referred to as shakedown. Due to the distribution of temperature, the rail surface is generally subjected to higher stresses than the wheel surface. This can cause structural changes in the rail material and hence rail damage. Received 7 May 2002; accepted for publication 3 September 2002     

轮轨材料硬度匹配性能试验研究

利用滚动磨损试验机研究了车轮钢与U71 Mn热轧钢轨的硬度匹配性能,分析了不同硬度车轮与U71 Mn钢轨匹配时的摩擦磨损与表面损伤行为.结果表明:车轮硬度对轮轨试样滚动摩擦系数基本无影响;随车轮硬度增加,车轮磨损量呈下降趋势,钢轨磨损量表现为线性增加,轮轨总磨损量呈先降低后增加的趋势,轨轮硬度相同时轮轨系统总磨损量达到最小.车轮硬度对车轮和钢轨试样表面损伤形貌有一定影响,车轮硬度低时车轮表面损伤以麻点式剥落损伤为主,随车轮硬度增加试样表面发生大块剥落损伤,对摩副钢轨试样主要表现为表面剥落损伤机制.     

三种钢轨材料与车轮匹配时滚动磨损与损伤行为

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机研究了U71Mn、PD3、PG4三种钢轨与AAR-B车轮材料匹配时的滚动磨损与损伤性能.结果表明:不同钢轨材料的微观组织结构明显不同,钢轨硬度对轮轨滚动摩擦系数基本无影响;随钢轨硬度增加,钢轨磨损率减小,车轮磨损率增大,轮轨系统总磨损率先减小后增大.随试验时间增加,不同钢轨试样的硬化率趋于一致,车轮试样硬化率随钢轨试样硬度的增加而变大,轨轮硬度比随试验时间增加趋于相同.钢轨材料对轮轨试样表面损伤形貌有一定影响,随钢轨硬度增加轮轨表面犁沟现象明显,钢轨试样表面剥落损伤减轻且塑性变形层变薄,出现了明显的疲劳裂纹损伤,钢轨硬度增加导致车轮试样表面剥落加重且塑性变形层变厚;轮轨试样表层出现明显的白层现象,且车轮试样的白层更厚.     

接触应力对轮轨材料滚动摩擦磨损性能影响

利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机研究了接触应力对轮轨材料的滚动摩擦磨损性能影响.结果表明：随接触应力的增加,滚动摩擦系数呈增加趋势,车轮和钢轨试样磨损加剧;相同接触应力水平下,车轮试样磨损量大于钢轨试样,表面损伤严重;随接触应力的增加,车轮试样表面从犁沟且轻微剥落向严重剥落损伤转变,钢轨试样表面损伤主要表现为犁沟效应并伴随有剥落现象,但相比车轮试样的剥离损伤要轻微.     

不同介质对轮轨增黏与磨损特性影响

利用MMS-2A摩擦磨损试验机研究了水介质下砂、氧化铝、研磨子对轮轨增黏与磨损特性影响.结果表明:干态和水介质下随蠕滑率增大黏着系数呈先增加后小幅降低并趋于稳定.水介质下氧化铝介质的增黏效果最好,研磨子最差;砂介质使轮轨磨损严重且塑性流变层最厚,轮轨试样表面剥落严重;氧化铝介质下轮轨磨损量较砂介质小,塑性流变层轻微;研磨子介质下的轮轨试样磨损量最小,磨损表面较为光滑;落叶显著降低黏着系数,且易形成落叶浆,使接触表面产生划痕;落叶工况下撒砂能增加黏着系数且能去除落叶浆,但易造成轮轨试样的剥落损伤.     

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.     

车轮材料特性对轮轨磨损与疲劳性能影响的研究

在MMS-2A滚动摩擦磨损试验机上进行不同材料车轮与U75V热轧钢轨的匹配试验,研究材料特性对轮轨试样磨损与疲劳性能的影响.结果表明:随着车轮碳含量增加,组织中珠光体比例增加,珠光体中渗碳体片层间距减小,硬度增大;随着轮/轨硬度比增大,车轮表层的塑性变形层厚度逐渐减小,对摩副钢轨塑性变形层厚度呈现先增大后减小的趋势;车轮试样磨损形式由小剥离掉块向大剥离掉块转变,钢轨磨损机制由材料表层的轻微剥落向深层剥落磨损转变;提升车轮的硬度,轮轨表面的疲劳裂纹长度减小;且随着车轮硬度的增大,钢轨表面萌生的疲劳裂纹的末端扩展角度有增大的趋势,使钢轨的疲劳裂纹更容易向材料心部扩展.     

机车车轮踏面与钢轨接触的仿真计算及试验研究

应用轮轨型面测量仪测量实际运用中的磨耗后机车车轮,基于标准与磨耗后机车车轮型面,建立轮轨接触三维有限元模型,计算分析不同横移量下的接触斑和等效应力. 搭建轮轨接触试验台,使用取自现场的车轮与钢轨试块进行试验,分析不同横移量下轮轨接触状态. 针对磨耗前后车轮与标准钢轨接触的有限元计算与试验进行对比分析. 结果表明:横移量对轮轨接触状态有着显著的影响,横移量过大会加速机车车轮的磨耗;与标准型面相比,磨耗后车轮型面与标准钢轨接触时的接触斑面积较大,最大等效应力较小;通过轮轨接触试验台所得接触斑形状和大小与仿真计算所得结果一致性较好,证明了有限元仿真计算的可靠性.