轨枕支撑刚度和阻尼对小半径曲线钢轨磨耗型波磨影响的有限元研究

基于Brockley轮轨系统的摩擦自激振动引起钢轨的磨耗型波磨的理论,本文建立了车辆稳态通过小半径曲线时由轮对－钢轨－轨枕弹簧组成的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系数的乘积,应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性。计算结果显示,当摩擦系数μ>0.28时,轮轨系统在饱和蠕滑力作用下存在很强的自激振动趋势。这种自激振动可能是引起小半径曲线线路上内轨短波波磨的原因。研究了轨枕支撑弹簧刚度和阻尼对钢轨波磨的影响,发现较软的轨枕支撑弹簧刚度和合适的轨枕支撑阻尼可以抑制曲线线路上内轨的短波波磨。研究也发现,把离散轨枕弹簧支撑改为连续弹簧支撑,仍然不能完全消除这种磨耗型钢轨波磨。     

山地城市地铁线路曲线段异常波磨现象的产生机理及抑制方法

针对山地城市地铁线路钢轨波磨通常发生在长大坡道大半径曲线外轨处的异常波磨现象,根据现场调研建立了波磨高发区段的车辆-轨道系统动力学模型,研究了As地铁车辆通过波磨高发区段时导向轮对-钢轨系统的动态特性。基于轮轨摩擦自激振动观点建立了相应区间弹性长轨枕支承轮轨系统的有限元模型,采用复特征值分析研究了波磨高发区段轮轨系统的摩擦自激振动特性。综合动力学分析和摩擦自激振动分析,研究了轮轨蠕滑特性、轮轨摩擦自激振动与波磨病害的关联性,从而揭示此类异常波磨病害的产生机理。进一步地,分别研究了车辆动力学参数和轨道支承结构参数对该区段轮轨摩擦自激振动的影响,并提出抑制波磨的相关方法。分析结果表明,在山地城市地铁线路波磨高发区段的缓和曲线到圆曲线处导向轮对外轮与外轨间的蠕滑力趋于饱和,轮轨间饱和蠕滑力易于诱导轮轨摩擦自激振动的产生,从而可能导致曲线外轨处产生波长为50~60 mm的异常波磨。在抑制方法的研究中发现车辆动力学参数的改变对轮轨摩擦自激振动特性的影响不大。同时,在一定范围内减小扣件垂向刚度和垂向阻尼有助于抑制该区段轮轨摩擦自激振动的发生,当扣件的垂向刚度为5 MN/m,垂向阻尼为10 000 N·s/m时,轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小。以上均为山地城市异常波磨病害的抑制提供参考。     

短轨枕区间钢轨波磨的现场测试和数值研究

基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的观点,综合采用现场测试和数值仿真的方法共同研究了短轨枕整体道床支撑小半径曲线轨道上的钢轨波磨。在现场测试中,测试了车辆通过该区段时的振动信号。在数值仿真中,建立了短轨枕整体道床支撑小半径曲线轨道上导向轮对的弹性振动模型。综合采用瞬时动态分析和复特征值分析计算了轮对通过该路段时的动态响应和不稳定振动模态。现场测试和数值仿真结果的一致进一步证明了在小半径曲线轨道上,轮轨间的饱和蠕滑力能够导致轮轨系统发生摩擦自激振动,从而产生钢轨波磨。同时,当轮对通过相应测点时,可以发现其垂向振动加速度具有明显波动,这意味着摩擦自激振动的产生。并且,在里轨表面垂向振动加速度的振幅明显大于在外轨表面垂向振动加速度的振幅。因此,由摩擦自激振动导致的钢轨波磨主要发生在里轨上,且通过数值仿真预测得到摩擦自激振动导致波磨的波长与现场实测结果近乎一致。     

直线线路科隆蛋扣件地段钢轨波磨成因的理论研究

在我国地铁线路上发现科隆蛋扣件地段的钢轨波磨不仅发生在小半径曲线区段,而且在直线区段也会出现。基于轮轨摩擦耦合自激振动引起钢轨波磨的观点,研究了地铁直线线路上科隆蛋扣件地段的钢轨波磨,建立了轮轨摩擦耦合弹性自激振动模型。采用复特征值法和瞬时动态分析法研究了轮轨系统的运动稳定性和动态特性。计算结果表明在饱和蠕滑力作用下的直线线路科隆蛋扣件地段容易产生40~50 mm波长的钢轨波磨。当使用刚度较大的DTVI2扣件代替刚度较小的科隆蛋扣件时,直线线路上的波磨将得到抑制。因此,适当的增加扣件的刚度有助于抑制直线轨道上的钢轨波磨,然而该方法在曲线轨道上并不适用。     

