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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2017 Vol.18 No.8 P.579-676
The Fourth Special Issue on High-speed Railways Technology
Guest Editor-in-Chief: Xue-song JIN
Articles
Experimental analysis of the mechanism of high-order polygonal wear of wheels of a high-speed train
Yue Wu, Xing Du, He-ji Zhang, Ze-feng Wen, Xue-song Jin
DOI: 10.1631/jzus.A1600741 Downloaded: 4560 Clicked: 6697 Cited: 0 Commented: 0(p.579-592) <Full Text><PPT> 2058
创新点：以试验方法为基础，跟踪调查车轮多边形磨耗的发展规律，然后分别对轨道系统和车辆系统开展现场试验，对导致车轮发生多边形磨耗的因素进行排查，探明了车轮多边形磨耗的机理。
方法：1. 进行车轮多边形磨耗跟踪测试；2. 进行轨道结构模态特性测试、钢轨波磨测试和轨道振动响应测试；3. 进行转向架模态特性仿真研究、悬挂系统隔振特性测试以及车辆振动特性跟踪测试。
结论：1. 列车运行时，车轮受到周期性激励作用会发生多边形磨耗，且当激励波长整分车轮周长时，多边形磨耗发展迅速；2. 作为主要激励源，轮轨接触表面出现的车轮偏心、钢轨表面不平顺、轨下支承不均匀、钢轨接头和道岔等激发了转向架系统在550~600 Hz频段内的模态耦合共振，从而导致了车轮多边形磨耗的产生；3. 变速运行可以有效地控制车轮多边形磨耗的产生与发展。
关键词组：高速列车；车轮多边形磨耗；机理；试验研究；模态分析；系统共振频率
Time-domain model for wheel-rail noise analysis at high operation speed
Jian Han, Shuo-qiao Zhong, Xin Zhou, Xin-biao Xiao, Guo-tang Zhao, Xue-song Jin
DOI: 10.1631/jzus.A1600692 Downloaded: 3267 Clicked: 6077 Cited: 0 Commented: 0(p.593-602) <Full Text><PPT> 2139
创新点：基于考虑轮对柔性的刚柔耦合车辆-轨道耦合动力学以及混合有限元-边界元方法，建立高速轮轨噪声时域模型。其中将柔性轮对的时域建模与轮轨噪声预测相结合是本文主要创新点。
方法：1. 通过考虑柔性轮对的车辆-轨道刚柔耦合动力学模型（图1）获得轮轨力，然后基于时域有限元-边界元方法（图3），计算轮轨振动与噪声的时域结果，进而通过傅里叶变换得到频域结果。
结论：1. 考虑轮对柔性与否，对低频轮轨力的影响较小。其主要差别体现在中高频范围，具体表现为：考虑轮对柔性后，当粗糙度波长与轮对固有频率重合时，轮轨力会降低；当粗糙度波长与轮对反共振峰重合时，轮轨力会提高；此外，因为考虑了轮对柔性以及接触的非线性，高频轮轨力的波动比考虑刚性轮对的轮轨力更为明显。2. 在500 Hz以下，考虑柔性轮对和刚性轮对得到的轮对振动和噪声差别不大，而在500 Hz以上的中高频范围内，振动噪声会出现更多的峰值和谷值；在中高频范围内，使用刚性轮对会低估轮轨噪声的水平。3. 轮轨噪声在总体趋势上随着波磨波长的增加而降低；在某些敏感波长对应的频率处，轮对或轨道的模态会被激发，使得轮轨噪声出现局部峰值。
关键词组：振动声辐射；轮轨相互作用；车辆轨道耦合动力学；刚性轮对；柔性轮对；高速列车
Development and validation of a model for predicting wheel wear in high-speed trains
Gong-quan Tao, Xing Du, He-ji Zhang, Ze-feng Wen, Xue-song Jin, Da-bin Cui
DOI: 10.1631/jzus.A1600693 Downloaded: 4096 Clicked: 6756 Cited: 0 Commented: 0(p.603-616) <Full Text><PPT> 2246
创新点：1. 建立一个包含车辆轨道动力学仿真、轮轨局部接触求解、车轮磨耗计算和型面平滑与更新策略的高速列车车轮磨耗预测模型；2. 利用跟踪测试的高速列车车轮磨耗结果对预测模型进行验证；3. 修正USFD磨耗函数，使得预测结果与实测结果更为吻合。
方法：1. 在SIMPACK多体动力学软件中建立CRH3型动车组拖车的动力学模型，对武广高铁的实际线路进行统计，采用统计的虚拟线路代替实际线路；2. 利用FaStrip进行轮轨局部接触求解；3. 采用修正后的USFD磨耗函数进行车轮磨耗计算；4. 利用现场实测数据验证模型的可靠性。
结论：轮轨界面状态对车轮磨耗具有较大的影响；直接采用已有的磨耗模型进行车轮磨耗预测可能会导致一定的偏差，需要对其进行适当的修正才能获得较好的预测结果。
关键词组：高速列车；车轮型面；轮轨接触；车轮磨耗预测
Characteristics of interior noise of a Chinese high-speed train under a variety of conditions
Jie Zhang, Xin-biao Xiao, Xiao-zhen Sheng, Rong Fu, Dan Yao, Xue-song Jin
