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2022年  第22卷  第2期

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综述
铁道车辆车轮扁疤故障检测技术综述
曾京, 彭莘宇, 汪群生, 张浩, 梁松康
摘要: 从铁道车辆车轮扁疤对轨道的冲击效应及其对车辆零部件造成的损伤出发，系统梳理了检测车轮扁疤的多种方案，对各类车轮扁疤故障检测方法特点进行了讨论，对比了不同检测方法的优缺点，对车轮扁疤故障检测技术体系的发展方向进行了预测。分析结果表明：车轮扁疤故障检测技术可分为车载检测法和地面检测法，其中地面检测法运用较为广泛；现阶段较为成熟的车轮扁疤检测技术按检测手段可主要分为轮轨冲击检测法、超声波检测法、噪声检测法、踏面位移法、振动加速度检测法、图像检测法、光学检测法、轨道电路中断法等；近年来，随着科学技术的发展，又涌现了如多普勒效应法、超声波回声定位法等；随着现代智能算法的进步，应用神经网络等智能算法对设备进行故障识别训练能大大简化设备开发进程和结构，智能算法或将成为车轮扁疤故障识别的主要发展方向；随着时间推移，检测设备的多故障集成化趋势越发明显，多故障检测集成化与功能多样化已是智能化检测设备发展的重要方向之一；未来，操作系统方面的提升也将主要集中于平台的人性化和智能化方面；检测体系建议由正线实时监测、车辆段入库精准检测、数据信息化平台三部分组成，未来发展方向会集中在装置简易化、算法精准化与操作智能化等方面。更多>
2022, 22(2): 1-18. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.001
摘要(949) HTML (393) PDF (13059KB) (218)
车辆通风式制动盘内部通道对流换热研究综述
李杰, 陶龙, 顾佳玲, 陈诚, 陈颖
摘要: 总结了通风式制动盘内部通道对流换热的研究成果，从内部通道的质量流量、对流换热系数和有效散热表面积三方面，分析了不同结构设计对制动盘内部通道换热的影响；从解析法、数值分析法和试验测试法三方面，综述了国内外在对流换热分析和检测方法的研究概况。研究结果表明：在径向叶片制动盘通道内，主要存在2种流动方式，由紧邻叶片吸力侧气流分离引起的回流和在径向通道内部旋转的二次流，抑制回流区的形成可以提高泵送空气质量流量，使通道内的温度分布更加均匀，二次流将促进通道间的空气混合流动和湍流的发展，加强局部剪切应力，改善制动盘散热性能；综合应用射流冲击强化方式(多束流、旋流和多方向射流等)、高孔隙率和类柱状结构优化设计也能够改变流体在通道中的流动状态，这些措施都会使得通道内流体扰动增大，热边界层变薄，壁面附近的速度梯度增大，有效提高了制动盘的对流换热系数，增强了散热能力；采用解析法和数值分析法得到的结果具有很强的理论参考价值，而采用试验测试法所获得的结果更加接近制动盘实际内部温度和气体流速的变化，因此，若能将三者无缝结合，实现优势互补，则最具有科学研究价值；在对高速车辆制动盘结构进行优化设计时，为了获得最大的散热效率，往往忽略了通道内摩擦压降和流动阻力，因此，如何平衡散热与摩擦压降、流动阻力之间的关系，还需进一步深入探索与研究。更多>
2022, 22(2): 19-40. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.002
摘要(699) HTML (277) PDF (10383KB) (77)
轨道交通中异构智融车载网络发展综述
董平, 尹晨洋, 张宇阳, 张宏科
摘要: 从蜂窝无线接入技术、非蜂窝无线接入技术、异构智融车载网络接入技术三方面，分析了国内外轨道交通车载网络的研究现状；针对非蜂窝无线接入技术和蜂窝无线接入技术的问题，阐述了协同利用轨道交通周边异构无线资源进行网络融合、协同通信的优越性；从网络模型、网络架构两方面论述了异构智融车载网络的融合方案；结合智能轨道交通业务需求，从可靠性和资源利用率两方面对现有的异构智融车载网络研究进行了系统性的归类梳理；从人工智能、安全性和云边结合三方面提出未来异构智融车载网络的发展趋势。研究结果表明：异构智融车载网络可靠性分为网络架构的可靠性和数据传输的可靠性，其中在网络架构可靠性方面，主要研究了通过冗余网络架构、车云传输架构、软件定义网络构架和智慧协同网络架构4种方式提升可靠性，在数据传输可靠性方面，主要研究了通过多路径传输、网络编码和切换算法降低传输过程中的丢包率；异构智融车载网络资源利用率分为无线接入的资源利用率和链路调度的资源利用率，其中在无线接入资源利用率方面，主要通过信道状态预测、频谱划分、频移补偿3种方式增加网络吞吐量，提高资源利用率，在链路调度的资源利用率方面，主要通过调度算法、接收缓存算法和拥塞控制算法来减少异构链路对数据传输的影响，降低数据重传次数，提高网络资源利用率。更多>
2022, 22(2): 41-58. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.003