蠕滑力饱和条件下钢轨吸振器抑制短波波磨的理论研究

在一定条件下,钢轨吸振器对钢轨短波波磨具有良好的预防和抑制作用。然而,其抑制机理尚不明确。从蠕滑力饱和条件下,轮轨摩擦耦合自激振动引发钢轨短波波磨的角度,研究了钢轨吸振器抑制短波波磨的作用机理。理论分析结果显示钢轨吸振器的抑制频率区间与钢轨短波波磨的发生频率相重合。并且,钢轨吸振器能有效降低轮轨系统的摩擦自激振动强度,减小轮轨间法向接触力的波动幅度,进而能预防和抑制钢轨短波波磨的产生和发展。增大钢轨吸振器与轨腰之间的连接阻尼和连接刚度能增加轮轨系统的振动稳定性,有利于降低轨面发生短波波磨的可能性。     

铁路曲线钢轨横向凹坑对初始波磨形成的影响

建立了车辆/轨道横向垂向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨波磨计算模型,发展了相应的数值方法。利用该方法分析了曲线钢轨顶面内侧具有横向凹坑对初始波磨形成的影响。计算了客车车辆通过钢轨轨头横向凹坑时,同一个转向架的4个车轮反复作用下钢轨初始波磨形成和发展情况。数值结果表明,当车辆通过具有横向凹坑的曲线钢轨时,轮对和钢轨之间发生瞬态冲击振动,引起钢轨接触面产生不均匀磨损而形成初始波磨,随着车辆通过次数增加,不均匀波磨深度加大并向前扩展,形成大约30mm和750mm的波长;当车轮通过横向凹坑瞬间,车轮和钢轨之间发生激烈的振动,使4车轮下的钢轨接触表面产生严重的凹坑磨损,当车辆再次通过时,轮轨间的振动继续加剧,凹坑磨损深度迅速加大;前轮对通过凹坑而受激振动对后轮对动力学行为影响较大,导致后轮对作用下钢轨接触面不均匀磨损严重,但后轮对受激振动对前轮对动力学行为的影响较小;前轮对左轮受外轨激振作用而导致前轮对右轮下钢轨接触面凹坑磨损最严重。     

地铁浮置板轨道系统导纳特性与钢轨波磨关系研究

为了探明钢弹簧浮置板轨道区段波磨发生机理及与轮轨系统参数影响规律。首先基于现场测试的钢轨波磨特征,分析波磨典型波长及其通过频率;其次建立轮对和钢弹簧浮置板轨道三维有限元模型,分析轮轨共振模态与浮置板轨道钢轨导纳特性,探讨钢轨扣件刚度、浮置板隔振器刚度与轮对振动模态对钢弹簧浮置板区段钢轨波磨的影响规律。结果表明：（1）钢轨扣件刚度对波磨发生和发展有重要的影响。钢轨扣件刚度越低,将激发钢轨较大的振动,在特定频段上过大的钢轨振动会导致对应波长的波磨加剧,进而加速波磨的发展。（2）从轮轨系统模态分析,358 Hz的钢轨横向弯曲变形频率与测试线路产生特征波长为31.7 mm波磨引起的轮轨振动频率较为接近;可通过采取减振措施来抑制轮轨系统在358 Hz处的横向振动响应,会相应地减缓钢轨磨耗。     

刚性弓网系统参数对接触线波磨的影响研究

建立地铁受电弓-刚性接触网1∶1有限元摩擦自激振动模型，通过滑动摩擦关系将弓网系统的法向和切向运动进行动力学耦合。基于摩擦自激振动引起波磨理论，使用复特征值法研究刚性弓网系统参数对接触线波磨的影响。结果表明，当摩擦因数μ≥0.15时，刚性弓网系统都会在频率f=818.01 Hz发生摩擦自激振动现象，这个摩擦自激振动引起刚性接触线波磨。当摩擦因数μ<0.15时，可以显著减轻接触线波磨；当法向接触力F≤110 N或跨距L=6 m时，可以有效缓解接触线波磨；当弓头悬挂扭簧刚度K=100 N·m/rad时，接触线波磨发生的可能性较小。     

