交通运输工程学报

国家自然科学基金委员会交通与运载工程学科2021年度管理工作综述与未来工作展望

王之中, 皮大伟, 吴兵 — 2021-12-01

王之中, 皮大伟, 吴兵作为国家自然科学基金技术板块的新成员，2021年交通与运载工程学科围绕学科建设中心，以《交通与运载工程科学问题百问》一书的征集与编撰、学科代码和关键词的梳理工作为抓手，通过系列活动厘清学科边界，汇聚人气，提升申报量；以学科树为工具，分领域召开系列研讨与论证会议，完善学科体系建设，促进各运输体系均衡发展；强化需求牵引、问题导向，统筹布局学科重大类项目，推进人才队伍有序健康发展，破除“四唯”倾向，推动科技成果从“书架”走向“货架”，加快新学科的发展。本文具体内容包括：2021年度交通与运载工程学科基金项目的申请、受理、评审和资助情况，学科资助领域、二级代码调整思路及学科边界定义，未来学科工作重点、重点及人才类以上类别项目布局与推动成果转化等学科管理工作计划。未来学科将进一步深化学科调研，利用调研成果统筹学科重点和重大项目布局，促进人才队伍建设，完善科学基金成果贯通机制，积极推动成果转化落地。交通运输工程学报. 2021 21(6): 1-7.

轮胎式轨道交通车辆动力学研究现状与挑战

任利惠, 李稳, 冷涵, 季元进, 王刚 — 2021-12-01

任利惠, 李稳, 冷涵, 季元进, 王刚总结了几种典型轮胎式轨道交通车辆动力学问题的研究现状，包括跨坐式单轨车辆、悬挂式单轨车辆、胶轮路轨车辆、胶轮有轨电车和虚拟轨道车辆，探讨了轮胎式轨道交通车辆动力学未来的研究内容。研究结果表明：跨坐式单轨车辆动力学研究集中于抗侧倾稳定性、曲线通过性能和车-桥耦合振动，根据跨坐式单轨车辆抗侧倾稳定性变化规律提出的临界侧滚角理论阐明了稳定轮和导向轮预压力的设置原则，给出了稳定轮和导向轮预压力与运行舒适度、曲线限速之间的联系，跨坐式单轨车辆提速的关键是开发性能更优的轮胎，并控制由于运行速度提高所引起的振动恶化；悬挂式单轨车辆动力学研究集中于车辆运行性能和车-桥耦合振动，其倾摆特性和横风引起的倾摆稳定性是悬挂式单轨车辆的特有动力学问题，由于车-桥耦合振动引起的钢质轨道梁低频噪声是有待研究的问题；胶轮路轨车辆在国内的研究刚刚起步，现阶段的主要问题是改善车辆的横向平稳性；胶轮有轨电车动力学研究集中于车辆运行性能和导向轮/轨关系，研究难点在于阐明其导向稳定性的机理和影响因素；作为一种新型轨道交通车辆，虚拟轨道车辆提出了许多新的动力学研究问题，包括循迹控制、机械架构与循迹控制策略的匹配性、纵向力分配、分布式驱动等，或将成为轮胎式轨道交通车辆动力学研究的新热点。交通运输工程学报. 2021 21(6): 8-30.

轨道交通牵引动力传动系统动力学研究综述

陈再刚, 刘禹清, 周子伟, 宁婕妤 — 2021-12-01

陈再刚, 刘禹清, 周子伟, 宁婕妤为了提升轨道车辆牵引动力传动系统的动态服役性能，保障服役可靠性与安全性，分析了牵引动力传动系统的动力学研究现状与发展趋势，研究了齿轮动力学、滚动轴承动力学和机电耦合效应的分析理论与研究方法，探讨了其未来的研究重点和发展方向。研究结果表明：在牵引动力传动系统动力学研究中，主要采用集总参数法进行耦合动力学建模，重点考虑齿轮时变啮合刚度和轮轨激扰等动态激励，分析齿轮传动与车辆系统的耦合振动特性；在轨道机车车辆滚动轴承动力学研究中，主要分析了轴箱轴承、电机轴承、电机抱轴承、齿轮箱轴承4种不同滚动轴承的动态特性；正在逐步深入开展基于转子动力学和机电耦合效应的机车牵引电机控制策略、谐波转矩抑制、故障激励机理及特征的研究；牵引电机、齿轮传动、轴承等关键部件的研究相对独立，未充分考虑彼此间的动态耦合关系，尚未揭示动力学相互作用机制；在前期研究基础上，今后重点关注的主要研究方向是进一步考虑整车服役环境影响，深入研究牵引动力传动系统关键零部件的动态特性、载荷识别、疲劳寿命、故障机理、故障诊断、性能演变规律与状态监测，探索新型牵引动力传动系统动力学特性。交通运输工程学报. 2021 21(6): 31-49.