摘要(758) HTML (241) PDF (7965KB) (93)
桥梁结构非线性模型修正研究综述
王佐才, 丁雅杰, 戈壁, 袁子青, 辛宇
摘要: 针对桥梁服役期间由于结构力学性能减弱从而表现出具有时变特征的非线性振动问题，在回顾非线性模型修正发展的基础上，分别从非线性系统识别、非线性模型修正方法和非线性模型不确定性量化3个方面入手，总结了结构非线性模型修正技术中存在的一些关键问题；结合复杂结构损伤识别、性能评估与安全监测等内容，对其在桥梁结构中的应用展开了讨论。研究结果表明：以固有频率和模态振型为代表的响应特征量仅能反映时不变结构的物理特性，对于非线性结构而言其力学性能随外激励作用而不断变化，基于线性系统特征量的模型修正方法不能很好地适用于具有明显时变特性的非线性结构；结构动力响应主分量的瞬时频率和瞬时幅值包含了振动响应信号的相位信息和幅值信息，可以较为全面地反映动力荷载作用下结构响应的非平稳特性，选择具有时变特性的瞬时特征量来构建目标函数能够更为合理地表征非线性结构的动力特性；不确定性模型修正方法通过综合利用实测响应数据，考虑了测量噪声、模型误差和数值计算方法等不确定因素的影响，提高了模型修正结果的准确性；复杂结构非线性模型修正过程中涉及的参数众多，计算量大，极大地限制了其在实际工程结构中的应用，因此，合理选择具有代表性的非线性模型参数以及提高模型修正的计算效率是当前亟需解决的问题。更多>
2022, 22(2): 59-75. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.004
摘要(1074) HTML (356) PDF (2653KB) (123)
道路与铁道工程
有砟高铁捣固作业轨向平顺性控制方法
时瑾, 张雨潇, 陈云峰, 王晓凯, 王英杰
摘要: 为了提升有砟高铁捣固作业质量以满足平顺性控制要求，根据大机作业特征分析了拨道效果影响因素，研究了拨道量范围、拨道策略、拨道量顺坡率、设备精度与作业效果之间的影响关系；结合影响因素分析结果，基于中长波平顺性控制理论建立了拨道方案优化模型，提出了基于拨道量相关性的拨道效果评价方法，实现拨道效果影响因素与拨道方案制定过程的有效结合；在某高速铁路有砟轨道捣固作业之中，验证了轨向平顺性控制方法的有效性。研究结果表明：拨道量过大或过小、拨道量顺坡率超标、拨道策略不利、设备精度不良均容易造成大机拨道作业效果不佳，需在拨道方案制定过程中加强对这些因素的控制和管理；通过在轨向平顺性控制中引入拨道量调整系数，并有效控制中长波不平顺、拨道量限值等参数，可提高计算模型对捣固车固有作业特性的适应能力；基于该方法制定了某作业区段的拨道方案，方案满足轨道平顺性管理要求，符合大机作业特点；采用该方案实施作业后，轨向30 m矢距差降至2 mm，300 m矢距差降至7 mm，降幅分别达到50%和48%；静态轨道质量指数由0.89降至0.64，降幅28%，实践证明提出的轨向平顺性控制方法可有效提升高速铁路有砟轨道平顺性。更多>
2022, 22(2): 76-86. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.005
摘要(384) HTML (207) PDF (9292KB) (61)
高速铁路道岔尖轨不足位移控制方法
王璞, 曾瑞东, 王树国
摘要: 为模拟运营条件下高速铁路道岔转辙器的转换过程，根据高速铁路道岔转辙器的转换特点，在道岔生产车间内建立了客专线18号道岔转辙器转换原型试验平台，采用轴销式称重传感器测量转辙器扳动力，以直、曲尖轨支距实际值与理论值之差为尖轨不足位移；通过转辙器转换试验探索了尖轨预弯、尖轨可动段长度、尖轨固定端扣件支距、滑床板摩擦因数、辊轮高度等因素对尖轨不足位移的影响机制和特征。试验结果表明：现有设计尖轨预弯可使尖轨不足位移下降30%以上；缩短尖轨可动段长度可减小尖轨不足位移，但同时会减小转辙器最小轮缘槽宽，并增大第3牵引点扳动力，尖轨最小轮缘槽宽和最后一个牵引点扳动力是缩短尖轨可动段长度的控制因素；小范围调整固定端所有扣件支距后，尖轨不足位移变化较小，仅减小固定端第1组扣件支距时，尖轨靠近固定端1.2 m范围内不足位移略有降低，其余部分不足位移变化较小；在滑床板上安装辊轮或涂覆润滑剂等减小尖轨与滑床板摩擦因数的措施可有效降低尖轨扳动力和不足位移，实施减摩措施后，扳动力减幅约为30%，不足位移减幅超过20%；改变辊轮高度对尖轨不足位移的影响并不明显，但辊轮高度不宜过低，以防转换过程中辊轮失效导致扳动力和不足位移激增。研究结果可为高速铁路道岔转辙器结构优化和新一代400 km·h-1高速铁路道岔的研发提供参考。更多>
2022, 22(2): 87-98. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.006
摘要(594) HTML (204) PDF (16336KB) (56)
小半径曲线钢轨非对称打磨廓形设计方法
李立, 彭敬康, 崔大宾, 雷鹏程
