地铁线路先锋扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响

基于轮轨摩擦自激振动诱发钢轨波磨的观点,研究地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响。根据现场调研建立车辆-轨道的多体动力学模型,验证列车通过地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道时轮轨间的蠕滑力饱和情况;基于动力学模型建立相应的导向轮对-钢轨有限元模型,利用复特征值法分析轮轨系统的摩擦自激振动特性。预测得到的轮轨系统不稳定振动频率与诱导钢轨波磨的振动频率相符,验证了建立的导向轮对-钢轨有限元模型的正确性。利用控制变量法研究扣件结构参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律,发现轮轨摩擦自激振动发生的可能性随着扣件垂向刚度的增大而轻微增加,随着垂向阻尼的增大而明显降低;随着扣件横向刚度和横向阻尼的增大,轮轨摩擦自激振动发生的可能性降低。因此,增大先锋扣件垂向阻尼、横向刚度和横向阻尼,有助于抑制地铁线路先锋扣件支撑曲线轨道的波磨。     

轮轨摩擦自激振动引起小半径曲线钢轨波磨的瞬态动力学

钢轨波磨问题一直困扰着地铁线路,对其产生机理的研究有着重要的理论和应用价值。基于轮轨摩擦自激振动引起钢轨波磨的观点,建立轮对稳态通过小半径曲线时由轮对-钢轨-轨枕组成的轮轨系统有限元弹性振动模型,在模型中假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦因数的乘积。应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性,重点研究轮轨系统摩擦自激振动的瞬态动力学过程,获得了轮轨系统发生摩擦自激振动时轮轨振动和接触法向力的变化规律。结果显示内轮和内轨接触摩擦副发生严重的摩擦自激振动,并对这个摩擦自激振动引起钢轨波磨的机理进行了解释。     

轮轨接触参数对钢轨波磨的影响

基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,建立由车轮-钢轨-轨枕组成的有限元模型,采用复特征值方法研究小半径曲线轨道低轨上轮轨接触参数对钢轨波磨的影响。结果表明:小半径曲线轨道低轨上轮轨间蠕滑力饱和可能导致钢轨波磨;轮轨接触角对波磨的波长及产生趋势几乎没有影响;轮轨牵引角对波磨的波长几乎没有影响,但对波磨的产生趋势有较大影响,随着牵引角的增大,产生波磨的趋势逐渐降低。研究表明:在小半径曲线轨道低轨上,牵引角随着曲线半径的减小而减小,系统发生摩擦自激振动的趋势增强,低轨上更容易出现波磨,这就是曲线半径越小钢轨波磨越严重的原因。     

山地地铁小半径曲线路段车辆/轨道参数对钢轨波磨的影响

针对山地地铁小半径曲线轨道钢轨波磨频发问题,根据现场调研建立车辆-轨道系统的动力学模型,探究车辆通过小半径曲线时轮轨间的接触特性。根据动力学分析结果建立半车车体-转向架-轨道系统的有限元模型,采用复特征值分析法研究半车车体-转向架-轨道系统摩擦自激振动特性,并研究车辆悬挂参数和轨道扣件参数对整体系统摩擦自激振动的影响规律。采用神经网络结合遗传算法对影响整体系统摩擦自激振动的关键参数进行多参数拟合,并求得车辆/轨道结构关键参数的优化解。结果表明：小半径曲线路段轮轨间的饱和蠕滑力导致半车车体-转向架-轨道系统的摩擦自激振动,从而引起钢轨波磨;车辆结构参数中一系悬挂横向刚度以及轨道结构参数中扣件垂向刚度、扣件横向刚度、扣件垂向阻尼对整个系统的摩擦自激振动具有明显影响。设置一系悬挂横向刚度为5.34 MN/m,扣件垂向刚度为25.45 MN/m,扣件横向刚度为6.9 MN/m,扣件垂向阻尼为6.06 kN·s/m时,能够有效抑制山地地铁小半径曲线轨道上钢轨波磨的产生。     

轮轨摩擦自激振动引起科隆蛋轨枕钢轨波磨的理论研究

基于轮轨系统间摩擦力可能引起摩擦耦合自激振动从而使钢轨发生波磨的观点,假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦因数的乘积,建立车辆通过直线轨道时由4个轮对和2根钢轨组成的轮轨系统有限元摩擦自激振动模型。应用有限元软件ABAQUS分析该模型的自激振动发生趋势,预测钢轨可能发生波磨的频率。计算结果显示,钢轮在频率为241.56、252.65、253.14 Hz时可能发生波磨。仿真结果与现场测试结果的对比表明,该模型能够有效预测地铁科隆蛋轨枕直线线路上钢轨出现的波磨。     