轨道车辆制动系统智能控制与维护技术研究进展

左建勇, 丁景贤 — 2021-12-01

左建勇, 丁景贤围绕轨道车辆普遍采用的微机控制直通电空制动系统，介绍了制动系统的结构组成、工作原理和控制原理，分析了制动系统的技术特性，总结和探讨了制动系统智能化的技术发展趋势，从制动系统的智能控制与智能维护两方面，对制动系统的研究现状、存在的问题进行了综述。研究结果表明：轨道车辆制动系统是一个复杂的“机电气(液)”耦合的动态时变非线性控制系统，其服役过程与故障行为具有不确定性、模糊性和小样本性的特征；在制动系统控制技术方面，相较于理论制动力控制，速度黏着控制和减速度控制2种制动控制模式在处理外界干扰影响时控制效果均有所提升；针对制动系统控制中存在的外界干扰、性能衰退或潜隐故障等不确定因素，基于参数辨识和闭环反馈的自主智能控制是制动系统智能控制技术的发展趋势，核心目标是实现外界干扰的自适应、性能衰退的自保持以及潜隐故障的自调节；在制动系统维护技术方面，制动系统运用维护主要涉及状态监测、故障诊断，对于故障预测与状态评估的研究还很少；充分利用制动系统服役状态信息，加强多源因素耦合作用下的制动系统服役行为与演化规律研究是制动系统智能维护技术的发展趋势，应进一步开展制动系统的服役性能一致性分析评价、传感器布局优化和剩余使用寿命预测方法研究。交通运输工程学报. 2021 21(6): 40-62.

轨道交通永磁同步牵引系统发展概况与关键技术综述

张济民, 苏辉, 任乔, 李伟, 周和超 — 2021-12-01

张济民, 苏辉, 任乔, 李伟, 周和超为系统分析和总结轨道车辆永磁牵引系统控制技术研究与发展趋势，介绍了永磁同步电机作为牵引电机应用于轨道交通领域的优缺点和国内外永磁同步牵引系统的应用情况；回顾了大功率牵引逆变器在低开关频率下的控制技术和永磁同步电机牵引控制技术，分析了脉宽调制策略、弱磁控制等关键技术的设计思想、研究方法等；总结了近几年国内外研究成果，讨论了各类控制方法的优点和局限，并展望了永磁同步电机在轨道交通牵引领域的发展前景和面对的挑战。研究结果表明：内置式永磁同步电机适用于直驱系统，具有体积小、效率高等优势；牵引逆变器通常采用混合脉宽调制策略，低频段采用异步调制，中频段为同步调制，方波工况下采用单脉冲调制，其中特殊同步调制下系统动态性能的提升和不同调制方法之间的平滑切换是牵引逆变器脉宽调制技术的难点；电机控制策略主要针对基于双电流调节器、电压矢量角弱磁控制和方波工况下弱磁控制这3种高速运行区的弱磁控制方法进行研究；在前期研究的基础上，应进一步考虑永磁同步电机的无位置传感器技术、故障在线诊断与预测和高精度参数辨识问题；牵引传动系统的机电耦合特性和短路故障处理是今后重点关注的研究方向。交通运输工程学报. 2021 21(6): 63-77.

复合材料粘接结构强度与环境耐久性综述

那景新, 王广彬, 庄蔚敏, 慕文龙, 徐千卉 — 2021-12-01

那景新, 王广彬, 庄蔚敏, 慕文龙, 徐千卉为深化对复合材料粘接结构环境耐久性的研究，从胶粘剂基础研究和面向工程的粘接结构应用研究两方面综述了国内外研究现状，探讨了粘接结构老化、疲劳及其耦合作用对强度的影响，总结了单因素和多因素耦合作用下的老化机理，根据基础研究归纳了粘接结构强度预测方法和疲劳寿命预测方法，并对未来研究重点及方向进行展望。分析结果表明：温度和湿度对粘接结构力学性能影响最为显著，多因素耦合作用下的老化更具破坏性，随温度产生的固化收缩、热膨胀系数的差异以及随湿度产生的水解和增塑作用均会使粘接剂老化，且载荷能够加速吸湿对粘接界面造成损伤，从而引发结构过早失效；老化与疲劳之间存在双向耦合作用，随时间变化的交变载荷不仅会影响粘接结构的疲劳寿命，同时还会加速粘接结构老化，而粘接结构在长期服役过程中的老化又会降低结构的疲劳性能；目前尚缺乏对湿热环境与交变载荷耦合作用下老化机理的深入研究，工程应用中的内聚力模型对延展性胶粘剂和厚胶层的预测效果欠佳，应进一步提高内聚力模型在复杂应力状态下的使用精度；损伤力学模型应考虑车辆实际服役工况并加入湿热耦合因素影响以提高使用精度；粘接结构疲劳寿命预测大多基于半经验模型，且对接头疲劳行为的预测局限于特定环境条件；随着粘接技术的进一步发展，对复杂应力状态下粘接结构服役性能的有效评估与建立准静态、疲劳和环境退化综合影响的渐进损伤模型将是未来研究的重点。交通运输工程学报. 2021 21(6): 78-93.

高速列车风阻制动试验方法综述

田春, 翁晶晶, 吴萌岭, 左建勇 — 2021-12-01

田春, 翁晶晶, 吴萌岭, 左建勇针对高速列车风阻制动试验方法缺少统一标准的问题，从气动特性和装置工作特性两方面系统梳理了风阻制动的相关成果与进展；分析了风翼板形状、尺寸、安装位置和间距对气动特性的影响，装置结构、工作原理和配置对工作特性的影响，阐明了制动系统性能的试验需求；分析了风阻制动对车上其他设备、轮轨/磁浮列车运行稳定性、气动噪声的影响，阐明了风阻制动运行影响性的试验需求；分析了物体撞击、平均风载荷和脉动风载荷对风阻制动装置的影响，以及风阻制动装置安装对车体结构强度的影响，阐明了风阻制动结构强度的试验需求。研究结果表明：随着新型复合材料风翼板的应用，需采用高速摄影机记录等方式获取更详细的鸟撞试验过程信息；风载荷试验便于模拟验证不同运行工况下装置的制动能力、强度和气动噪声，但受空间和成本的限制，难以进行制动系统和车体的试验；线路试验可以验证制动性能、运行影响性和结构强度，但受天气条件影响，难以模拟所有运行工况，未来需进一步研究风阻制动的标准试验方法，探索不同装置位置、运行工况和故障状态下地面风载荷试验和线路试验模拟方法，完善试验结果的评价标准。交通运输工程学报. 2021 21(6): 94-105.