摘要: 为设计可提升列车小半径曲线通过性能的钢轨非对称打磨目标廓形，对中国现有CN60钢轨廓形进行了几何推导；以钢轨廓形几何参数作为设计变量，以车辆系统多体动力学指标作为综合目标函数，考虑钢轨打磨约束条件，提出了一种针对小半径曲线钢轨非对称打磨廓形的多目标数值优化模型；基于差分进化算法编写了相应的数值计算程序，并选择合理的计算参数求解了优化模型；根据实际线路参数分析了优化后钢轨打磨廓形的轮轨接触几何特性，并验证了列车的小半径曲线动力学性能。研究结果表明：提出的优化方法具有较快的计算速度，优化模型仅迭代了97次即可获得理想的钢轨打磨廓形；非对称打磨使内外钢轨具有差异性的打磨位置与打磨深度，将轮轨对中位置向轨道内侧移动了约10 mm，且不会改变轮缘处的轮轨匹配特性，有效增大了轮对横移10 mm范围内的轮对滚动圆半径差与轮轨接触角差，降低了列车在通过小半径曲线时的轮对横移、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率，提高了转向架的横向稳定性和轮轨磨耗性能；虽然该打磨方式获得的钢轨廓形增大了轮轨接触应力，但并不会引起轮轨塑性变形。由此可见，该设计方法为提高列车的中小半径曲线通过能力提供了一种可行途径。更多>
2022, 22(2): 99-110. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.007
摘要(507) HTML (151) PDF (8202KB) (44)
过度磨耗钢轨的打磨廓形设计方法
林凤涛, 邓卓鑫, 庞华飞, 王松涛, 杨建, 丁军君, 陈道云
摘要: 针对过度磨耗钢轨的打磨，提出一种以圆弧切点为关键参数的钢轨廓形设计方法；以轮轨接触位置为优化区域，以钢轨磨耗和打磨材料去除量作为优化目标函数，以廓形边界范围、凹凸性、脱轨系数和轮轨横向力为约束条件，建立磨耗钢轨打磨设计廓形多目标函数；集成多元模拟退火寻优算法进行求解；为了得到能代表重载线路曲线区段的钢轨廓形，作为优化的输入数据，采用最小二乘距离算法、算术平均算法、加权平均算法和散点重构算法得出4种钢轨代表廓形；使用Pearson相关系数、Kendall秩相关系数和Spearman秩相关系数计算出4种算法的钢轨代表廓形与实测廓形接触点概率分布曲线的相关性，取相关性最高的代表廓形为等效重载线路曲线区段的实际廓形；对某重载线路过度磨耗钢轨的经济性打磨廓形以及采用圆弧型廓形设计方法的优化廓形进行分析。分析结果表明：优化廓形与现场打磨廓形相较，截面廓形磨削量减少69.56 mm2，下降64.98%，脱轨系数小幅增大，轮轨横向力基本不变，轮对横移变化较小，曲线通过性能相近，80万次通过量下的磨耗面积增加2.19 mm2，钢轨的磨耗速率略微增大，整体仍延长了钢轨寿命。更多>
2022, 22(2): 111-122. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.008
摘要(655) HTML (226) PDF (7077KB) (33)
基于残差卷积网络的浮置板轨道钢弹簧损伤检测
朱胜阳, 张庆铼, 袁站东, 翟婉明
摘要: 针对传统故障诊断方法难以有效检测浮置板轨道钢弹簧损伤这一挑战性问题，提出了一种基于一维残差卷积网络的损伤检测方法；建立了车辆-浮置板轨道耦合动力学模型，得到了多种工况下列车通过导致的浮置板振动响应数据集；利用残差卷积网络对不同损伤情形下的振动响应进行特征提取和数据分类，实现了对损伤钢弹簧的准确定位；研究了残差卷积网络在不同传感器布置方案上的检测性能，分析了损伤钢弹簧和传感器之间的复杂位置关系对检测性能的影响规律，优化并确定了经济可靠的传感器布置方案。研究结果表明：传感器的位置越靠近浮置板中部，残差卷积网络对不同损伤情形下的数据分类准确性和鲁棒性越好；传感器的布置数量增多，损伤检测方法的性能也随之改善，但传感器过多地集中于浮置板中部并不会带来显著的性能提升；在浮置板中部的钢弹簧损伤比在浮置板端部的钢弹簧损伤更难识别；损伤检测方法在全覆盖式布置方案下达到了99.11%的分类准确率，对复杂多变的检测情景具有良好适应性，而优化后双传感器布置方案和三传感器布置方案的分类准确率分别达到了98.23%和98.96%，优化后传感器布置方案具有良好的检测性能，同时也保持了损伤检测方法对复杂情景的适应性。更多>
2022, 22(2): 123-135. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.009
摘要(476) HTML (179) PDF (6941KB) (60)
基于列车振动的高速铁路桥墩沉降控制阈值
陈兆玮, 翟婉明
