中国机械工程

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2019, 30(03): 0.

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[表面强化及损伤机理]钢轨表面宽带激光淬火工艺及其疲劳磨损性能

杨志翔, 王爱华, 熊大辉, 张琨, 罗小华

2019, 30(03): 254-260.

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针对目前钢轨强化采用的欠速淬火方法存在强化层硬度偏低、耐磨性难以满足重载线路使用要求的问题，使用3种不同光斑宽度的激光，研究了U71Mn材质钢轨的激光淬火强化工艺，获得了不同扫描速度下的临界功率和淬火层深，并测试了淬火层在滚动接触条件下的磨损与接触疲劳性能。结果表明：在临界熔化的激光能量密度下，光斑宽度由6 mm增加到20 mm时，淬火层深度提高了38%，或在获得相同的淬火层深度情况下，处理效率提高6.8倍；淬火层组织为针状马氏体，硬度从原来的300HV提高到800HV以上；20万周次的磨损试验后，激光淬火试样的磨损量只有未处理试样磨损量的25%，未处理试样以表面接触疲劳剥落和塑性变形为主，激光淬火试样仅有轻微的疲劳磨损，耐磨性和抗接触疲劳性能优异。

[表面强化及损伤机理]高速铁路钢轨打磨偏差对车辆动力学性能的影响

池茂儒, 蔡吴斌, 梁树林, 李奕潇, 孙建锋, 金学松, 何翔

2019, 30(03): 261-265,283.

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针对我国高速铁路存在的两种典型的钢轨打磨偏差，建立了我国某型动车组车辆多体动力学模型，仿真分析了轨肩过度打磨和轨头过度打磨对轮轨接触匹配关系、车辆稳定性及车辆运行品质的影响。结果表明：当轨肩过度打磨时，轮轨接触点位置会偏向于踏面外端和轨头部分，导致等效锥度变小，容易诱发一次蛇行（即“晃车”）现象，在一次蛇行对应的速度区间，车辆横向加速度增大，平稳性更差；而当轨头过度打磨时，轮轨接触点位置会集中在踏面喉根圆部分和轨肩部分，引起等效锥度异常增大，引发车辆二次蛇行失稳，容易触发动车组构架横向加速度“报警”。因此，为了提高动车组稳定性，改善运营品质，在钢轨打磨过程中，应该严格控制打磨精度，以标准廓形为目标廓形。

[表面强化及损伤机理]一种高鲁棒性的钢轨表面缺陷检测算法

彭方进

2019, 30(03): 266-270.

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利用机器视觉技术检测钢轨表面缺陷时，存在背景光照复杂、车载检测设备与钢轨相对位置发生变化等情况，严重影响了缺陷检测的准确率，为此，提出基于灰度标准差与投影积分的钢轨表面区域定位算法和基于多尺度灰度对比度的增强算法。定位算法利用灰度标准差排除复杂背景的干扰，通过投影积分获取精确的钢轨表面区域；综合不同尺度空间的灰度对比度，将钢轨表面区域图像转化为灰度对比图，实现钢轨表面缺陷的增强；采用迭代阈值分割法提取钢轨表面的缺陷。实验结果表明：提出的钢轨表面缺陷检测算法在几种不同拍摄条件下漏检率均低于6%，准确率均高于93%，用于高速有砟轨道无缝钢轨表面缺陷检测时具有较高的鲁棒性。

[表面强化及损伤机理]基于结构整体性评估程序和失效评定图方法的含裂纹缺陷钢轨安全性评定

于辉, 邹海贝, 李伟, 翟建伟, 刘利刚,

2019, 30(03): 271-278.

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为了研究不同工作状态下不同尺寸裂纹的扩展临界条件，通过实验得到了安全性评估过程需要的力学参数和断裂力学参量，采用相互作用积分法计算轮轨接触时含表面裂纹钢轨的裂纹尖端应力强度因子，并通过计算有效净截面应力得到参考应力。采用结构整体性评估程序和失效评定图（SINTAP-FAD）方法，根据0级失效评定曲线对含表面裂纹缺陷钢轨分别在车轮静止状态下与运动状态下进行了安全性评定。结果表明：车速对钢轨表面裂纹状态的影响较大，与车轮静止状态时评价点位于安全区的情况相比，列车运动时的评价点多向不安全区域发展，并造成了裂纹扩展。

[表面强化及损伤机理]硌伤形貌对车轮材料滚动接触疲劳特性的影响

赵相吉, 师陆冰, 王文健, 郭俊, 刘启跃

2019, 30(03): 278-283.

