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期刊信息/Journal information
铁道科学与工程学报
铁道科学与工程学报

余志武

双月刊

1672-7029

jrse@mail.csu.cn

0731-82655133；82656174

410075

长沙市韶山南路22号

铁道科学与工程学报/Journal Journal of Railway Science and EngineeringCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是中南大学主办的以理工为主的综合性学术刊物。1979年创刊，1982年公开改进，主要刊登土木工程、建筑工程、交通工程、自动控制、计算机科学与技术、运输管理工程、机电工程、数学力学、基础研究等方面的学术论文。1992年起被列为全国中文核心期刊，1994年被列为美国Ei Page数据库核心期刊。
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    单箱双室变截面波形钢腹板组合梁剪应力分析

    冀伟黄逸航罗奎马凯耀...
    1090-1101页
    查看更多>>摘要：为了研究单箱双室变截面波形钢腹板组合箱梁(CBBCSW)的剪应力分布规律,分析了单箱双室变截面CBBCSW的顶底板与波形钢腹板(CSW)的承剪问题.基于微元体平衡和切应力互等定理推导了变截面CSW的剪应力计算公式,并与等截面CSW剪应力计算公式进行了对比.对各项剪应力的性质展开了研究,针对变截面CBBCSW的顶底板和参与承剪机理进行了分析,提出了底板承剪比例计算公式.以室内模型试验梁和一座单箱双室变截面CBBCSW为例,采用ANSYS有限元软件分别建立了试验梁与实桥的有限元模型,研究了不同约束体系下,剪应力在CSW上的分布以及顶底板与CSW参与承剪的规律.对比不同荷载情况下,有限元计算结果与理论公式计算结果的差异,分析不同荷载工况对顶底板与CSW参与承剪的影响.此外,分析了横隔板对单箱多室CBBCSW剪力分配的影响.研究结果表明:所提公式的理论结果与试验实测结果和有限元结果吻合较好,且底板参与承剪的比例不可忽视;变截面引起的"附加剪应力"是影响剪力传递的直接原因,弯矩的大小会直接影响底板参与承剪的比例;对称荷载下中腹板与边腹板的剪力分布几乎相同,而横隔板会改变CSW上剪力分配,靠近横隔板处的部位剪应力分布更均匀.研究结果可以为实际工程中变截面CSW的剪应力和承剪比的分析提供参考依据.

    组合箱梁波形钢腹板变截面剪应力承剪比有限元分析

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    基于冻结器温升公式的单排管温度场求解方法

    张松周晓敏张基伟孙钦帅...
    1102-1113页
    查看更多>>摘要：为了解决传统地铁联络通道冻结法施工中对于全加固区域温度场求解精度不足的问题,实现以冻结器自身温度信号进行所形成温度场求解,达到对冻结温度场全域进行精准求解的目的.从单根冻结管停冻后冷媒温度回升速率与冻结壁厚度的相互关系出发,建立更加符合地铁联络通道冻结工程特点的单排冻结孔温度场计算模型,提出了5个关键参数:冷媒温升速率V、冻结壁厚度计算系数ηA和ηB以及冻结壁厚度修订系数n1和n2的确定方法.并指出冷媒温升速率宜采用停冻后4 h的冷媒温度平均回升速率,冻结壁计算系数和厚度修订系数应采用数值计算或经验数据进行确定.进而提出了新温度场求解方法的适用范围、求解流程.后续利用北京某联络通道冻结工程开展新温度场求解方法的可靠性验证.通过将该联络通道侧墙区域温度场的求解结果和实测地层数据进行对比可知,新的温度场求解方法所得温度与测温孔实测温度差值分别为0.43℃和0.52℃,远低于控制指标1.0℃.同时,新求解方法所得冻结壁厚度与开挖后实测冻结壁厚度误差为8～10 cm,误差精度约为6%,符合工程精度要求.此外基于计算结果和现场分析,指出了计算误差主要是由于地层热物理参数测试精度不足、钻孔偏斜以及冻结管自身结构简化三方面造成的.同时根据既有研究成果,给出了我国多个城市(如上海、常州、苏州)典型地层的冻结壁厚度计算系数.本研究为新型温度场计算方法的落地实施和开展基于冻结器自身温度数据进行全域温度场求解提供了理论支撑,同时避免了传统"以点带面"式求解方法带来的非测温孔区域温度误差.