摘要: 为保障高速铁路桥墩沉降区域的列车运行安全平稳性，提出了一种基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论的高速铁路桥墩沉降控制阈值研究方法；探讨了既有标准中的桥墩沉降限值，并确定了影响桥墩沉降控制阈值的关键因素；基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论，考虑轨道随机不平顺、轮轨非线性接触关系等非线性因素，建立了考虑桥墩沉降和多影响因素的高速列车-轨道-桥梁耦合动力学模型；在此基础上，研究了多因素条件下桥墩沉降对列车-轨道-桥梁系统的影响，并从保证列车安全平稳运营的角度提出了适用于中国高速铁路桥墩沉降的控制阈值。研究结果表明：研究高速铁路桥墩沉降控制阈值时不能忽略轨道随机不平顺、温度作用、混凝土收缩徐变等因素的影响；随着桥梁跨度的增大，混凝土收缩徐变和温度作用导致车体垂向加速度和轮重减载率增大，桥墩沉降则导致上述指标减小；考虑多因素后，车体垂向加速度和轮重减载率与不考虑这些影响因素相比明显增大；随着桥墩沉降的增大，列车通过不同不平顺样本时车体垂向加速度和轮重减载率均超标；为保证列车运行安全性与乘坐舒适性，高速铁路桥墩沉降控制阈值建议为10 mm；在本文得到的控制阈值基础上进一步考虑施工误差等其他因素即可得到准确的标准限值，研究结果可为桥墩沉降限值的最终确定提供研究方法和数据支撑。更多>
2022, 22(2): 136-147. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.010
摘要(446) HTML (146) PDF (12300KB) (49)
图像分块下的隧道裂缝识别方法
尹冠生, 高建国, 史明辉, 靳明珠, 拓宏亮, 李昌, 张博
摘要: 针对隧道衬砌表面不均匀光照、渗水和噪声等强视觉干扰，设计了基于图像分块的隧道衬砌裂缝检测算法；根据中国西部地区的地理特征和隧道衬砌的外观病害，研制开发出一种快速、自动化的非接触式智能隧道结构物外观检测系统; 以非均匀光照下隧道图像数据集为研究对象，在图像分块的基础上提出一种适用于隧道裂缝特征提取的图像识别算法；研究了电子元件产生的噪声，并分析和总结了隧道衬砌的灾害特征；根据裂缝特征和分辨率将图像矩阵划分为适当数量的区域块，根据区域块的灰度特征将原始图像划分为目标背景区、目标病害区、病害背景区和其他区域，通过最大类间方差法和局部阈值法分割得到了隧道裂缝的粗图像，在此基础上进行了粗图像裂缝特征提取；对原始图像的每个区域块进行了对比度受限的自适应直方图均衡操作和局部阈值分割，得到了细节图像；将细节图像和粗图像的重叠区域设为理想裂缝二值化图像；结合隧道结构物外观检测系统对不同方向的裂缝图像进行了二值化试验，并通过隧道裂缝定位和投影法得到了隧道衬砌图像中裂缝的位置信息和方向。研究结果表明：提出的算法对隧道裂缝识别的准确值、召回率和F值可分别达90.34%、98.78%和94.37%，既可以保证隧道裂缝的完整性，也可以在非均匀光照下最大程度地保留目标裂缝的细节，可用于处理一般灰度图像的二值化问题。更多>
2022, 22(2): 148-159. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.011
摘要(557) HTML (182) PDF (20682KB) (91)
考虑各向异性形貌特征的岩体结构面刚度计算模型
包含, 胥勋辉, 兰恒星, 晏长根, 许江波, 刘长青
摘要: 为了实现岩体结构面切向刚度和法向刚度的便捷化精准取值，准确分析结构面变形行为特征，以关山隧道闪长岩结构面为例，对结构面形貌信息进行数字化提取，应用3D打印技术制作结构面试样，开展单轴压缩与各向异性直剪试验，提出了各向异性新形貌参数，建立了结构面切向刚度与法向刚度计算新模型。研究结果表明：新形貌参数综合考虑了结构面起伏体上坡段的爬坡角与爬坡高度，有利于反映结构面形貌的各向异性特征，并且同一方向上结构面剖面线的形貌参数服从对数正态概率分布；在物理模型力学试验的基础上，结合结构面形貌参数、结构面壁面强度和法向应力构建的结构面切向刚度计算新模型，不仅降低了计算参数的获取难度，还可以更好地体现结构面切向变形能力的各向异性；改进的双曲函数法向刚度计算模型考虑了结构面初始法向刚度和最大法向闭合量与结构面壁面强度之间的量化关系，避免了复杂的力学测试，简化了法向刚度的获取过程；通过与经典计算模型和力学试验结果进行对比，发现采用新模型计算的刚度更为接近试验值，其中切向刚度与试验值的平均相对误差为2.09%~27.88%，法向刚度与试验值的平均相对误差为3.25%~17.25%，表明结构面切向刚度和法向刚度计算新模型可以更准确和便捷地获取结构面变形参数。更多>
2022, 22(2): 160-175. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.012
摘要(369) HTML (109) PDF (18742KB) (41)
北京市隧道下穿施工引起城市路面沉降的影响规律回归分析
伍毅敏, 刘延安, 王恒, 韩大有, 陈子凡, 王超
