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Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2014 Vol.15 No.12 P.925-1038

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The Second Special Issue on High-speed Railways Technology

Guest Editor-in-Chief: Xue-song JIN

Reviews

Review: Background of recent developments of passenger railways in China, the UK and other European countries

Roderick A. Smith, Jing Zhou

DOI: 10.1631/jzus.A1400295 Downloaded: 5119 Clicked: 22553 Cited: 6 Commented: 0(p.925-935) <Full Text><PPT> 3892

Chinese summary   <1170>  中国，英国与欧洲的客运铁路的近期发展背景

本文概要：本文基于作者于2014年5月在中国参观铁路建设成就时的一篇报告而写成。内容涵盖铁路发展历史简介，英国和中国铁路的对比，英国过去数十年间铁路提速情况的说明以及现有高速铁路的介绍。此外，本文还详细讨论了欧洲高铁的发展情况和铁路系统安全的分析比较，并对中国高铁的发展及英国高铁建设计划进行了说明。得出高速铁路系统在提高能量利用效率、增加旅客舒适度、控制碳排放量等方面有显著优势。

关键词组：铁路；高速；安全；历史；列车；基础设施；系统

Review: Key problems faced in high-speed train operation

Xue-song Jin

DOI: 10.1631/jzus.A1400338 Downloaded: 5006 Clicked: 13957 Cited: 16 Commented: 0(p.936-945) <Full Text><PPT> 3948

Chinese summary   <1035>  高速铁路运营过程中的关键问题：轮轨磨耗等

本文概要：随着高速铁路运营里程和列车运营速度的不断增长，出现了一些和列车轨道耦合大系统密切相关的关键科学和技术问题。这些问题不仅影响到列车的运行品质，甚至威胁到安全运行，是当前高速铁路运用和发展中急需解决的问题。本文系统描述了高速铁路在运营过程中所出现的一些关键科学和技术问题，并述评了全世界有关这些问题的研究进展、现状和不足之处，提出了今后有利于认识和解决这些问题的发展方向。在长期高速运营的铁路大系统环境中，这些问题的形成的机理、发生、发展过程和预防措施的研究，需要从列车/轨道耦合大系统运营环境（速度、路况、气候和运用维修）、系统的自身参数匹配、材料选用和运营成本等全面系统考虑，并从理论、技术、工艺、监控和维修等方面解决。

关键词组：高速铁路；高速列车；轮轨磨耗；列车/轨道耦合动力学；轮轨滚动接触理论；减振降噪理论和技术

Articles

Modeling of high-speed wheel-rail rolling contact on a corrugated rail and corrugation development

Xin Zhao, Ze-feng Wen, Heng-yu Wang, Xue-song Jin, Min-hao Zhu

DOI: 10.1631/jzus.A1400191 Downloaded: 8004 Clicked: 10880 Cited: 9 Commented: 0(p.946-963) <Full Text><PPT> 2533

Chinese summary   <49>  钢轨波磨处高速轮轨滚动接触行为与波磨发展的模拟研究

研究目的：为求解钢轨（短波）波磨处的高速轮轨瞬态滚动接触建立有限元模型，研究影响高速钢轨波磨发展的重要因素。
创新要点：1. 求解不同牵引条件下轮轨间的瞬态法和切向滚动接触问题，并考虑真实轮轨几何和钢轨波磨，最高模拟速度达500 km/h；2. 基于模拟结果，解释了中国高速线路上发现的钢轨波磨很快稳定下来的现象。
研究方法：1. 详细分析钢轨波磨处高速轮轨瞬态滚动接触的法、切向解以及由此导致的V-M等效应力和摩擦功沿轨面的波动；2. 变化波磨波长、波深及重要滚动参数如速度和牵引系数等，研究它们对波磨处滚动接触行为的影响；3. 对比上述有限元模型与传统多体动力模型在波磨处的法向轮轨力结果。
重要结论：1. 法、切向轮轨力及法、切向接触应力均随着波磨几何呈周期性波动，但相位略有差异，V-M等效应力和摩擦功的波动形式接近切向接触应力；2. 牵引系数越大，波磨处V-M等效应力和摩擦功的波动范围越大；3. 名义参数下，对于所研究高铁系统，波长为80 mm左右、速度为250-300 km/h时波磨的动态响应最大，这与现场观测相符；4. 传统多体动力模型会高估钢轨波磨激励的法向轮轨力；5. 钢轨波磨会逐渐稳定下来，通过速度越高进入稳定越快。