    人工冻结法全域温度场精准求解计算流程联络通道

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    带上盖开发隧道通风流场特性及射流风机偏转角度研究

    唐宏辉魏立新赵家明于子涵...
    1114-1125页
    查看更多>>摘要：带上盖开发的隧道结构复杂,通风流场紊乱,隧道运营通风能力难以得到保障.揭示这类隧道的通风流场特性,优化隧道风机布置参数具有重要意义.以广州市某珠江过江隧道工程为背景,利用数值模拟方法,探究不同风机偏转台数、偏转角度工况下隧道通风流场特性、风机升压能力.结果表明:带上盖开发隧道风机安装位置受限、复杂结构通风阻力大,导致隧道通风流场分布不均,风机升压能力较差,风机难以提供可靠的运营通风能力;带上盖开发隧道设置3台吊顶式风机时,通过合理的设置风机偏转台数和风机偏转角度,能够稳定隧道通风流场,提高平均风速,优化隧道内通风效果;当3台吊顶式风机全部偏转布置或风机偏转角度大于5°时,虽能增大未安装风机一侧的通风风速,但会导致射流分布不均,安装风机一侧风速降低,过多射流偏转也将携带更多动能撞击隧道壁面,导致射流遭受的能量损失增大,不利于隧道通风流场的稳定;采用2台吊顶式风机偏转2°～5°布置时,此时隧道内流场分布均匀,射流风机升压系数为0.7～0.8,隧道内风机射流阻力损失约28～29 Pa,可提升风机升压力,减小风机射流阻力损失,利于带上盖开发的隧道运营通风.研究结果可为优化带上盖开发隧道射流风机布置方式和保障运营通风效果提供参考.

    安全工程公路隧道上盖开发射流风机通风流场特性

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    钢筋增强钢夹板-螺栓连接胶合木梁受力性能试验研究

    陈爱军陈义龙贺国京王航...
    1126-1135页
    查看更多>>摘要：为改善钢夹板-螺栓连接胶合木梁的刚度在到达极限荷载55%～70%区间内存在减小的问题,设计制作了3组共12根钢筋增强钢夹板-螺栓连接胶合木梁,通过改变配筋率进行三分点加载试验,并与相同设计参数的胶合木梁和钢夹板-螺栓连接胶合木梁进行对比试验.观察记录试件的受力过程和破坏现象,实测各组试件的极限承载力、荷载位移曲线和应变曲线,对比分析增强筋对各组试件破坏机理、抗弯刚度和极限承载力的影响规律.试验结果表明:与钢夹板-螺栓连接胶合木梁相比,钢筋增强钢夹板-螺栓连接胶合木梁的抗弯承载力和整体弯曲刚度在增强筋的作用下均有显著提高,钢夹板-螺栓连接试验梁在到达极限荷载55%～70%区间内刚度减少问题得到明显改善.钢筋增强钢夹板-螺栓连接试验梁的破坏形式随着配筋率的增大,逐渐由受拉脆性破坏向受拉延性破坏再到受压延性破坏进行转变.增强梁截面应变沿高度方向的分布基本符合平截面假定.依据试验数据和理论推导,得出了钢筋增强钢夹板-螺栓连接试验梁抗弯计算公式,其理论结果与试验结果吻合较好.研究表明,在钢夹板-螺栓连接胶合木梁受拉区配置增强筋可以有效改善其后期刚度减少的问题,并提升其抗弯性能,可为此类连接木梁的增强提供理论依据和试验支撑.

    胶合木钢夹板-螺栓连接钢筋增强抗弯性能承载力计算

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    单步无条件稳定显式结构动力学算法

    李常青李正藩蒋丽忠
    1136-1145页
    查看更多>>摘要：在结构动力学分析中,数值积分方法通常被用来高效和准确地求解复杂结构系统在动态负载下的响应.基于量纲分析的原理,提出一种求解结构动力学问题的单步无条件稳定显式算法.首先对所构造的关于位移和速度的函数关系式进行无量纲化处理,然后通过算法精度要求、无条件稳定条件和数值阻尼可控条件确定了其最终递推格式,并根据算法最终递推格式分析得出算法耗散与弥散特性、超调和自启动特性和多自由度系统计算步骤,最后通过数值算例验证了算法的收敛精度、可控数值阻尼和计算效率优势.研究结果表明:对于线性和非线性系统,该算法都兼具显式算法的非迭代特性和隐式算法的无条件稳定特性;该算法能实现真正意义上的自启动并且在速度和位移上均无超调;该算法的数值阻尼由单自由参数控制,数值耗散和弥散对系统低模态响应的影响可以忽略不计,与具有代表性的非迭代显式算法KR-α法相比,该算法在引入数值阻尼滤除虚假高频模态的同时更真实地保留了低阶振型的贡献,从而表现出更好的计算精度;该算法在求解非线性结构动力学问题时相较于常用隐式算法有着显著的计算效率优势,并略优于两求解器非迭代显式算法KR-α法.研究结果很有希望成为求解非线性结构动力学问题的最新且更加有效的显式算法.