BIM技术在轨道车辆运维方面研究综述

雷斌, 温岩, 李佳晨, 曹振, PRAMOD KUMARGupta, 麻建省, 雷东波, 刘阳 — 2021-12-01

雷斌, 温岩, 李佳晨, 曹振, PRAMOD KUMARGupta, 麻建省, 雷东波, 刘阳基于国内外相关研究，梳理了近年来BIM技术在轨道车辆运维领域的研究现状，总结归纳了该领域的理论、技术及应用研究成果。研究结果表明：BIM技术在轨道车辆运维的应用研究框架包括理论、技术和应用3个层次；理论研究集中在车辆建模、数据库建立和运营、维护方面；技术研究集中在三维CAD、平台建设、数字化管理和车辆部件监测等领域；应用研究主要体现在列车的日常运营、维护和价值方面；由于相关研究起步较晚，已有成果还存在一些不足；在理论方面，轨道车辆的建模和数据库建立精细化程度不高，运维全生命周期整体性不足；在技术方面，模型共享、软件协同、信息管理及车辆监测等方面需进一步研究与完善；在应用方面，轨道车辆运维的可视化程度、成本管理及软件开发研究需要更加具体和专业化，细化到各个层面；未来的研究应加强BIM多专业之间的协同设计及数据的规范化，实现与新信息技术的融合，构建智能的综合性管理平台，实现BIM软件更深度的二次开发；将理论、技术与应用结合起来，构建完整的轨道车辆BIM运维体系，完善基于BIM的可视化管理系统，加强对轨道车辆运维中所有服务对象、数据、业务功能一体化管理，提高轨道车辆运维的效率，为轨道车辆运维提供研究基础和理论依据，确保轨道车辆的安全运行。交通运输工程学报. 2021 21(6): 106-123.

高速铁路辙叉区钢轨打磨廓形设计方法

林凤涛, 吴涛, 杨洋, 庞华飞, 邹亮, 翁涛涛, 王松涛, 邓卓鑫 — 2021-12-01

林凤涛, 吴涛, 杨洋, 庞华飞, 邹亮, 翁涛涛, 王松涛, 邓卓鑫以心轨顶宽20、35、50 mm处的辙叉区钢轨关键截面作为研究对象，基于NURBS曲线理论建立辙叉区钢轨廓形重构方法；以关键截面钢轨廓形上若干型值点为设计变量，以打磨材料去除量的减少和脱轨系数的降低为目标，以钢轨廓形几何特征和降低钢轨滚动接触疲劳为约束条件，设计出18号道岔辙叉区钢轨经济性打磨廓形；建立了轮轨接触有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型，进行了轮轨接触应力与动力学指标计算。分析结果表明：优化的打磨廓形接触点分布均匀，具有良好的轮轨接触几何特性；钢轨打磨材料去除量在2号截面处降低了17.2%；各截面Mises应力分别降低了8.7%、8.3%和11.5%，轮轨接触应力降幅分别为12.9%、15.8%和18.0%；列车逆侧向过岔时，轮轨横向力与车体横向振动加速度分别降低了10.3%和15.6%，脱轨系数与轮重减载率分别降低了8.1%和10.6%，疲劳因子降低了12.2%。可见，优化廓形在保证列车运行安全性的同时，提升了列车运行的平稳性以及辙叉区钢轨的使用寿命。交通运输工程学报. 2021 21(6): 124-135.

基于非线性超声的CL60车轮和U75V钢轨磨损检测方法

蔡智超, 陈澜, 李豪, 秦涛, 沈明学 — 2021-12-01

蔡智超, 陈澜, 李豪, 秦涛, 沈明学针对早期轮轨滚动磨损变化过程难以通过无损手段进行表征的问题，提出了非线性超声技术对不同磨损程度的CL60车轮与U75V钢轨试样进行检测评估；建立了基于轮轨试样表面磨损特征的Murnaghan模型，并利用非线性超声有限元仿真，通过塑性变形层厚度变化情况模拟不同程度的摩擦损伤，分析了其相对非线性系数变化规律及其产生原因。试验结果表明：轮轨的早期磨损会导致材料表面产生塑性变形层，随着塑性变形的加剧，材料损伤将以微裂纹为主，车轮角加速度越大，轮轨间相对滑动作用时间越短，塑性变形层越薄，且CL60车轮较U75V钢轨磨损程度更为严重；CL60车轮试样在车轮角加速度分别为10、250、1 500 r·min^-2时，对应的相对非线性系数分别为12.19、8.43、5.68，U75V钢轨试样在车轮角加速度分别为10、250、1 500 r·min^-2时，对应的相对非线性系数分别为7.57、6.09、5.04，与CL60车轮试样相比，U75V钢轨试样的相对非线性系数变化缓慢。可知，相对非线性系数与塑性变形层厚度呈正相关，微裂纹产生的非线性效应比塑性变形层更强，相对非线性系数增幅更大，因此，可通过材料的相对非线性系数变化判断材料的磨损阶段。交通运输工程学报. 2021 21(6): 136-146.