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采用重力摆锤在车轮试样表面冲击出不同形貌的硌伤坑，基于改进后的MMS-2A 型微机控制摩擦磨损试验平台，研究了未硌伤车轮以及两种硌伤形貌车轮的滚动接触疲劳特性。结合ABAQUS仿真分析的车轮硌伤后残余应力分布情况，探讨了硌伤坑附近裂纹的萌生及扩展机制。结果表明：与未硌伤车轮相比，车轮硌伤处次表层材料沿踏面垂直方向上出现的残余拉应力有助于促进裂纹的萌生和扩展。相同冲击能下，球形硌伤坑附近裂纹长度和角度均大于道砟形硌伤坑附近裂纹长度和角度。球形硌伤坑边缘次表层裂纹的裂纹面较宽，并沿着45°的扩展角度向内部扩展。

[表面强化及损伤机理]钢轨打磨机理研究进展及展望

周坤, 王文健, 刘启跃, 郭俊

2019, 30(03): 284-294.

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综述了钢轨打磨过程中材料的去除机理，主要包括钢轨打磨时材料的去除模型、钢轨打磨温度场，并在此基础上介绍了不同打磨参数、打磨磨石与打磨工况下钢轨材料的去除行为，提出了钢轨打磨效率和打磨质量相互作用机制，总结了钢轨打磨对轮轨滚动接触疲劳的影响因素。提出了未来重点研究方向建议：开展针对磨石特性（如磨料成分、结合剂、粒度、硬度、气孔等）的研究，研发适合我国钢轨的打磨磨石，以提高打磨作业效率和质量，降低打磨作业成本；进一步开展其他特殊工况下的钢轨打磨试验；将钢轨打磨与其他铁路维护作业相结合，在保证轮轨接触状态良好的条件下延长钢轨使用寿命。

[BIM模型与智能设计]高速铁路线性BIM模型快速拉伸算法研究

刘奥

2019, 30(03): 295-299.

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针对目前BIM软件在建模过程中存在的难以快速对实体进行拉伸的问题，提出了BIM软件中的快速拉伸算法，包括二维平面曲线离散转三维空间曲线算法和平面空间变换几何算法; 开发出针对高速铁路项目的专用BIM模型拉伸工具，实现了高速铁路线性BIM模型的快速拉伸; 基于所提算法在实际高速铁路项目中开展了区间三维设计，实现了高速铁路线性BIM模型的快速创建，且设计效率提高了100%。

[BIM模型与智能设计]一种新型铁路轨道检测小车的设计与分析

付文龙, 王培俊, 李文涛, 郑小江, 陈亚东

2019, 30(03): 300-305.

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针对目前轨道手工检测效率低下、检测项目单一和高速轨道检测小车普及率不高的现状，为适应光学视觉检测需要，设计了一种可折叠的轻量化半T形检测小车，以同时满足激光检测和三维结构光检测的需求。为解决普遍存在的轨道检测小车车架与钢轨纵向难以保证垂直的问题，设计了柔性侧压机构，使车架不发生偏移。应用D-H法构建运动学模型，求解机构末端侧压轮的正运动学问题，论证了柔性侧压机构的侧压轮能紧贴钢轨内侧面以适应各种轨道的轨距变化。为小车建立力学分析模型，确保小车在静态下不会侧翻、脱轨，验证了机构设计的合理性。制造了物理样机，并进行了现场试验。结果表明，检测小车运行时垂直度好、自调节能力强，满足检测要求。

[BIM模型与智能设计]高速铁路综合维修设施工艺智能设计系统的开发与应用

赵铁柱, 崔万里, 孟庆宇, 陈荣顺, 王小岑, 许勇

2019, 30(03): 306-309.

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研究了基于地理信息系统的智能布点技术、全过程数字设计技术，形成了高铁综合维修设施工艺设计全过程数据标准。开发了一套高速铁路综合维修设施工艺智能设计系统，实现了维修设施布局方案的可视化、全过程设计文件的智能输出及全套图纸的参数化驱动。相较于传统的布点技术，采用该系统设计效率与设计标准化程度均大幅提升。

[BIM模型与智能设计]基于时间Petri网的断路器虚拟装配系统研究

杨艳芳, 贺焕, 舒亮, 杨秒, 陈萍, 吴自然

2019, 30(03): 310-317,324.