    显式算法非迭代算法无条件稳定可控数值阻尼结构动力计算

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    BDS信号失锁下基于自适应因子图的列车组合定位模型

    程相王运明王新屏初宪武...
    1146-1155页
    查看更多>>摘要：针对列车运行环境复杂,容易产生BDS信号失锁,影响BDS/IMU列车定位系统的精确性问题,提出了基于自适应因子图的BDS/IMU/OD列车组合定位模型.在BDS/IMU列车定位系统的基础上,引入里程计(Odometer,OD)定位技术,利用北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)与惯性测量元件(Inertial Measurement Unit,IMU)、OD 3类传感器获取列车量测信息,根据因子图理论,将多源量测信息描述为状态空间方程,抽象BDS、IMU、OD因子节点和先验因子,确定因子节点与变量节点之间的无向连接关系,建立多变量列车组合定位因子图模型,解算列车的位置信息.当BDS信号产生变化时,借助因子图的即插即用特性,提出了自适应因子算法,动态调整列车组合定位因子图模型结构.在BDS信息部分失锁时,利用BDS的部分信息,建立BDS/IMU/OD列车组合定位因子图模型,在BDS信息完全失锁时,转换为IMU/OD列车组合定位因子图模型,抑制BDS完全失锁造成的发散误差.利用卡尔曼算法、因子图算法、自适应因子图算法进行了列车定位的仿真分析,在BDS信息部分失锁时,自适应因子图模型的定位位置均方根误差比卡尔曼算法分别降低了52.3%、48.2%和42.7%,比因子图算法分别降低了34.8%、27.0%和25.2%.在BDS信息完全失锁时,自适应因子图模型的定位位置误差比卡尔曼算法分别降低了46.7%、46.7%和50%.自适应因子图算法提高了BDS信息失锁的情况下的列车定位精度,实现了不同传感器之间的即插即用,为构建高精确性、强鲁棒性、高可扩展性的列车组合定位系统提供模型支持.

    列车组合定位BDS信号失锁因子图BDS/IMU/OD自适应因子

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    时速120 km地铁快线空气动力学试验研究

    陈勇李杨左建勇梁习锋...
    1156-1167页
    查看更多>>摘要：为探明设计时速120 km快速地铁列车在多区段桥隧衔接线路运行时的气动效应和气密性能,采用实车试验的方法,在武汉某多区段桥隧衔接地铁快线对某4车编组的新研A型密封性地铁列车开展空气动力学测试.实验测试系统采用LL-250-15A型Kulite压力传感器,通过测量列车外部和内部的瞬态压力变化,分析全线路车外压力波动特性,对比沿列车长度方向不同测点位置的压力变化幅值,并分析不同空调状态下的车内压力舒适性.经过3次实验测试分析,该实验的结果具有可重复性.研究结果表明:全线路运行时,列车在隧道段内加减速导致车外压力变化幅值明显大于高架段,气动效应最恶劣的位置为地下段人防门变截面处,列车上行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为1 071 Pa,下行通过该处时车外任意3 s内压力变化幅值为905 Pa;相对于下行线全线路,上行线车外任意3 s内压力变化幅值大18.3%;列车正线运营时压力波保护阀会在压力变化剧烈区段进行动作响应,列车上行时,空调开启、压力波保护阀正常启用状态下,车内任意3 s内压力变化幅值相对于压力波保护阀打开未启用时减少了16%,下行时,减少了28%,空调压力波保护阀能够有效降低车外压力波动对车内气压变化的影响.本文研究成果可为快速地铁线路设计、地铁列车运营及地铁气密性优化提供参考依据.

    地铁快线桥隧衔接实车试验压力波气密性

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    基于模糊扩展卡尔曼的直线感应电机无速度传感器控制