全风化千枚岩复合改良土路用性能

赵秀绍, 赵林浩, 王梓尧, 付智涛, 耿大新, 饶江龙, 陈子溪 — 2021-12-01

赵秀绍, 赵林浩, 王梓尧, 付智涛, 耿大新, 饶江龙, 陈子溪为了充分利用全风化千枚岩作为路基填料，设计了红黏土掺和比分别为0、20%、40%、60%和100%，水泥掺量分别为0、3%和5%的组合改良方案，开展了改良土的界限含水率、抗剪强度和无侧限抗压强度试验，分析了改良土的路用性能。试验结果表明：当水泥掺量分别为3%与5%时，复合改良土的液限均低于40%，符合路基设计中液限低于40%的控制要求；改良土的黏聚力随红黏土掺和比与水泥掺量的增大而增大，内摩擦角随红黏土掺和比的增长先增大后减小，随水泥掺量的增大而增大，但两指标在水泥掺量大于3%时增长幅度较小。改良土路基极限承载力计算结果表明：5%水泥改良全风化千枚岩路基极限承载力仅为725.3 kPa，红黏土掺和比为40%改良全风化千枚岩路基极限承载力达到2 198.3 kPa，分别是全风化千枚岩路基承载力的2.34和7.10倍，因此，红黏土改良效果优于水泥；经过比较可得红黏土掺和比为40%，水泥掺量为3%是合理掺和方案，在28 d养护后，路基极限承载力计算值为4 247.7 kPa，液限为32.7%。微观机理分析结果表明：红黏土颗粒小于全风化千枚岩颗粒，当红黏土掺和比大于40%时可以包围千枚岩颗粒的点-点接触，增加了接触点数与接触面积，从而大大提高了改良土路基的极限承载力。无侧限抗压强度试验结果表明：优化方案改良土7 d无侧限抗压强度为487.25 kPa，满足铁路路基设计要求。交通运输工程学报. 2021 21(6): 147-159.

车辆/轨道耦合作用下高速列车车轮振动影响灵敏度分析

肖乾, 程玉琦, 罗佳文, 周生通, 周前哲, 曹涛影 — 2021-12-01

肖乾, 程玉琦, 罗佳文, 周生通, 周前哲, 曹涛影考虑车辆一系、二系悬挂参数和轨道参数的随机性，在多体动力学软件UM当中建立了CRH2动车组拖车的随机性仿真模型；采用最优拉丁超立方试验设计方法抽取车辆参数和轨道参数的随机样本，利用多目标优化软件iSight调用随机样本，联合UM完成了随机样本仿真分析；在有限试验设计样本和仿真数据的限制下，以最佳近似精度为目标，结合最小角回归、低阶交互截断和留一法交叉验证等实现了多项式混沌展开，构建多项式混沌展开代理模型；采用Sobol法进行全局灵敏度分析，研究了直线、曲线2种工况下车辆参数和轨道参数随机耦合作用对于车轮振动特性的影响，找出了主要影响因子，并考虑了多参数之间的交互效应。研究结果表明：多项式混沌展开法能够基于已有的样本比较好地拟合出代理模型，计算出Sobol灵敏度系数，平均误差低于3%，从而可以高效、定量地分析各参数耦合作用对车轮振动的影响；转臂节点横向刚度、一系弹簧垂向刚度、一系弹簧横向刚度和二系横向减振器阻尼是对车轮振动响应方差具有较大贡献的车辆参数，轨道横向、垂向刚度是对车轮振动响应方差具有较大贡献的轨道参数，各参数之间存在明显交互效应。交通运输工程学报. 2021 21(6): 160-169.

高速动车组轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响

侯茂锐, 胡晓依, 郭涛, 罗俊, 樊令举 — 2021-12-01

侯茂锐, 胡晓依, 郭涛, 罗俊, 樊令举为分析钢轨波磨、车轮多边形等轮轨短波不平顺条件下轴箱转臂节点性能对轮轨耦合振动的影响，分别从仿真计算、现场试验和台架试验3个方面进行综合分析，通过建立车辆-轨道刚柔耦合系统动力学仿真模型，分析了钢轨波磨和车轮多边形对轮轨耦合振动的影响，并在武广高铁进行了钢轨波磨条件下新、旧轴箱转臂节点对轴箱振动响应的影响试验，在滚动试验台上进行了高阶车轮多边形条件下新、旧轴箱转臂节点对转向架振动响应的影响试验；对已服役运用120万公里的A、B型轴箱转臂节点进行了1 000万次疲劳耐久性试验，论证了服役轴箱转臂节点疲劳可靠性的安全裕量。研究结果表明：在钢轨波长为120 mm，车轮多边形为20阶，钢轨波磨和车轮多边形波深均为0.04 mm的条件下，当轴箱转臂节点径向刚度由40 MN·m^-1增加到200 MN·m^-1时，钢轨振动加速度、轴箱振动加速度和轮轨垂向力基本不变，在钢轨波磨和车轮多边形等短波激励下，轴箱转臂节点刚度变化不会对轮轨耦合振动产生明显影响；随着疲劳试验次数的增加，轴箱转臂节点径向和轴向刚度均逐渐下降，退役轴箱转臂节点在经历1 000万次疲劳耐久性试验后外观状态基本无改变，芯轴与橡胶粘接部分出现轻微开胶和裂纹，开胶和裂纹深度不大于5 mm，橡胶本体均无裂纹，各项性能满足《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》(TB/T 2843—2015)中的规定。交通运输工程学报. 2021 21(6): 170-180.

