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高速车轮失圆对轮轨动力作用的影响及其监测方法研究

作　者: 宋颖
导　师: 杜彦良
学　校: 北京交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车轮失圆轮轨动力作用 ADAMS/Rail PVDF压电传感轮轨力监测
分类号: U211.5
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 414次
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内容摘要

本文基于高速车轮失圆问题对轮轨间动力特性的影响,提出了一种基于PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电传感技术的铁路轮轨力监测方法,为高速列车运行安全监测提供了新思路。围绕高速铁路轮轨力实时监测方法研究所涉及关键技术进行了深入的理论分析和试验研究,在对车辆轨道相互作用模型、铁道车辆动力学仿真技术、铁路车轮失圆和轮轨力检测技术、以及PVDF压电传感技术的应用研究现状与发展趋势进行归纳和总结的基础上,主要进行了以下方面的研究工作：(1)基于车辆轨道垂、横向耦合动力学理论,采用铁道车辆动力学仿真技术,建立了高速车辆轨道系统动力学仿真分析模型。车辆系统采用能够反映列车动力学性能的整车模型,轨道结构视为多层支承体系,仅考虑了钢轨的垂向和横向振动自由度,在保证计算精度的前提下提高了仿真效率；提出了车轮瞬时滚动圆是非圆时轮轨接触几何参数和轮轨作用力的计算方法。(2)系统分析了铁路车轮失圆的特征并对其进行了定义分类,提出了一种新的车轮失圆数学描述,结合所建立的高速车辆轨道耦合系统动力学仿真模型,分析计算了各种常见车轮失圆问题所引起的轮轨动力作用特征及其随列车运行速度的变化规律,给出了高速情形下车轮失圆度的安全限值,从而为识别不同类型的车轮失圆问题引起的轮轨力异常情况提供理论依据。(3)提出了基于PVDF压电传感技术的铁路轮轨力监测新方法。首先,通过有限元分析研究了不同工况下钢轨应力、应变分布规律,并结合车轮不圆度与轮轨动力作用的关系,提出了总体监测方案和轮轨力测量合理的贴片位置；其次,建立了轮轨作用力与PVDF压电传感输出的理论关系模型,提出了轮轨作用力测试原理,讨论了实际应用中压电传感元件粘贴偏差角的存在对输出结果的影响；此外,通过有限元仿真验证和实验研究,对PVDF压电应变传感器和普通电阻应变片的动态特性和抗干扰特性进行了对比分析,验证了本文提出的铁路轮轨力监测原理和测试方法的正确性与可行性。(4)根据铁路轮轨力监测对采集系统的要求,提出了针对压电传感器的振动信号采集与数据分析处理系统方案,进行了系统硬件选型与软件编制。利用MATLAB语言自身的特点弥补了一些现有软件开发时的缺点,实现了数据实时采集、分析、显示与存储以及远程监测和在线诊断的功能,而且该测控软件能够在多种环境中移植,为建立统一的铁路轮轨力测试平台奠定了基础。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-31
  1.1 课题研究的目的意义  13-14
  1.2 课题研究的国内外现状  14-27
    1.2.1 车辆轨道动力学模型的研究现状  14-16
    1.2.2 铁道车辆多体动力学仿真研究现状及发展  16-17
    1.2.3 车轮失圆数值仿真研究现状及发展  17-18
    1.2.4 车轮失圆检测技术研究现状及发展  18-20
    1.2.5 轮轨力检测技术研究现状及发展  20-23
    1.2.6 压电传感技术的研究及应用现状  23-27
  1.3 课题研究的主要内容  27-31
第二章高速铁路车轮失圆动力学仿真分析模型的建立  31-55
  2.1 高速车辆轨道耦合系统动力学模型  31-33
  2.2 高速车辆轨道耦合系统动力学仿真模型  33-46
    2.2.1 车辆结构动力学仿真模型  34-38
    2.2.2 轨道结构动力学仿真模型  38-40
    2.2.3 轮轨动态耦合关系模型  40-46
  2.3 动力学分析计算理论  46-50
    2.3.1 广义坐标的选择  46-47
    2.3.2 动力学方程的建立  47
    2.3.3 初始条件分析  47-48
    2.3.4 动力学方程的求解  48-50