摘要: 以朝阳区某热力工程顶管隧道引起路面沉降问题为例，对比分析了现场实测值与仅考虑自然因素的理论计算值；以北京市279个隧道下穿道路工程为样本，应用Stata 14.0统计软件对影响路面沉降的4项设计因素、3项施工因素和9项人为因素开展了多元回归分析，并采用替换施工方法、增减解释变量的方法验证了回归分析的稳健性，获得了各因素影响路面沉降的弹性系数、标准误及置信等级。研究结果表明：实际工程路面沉降的实测值与理论计算值相差很大，与路面是否有移动荷载、隧道上覆土体厚度等相关，最大可达3.75倍；在自然因素中，地层条件、施工方法、路面移动荷载和隧道直径的影响显著，影响程度依次降低；在人为因素中，监理旁站的影响极为显著，而施工人员工作年限、是否有技术交底等也有明显影响；在采用非开挖技术施工下穿道路工程时，不仅要通过减少人工顶管、加快施工速度、加强同步注浆来减小路面沉降，还应当高度重视施工方法与工艺、人员组织、过程监管。研究结果可为隧道下穿城市道路施工的技术管理、安全评估和行政审批提供参考。更多>
2022, 22(2): 176-186. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.013
摘要(468) HTML (125) PDF (8251KB) (50)
多车道高速公路超高过渡段积水分布数值模拟与规律分析
赵建有, 郭万江, 贾兴利, 陈星澎
摘要: 为了揭示多车道高速公路超高过渡段积水分布规律，基于流体动力学理论，选取典型多车道高速公路超高过渡段设计参数，利用道路BIM设计软件建立了40组三维道路模型；分析了路面积水量和排水设施径流量的关系，建立了考虑排水设施与路面构造深度影响的降雨模拟方案；采用离散相模型和多相流模型耦合，模拟了降雨条件下的路面积水状态；分析了不同组合参数下的超高过渡段积水厚度数据，得到了合成坡度、道路宽度、降雨强度与超高渐变率对积水厚度的影响模式，计算了各车道最大积水厚度，分析了六车道、八车道高速公路积水横向分布规律。研究结果表明：积水厚度与合成坡度、超高渐变率负相关，与降雨强度、道路宽度正相关，其中降雨强度对积水厚度的影响最大，超高渐变率对积水厚度的影响最小；合成坡度为2.02%~8.54%，降雨强度为1~5 mm·min-1时，多车道高速公路超高过渡段最小积水厚度为0.58 mm，最大达到28.35 mm；当降雨强度为5 mm·min-1时，高速公路超高过渡段内外侧车道最大积水厚度差异明显，六车道由内侧车道到外侧车道的最大积水厚度比例为1.0∶3.1∶3.3，八车道为1.00∶0.96∶1.03∶1.36；多车道高速公路超高过渡段积水厚度峰值先出现在道路中间附近，然后向外侧移动，最大积水厚度一般出现在外侧车道。更多>
2022, 22(2): 187-196. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.014
摘要(514) HTML (195) PDF (3959KB) (71)
载运工具运用工程
考虑旋转效应的弹性车轮降噪效果与影响参数研究
圣小珍, 葛帅, 成功, 周信, 黄振鑫
摘要: 以某款弹性车轮及其原型普通车轮为研究对象，在考虑车轮旋转带来的移动荷载效应和陀螺效应的前提下，应用2.5维结构有限元法和2.5维声学边界元法预测车轮在给定轮轨粗糙度激励下的振动和声辐射；针对40、80和120 km·h-1三个运行速度，分析了弹性车轮的降噪机理，研究了弹性车轮橡胶层的材料参数对弹性车轮降噪效果的影响。研究结果表明：车轮旋转使得原本非0节径模态频率处的声功率峰值分叉为2个峰值，其中一个峰值频率比原模态频率高，另一个峰值频率比原模态频率低，2个峰值频率差近似等于车轮的旋转频率乘以2倍的模态节径数；在所考虑的工况下，车轮旋转对车轮声辐射的影响最高达3.2 dB(A)，因此，在预测车轮的声辐射时，必须考虑旋转对预测结果的影响；如果橡胶弹性模量太小，则轮箍容易振动，从而有可能辐射比普通车轮更高的噪声；从车轮声辐射的角度，橡胶弹性模量存在一个最佳值，在这个值下，弹性车轮的声功率最低，且低于原型车轮的声功率10 dB(A)以上；增加橡胶阻尼总是有利于车轮噪声的控制，但增加阻尼产生的降噪效果随橡胶弹性模量的增大而降低；对于同一弹性车轮，随着运行速度的提升，相对原型普通车轮的降噪效果不断降低，速度从40 km·h-1增大到120 km·h-1，降噪效果降低达4 dB(A)以上。更多>
2022, 22(2): 197-207. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.015
摘要(315) HTML (102) PDF (7817KB) (37)
三维弹塑性轮轨滑动接触热机耦合分析
杨冰, 戎有鑫, 阳光武, 肖守讷, 朱涛