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

朱海燕, 王宇豪, 朱志和, 袁遥, 曾京, 肖乾 — 2021-12-01

朱海燕, 王宇豪, 朱志和, 袁遥, 曾京, 肖乾利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型，通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h^-1，横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s^-1的环境下运行，将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中，计算其动力学性能参数；深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性，并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明：在相同车速和横风环境下，随着路堤高度的增加，列车受到的侧向力整体呈增大趋势，尾车在横风作用下受到反向侧向力，头车所受侧向力最大，且升力持续增大，中间车所受升力相对较大，尾车所受阻力最大；横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移，各路堤高度工况下气流场结构基本相同，头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流，但尾车处的涡流却在迎风侧，这可能是导致尾车反向侧向力的主因；脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大，轮轨垂向力始终在安全限值内，当横风风速分别为24.40和28.40 m·s^-1时，列车运行速度应分别低于350和300 km·h^-1，以保证列车行车安全。交通运输工程学报. 2021 21(6): 181-193.

新型全自动轨道巡检车动力学性能

昌超, 凌亮, 孙宇, 翟婉明, 王开云, 王贵东 — 2021-12-01

昌超, 凌亮, 孙宇, 翟婉明, 王开云, 王贵东为准确评估某新型全自动智能轨道巡检车的动力学性能，开展了轨道巡检车动力学数值仿真；轮轨接触采用非椭圆多点接触Kik-Piotrowski算法模拟，车辆系统建模过程中考虑悬挂力元非线性与轮轨接触几何非线性特性等因素，同时考虑车载设备参振影响；针对车轮踏面表面包裹高硬度聚氨酯的特殊结构，利用有限元软件ABAQUS建立了轮轨局部接触模型，采用Mooney-Rivlin橡胶模型模拟了聚氨酯特殊性质，计算了轮轨等效接触刚度；根据有限元计算结果修正了Kik-Piotrowski算法中的相关参数；基于Craig-Bampton模态综合法和多体动力学软件UM建立了车辆-轨道刚柔耦合模型；为验证仿真模型的准确性，开展了实车动力学试验；重点分析了直线和300 m小半径曲线，运行速度10~30 km·h^-1工况下巡检车的振动响应。研究结果表明：车辆正常运行时，中间视觉模块垂向最大加速度大于左侧视觉模块垂向最大加速度，横向最大加速度小于左侧视觉模块横向最大加速度，车架最大加速度大于视觉模块最大加速度；车架中部易产生垂向弯曲变形，和视觉模块安装位置有胶垫减振有关；轨道巡检车在直线和300 m小半径区间运行性能整体良好，其中车辆在300 m小半径曲线段内30 km·h^-1运行时，轮重减载率最大可达0.92，车架部位振动响应较大，为保证车载设备的安全性和避免车辆脱轨的风险，建议曲线段内检测速度控制在20 km·h^-1左右。交通运输工程学报. 2021 21(6): 194-208.

纵向冲击下高速列车车体承载极限数值模拟

秦睿贤, 高峰, 王铁成, 陈秉智 — 2021-12-01

秦睿贤, 高峰, 王铁成, 陈秉智进行了高速列车车体6005A-T6、6082A-T6铝合金的静态拉伸和动态压缩试验，识别了0.001~2 500 s^-1应变率范围内2种铝合金的材料应变率效应，建立了对应的Johnson-Cook本构模型；构建了高速列车典型车辆的显式动力分析模型，完成了刚性墙冲击车体过程仿真，研究了车钩稳态载荷、冲击速度、加载方式对车体承载极限的影响；分析了高速列车一号车和二号车车体在冲击载荷下的变形演化，通过应力变化临界点确定了车体的承载极限，并对列车在更高能量配置模式下的车体承载性能进行了验证。研究结果表明：在0.001~2 500 s^-1应变率范围内，6005A-T6和6082A-T6铝合金应变率敏感系数分别为2.9×10^-3和8.5×10^-3，应变率效应不明显；纵向动态冲击载荷下，应变率强化对铝合金车体结构承载力影响不明显，惯性效应是其承载能力高于静态极限的主要原因；纵向冲击载荷从车钩位置传递时，一号车和二号车车体的动态承载力水平显著高于车体许用静态压缩载荷；冲击载荷下的车体结构承载力可为高速列车碰撞各界面能量分布问题中吸能元件平台力取值提供上界；可适当考虑提高车体许用压缩载荷以扩大列车端部吸能部件力学参数设计域，以满足更苛刻需求下的列车被动安全性能。交通运输工程学报. 2021 21(6): 209-224.