  2.4 动力学仿真参数的设置  50-52
    2.4.1 求解器的比较  51
    2.4.2 积分格式的比较  51-52
    2.4.3 输出步长和相关参数的设置  52
  2.5 本章小结  52-55
第三章高速铁路车轮失圆对轮轨动力作用的影响  55-79
  3.1 车轮失圆的类型及产生机理  55-58
    3.1.1 车轮擦伤  55
    3.1.2 踏面剥离  55-56
    3.1.3 局部不圆顺  56-57
    3.1.4 车轮多边形化  57
    3.1.5 车轮波磨  57-58
  3.2 车轮扁疤对轮轨动力作用的影响分析  58-63
    3.2.1 车轮扁疤激励的数学模型  58-59
    3.2.2 车轮扁疤的冲击机理  59-61
    3.2.3 车轮扁疤作用下轮轨动力作用特征分析  61-63
  3.3 车轮踏面局部不圆顺对轮轨动力作用的影响分析  63-67
    3.3.1 车轮踏面局部不圆顺激励的数学模型  63-65
    3.3.2 不圆顺车轮作用下轮轨动力作用特征分析  65-67
  3.4 车轮多边形磨耗对轮轨动力作用的影响分析  67-76
    3.4.1 车轮多边形磨耗激励的数学模型  67-69
    3.4.2 多边形车轮作用下轮轨动力作用特征分析  69-76
  3.5 本章小结  76-79
第四章基于压电传感的铁路轮轨力实时监测方法研究  79-115
  4.1 监测方法总体方案设计  79-80
  4.2 钢轨受力的有限元分析和传感器的布设原则  80-89
    4.2.1 有碴轨道结构有限元模型的建立与计算分析  80-86
    4.2.2 无碴轨道结构有限元模型的建立与计算分析  86-88
    4.2.3 压电传感器的布设原则  88-89
  4.3 基于PVDF压电传感技术的轮轨力测试原理  89-100
    4.3.1 轮轨之间的作用力  89-91
    4.3.2 轮轨垂向力测试原理  91-93
    4.3.3 轮轨横向力测试原理  93-94
    4.3.4 基于压电传感技术的轮轨力测试公式的推导  94-98
    4.3.5 PVDF压电传感器粘贴偏转角对输出结果的影响  98-100
  4.4 轮轨力测试原理的有限元仿真计算  100-105
    4.4.1 轮轨垂向力测试原理的有限元验证  100-102
    4.4.2 轮轨横向力测试原理的有限元验证  102-105
  4.5 PVDF压电传感动态特性的实验研究  105-111
    4.5.1 动态响应特性  105-108
    4.5.2 频率稳定性  108-109
    4.5.3 抗电磁干扰特性  109
    4.5.4 零漂特性  109-110
    4.5.5 轨道结构谐响应分析  110-111
  4.6 标定试验  111-112
  4.7 本章小结  112-115
第五章基于压电传感的振动信号采集与分析处理系统设计  115-135
  5.1 振动信号采集与分析处理系统的总体设计  115-119
    5.1.1 系统设计的硬件平台  115-119
    5.1.2 系统设计的软件平台  119
  5.2 应用软件设计  119-130
    5.2.1 数据采集模块设计与实现  120-124
    5.2.2 数据分析模块设计与实现  124-127
    5.2.3 数据处理模块设计与实现  127-128
    5.2.4 数据显示模块设计与实现  128-129
    5.2.5 文件处理功能模块设计与实现  129-130
  5.3 基于Matlab Web Server远程控制模块的设计与实现  130-134
    5.3.1 Matlab Web Server的组成与工作流程  131
    5.3.2 基于Matlab Web Server的远程监测模块的实现  131-134
  5.4 本章小结  134-135
第六章结论与展望  135-139
  6.1 结论  135-136
  6.2 本文的创新点  136
  6.3 展望  136-139
参考文献  139-149
作者简历  149-153
学位论文数据集  153

高速车轮失圆对轮轨动力作用的影响及其监测方法研究

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