地铁轨道曲线半径与钢轨波磨的相关性研究

现有地铁线路钢轨波磨80%以上出现在小半径曲线轨道内股钢轨上,而大半径曲线和小半径曲线外股钢轨几乎没有出现钢轨波磨。为了探索这一现象深层次的原因,基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的机制,分别建立Simpack车辆多体动力学曲线通过模型和轮轨系统ABAQUS有限元摩擦自激振动模型,采用复特征值分析法对不同曲线半径轨道的钢轨波磨进行研究。结果表明:随着曲线轨道半径增大,摩擦自激振动产生的概率减小,即钢轨波磨发生概率下降,且钢轨波磨主要出现在低轨上而高轨较少;随着曲线半径增大,在曲线半径400~450 m范围内,轮轨蠕滑力逐渐由饱和状态变为不饱和状态;蠕滑力饱和时轮轨系统有可能出现摩擦自激振动,即产生钢轨波磨,当蠕滑力不饱和时,轮轨系统就不会出现摩擦自激振动,因而大概率不会发生钢轨波磨。     

一系悬挂与扣件参数对钢轨波磨的影响分析

基于摩擦自激振动可能导致钢轨波磨的观点,建立了更为完善的小半径曲线上轮轨系统摩擦自激振动模型,应用复特征值分析方法研究了轮轨系统的不稳定振动发生趋势,讨论了一系悬挂与轨道扣件刚度和阻尼参数对轮轨不稳定振动发生趋势的影响。计算结果表明:在饱和蠕滑力作用下,轮轨系统存在较强的不稳定振动发生趋势,即产生钢轨波磨的趋势;转向架一系悬挂刚度和阻尼参数对轮轨系统的自激振动影响较小;相对于一系悬挂,着重改善整体轨道上扣件的刚度和阻尼参数更有利于抑制钢轨波磨,且其中高轨上的扣件参数对钢轨波磨的影响起主要作用。     

山地地铁浮置板轨道支撑结构钢轨波磨机制研究

基于轮轨系统摩擦自激振动的观点,研究山地地铁线路长大坡道圆曲线段处出现的典型钢轨波磨现象。利用SIMPACK建立山地地铁车辆-轨道动力学模型,验证了列车通过长大坡道圆曲线段外侧轮轨间的蠕滑力处于饱和状态;建立相应区段上由导向轮对-钢轨-道床所组成的轮轨系统有限元模型,采用复特征值分析法从频域角度研究轮轨系统的稳定性;采用控制变量法研究浮置板结构中隔振器的垂向刚度和垂向阻尼、扣件的垂向刚度和垂向阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。结果表明：在长大坡道圆曲线段上,外侧轮轨间饱和蠕滑力引起的轮轨摩擦自激振动是导致该区段外轨处钢轨波磨产生的主要原因,诱导频率为459.63 Hz。参数化分析表明,轮轨系统摩擦自激振动随隔振器的垂向阻尼和垂向刚度的增大呈增大趋势,随扣件的垂向阻尼的增大呈降低趋势,而随扣件垂向刚度的增加呈先减小后增大的趋势;当扣件的垂向支撑刚度为40 MN/m时,钢轨波磨最不容易发生。     

轮对辐板开孔对钢轨波磨的影响

基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动从而导致钢轨波磨的理论,研究轮对辐板开孔对地铁小半径曲线钢轨波磨的影响,利用ABAQUS仿真软件分别建立无孔和开孔的轮对与钢轨、轨枕组成的有限元模型,采用复特征值方法研究辐板开孔距离、开孔大小和开孔个数对钢轨波磨的影响。结果表明:小半径曲线工况下饱和蠕滑力会导致钢轨波磨;辐板开孔距离对钢轨波磨的发生概率是有影响的,较小的开孔距离可以得到相对良好的稳定性;辐板开孔大小对钢轨波磨的发生概率影响较小;相比较无孔辐板和其他开孔个数辐板,辐板开4孔稳定性最好,可降低钢轨波磨的发生概率。     

小半径曲线钢轨波磨预测模型及在波磨抑制中的应用

根据摩擦自激振动引起钢轨波磨的观点,建立地铁小半径曲线轨道钢轨波磨预测模型;在原有的轮轨系统有限元模型之上将车轮和车轴分离开来,建立带有摩擦接触属性且设置过盈配合的轮轴接触关系模型,探讨车轮和车轴过盈配合模拟方式和整体式轮对模拟方式对波磨预测结果的影响。结果表明:轮对采用车轴和车轮过盈配合模拟方式得出的轮轨系统主要不稳定振动频率,更接近现场实测的波磨频率,表明轮对采用过盈配合模拟方式时计算结果要优于整体式轮对模拟方式,从而可提高钢轨波磨预测的准确性。利用建立的钢轨波磨预测模型研究了单侧轮轨摩擦因数对钢轨波磨的影响,结果显示,控制外侧轮轨的摩擦因数对钢轨波磨影响较小,适当减小内侧轮轨的摩擦因数有助于抑制钢轨波磨。     