基于实测数据的动车组轴箱横向载荷特性

王斌杰, 赵鑫源, 范军, 刘志明, 李强, 王文静 — 2021-12-01

王斌杰, 赵鑫源, 范军, 刘志明, 李强, 王文静研究了轴箱横向载荷高精度测试方法，将经过标定的轴箱安装于运用车辆，获得了载荷-时间历程，结合车辆运行状态分析了在高速线路典型服役条件下的载荷特性，编制了对应于进出站工况、低速运行、高速运行的恒幅载荷谱。研究结果表明：轴箱横向载荷影响因素主要为列车运行速度、曲线半径、道岔、轨道不平顺；运行中普遍存在着相对固定且与车辆运行速度无关的2 Hz的低载荷主频；对于大于5 Hz的频率，载荷主频与列车的运行速度直接相关，曲线通过时内轨侧轴箱载荷变化幅值稍大于外轨侧，且载荷均值以及最大载荷幅值均随列车运行速度的增大而增大；曲线半径增大的同时横向载荷均值逐渐接近于0，最大载荷幅值也逐渐减小；进出站道岔会造成横向载荷出现约10 s的一次波动，同时包含短时间冲击载荷；横向轨道不平顺会造成轴箱横向载荷在通过相应区间时出现多个大幅波动，随着运行速度的增加，波动周期缩短，峰值减小；进出隧道对横向载荷影响不明显；对于不同运行工况下的载荷谱，进出站工况载荷幅值最大，作用频次占很少部分；低速运行载荷幅值次之，作用频次占比约为1/3，高速运行载荷幅值最小，作用频次占比达到60%以上。交通运输工程学报. 2021 21(6): 225-236.

基于TQWT和稀疏表示的滚动轴承故障诊断方法

牛一捷, 李花, 邓武, 费继友, 孙亚丽, 刘芝博 — 2021-12-01

牛一捷, 李花, 邓武, 费继友, 孙亚丽, 刘芝博基于稀疏表示理论，提出了一种采用可调品质因子小波变换(TQWT)的滚动轴承故障诊断新方法，分析了包含早期故障成分的原始采集振动信号的特点和早期故障信号的特性，研究了稀疏表示模型在解决故障特征提取问题和故障类型识别问题的应用；运用TQWT将原始信号转换为一组子带小波系数集，研究了利用迭代收缩阈值算法提取出稀疏小波系数的有效性和谱峭度对故障冲击信号敏感的特性，通过计算各子带信号分量的谱峭度，选取包含故障信息明显的子带小波系数，建立了包含稀疏故障信号分量的故障特征提取方法；利用提取出的故障信号稀疏表示分类模型，实现了基于稀疏表示的滚动轴承故障诊断方法。试验结果表明：在凯斯西储数据集上，提出的故障特征提取方法在剔除干扰成分方面有显著效果，提出方法对于4种类型数据的平均诊断准确率为99.83%，对于10种类型数据的平均诊断准确率为97.73%；与只运用TQWT和迭代收缩阈值算法进行故障特征提取的方法相比，故障诊断精度提高了11.60%，算法运行时间减小8%；在QPZZ-Ⅱ旋转机械平台采集到的振动数据集上，提出的方法对于4种类型数据的平均诊断准确率为100%；与传统小波去噪方法相比，准确率提高了35.67%，算法运行时间减小了7.25%。可见，本文提出的方法可以有效解决滚动轴承故障诊断问题。交通运输工程学报. 2021 21(6): 237-246.

基于深度时频特征的机车轴承故障诊断

张龙, 甄灿壮, 熊国良, 王朝兵, 徐天鹏, 涂文兵 — 2021-12-01

张龙, 甄灿壮, 熊国良, 王朝兵, 徐天鹏, 涂文兵针对现有机车轴承诊断方法存在故障特征提取不理想、诊断精度低等问题，提出了一种基于深度时频特征的机车轴承故障诊断新方法；利用双通道一维和二维卷积神经网络(CNN)分别对输入的一维原始信号和连续小波变换(CWT)提取的二维时频信号进行深度特征提取；为使输入的一维原始信号简单而有效地反映出信号在时域的全局特征，上通道使用一维CNN，为使输入的二维时频域信号能多角度地反映出信号的细微局部变化，下通道使用二维CNN；在融合层中将上下通道特征自动融合成一个新的深度时频特征，并将提取到的深度融合时频特征经归一化指数函数进行故障分类识别；在此基础上，分析了某局机务段实测的7种机车轴承数据，验证了本文方法的实际工程应用价值。研究结果表明：基于深度时频特征的机车轴承故障诊断方法对7种机车轴承故障的平均诊断精度达到了100%，与一维CNN模型、二维CNN模型和支持向量机(SVM)模型相比，平均诊断精度分别提高了0.7%、1.9%和2.2%；本文方法提取的深度时频特征中每类故障分布间隔规则有序，类内间距很小，而单个一维CNN模型和二维CNN模型提取的特征的每类故障分布间隔不规则，类内间距较大，说明基于深度时频特征的机车轴承故障诊断方法提取深度特征的能力优越，是一种解决机车轴承故障诊断问题的有效模型。交通运输工程学报. 2021 21(6): 247-258.

基于改进EEMD和WVD联合时频分析的车轮多边形状态识别方法

宋颖, 梁磊, 王玥, 施文杰 — 2021-12-01

宋颖, 梁磊, 王玥, 施文杰为了准确识别高速列车车轮多边形状态以及磨耗幅值，提出了一种改进的聚合经验模态分解(EEMD)与魏格纳-威尔分布(WVD)相结合的随机振动信号联合时频分析方法；利用相关系数法和频谱分析来评估筛选轴箱振动加速度信号经EEMD分解后的变量，然后进行WVD计算，在保持WVD高时频分辨率的同时可有效抑制交叉干扰项；应用该方法分析了周期性车轮多边形磨耗与现场实测随机车轮多边形磨耗引起的轴箱振动加速度信号。研究结果表明：利用EEMD-WVD二维时频谱的主频率可识别车轮多边形状态，利用EEMD-WVD三维时频能量谱的能量幅值分布可评估车轮多边形磨耗幅值，最大误差为0.3%；将改进EEMD和WVD联合时频分析方法的识别结果与短时傅里叶变换、小波分解、WVD传统时频分析方法进行对比，表明此方法应用时无需改变任何参数，自适应强，保留了WVD高时频分辨率的特点，而且可有效抑制EEMD产生的模态混叠现象和WVD产生的交叉干扰项，验证了所提出联合时频分析方法的有效性及其优势，为高速动车组车轮多边形识别和评估提供了新的技术途径。交通运输工程学报. 2021 21(6): 259-268.