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提出了一种基于时间Petri网模型的断路器自动化虚拟装配系统，采用时间约束的嵌套式Petri网模型对装配系统行为逻辑进行描述。将建立的Petri网模型中的库所、变迁与Unity 3D软件的虚拟场景中的实体对象相对应，采用时序驱动的方法在Unity 3D中对断路器自动化装配实体进行了虚拟重现。开发了基于C#函数库的虚拟装配系统数据交换引擎，可通过Wi-Fi、工业串口与外部实体实现数据交换。采用包围盒法对虚拟装配单元和零部件进行碰撞检测设计，进而实现了断路器自动化装配系统的虚拟现实仿真，并验证了该系统的可行性和有效性。

[BIM模型与智能设计]中低速磁浮系统起浮阶段的振动特性分析

陆海英, 韩霄翰, 李忠继, 何翔, 刘开成, 陈志贤

2019, 30(03): 318-324.

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为了研究电磁悬浮（EMS）中低速磁浮系统在起浮阶段的悬浮稳定性问题，建立了“车辆-电磁-轨道梁”耦合系统动力学模型。利用仿真模型分析了EMS中低速磁浮系统在起浮阶段的振动响应特性，对比分析了弹性梁与刚性梁的振动差别，仿真分析了单级悬浮控制与双级悬浮控制的效果差异。结果表明：EMS中低速磁浮列车在弹性轨道梁上起浮时，容易发生悬浮失稳的异常振动现象，原因是单级悬浮控制模式的悬浮架自激振动频率激发了弹性轨道梁的固有频率，从而诱发了车轨剧烈耦合共振；提高轨道梁刚度或采用双级悬浮控制器模式，可以缓解EMS中低速磁浮系统起浮阶段异常振动引起的悬浮失稳现象。

[制造与维修工艺]钢轨焊接接头精密整形工艺及方法

罗小华, 张浩, 周芃

2019, 30(03): 325-329.

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提出了一种以铣代磨的钢轨焊缝精密修整工艺原理及方法，设计了钢轨焊缝精铣机。该精铣机可实现钢轨轮廓的非接触式高精度测量、铣削路径自动规划、铣削量自动控制以及加工质量的在线监控等，消除了传统磨削加工中因温升大而导致的钢轨晶体结构破坏、焊缝接头二次形变等问题，提高了无缝钢轨的生产效率与质量，在焊缝加工精度、效率、环保等方面均优于进口精磨机。

[制造与维修工艺]中频逆变直流焊轨技术研究

张银龙, 张琨, 王雪华, 张保军

2019, 30(03): 330-333.

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分析了国内外高铁焊轨设备的发展历程，总结了中频逆变直流焊接技术的特点和优势，介绍了自主研发的中频逆变直流焊机的机械结构、逆变变压器以及控制系统。应用结果表明，自主研发的中频逆变直流焊机具有焊接电流密集、无明显的集肤效应、落锤合格率高等特点，相关性能持平国外先进水平，对高铁无缝钢轨的焊接具有重要的参考意义。

[制造与维修工艺]基于格雷母线的长钢轨上轨系统设计

游鹏辉

2019, 30(03): 334-338，344.

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为提高100 m长钢轨的上轨效率，减少上轨过程中的弯曲扭转变形，对上轨系统进行了设计。采用格雷母线定位技术进行精密地址检测,利用现场总线技术进行远程集中控制，解决了移轨不同步问题；安装钢轨感应传感器和接触开关以自动搜寻钢轨；设计操作界面，控制单根与多根钢轨操作过程，并显示移轨小车状态及故障。研究结果表明：系统定位精度可达5 mm，实现了长钢轨高精度同步平移。

[制造与维修工艺]基于相控阵的高速铁路钢轨超声探伤检测系统

张俊岭, 王子成, 陈潇, 孙骥, 韩志雄, 闵力, 于国龙, 耿明

2019, 30(03): 339-344.

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针对现有车载自动探伤设备检测可靠性偏低、误报率高，存在漏报隐患，难以满足高铁工程技术发展和建设规划需求的现状，提出了一种新型钢轨超声探伤检测系统。研发了高速记录多通道数字探伤仪，用于实现钢轨高速检测条件下全波形数据的实时采集，采用相控阵超声系统检测钢轨焊接接头。通过试验验证了该系统的有效性。研究结果表明，该系统可进行高速探伤数据的采集，实现实时探伤、记录和智能化数据分析。

[制造与维修工艺]高速轨端部平直度控制方法的研究与运用

何文骥, 董茂松, 徐森, 汪永元

2019, 30(03): 345-348.