关键词组：高速钢轨波磨；轮轨滚动接触；车辆-轨道耦合动力学；牵引系数；显式有限元法

A 3D model for coupling dynamics analysis of high-speed train/track system

Liang Ling, Xin-biao Xiao, Jia-yang Xiong, Li Zhou, Ze-feng Wen, Xue-song Jin

DOI: 10.1631/jzus.A1400192 Downloaded: 7866 Clicked: 17905 Cited: 19 Commented: 0(p.964-983) <Full Text><PPT> 2895

Chinese summary   <58>  一种高速列车-轨道三维空间耦合动力学模型

研究目的：基于车辆-轨道耦合动力学理论分析方法，建立一种高速列车-轨道三维耦合动力学模型，并明确列车-轨道耦合模型与单节车辆-轨道耦合模型在高速列车-轨道耦合动力学性能分析中的差异。
创新要点：建立一种高速列车-轨道三维耦合动力学模型，模型中考虑列车的纵向动力学行为以及车间连接装置对列车中不同车辆动态响应的影响，并基本明确完善的列车-轨道耦合模型在高速列车-轨道耦合动力学性能分析中的重要性。
重要结论：单节车辆-轨道耦合模型会过高地估计高速列车在运营过程中的振动响应和动力学性能指标，而完善的列车-轨道耦合动力学模型的计算结果则更加接近实际情况。

关键词组：高速铁路；高速列车；轨道；列车-轨道耦合模型；车辆-轨道耦合模型

Effect of the first two wheelset bending modes on wheel-rail contact behavior

Shuo-qiao Zhong, Jia-yang Xiong, Xin-biao Xiao, Ze-feng Wen, Xue-song Jin

DOI: 10.1631/jzus.A1400199 Downloaded: 7924 Clicked: 9480 Cited: 5 Commented: 1(p.984-1001) <Full Text><PPT> 2460

Chinese summary   <49>  轮对前2阶弯曲模态对动力学行为的影响

研究目的：扩展动力学模型的分析频域，建立能考虑轮对柔性的车辆轨道耦合动力学系统模型，为研究轮轨磨耗的形成和发展以及轮轨噪声的来源提供基础。
创新要点：利用欧拉梁横向弯曲模型，建立轮轴在垂直于轨道平面和平行于轨道平面内的弯曲振动模型；建立考虑轮轴弯曲的轮对模型与轮轨接触模块之间的耦合关系，进而研究轮轨接触行为受轮轴弯曲变形的影响。
研究方法：1. 把轮轴模拟为欧拉梁，左右车轮模拟为固结于轮轴上的质量块；2. 假设左右车轮始终垂直于轮轴，引入虚拟的两个半边刚性轮对模型，建立轮轨接触模型和柔性轮对耦合的关系；3. 基于多刚体车辆-轨道耦合动力学模型，利用以上柔性轮对模型和此耦合关系，建立考虑轮轴柔性的车辆-轨道耦合动力学模型。
重要结论：1. 建立的刚柔耦合的车辆-轨道耦合动力学模型能够有效地描述轮轴弯曲对轮轨接触行为的影响；2. 在0-150 Hz的随机不平顺激励下，多刚体模型和考虑轮对柔性的模型受到的轮轨力和轮轨接触点轨迹不同；这主要是由第1阶弯曲模态被激发导致。

关键词组：高速铁路车辆；轮轨接触行为；刚性轮对；柔性轮对；模态分析；随机轨道不平顺

Influence of wheel polygonal wear on interior noise of high-speed trains

Jie Zhang, Guang-xu Han, Xin-biao Xiao, Rui-qian Wang, Yue Zhao, Xue-song Jin

DOI: 10.1631/jzus.A1400233 Downloaded: 3695 Clicked: 8947 Cited: 3 Commented: 0(p.1002-1018) <Full Text><PPT> 2510