LSTM Encoder-Decoder方法预测设备剩余使用寿命

赵志宏, 李晴, 李乐豪, 赵敬娇 — 2021-12-01

赵志宏, 李晴, 李乐豪, 赵敬娇应用LSTM Encoder-Decoder提出了机械设备剩余使用寿命预测方法；对获取的传感器数据进行预处理，利用LSTM Encoder对数据序列进行编码，得到设备状态信息的中间表示，其中蕴含了设备状态的特征信息，利用LSTM Decoder对中间表示信息进行解码，利用解码后的信息预测剩余使用寿命；研究了LSTM Encoder-Decoder方法在公开的C-MAPSS数据集上的剩余使用寿命预测试验，与LSTM、D-LSTM等方法进行了对比试验；研究了不同滑动窗口大小对于剩余寿命预测结果的影响。研究结果表明：LSTM Encoder-Decoder方法的剩余使用寿命预测结果的评分函数值和均方根误差均优于LSTM、D-LSTM方法；在FD001子集上，LSTM Encoder-Decoder方法、LSTM方法和D-LSTM方法对应的均方根误差分别为11、12、16；当滑动窗口大小为30时，LSTM Encoder-Decoder方法在FD001~FD004子集对应的评分函数值分别为164、3 012、372、4 800，对应的均方根误差分别为11、20、14、22；当滑动窗口大小为40时，LSTM Encoder-Decoder方法在FD001~FD004子集对应的评分函数值分别为305、1 220、408、4 828，对应的均方根误差分别为14、16、15、19。可见，提出的LSTM Encoder-Decoder方法是一种有效的预测机械设备剩余使用寿命方法，并且滑动窗口大小对于剩余使用寿命预测结果存在一定的影响。交通运输工程学报. 2021 21(6): 269-277.

基于核密度应力谱外推的转向架构架疲劳寿命评估

王秋实, 周劲松, 宫岛, 王腾飞, 张展飞, 孙煜, 陈江雪, 尤泰文 — 2021-12-01

王秋实, 周劲松, 宫岛, 王腾飞, 张展飞, 孙煜, 陈江雪, 尤泰文提出了一种基于多样本核密度应力谱外推的疲劳寿命评估方法，研究了核密度估计中的最优带宽与核函数的确定问题，采用灰色关联度分析方法对应力谱的外推优度进行量化评价与检验，并讨论了疲劳寿命评估的相对误差与外推倍数之间的关系；为了验证方法的正确性与可行性，以某转向架构架转臂定位安装座焊缝附近某测点为研究对象，选取了该测点在车轮分别处于镟轮初期、中期和末期时的3组动应力测试数据，进行多样本核密度应力谱外推与疲劳评估。研究结果表明：基于最小渐近均方积分误差的概率密度函数拟合优度良好，所研究的4种核函数类型中，基于Epanechekov核函数外推的相关性最好，相关系数为0.99，较其他3种核函数提高了0.01%~0.12%，基于Circular核函数外推的一致性最好，灰色关联度为0.592 0，较其他3种核函数提高了0.17%~0.32%；基于多样本核密度应力谱外推10倍后的疲劳评估寿命相比基于线性外推的评估寿命减少了1.15%；当应力谱外推至全寿命周期时，基于核密度外推所评估的安全运营里程减少了6.45%。可见，基于核密度应力谱外推的疲劳寿命评估更偏于安全，能保证车辆结构的安全服役。交通运输工程学报. 2021 21(6): 278-288.

C80型铁路货车制动装置运用性能预测

卢碧红, 徐超, 郭宏远 — 2021-12-01

卢碧红, 徐超, 郭宏远运用现场试验与多体动力学仿真相结合的方式，提出一套反映C80单元制动装置真实接触状态的建模与模型验证方法；运用RecurDyn仿真分析平台，通过仿真试验分析法对制动装置的运用性能进行分析预测。研究结果表明：闸瓦靠近轮缘一侧的接触应力较大，2、3位闸瓦下部应力较大，易引起闸瓦偏磨；制动梁立柱连接处存在较大应力，游动、固定杠杆连接部位最大瞬时接触应力分别为137和127 MPa；C80单元制动装置中12号和15号销轴受力最大，在空车与重车制动时销轴所受合力分别超过10和50 kN，现场检修时应着重检查游动杠杆、中拉杆、固定杠杆、制动梁立柱和立式制动杠杆及其连接部；动态运行时，制动梁朝着车辆运行反向窜动导致闸瓦与车轮异常间歇性碰撞接触，且随着运行速度增大轮瓦接触力有增大趋势，易导致车轮非正常磨耗和闸瓦偏磨。研究方法为预测铁路货车制动装置等复杂机构的运行规律与性能预测提供一种新技术，可用于指导C80等铁路货车制动装置的运用检修规程制定与设计改善。交通运输工程学报. 2021 21(6): 289-297.