摘要: 为提高轮轨滑动接触热响应分析的准确性，基于Johnson-Cook材料模型，充分考虑含摩擦因数在内多种材料属性的温度相关性、3种热传递方式和轮轨实际廓形，建立了全比例三维弹塑性轮轨滑动接触有限元模型，采用完全耦合法对滑动接触状态下的轮轨进行热机耦合分析；研究了车轮以1 m·s-1速度沿钢轨滑行0.1 s时的轮轨温度场和应力场分布特性，分析了轴重、相对滑动速度对轮轨接触区温度场的影响，得到了热影响层深度、热影响层宽度、轮轨表层温度随轴重、相对滑动速度的变化关系。分析结果表明：轮轨最大等效应力发生在次表层接触斑中心处，车轮表层最高温度发生在接触斑后半部分中心处，车轮表层最高温度为848 ℃，钢轨表层最高温度为768 ℃，钢轨表层最高温度低于车轮表层最高温度；轮轨热影响层很薄，车轮热影响层深度约为4.22 mm，钢轨热影响层深度约为3 mm；轮轨热影响层深度随轴重增大无明显变化，而宽度随轴重的增大而增大，轮轨热影响层深度随相对滑动速度的增大而减小，而宽度随相对滑动速度增大无明显变化，轮轨表层温度随轴重和相对滑动速度的增大而增大，且相对滑动速度对轮轨热响应影响更大。全比例三维弹塑性轮轨滑动接触有限元模型及热机完全耦合法能够更加准确地预测轮轨滑动接触热响应，对合理开展轮轨热损伤和热疲劳研究具有重要意义。更多>
2022, 22(2): 208-218. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.016
摘要(427) HTML (134) PDF (6833KB) (22)
基于台架仿真模型的高速列车齿轮箱轴承动载荷获取方法
豆硕, 刘志明, 李强, 任尊松, 杨广雪
摘要: 为获取高速列车齿轮箱轴承在服役振动环境下的动载荷，由动力学软件SIMPACK建立了某型高速列车齿轮箱台架仿真模型；基于谱修正的多点相干随机振动控制算法，通过虚拟激振器施加纵向、横向、垂向的轴箱实测加速度功率谱，再现了齿轮箱受到的多点相干线路激励；通过台架仿真模型获取了齿轮箱输入轴电机侧圆柱滚子轴承在服役振动环境下的轴承径向载荷、轴承中心轨迹和滚子与外圈滚道接触载荷。研究结果表明：通过谱修正控制算法，在优化速度指数为0.3，进行10次迭代后，轴箱的仿真与实测加速度功率谱相对误差趋于稳定，最大相对误差小于10%；不同的电机输入扭矩下，有无线路激励齿轮箱轴承动载荷表明，电机输入扭矩决定了齿轮箱轴承动载荷均值，而线路激励是齿轮箱轴承动载荷波动的主要原因；频谱分析显示，线路激励增大了轴承径向载荷在中低频带与齿轮啮合频率处的能量；同时线路激励增大了滚子与外圈滚道接触载荷，但是接触载荷的接触区和均值无明显变化；当无线路激励时，轴承中心轨迹沿齿轮的压力角振动，与垂直轴夹角为26°；线路激励使轴承中心轨迹波动范围更大、更随机，在方向上没有明显特征。可见，电机输入扭矩和线路激励是高速列车齿轮箱轴承动载荷的主要来源，台架仿真模型可为高速列车齿轮箱轴承动响应评估和载荷谱建立提供有价值的参考。更多>
2022, 22(2): 219-232. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.017
摘要(262) HTML (103) PDF (18692KB) (31)
船舶救助艇释放运动建模与仿真
邱绍杨, 任鸿翔, 张秀凤, 王德龙, 孙健, 肖方兵
摘要: 采用Kane方法建立了救助艇释放运动模型，考虑了救助艇、柔性吊臂、吊索及船舶之间耦合运动；采用集中质量法建立了吊臂模型，根据弹性应变能函数及耗散函数计算了吊臂的内力；将救助艇和船舶之间的碰撞分为压缩和恢复2个阶段，分别根据赫兹接触理论和永久凹坑的接触力模型计算碰撞力；将吊臂模型与基于伯努利-欧拉梁理论的模型对比，稳定状态的吊臂形状基本一致；将救助艇释放运动模型与现有方法对比，进行了横浪条件下救助艇释放仿真试验与救助艇轨迹在水平和竖直方向的误差分析。分析结果表明：在波高为3 m，波长为245 m时，本文方法的平均绝对误差分别为0.11和0.12 m，现有方法的平均绝对误差分别为0.54和0.34 m；在波高为2 m，波长为60 m时，本文方法的平均绝对误差分别为0.09和0.14 m，现有方法的平均绝对误差分别为1.72和0.31 m；本文方法平均绝对误差均低于现有方法，可见本文方法提高了横浪条件下救助艇释放运动的计算精度；与碰撞试验对比，水平和竖直方向加速度峰值的相对误差分别约为0.5%和60.0%，水平方向加速度的峰值具有较高精确度，可见救助艇释放运动模型可用于辅助分析碰撞试验；根据救助艇释放运动模型，横浪条件下，为避免发生碰撞，4级海况时，救助艇与船舷初始距离最小为2.0倍艇宽，5级海况时，救助艇与船舷初始距离最小为2.5倍艇宽。更多>
2022, 22(2): 233-245. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.018
摘要(419) HTML (109) PDF (11151KB) (47)
交通运输规划与管理
非自由交通流的non-FIFO车辆轨迹估计算法
胡尧, 赵睿莎
