1．目的及意义

小半径曲线段是钢轨结构强度中最为薄弱的部分。钢轨在投入使用后，随着运营时间的增加，会逐渐在钢轨顶部的某些部位沿纵向面出现一种规律性的类似波浪形状的不平顺现象，称作钢轨的波浪形磨损，简称波磨[1]。钢轨波磨是轨道交通特有的一种损伤形式，也是世界铁路线路上最普遍存在的一种钢轨损伤形式。在高速铁路大规模发展之前，钢轨波磨主要发生在重载线路。近年来，随着高速铁路技术的不断发展，钢轨波磨也逐渐成为轮轨接触中不容忽视的重要问题。一个多世纪以来，铁路曲线段钢轨波磨始终是尚未解决的难题。我国城市轨道交通建设正处于一个高速发展的时期，在为乘客出行提供极大方便的同时，也引发了振动噪声扰民和钢轨异常波浪形磨耗的问题。异常波磨会恶化轮轨关系，增大轮轨的振动噪声，减少钢轨和车轮的使用寿命，严重时甚至会危及行车安全。

世界上对于钢轨波磨的研究已经持续了一个多世纪。第一份关于钢轨波磨的文献可以追溯到1889年的英国的Midland线[2]，但当时并没有专家针对这种铁轨磨损进行解释；1895年，美国记载了一条缆车轨道中出现的钢轨波磨现象，该现象的出现不仅降低了行车的舒适度，同时产生了严重的噪声[3]。当时的分析认为，该曲线段产生的波磨是由于电缆施加的横向作用力使车轮产生蠕滑而造成的；19世纪末，英国对钢轨波磨现象进行了更加深入的研究，发现无论是直线段还是曲线段都会产生波磨现象[4, 5]；20世纪初，钢轨波磨现象已经成为有轨列车运行中所面临的严重问题；21世纪以来，随着列车提速和新型车辆引入等原因，波磨的形成趋势愈加明显，因此关于波磨的研究也变得愈来愈重要。

来自澳大利亚的Mair于1977年分析了连续支撑轨道上非悬挂质量的垂直动力学特性,并认为这就是确定重载波磨波长的机理[6]；Eisenmann也提及了所谓的“巴辛格效应”,并假定所有这些影响最终导致短波钢轨波磨的形成[7]；对于短波波磨，无论是理论还是实验中，都需要使用更复杂的轨道模型，Grassie等人对此进行了大量的研究工作，Ripke 和Knothe提出了用于不连续支撑轨道的更通用的理论模型并得到广泛应用[8]；东京大学实验室的Suda利用滚动表面实验模型对波磨机理进行了研究，他主要利用塑性变形模型对波磨的形成和发展进行了解释[9]。

由于波磨是轮轨间相互作用过程中发生的一种复杂现象，因此要分析波磨形成机理，就必须综合考虑轮轨间相互作用的特点，结合各种实际工况，才能抓住根本。在进行模拟仿真分析的过程中，有限元分析法得到了充分的利用。有一种观点认为，钢轨波磨由轮轨系统的摩擦自激振动引起，Clark较早提出了这个观点[10]； Brockley更进一步认为轮轨系统的摩擦自激振动引起钢轨波磨[11]；Sun假设了轮轨横向蠕滑力饱和并具有蠕滑力-蠕滑率曲线负斜率特性，以此来研究钢轨波磨的产生机理[12]。机车驱动动力学研究表明，传动系统的扭转振动和轮轨之间的摩擦非线性特性耦合的相互作用导致传动系统自激扭转振动[13]，不稳定的扭转振动降低了机车的粘着系数，导致轨道表面会出现周期性的磨耗[14]。因此针对机车传动进行扭转振动的分析，对于理解曲线钢轨波磨的成因也有着十分重要的意义。

扭振被认为是曲线钢轨波磨的可能成因之一，但目前为止并没有完善的研究成果能够证明这种观点，欲通过双轮实验台的搭建来研究扭振对于波磨的具体影响，分析其作用关系和影响因素进而确定和验证扭振导致波磨的产生机理，通过对关键参数的控制探寻减缓波磨的具体措施。对实验台机电控制系统进行设计，方便对实验过程中实验台的启动、调速、散热和制动过程进行简单快捷和精确的控制，对于提高实验效率、确保实验的顺利进行具有重要意义。

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2. 研究的基本内容与方案

{title}2.1设计的基本内容
本人根据实验台性能及工作要求，在大量阅读文献的基础上，准备对双轮实验台启动、调速、散热和制动过程的机电控制系统进行设计。其基本内容如下：
1、控制系统整体方案设计；
包括电动机的选择、控制方式的选择、控制元件的选择。
2、电动机启动控制方案设计；
包括电动机启动方式的选择和转换。
3、电动机调速控制方案设计；
包括速度检测及反馈方式的确定和速度档位的设定。
4、实验台散热控制方案设计；
包括温度的检测、反馈以及散热装置的启动和停止。
5、实验台制动控制方案设计；
2.2设计目标
希望能够对实验过程中双轮实验台的各个重要工况进行精准和快速的控制，确保实验条件稳定、实验过程高效，从而保证实验的顺利进行，推动研究目标不断向前发展。同时在实验过程中不断发现控制系统可能存在的问题并不断优化和改进。
2.3拟采用的技术方案及措施
本次实验台机电控制系统的控制目标包括电动机、散热装置和制动装置，同时需要对电动机的转速和环境温度进行监测。现在单片机产业发展迅速、品种繁多，已经应用到生产和生活的各个方面，具有很快的处理速度和很强的数据处理能力，能够很好的满足实时数据处理要求。最常用的51系列单片机因其价格便宜而被广泛应用；同时单片机具有体积小、功耗低、扩展灵活、微型化和使用方便等优点而被广泛应用于仪器仪表，结合不同的传感器可以实现多种物理量的测量和控制。因此本次设计选用51系列单片机配合以速度传感器和温度传感器对目标量和目标对象进行控制。拟用51单片机的P0口对电动机的换接启动和速度调节进行控制；P1口对散热装置进行控制；P2口对制动装置进行控制。通过传感器与单片机之间的数据交换对速度和温度等物理量进行监测，通过按钮以手动的方式对所要实现的功能进行控制。
在控制系统设计过程中，需要对系统进行调试。系统调试一般分为软件调试、硬件测试和系统测试三个方面。经过比较和研究，发现可以应用Proteus和Keil的联合可以进行全部的软件和大部分硬件系统的调试。为了提高实用性和准确性，拟先通过Protel软件进行实际硬件电路原理图的绘制。
3. 参考文献

[1] A.M.Zarembski. Type of Rail Corrugation.Railway Gazette International. 1989.

[2] A.Haarmann. Die Baustoffe der Spurbahnen:Stahl and Eisen. 1913.

[3] M.Fink. Die Entstehung der Schienriffeln：Der Stand derRiffelforschung nach rund 60 Jahren. Glasers Annalen. 1953.

[4] E.Tassilly, N.Vincent. A linear model for thecorrugation of rails. Sound Vibrate. 1991.

[5] E.Tassilly, N.Vincent. Rail corrugations:analytical models and field tests. Wear. 1991.