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为解决钢轨端部平直度不达标的问题，分析了高速轨端部平直度不合格的原因，指出钢轨每道次进轧机时的冲击力和出钢时走势不正是导致端部原始曲率大小和方向各不相同，经矫直后造成端部平直度不稳定的原因。针对端部平直度不稳定的问题，采用大变形+小变形矫直方案，设计正交试验，得到最优矫直压力参数；分析矫前矫后平直度数据，得出矫前原始曲率控制范围。通过上述措施，优化矫直工艺后的钢轨端部平直度完全满足标准要求，并稳定控制在较窄的波动范围内。

[制造与维修工艺]高速铁路无砟轨道系统状态监测及预防性维修

刘大玲, 黄小钢

2019, 30(03): 349-353.

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高速铁路无砟轨道系统直接承载高速列车的高频冲击和振动，钢轨伸缩变形等状态变化都会严重影响列车安全，传统周期性检修易出现过修或失修问题，针对此，利用光纤光栅传感技术建立高铁无砟轨道系统状态监测平台，提出监测内容和监测点布置方案。通过对监测数据基本特征的分析，并结合轨道质量指数，建立了无砟轨道状态BP神经网络预测模型，预测了轨道服役状态。预测结果可指导铁路运营维护部门及时、合理地进行轨道养护维修，实现高铁轨道系统的预防性维修。

[养护维修装备]高速铁路自轮运转快速换轨车研究

雷张文, 倪琍, 李石平, 方继武

2019, 30(03): 354-358.

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为实现高速铁路机械化、自动化更换铁轨的目标，以高速铁路自轮运转快速换轨车为对象，研究了换轨作业原理及关键技术,并通过自轮运转快速换轨车的运用考核试验验证了换轨车的相关性能。研究结果表明：相较于使用简易机具或改装车辆的传统换轨作业方式，自轮运转快速换轨车在2 km作业量下可以节约“天窗”时间约20 min，单日最大换轨里程达到2.4 km，具有换轨效率高、作业强度低以及安全可靠的优点。

[养护维修装备]采用有限元法的捣固、稳定、测量一体化仿真车设计

李成洋

2019, 30(03): 359-364.

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运用有限元仿真分析，研发了集捣固、稳定、测量工作装置于一体的应急起复仿真车，通过对10种工况进行分析，以证明车体刚度、强度满足要求，以及受载分布的合理性。研发过程中解决了整机布局、多工作装置共用同一车体以及反复的快速脱轨、起复等技术难题，实现了钢轨和基础设施维修的应用培训，以及大型养路机械应急抢修的故障模拟和快速离轨与起复的功能仿真，能够经济、有效、高质地培养钢轨维修、应急救援人员，并确保线路繁忙时，大型养路机械的进场、施工、撤出全过程在线路“天窗”封锁时间内完成。

[养护维修装备]双动力48磨头钢轨打磨车研制

杨建昌, 王建宏, 朱红军, 向鹏霖, 黄干, 周明翔

2019, 30(03): 365-371.

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对双动力48磨头钢轨打磨车的三种技术实施路线进行分析，确定了整车采用“柴油发电机组+接触网+交流电传动”的技术路线，并列举了整车的关键技术。介绍了整车的主要结构及性能，并对整车的自运行工况及打磨作业工况的牵引特性进行了计算分析。最后对整车的线路适应性、产品优势、社会效益及试验情况进行了描述。计算分析及试验结果表明：双动力48磨头钢轨打磨车的牵引特性满足长大坡道作业要求，并适应现有各种速度等级的客运专用线路，其车体与转向架强度、动力学性能及作业性能均满足试验标准要求，且具有节能环保、适用于隧道打磨作业的优点。

[养护维修装备]大型养路机械应急救援模拟演练系统的研制

刘辉

2019, 30(03): 372-377.

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针对当前大型养路机械应急救援模式不足、专业人才短缺，以及利用现有正常作业车辆进行应急演练资源浪费等现状，设计了一种能模拟多种车型工况的大型养路机械应急抢修模拟演练平台系统。分析了实际环境系统下的应急起复状况和特点，采用系统仿真、虚拟现实、分布式网络等技术构建了虚拟仿真环境，通过模拟获得真实体验，可有效解决实际训练中资源有限、破坏性与危险性操作环境以及特殊环境等限制，经济有效地培养应变能力快、素质高的专业应急救援人才。

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2019, 30(03): 378.

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