双S型辐板车轮对钢轨波磨的影响

为了研究双S型辐板车轮对钢轨波磨的影响,基于饱和蠕滑力引起轮轨系统摩擦自激振动从而导致钢轨波磨的理论,使用ABAQUS软件,分别建立小半径曲线正双S型辐板车轮和反双S型辐板车轮轮轨系统有限元模型,并用单S型辐板车轮进行模型的验证;采用复特征值分析法,研究双S型辐板弯曲方向、弯曲程度和辐板厚度对钢轨波磨的影响。结果表明:正双S型辐板车轮是一种无波磨车轮,且弯曲程度和辐板厚度对钢轨波磨无明显影响;而反双S型辐板车轮容易引起钢轨波磨,且辐板弯曲程度越大,越容易引起轮轨系统不稳定振动。     

车轮辐板形状与轨距对钢轨波磨的影响

基于轮轨摩擦自激振动引起钢轨波磨的理论,建立不同的车轮辐板形状和轨距的轮轨系统有限元模型,使用复特征值法对轮轨系统的波磨发生趋势进行分析,研究车轮辐板形状和轨距对波磨的影响。结果表明:车轮辐板形状对轮轨系统摩擦自激振动存在影响,且直幅板车轮对钢轨波磨有一定的抑制作用;轨距对S形辐板车轮系统摩擦自激振动情况几乎没有影响;轨距对直辐板车轮系统摩擦自激振动存在影响,当选用特定轨距(1430 mm)时,得到了一个未发生摩擦自激振动的直辐板车轮轮轨系统模型。     

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨打磨限值研究

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨频发,钢轨打磨是一种常用的抑制钢轨波磨发展的手段,而确定钢轨波磨的打磨限值是关键。根据现场调研构建山地城市地铁平纵曲线交叠区段的车辆-轨道系统动力学模型,采用动力学分析研究波磨特性对轮轨动态响应的影响规律,从车辆运行安全性的角度提出钢轨波磨的安全限值;构建波长为50 mm典型波磨区段的轮轨系统有限元模型,采用瞬时动态分析研究轮轨摩擦耦合振动特性,从钢轨波磨发展趋势的角度提出钢轨波磨的打磨限值。动力学分析结果表明,山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨波长为30、40、50、60、70 mm时的波深安全限值分别为0.03、0.04、0.05、0.08、0.15 mm。轮轨摩擦耦合振动分析结果表明,轮轨系统摩擦耦合振动随着波深的增大而增大,控制波深打磨限值在0.02 mm以下能有效抑制轮轨摩擦耦合振动并延缓波磨发展。     

钢轨波磨对剪切型减振器段振动影响试验

地铁运营中常会出现钢轨波磨,尤其在剪切型减振器地段较为严重。为揭示钢轨波磨对结构振动的影响,选取地铁直线和曲线部分普通扣件和剪切型减振器典型区段进行了钢轨波磨的测量,并对轨道、隧道、地面等结构的振动加速度进行了现场测试。从时域、频域两个方面对比了结构的振动量值和振动传递特性,分析了剪切型减振器钢轨波磨对加速度振级及其减振效果的影响。结果表明:波磨会增大轮轨间动态冲击,使钢轨-道床-隧道-地面的振动显著增加;减振器区钢轨波磨会导致轨下结构振动大于普通扣件区,其减振效果难以实现;减振器区钢轨波磨比普通扣件区严重,曲线半径小、运量较大、速度较快的线路尤为突出,地铁轨道选型应考虑波磨的不利影响。     

地铁小半径曲线轮轨界面摩擦管理对钢轨波磨及噪音的控制研究

针对由于钢轨波磨及振动引起的列车运行过程中的噪音问题,根据钢轨波磨及噪音产生的机理,轮轨界面管理对钢轨波磨及噪音控制具有一定的作用。本文根据小半径曲线轮轨界面摩擦管理实例,通过不同阶段、不同状态下钢轨波磨发展趋势对比及噪音数据对比,明确轮轨界面管理的可行性及效果,为同行业进行钢轨波磨控制及整改提供一种参考方法。     