基于柔性多体动力学的地铁车辆半主动控制

陈兆玮, 朱国 — 2021-12-01

陈兆玮, 朱国为了对地铁车辆的运行性能实现更准确的评估和更有效的优化，借助有限元理论和子结构理论建立了车体和转向架构架等关键零部件的柔性动力学模型；基于天棚半主动控制算法和柔性多体动力学理论，建立了考虑半主动控制悬挂的地铁车辆刚柔耦合动力学模型；考虑轨道随机不平顺的影响，研究了半主动控制悬挂以及结构柔性对地铁车辆运行稳定性和乘坐舒适性的影响。研究结果表明：相对于传统的悬挂装置，天棚半主动控制极大降低了车辆的振动加速度，并使其变化趋势更加平缓，对车辆的低频振动有明显的抑制作用；采用本文的研究参数，天棚半主动控制在直线段可使车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度均方根(RMS)分别降低26.8%和7.5%，使车体横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低8.8%和4.9%，而在曲线段，天棚半主动控制可使车辆垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS分别降低25.1%和5.7%，使横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别降低15.6%和8.3%，车辆的乘坐舒适性和运行稳定性大幅提升；考虑结构柔性时，车辆的垂向Sperling指标和垂向振动加速度RMS相比于未考虑结构柔性时分别增大了4.3%和6.8%，横向Sperling指标和横向振动加速度RMS分别增大了3.0%和3.4%。可见，车体和构架的结构柔性对车辆的动态特性有较大影响，在对车辆运行稳定性和乘坐舒适性进行计算和评估时不可忽略。交通运输工程学报. 2021 21(6): 298-309.

长大重载列车中部机车跳钩机理与防控对策

凌亮, 吴键, 周坤, 周康, 王开云, 翟婉明 — 2021-12-01

凌亮, 吴键, 周坤, 周康, 王开云, 翟婉明基于多体动力学理论，构建了2万吨重载列车中部机车-货车三维动力学模型，分析了连挂车钩初始高差、车钩钩头摩擦因数等关键因素对中部机车跳钩的影响规律，探究了空制缓解与牵引工况下中部机车-货车连挂车钩分离的形成机理，并提出相应的防控对策。研究结果表明：中部机车-货车连挂车钩在压钩状态下能够保持稳定，但在钩缓系统由压缩状态转变为拉伸状态的过程中，机车电制力、牵引力将使连挂车钩产生垂向相对跳动；进入拉钩状态后，较大的初始高差和较差的钩头摩擦因数使得连挂车钩自锁力不足，导致车钩间垂向相对位移迅速增大；若机车垂向转角限值过大，车钩间垂向相对位移将进一步增大至300 mm以上，最终导致车钩分离现象的发生；当钩头摩擦因数和机车车钩垂向转角限值分别为0.08、8°时，空制缓解工况下发生车钩分离所需的最小初始高差、电制力施加比例分别为40 mm、40%，牵引工况下发生车钩分离所需的最小初始高差、牵引力施加比例分别为30 mm、50%；空制缓解工况下，当初始高差为50 mm、电制力施加比例为70%时，发生车钩分离所需的最小钩头摩擦因数、机车车钩垂向转角限值分别为0.09、6°；牵引工况下，当初始高差为50 mm、牵引力施加比例为100%时，发生车钩分离所需的最小钩头摩擦因数、机车车钩垂向转角限值分别为0.10、7°。可见，为有效抑制跳钩事故的发生，须严格限制连挂车钩间的初始高差，适当减小机车电制动力/牵引力，增大车钩钩头的摩擦因数，以及限制机车车钩的垂向最大转动角度。交通运输工程学报. 2021 21(6): 310-320.

基于目标级联分析法的车下设备悬挂参数优化设计

贺小龙, 陈杰, 鄂世举, 唐大勇, 张立民 — 2021-12-01

贺小龙, 陈杰, 鄂世举, 唐大勇, 张立民为改善高速列车运行舒适度和车下悬挂设备的振动水平，建立了车辆-设备系统垂向动力学模型，推导了车辆系统振动加速度频率响应函数；结合轨道不平顺激励谱函数计算了车下悬挂设备振动加速度均方根，联合人体舒适度加权滤波函数计算了车体振动参考点的垂向舒适度指标；引入目标级联分析(ATC)法逐层分解车辆-设备系统振动指标，构建了车辆-设备系统两层指标分解数学模型，采用指数罚函数策略协调两层振动指标之间的耦合问题；提出了以车辆运行舒适度和车下悬挂设备振动加速度为指标的多目标优化方法，建立了以车下设备悬挂刚度和阻尼为设计变量的优化模型；联合车下设备悬挂参数动力吸振器(DVA)设计法对比探讨了ATC法在复杂车辆系统参数优化设计中的应用效果。分析结果表明：与DVA设计法相比，ATC法优化后车辆中部舒适度在300 km·h^-1工况下提高了8.5%，设备振动水平减小了约20%；在全速域区间，ATC法对车体中部的振动衰减是DVA设计法的2倍，且对设备的振动衰减比DVA设计法大4.5 dB；与优化前相比，ATC法优化后车辆中部舒适度指标最大提升了15%，设备振动加速度减小了0.18 m·s^-2。由此可见，ATC法可以运用于复杂轨道车辆结构参数优化设计中，能有效改善车辆系统的振动水平，也可为车下设备悬挂参数优化设计提供指导。交通运输工程学报. 2021 21(6): 321-330.