    丰富胡海林葛琼璇杨杰...
    1168-1179页
    查看更多>>摘要：直线感应电机(linear induction motor,LIM)可实现无接触、无摩擦的直线运动,具有爬坡强、横断面小、低噪音等优势,在中低速磁悬浮与城市轨道交通中被广泛应用.其中,基于观测器的电机无速度传感器矢量控制方法,是解决速度传感器成本高、可靠性低、维护难等问题的有效途径.针对LIM速度辨识受系统内外扰动影响导致观测精度下降问题,提出基于模糊扩张卡尔曼滤波(Fuzzy Extended Kalman Filter,FEKF)的速度观测方法,提高观测器鲁棒性.首先在αβ坐标系下建立考虑动态边端效应的LIM数学模型,利用LIM的实时电流和电压作为输入信号,以电流、磁链和速度作为状态变量,推导出基于扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)观测器电机状态空间方程的离散模型,利用EKF对LIM的速度和磁链进行在线观测,并用于实现LIM的矢量控制.其次,为提高EKF的噪声协方差矩阵Q对LIM系统内外扰动的鲁棒性,引入模糊控制方法对矩阵Q进行自适应调整,实现速度与磁链的估计精度.具体通过计算系统理论残差与实际残差的偏离程度得到噪声调节因子,实时调整噪声协方差矩阵Q,并在下一周期更新模糊扩展卡尔曼的反馈增益矩阵,提高对速度与磁链的估计精度.之后对系统的能观性与FEKF的收敛性进行分析,探明矩阵Q中各参数的边界及整定规律.最后通过仿真和硬件在环实验验证所提FEKF优化算法的有效性,结果表明FEKF能有效提高对LIM速度辨识准确性,实现LIM无速度传感器矢量控制.

    直线感应电机无速度传感器模糊扩展卡尔曼滤波边端效应系统噪声

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    基于ACPI的磁浮球系统控制方法

    张昌琪曾喆昭王伟
    1180-1188页
    查看更多>>摘要：针对传统控制算法在解决磁浮球系统中存在高度非线性特性、参数摄动以及外部扰动的技术局限性问题,提出一种基于自耦PID(Auto-coupling PID,ACPID)控制理论的磁浮球系统控制方法.首先根据电磁力在平衡点附近进行1阶Taylor展开,结合电磁线圈的动态模型,形成以电压为控制输入的磁浮球位置动态系统.在磁浮球动力学模型的基础上,再将不确定高阶项、电磁线圈的未知电流动态以及外部未知有界扰动定义为总扰动,从而可将一个非线性不确定磁浮球系统映射为一个2阶线性扰动系统.其次,基于ACPID控制量纲匹配构造的误差函数,可将2阶线性扰动系统映射为1阶线性系统,进而构建一个在总扰动反相激励下的闭环受控误差系统,据此设计了基于速度因子的磁浮球位置通道控制器,建立磁浮球位置控制系统并进行鲁棒稳定性分析,理论证明了ACPI方法的有效性.最后与国外现有较为先进的控制方法进行对比仿真,分别进行了方波跟踪实验、正弦跟踪实验、抗扰动实验以及鲁棒性实验.与NTSMC+GPIO方法相比,在方波跟踪实验中ACPI控制系统的响应速度提升了50%,ITAE值降低了82%,RMSE值降低了22.4%,其他仿真实验下的控制性能也有明显的提升.研究结果表明,ACPI控制策略不仅可以实现在超调量较小的情况下具备较快的响应速度、较高的控制精度、较强的抗扰动能力以及较好的鲁棒性,而且控制器结构简单、计算量小,在磁浮球控制系统领域具有一定的应用前景.

    磁浮球自耦PID(Auto-couplingPID,ACPID)控制总扰动误差函数速度因子

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    光储接入牵引供电系统应急供电方案下低频稳定性研究

    王英辛月阳谢子昀母秀清...
    1189-1201页
    查看更多>>摘要："双碳"目标背景下,新能源较大规模接入牵引网可能成为铁路运输新趋势.为对意外失电的列车紧急牵引并打破铁路领域传统用能壁垒,实现铁路能源自给型低碳供电并与电网互为备用,各系统能量互联互通,首次提出一种应急供电方案灵活利用牵引网侧接入的光储装置牵引列车并对"光-储-车网"耦合系统的低频稳定性展开研究.首先,制定RPC双模式单相全桥逆变器的控制方法结合光储运行状态协调控制策略划分工作模态;然后,利用小信号及状态空间平均法建立光储、客车(CRH3型动车)以及投影到dq坐标系下铁路功率调节器直流侧阻抗模型;最后,利用所得"光-储-车网"3个子系统的导纳模型,引入一种适应多工况的无源判据,揭示控制器参数及多源对牵引供电系统电气稳定性的影响规律.研究结果表明:所提方案通过新能源及储能装置在昼夜多工况下均能长时持续稳定牵引列车,当新能源或电网供电出现意外二者可互补切换,故障条件下机车仍可受电稳定行走.此外,光储电压环比例增益对该系统阻抗匹配性稳定性有较强的电气敏感性,所建模型结合无源判据指导调参接入不同供电源补偿系统阻抗可治理部分失稳现象,该方案下储能系统具有良好的补偿特性.在Starsim半实物实验平台验证了"光-储-车网"耦合系统应急供电方案的可行性及稳定性研究的正确性.

    新能源牵引应急供电"光-储-车网"耦合系统铁路功率调节器小信号模型无源判据Starsim

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