地铁车辆起动区段钢轨波磨成因分析

为研究地铁出站口附近直线起动区段钢轨波磨形成原因,利用有限元软件ABAQUS建立了三维实体轮对-轨道瞬态滚动接触模型,并结合现场实测,从时域和频域上对波磨现象进行了分析。研究结果表明：车辆起动过程中,车轮与钢轨表面接触带会产生准周期特性的滑移区域,且滑移区域中心之间的距离与实测波磨的波长范围接近,从而验证了模型的合理性和有效性;轮轨系统的不稳定摩擦自激振动是导致实测区段钢轨波磨产生的根本原因,正是由于轮轨蠕滑力“饱和-非饱和”的周期特性,最终促使了波磨的形成;钢轨和车轮的垂向振动加速度等级在160~230 Hz频率范围内均出现了峰值区域,且频率范围与实测波磨的特征频率范围174~198 Hz接近,这进一步说明钢轨波磨是轮轨系统摩擦自激振动引起的车轮-钢轨共振所产生;在忽略初始不平顺的前提下,钢轨表面的波磨会随着车轮运行次数的增加呈现线性增长趋势,因此适当地采取钢轨打磨以及轨面润滑等措施尤为重要。     

轮对-轨道系统波磨预测模型的建立及预测分析

基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,通过轨下垫板等效替代扣件系统,建立轮轴之间采用过盈配合的轮对-轨道系统的有限元预测模型,采用复特征值分析法预测轮轨系统的摩擦自激振动。通过对比所建模型和采用弹簧阻尼对模拟扣件的模型之间的差异,发现所建模型在预测效果上更接近现场测试结果。通过控制变量法研究摩擦因数、轨下垫片等效弹性模量对波磨预测结果的影响。仿真结果表明：摩擦因数在0.2～0.6范围内时,随着摩擦因数的增大波磨发生的可能性会增加;扣件垂向刚度在50～90 MN/m范围内时,随着扣件刚度的增大即轨下垫板等效弹性模量的增大,系统发生不稳定振动的可能性会降低。仿真预测与实验结果一致,进一步验证了模型的有效性。     

阻尼环车轮对钢轨波磨的影响*

提出采用阻尼环车轮来抑制地铁钢轨波磨现象的发生和延长轮轨使用寿命。基于小半径曲线轮对饱和蠕滑力引起摩擦自激振动产生波磨理论,使用有限元软件ABAQUS建立阻尼环、导向轮对、钢轨、轨枕三维有限元模型。采用复特征值方法研究有无阻尼环、阻尼环阻尼系数(β)、阻尼环安装位置以及单侧阻尼环宽度D对钢轨波磨的影响。结果表明:阻尼环车轮能有效抑制波磨产生;随着β的数量级增加,阻尼环抑制波磨能力加强,当β=1×10~(-3)时,能完全抑制波磨;阻尼环安装位置对波磨抑制能力没有明显影响;阻尼环安装在轴侧时,其宽度变化对波磨抑制能力没有明显影响,而阻尼环安装在外侧时,随阻尼环宽度的增加其对波磨抑制能力呈先增大后减小的趋势,即存在最优宽度,使得阻尼环车轮的波磨抑制能力最佳。     

高速铁路车轮多边形磨耗影响因素仿真研究

基于摩擦自激振动可能导致车轮多边形磨耗的观点,建立由1个轮对和2根钢轨组成的轮轨系统摩擦自激振动模型,应用有限元软件ABAQUS提供的复特征值功能分析该模型的摩擦自激振动发生趋势,讨论摩擦因数、扣件刚度、阻尼对摩擦自激振动发生趋势的影响。结果显示,随着摩擦因数的减小和扣件阻尼的增大,轮轨系统摩擦自激振动发生趋势减小,而仅通过改变扣件刚度不能达到抑制车轮多边形磨耗的目的。根据仿真结果,指出减小摩擦因数和增大扣件阻尼是可行的控制车轮多边形磨耗的措施。     

地铁钢轨短波长波磨形成原因分析

国内某地铁线路运营后曲线轨道出现了短波长钢轨波磨现象，通过力锤敲击法对不同扣件轨道动态特性进行了测试。利用ABAQUS建立了轮轨三维实体有限元模型，分析了轮轨耦合模态特性以及白噪声激励时轨道频响特性。结合试验和仿真结果，分析了轮轨结构动态特性与短波长钢轨波磨之间的相关性。研究结果表明：普通扣件和减振扣件轨道钢轨波磨主波长分别为30~63 mm和40~50 mm；白噪声激励下，两种轨道分别在450~920 Hz和570~720 Hz范围内的敏感共振频率与列车通过钢轨波磨频率(454~954 Hz和572~715 Hz)相吻合；线路轨道短波长波磨的产生主要与轨道结构高频固有特性相关，轨道短波长波磨通过频率与轮轨耦合模态频率相近，其模态振型表现为轮对弯曲扭转的同时，伴随钢轨相对轨道板的垂向弯曲振动，轮轨耦合高频模态特征加剧短波长波磨的发展。