DOI: 10.1631/jzus.A1600695 Downloaded: 3264 Clicked: 6489 Cited: 0 Commented: 0(p.617-630) <Full Text><PPT> 2237
创新点：系统分析高速列车在不同运行条件下的车内噪声总值变化、空间分布、频谱特性和声源贡献，掌握车内噪声随列车运行速度的变化规律、轨道型式和隧道混响对车内噪声的影响，研究轮轨噪声、气动噪声和弓网噪声对车内噪声的作用。
方法：1. 根据不同的列车运行速度，分析车内噪声的变化规律；通过进一步对比头尾车运行时，不同测点位置的噪声总值、显著频率和声源贡献，研究气动作用对车内噪声的影响。2. 针对不同轨道型式，分析车内噪声的差异特性；通过进一步对比不同速度下的前、后转向架上方车内噪声测点（其中一个还位于受电弓下方）的噪声总值、显著频率和声源贡献，研究有砟和无砟轨道、弓网噪声对车内噪声的影响以及速度因素的作用。3. 对于隧道运行，分析不同速度下在明线和隧道运行时的车内噪声总值和显著频率，研究隧道混响对车内噪声的影响以及速度因素的作用。
结论：1. TC01车无论作为头车或尾车运行，车内观光区的噪声均主要受气动作用影响。2. 随着列车运行速度的提高，轨道型式的不同对车内噪声的影响有所降低。3. 隧道混响对中间车的影响要高于头车。
关键词组：高速列车；车内噪声；声源识别；贡献分析；不同条件；噪声特性
Xin-biao Xiao, Ya-guang Li, Ting-sheng Zhong, Xiao-zhen Sheng
DOI: 10.1631/jzus.A1600697 Downloaded: 3104 Clicked: 6330 Cited: 0 Commented: 0(p.631-647) <Full Text><PPT> 2172
创新点：运用基于傅里叶变换的无限长周期结构动态特性的分析方法，从轨道结构的频散特性、共振特性、振动衰减特性和振动能量（近似声辐射能力）等多个方面对钢轨减振器的参数进行研究；提出荷载移动对振动衰减率的影响问题。
方法：运用基于傅里叶变换的无限长周期结构动态特性的分析方法，结合典型高铁轨道结构，对钢轨减振器的设计参数对轨道结构动力学特性的影响进行研究。研究的动力学特性包括：频散特性、共振特性、振动衰减特性和振动能量（近似声辐射能力）。
结论：1. 加装钢轨减振器会引入新的阻带，从而增加整个阻带的宽度；2. 在移动和不移动的情况下，荷载的振动衰减率是不同的；荷载的高速移动会降低振动衰减率；3. 从阻带尽量宽、振动衰减率尽量大和振动能量尽量小这三方面的要求来看，钢轨减振器的设计频率应该接近原来轨道结构的Pinned-Pinned频率，并且质量越大越好；4. 如果能够保证足够高的阻尼，钢轨减振器的频率可以设计得比Pinned-Pinned频率低。
关键词组：钢轨减振器；轨道动力学；频散曲线；振动衰减率
Jie-ling Xiao, Hao Liu, Jing-mang Xu, Ping Wang, Gan-zhong Liu, Rong Chen
DOI: 10.1631/jzus.A1700058 Downloaded: 2849 Clicked: 5302 Cited: 0 Commented: 0(p.648-659) <Full Text><PPT> 2111
创新点：1. 利用有砟轨道结构足尺试验模型及循环加载装置，测试循环荷载下的道床纵向阻力-位移滞回曲线；2. 根据循环加载试验曲线，构建滞回模型，刻划散粒体道床的纵向承载和传力性能。
方法：1. 通过试验分析，得到散粒体道床在周期性荷载作用下的力-位移曲线（图6、8和10）； 2. 基于试验数据，分析散粒体道床在周期性荷载下的滞回准则，得到不同位移幅值下滞回曲线的演化规律（图7、9和11）；3. 通过图像识别技术，对周期性荷载作用下道砟颗粒的运动规律进行分析，从散粒体道床的细观作用机理分析宏观力学表现（图16~18）。
结论：1. 散粒体道床在循环往复荷载下的纵向阻力-位移曲线为一条封闭的滞回曲线，且存在明显的耗能现象；2. 在位移幅值保持不变的循环过程中，散粒体道床表现出一种循环软化行为；3. 位移幅值不同，道床纵向阻力的衰减率不同，且位移越大，退化效应越明显。
关键词组：散粒体道床；位移幅值；循环加载；纵向阻力
Rong Chen, Jia-yin Chen, Ping Wang, Jing-mang Xu, Jie-ling Xiao
DOI: 10.1631/jzus.A1700134 Downloaded: 3770 Clicked: 6151 Cited: 0 Commented: 0(p.660-676) <Full Text><PPT> 2290
创新点：通过数值仿真，分析轮径差对道岔区轮轨接触性能和轮轨动态相互作用的影响。
方 法：1. 基于迹线法，揭示轮径差对道岔区轮轨接触几何的影响。2. 通过建立轮轨接触有限元计算模型，探讨轮径差对轮轨法向接触性能的影响。3. 通过建立车辆-道岔耦合动力学模型，综合考虑在不同幅值和分布形式的轮径差激励下，车辆通过道岔的轮轨动态相互作用、运行舒适性和磨耗指数评价指标，提出轮径差限值。
结 论：1. 轮径差加剧了道岔区固有结构不平顺。2. 轮径差通过改变轮载过渡位置，对尖轨上的轮轨法向接触性能有较大影响。3. 可根据轮径差幅值将轮径差对道岔区轮轨动力响应的影响划分为三个区域：轮径差小于1.5 mm时，轮缘与尖轨提前接触使轮轨横向力快速增大；轮径差在1.5~2.5 mm时，等值同相轮径差使车辆通过道岔失稳；轮径差大于2.5 mm时，轮缘与尖轨的持续接触增强了车辆稳定性，但增加了轮轨磨耗。4. 建议将轮径差控制在2.5 mm以内，且应控制同相分布轮径差小于2 mm。
关键词组：轮径差；道岔；轮轨接触行为；轮轨系统动力性能；高速铁路