摘要: 将三角基本图的交通状态细分为自由流、中断和拥堵；基于非自由流特性，重新划分了U型时空域，以此找到适合的波速范围；重新确定了上游边界累积流量，使得边界函数刻画不过于宽泛；建立了非自由流Newell模型，并提出了使用该模型的判断条件；引入了车辆秩参数，达到在多车道上描述车辆超车现象的目的，并建立了更精确的车辆秩估计模型，从而建立了非自由流Newell扩展模型；提出了针对非自由流下2种情形的车辆轨迹估计算法，根据是否存在超车现象分为先进先出(FIFO)情形与非先进先出(non-FIFO)情形；结合数值模拟和实际交通案例，验证了算法的有效性。研究结果表明：2种情形下的轨迹估计算法都是有效的，当超车现象存在时，non-FIFO情形的估计效果较准确和稳健；在数值模拟研究中，non-FIFO情形的估计误差相对FIFO情形下降13.45%，non-FIFO情形更优；实际交通案例中，2个小汽车数据集在non-FIFO情形的估计误差相对FIFO情形均有所下降，下降幅度分别为2.38%、2.04%，且估计误差均服从高斯混合模型；公交车数据集因不存在超车现象，non-FIFO与FIFO情形的估计误差相等，均为4.90%，且估计误差服从伽马分布。可见，所建立的非自由流Newell模型对于中断多或拥堵状态占比多的交通数据均是有效可行的，且所提出的non-FIFO和FIFO情形的轨迹估计算法效果表现良好。更多>
2022, 22(2): 246-258. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.019
摘要(472) HTML (88) PDF (3528KB) (65)
连续交通网络设计的全局双层多项式优化模型
俞礼军, 陈睿
摘要: 提出了一种面向典型连续交通网络设计问题的全局双层多项式优化模型，其函数均为多项式，且下层问题为凸问题；上层问题旨在优化网络性能，下层问题用来刻画确定性用户均衡(DUE)交通流模式；利用Fritz John条件和乘子代替下层规划，将提出的双层多项式优化模型转换为等价单层优化问题，并利用矩半定规划(MSDP)方法得到其全局最优解；利用矩矩阵的秩作为保证全局最优性的充分条件，并估计全局最优解的个数；给出了最优道路收费问题的数值算例，用提出的双层多项式优化模型描述了算例中的最优道路收费问题，并通过Wardrop用户均衡约束调整现有路段上的交通流量，使总通行费收益最大化。研究结果表明：该简单算例的最大收益为13.5元，同时可以得到该算例的矩矩阵的秩为1，从而证明了该结果的全局最优性，提出的方法克服了均衡约束数学规划(MPEC)法和值函数法等现有求解双层优化问题的经典算法由于连续交通网络设计固有的非凸性，只能找到局部最优的问题；提出的全局双层多项式优化模型与算法为典型连续交通网络设计提供了更好的探索工具。更多>
2022, 22(2): 259-267. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.020
摘要(550) HTML (148) PDF (1161KB) (83)
高密度航天发射期间亚轨道碎片危险区快速预测与改航路径规划方法
陈万通, 田书雨
摘要: 面对愈发频繁的商业亚轨道发射活动中可能出现的航空器潜在解体风险，利用协方差传播方法预测亚轨道解体事故中碎片的传播范围；将碎片运动方程转换为高斯马尔可夫过程，利用概率密度函数构造高斯马尔可夫过程在一定置信度下的概率椭球表征碎片分布；为避免亚轨道解体事故碎片对民航空域内的飞机造成碰撞风险，提出一种面向空管的亚轨道碎片危险区预测与路径规划方法；根据民航可接受的风险概率确定亚轨道碎片概率椭球的数学边界，计算概率椭球在水平方向的投影，利用几何方法将碎片危险区处理成凸多边形；通过改航点数量约束方法减少改航路径中改航点的数量，有利于飞机平稳改航。仿真结果表明：协方差传播方法在复杂大气环境中能够快速有效地预测出亚轨道解体事故碎片的传播过程，分别显示出置信度为99.999%和95.000%的椭球边界范围，置信度越高，概率椭球边界范围越大，越接近真实碎片下落传播范围；利用改航点数量约束方法优化后的改航路径距离相比约束前增加了0.13%，但改航点数量减少了50%。可见，利用协方差传播方法可及时、准确预测亚轨道解体事故碎片的传播范围，并在此基础上提出高效、安全的改航策略。更多>
2022, 22(2): 268-276. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.021
摘要(304) HTML (99) PDF (2708KB) (15)
基于铁路货运能力的集港集装箱班列组织优化
连峰, 杜怡颖, 杨忠振
摘要: 基于大数据挖掘的方法估算了铁路车站间OD客流，调查分析了铁路乘客对高铁和普铁的选择偏好，确定了高铁开通后普铁线路客运的供需关系与均衡，把普铁线路上的客流转换成相应的旅客列车列数，以此计量客运占用的普铁的通过能力；评估了各普铁路段的总通过能力，基于扣除系数法计算普铁各路段剩余的货运能力，并进一步在普铁线网上根据集装箱进港量确定集装箱班列枢纽站的候选集；将候选枢纽站的班列发车频率作为离散的内生变量，基于现实中的干线公路网络和普铁网络构建枢纽站选址和发班频率优化模型，求解模型，确定集装箱铁路集港服务网络的经济技术指标；以上海港和宁波港及其腹地为案例进行数值分析。计算结果表明：在案例的空间范围内的普铁运输线上，日均通过能力最小为79列，最大为137列；基于普铁各路段剩余的货运能力，计算得出各集装箱班列枢纽站的日均发班频率最小为6列，最大为19列；由计算得到的普铁路段上的流量可以看出，铁路运送到上海港和宁波港的日均集装箱量分别为13 677、12 094 TEU，分别占2个港口日均到达总量的25%和33%，相比目前占比5%~7%有大幅度增加。更多>