Chinese summary   <51>  高速列车车轮多边形对车内噪声的影响

研究目的：研究高速列车车轮多边形特征对轮轨噪声和车内噪声的影响规律，讨论目前国内高速列车车轮镟修指标的不足，为高速列车车轮镟修方法的优化改进提供科学依据。
创新要点：系统分析高速列车车轮多边形阶次、幅值和相位等参数对车内噪声的影响规律；提出车轮镟修中仅考虑车轮径跳作为限值是不够的。
研究方法：1. 基于线路试验，初步分析高速列车车轮多边形状态对车内噪声的影响，进而对车轮多边形特征进行剖析；2. 基于带通滤波和快速傅里叶变换，使用MATLAB程序生成不同阶次、幅值和相位的车轮多边形粗糙度数据；3. 基于TWINS轮轨噪声原理，使用HWTNS预测含有不同车轮多边形特性的轮轨噪声；4. 基于混合有限元-统计能量分析（FE-SEA）方法，建立高速列车客室端部车内噪声预测模型，预测车内噪声；5. 通过分析车轮多边形参数、车轮径跳和车内噪声之间的相互关系，研究目前的高速列车车轮镟修指标是否合适。
重要结论：1. 高速列车车轮径跳值相同，但车轮多边形状态不同时，轮轨噪声与车内噪声有明显差异；2. 当车轮多边形幅值相同时，高阶多边形可以引起更高的轮轨噪声和车内噪声；3. 改变车轮多边形的相位，可以获得不同的车轮径跳值，但是对轮轨噪声和车内噪声几乎没有影响。

关键词组：高速列车；车轮多边形；镟修；车内噪声；轮轨噪声

Investigation into external noise of a high-speed train at different speeds

Bin He, Xin-biao Xiao, Qiang Zhou, Zhi-hui Li, Xue-song Jin

DOI: 10.1631/jzus.A1400307 Downloaded: 3614 Clicked: 8238 Cited: 6 Commented: 0(p.1019-1033) <Full Text><PPT> 2281

Chinese summary   <51>  不同速度高速列车车外噪声的调查研究

研究目的：基于声源识别，得出车外噪声分布特性及场点主要噪声源。
创新要点：1. 研究高速列车噪声源强特性及频谱特性；2. 揭示不同速度下不同声源频谱变化规律；3. 分析车外声场场点噪声变化规律及主要声源。
研究方法：1. 利用车外声源识别系统（图2）分析高速列车声源分布规律及频谱特性；2. 利用声源的垂向（图10）分布研究不同声源在各频率下垂向分布规律；3. 利用场点声源与速度的拟合关系（图16）研究场点主要噪声源。
重要结论：1. 高速列车车外噪声源主要分布在轮轨区域、受电弓和车间连接区域；2. 轮轨区域噪声包括滚动噪声和气动噪声，在各频率均为最显著声源；3. 在整个列车高度，轮轨滚动噪声对总噪声贡献率大于气动噪声；4. 车外场点噪声主要频率为630-2500 Hz，主要来自轮轨滚动噪声。

关键词组：车外噪声；声源识别；高速铁路；声暴露级；通过噪声

Report

Recent research on the track-subgrade of high-speed railways

Ren-peng Chen, Jin-miao Chen, Han-lin Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1400342 Downloaded: 3939 Clicked: 6299 Cited: 3 Commented: 0(p.1034-1038) <Full Text>

Chinese summary   <51>  高铁路基近期研究

本文概要：随着高速铁路的快速发展，高铁路基的研究成为一大热点。目前大量的研究工作集中在高铁路基动力响应、工后沉降和长期服役性能。这些工作促进了对高铁路基一般规律的了解，但距准确评价路基在百年服役过程中经受干湿循环、温度变化与动荷载耦合作用下服役性能的改变尚远。本文总结了高铁路基近期的研究成果，并提出了未来的研究方向。

关键词组：高铁路基；动力响应；工后沉降；长期服役性能

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