2022, 22(2): 277-286. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.022
摘要(461) HTML (171) PDF (2836KB) (74)
基于动态流场数据的虚拟港口建模方法
陈立家, 王凯, 魏天明, 郝国柱
摘要: 为了实现港口数字化升级，提出了一种基于动态流场数据的虚拟港口建模方法；采用三维重建模型从无人机倾斜摄影影像数据中重建了港口几何特征，获取高精度三维模型；引入了基于二次误差度量的边折叠算法简化模型，以避免数据量过大致使渲染效率低的问题；分析了欧拉法数值计算过程中的高耗时环节，建立了神经网络模型学习流场演化特征，加速投影项计算得到实时变化的流场数据，通过流场数据驱动水流动态渲染，结合光滑粒子流体动力学方法表现水流与船舶、陆地的交互动态，在保证渲染实时性的同时，提高渲染真实感。研究结果表明：重建的港口三维重建模型顶点数量可达3 320 937个，重建的网格模型在Meshlab中渲染频率为78.7 Hz；经过模型简化降低90.0%的模型顶点数量后，模型顶点数量缩减为332 836个，渲染频率提升至108.7 Hz，模型简化后几何误差小于2.0%；在256×256的流场网格下，采用神经网络加速的网格流体计算方法所得水流速度场平均更新间隔约为17 ms，平均仿真精度为88.6%；通过开源图像引擎驱动流场数据和港口三维模型，平均渲染频率可达50.5 Hz。可见，该方法可有效解决高精度实时渲染中的关键问题，以达到仿真精度与渲染效率间的动态平衡，在精度损失较小的情况下实现较高精度的虚拟港口建模与实时动态仿真。更多>
2022, 22(2): 287-297. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.023
摘要(449) HTML (189) PDF (19437KB) (61)
交通信息工程及控制
基于实时监测参数的民用飞机重着陆预警方法
蔡景, 蔡坤烨, 黄世杰
摘要: 针对目前民用飞机重着陆事件的识别只能通过飞行员事后上报和维修人员被动检查的问题，提出了一种基于实时监测参数的民用飞机重着陆预警方法；分析了飞机重着陆的影响因素，在对快速存取记录器数据预处理的基础上，采用灰色关联度分析方法，从飞机重着陆相关的52个监测参数中提取了26个特征监测参数；以着陆质量、垂直加速度、垂直下降率和俯仰率等4个重着陆评价参数作为预测参数，26个特征监测参数作为输入，建立了基于长短期记忆网络的飞机重着陆预测模型；采用重着陆案例数据对预测模型进行训练，分析了飞行高度区间、输入输出步长对模型预测精度的影响，进而对模型进行了优化；在案例验证中引入混淆矩阵验证了模型的预测效果。研究结果表明：利用长短期记忆网络所建立的民用飞机重着陆预警方法有效利用了实时监测参数中反映重着陆趋势的信息，实现了飞机的重着陆预警，在提前8 s预警的情况下，预测精度达到了98%，平均绝对误差仅为0.018 3，可为飞行员提供足够的时间裕度采取措施，避免重着陆的发生。更多>
2022, 22(2): 298-309. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.024
摘要(583) HTML (142) PDF (6920KB) (43)
基于正态云模型和模糊层次分析法的列车通信网络性能评估方法
贺德强, 柳国强, 陈彦君, 苗剑, 姚晓阳
摘要: 为保证高速列车安全、可靠运行，研究了列车通信网络性能评估方法；综合考虑列车通信网络的实时性、可靠性和服务质量，建立了合理的列车通信网络性能评价指标体系，采用模糊层次分析法确定列车通信网络性能评估指标的权重；考虑列车通信网络评估过程中具有不确定性，构建了基于正态云模型和模糊熵的二维评估模型；建立了基于交换式以太网的大容量和高可靠性列车通信网络仿真平台，获取各指标样本数据，运用二维评估模型计算各指标的隶属度，依据模糊理论最大隶属度法则确定列车通信网络性能等级。研究结果表明：在列车通信网络状态良好时，60%评估样本的网络性能等级为Ⅰ、Ⅱ级，在网络丢包率和误码率较大时，40%评估样本的评估等级为Ⅲ、Ⅳ级，表明二维评估模型能够有效地反映列车通信网络状态；与仅运用模糊综合评价法相比较，两者的评估结果基本一致，反映了二维评估模型的准确性；模糊综合评价法不能消除评估过程中不确定性因素的影响，从而导致评估结果缺乏精确度，因此，提出的方法更适合于列车通信网络性能评估。更多>
2022, 22(2): 310-320. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.02.025
摘要(453) HTML (198) PDF (1701KB) (49)

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