车轮阻尼及接触点位置对轮轨接触过程稳定性的影响

结合S形辐板辗钢整体车轮和60 kg/m钢轨的尺寸与性能要求,利用有限元法和模态试验法建立车轮高频振动模型,并在考虑钢轨断面变形和轨下结构影响的基础上建立钢轨高频振动模型。在改变轮轨接触点位置和车轮模态阻尼比的情况下对轮轨接触系统进行了稳定性分析。结果表明:节圆数为0的车轮模态对系统稳定性的影响最明显;增大横向蠕滑量会使轮轨接触系统容易发生不稳定,并且该蠕滑量在轮缘接触时的影响比在踏面时要大;接触点位置对接触系统稳定性的影响与轮轨偏向角及接触面摩擦系数的大小有关;增大车轮阻尼能明显减少接触系统不稳定频率的个数,并且在偏向角较大时,阻尼的作用对轮缘接触更明显。     

地铁波磨对轮轨动力特性影响及其安全阈值分析EI北大核心CSCD

现场测试某地铁线路普通道床地段钢轨波磨和钢轨振动加速度,建立了地铁车辆-轨道耦合动力学模型,分析了不同特征钢轨波磨对轮轨系统动力特性的影响,提出了指导钢轨打磨控制波磨的波深安全阈值。结果表明:钢轨波磨主要发生在小半径曲线地段圆曲线内轨,主波长200~250 mm,最大波深约0.8 mm,直线地段出现短波波磨,主波长40 mm,最大波深约0.1 mm;波磨主要波长与轨道结构振动主频对应;钢轨波磨激励导致轨道结构振动较大,轮轨系统动力响应剧烈,尤其是70 mm以下的短波波磨;轮轨垂向力呈周期性波动,波动周期与波磨波长相同,周期内1/4波长处轮轨冲击振动达到峰值;钢轨波磨对轮轨系统动力响应的影响随着波长减小、波深增大而加剧;现有规程中指导钢轨打磨的波磨安全限值适用于长波波磨,对于波长30、40、50、60 mm的短波波磨,运营速度80 km/h情况下,建议波深安全阈值为0.08、0.11、0.12、0.21 mm,波深超出安全阈值后应及时打磨。     

基于胎面-路面摩擦自激的轮胎非线性振动建模仿真

轮胎的多边形磨损是汽车研发设计过程中迫切需要解决的问题之一。考虑轮胎接地磨擦的非线性特性,建立了悬架-轮胎-胎面系统的考虑时间延迟的两自由度动力学振动模型,研究基于自激振动理论的轮胎多边形磨损现象。通过matlab/simulink进行仿真试验,验证了汽车中高速行驶时硬自激振动现象的存在,并给出了能够引起自激振动的敏感参数及车速范围。所建立的动力学振动模型可以帮助分析悬架动力学特性对轮胎多边形磨损的影响,为减小或消除轮胎的自激振动提供了理论依据。     

高弹扣件轨道车轮间振动波的反射对钢轨短波长波磨的影响

地铁线路使用高弹扣件的直、曲线段均出现严重的短波长钢轨波磨(25 mm^30 mm)。针对该问题,在时域建立多车轮板式轨道系统模型研究了车轮间钢轨振动波反射而引起的垂向动态轮轨作用力。轮轨之间非线性的滚动接触等效为二维接触模型,其中纵向滑移区内的磨损与切应力引起的摩擦功成比例。综合瞬时轮轨动力学、接触力学和轮轨的长期磨损,对单、多轮轨作用下高弹扣件地铁线路以及普通扣件线路中钢轨波磨的进化过程分别进行仿真,通过对比结果表明使用高弹扣件地铁线路钢轨短波长波磨异常增长主要原因是钢轨振动波在临近车轮间的反射使得垂向动态接触力剧烈波动而加速轮轨间的不均匀磨损。最后,调频钢轨吸振器(TRD)引入系统模型并分析了其对这类短波长波磨的抑制作用,仿真结果表明TRD可以有效缓解车轮间的振动波反射以及相关的短波长波磨的异常增长。     

轮轨横向滑动稳定性对曲线啸叫噪声的影响

车轮相对于钢轨发生横向滑动时,轮轨接触面上的摩擦力变化会引起曲线啸叫噪声。因此首先建立了车轮的状态空间模型和轮轨接触摩擦模型,对轮轨横向接触过程采用4阶Runge-Kutta法进行了时域分析,研究了如横向滑动速度、接触力、阻尼等因素对滑动过程稳定性的影响,并结合实例计算进行了验证,最终得出结论:轮轨横向滑动过程出现不稳定的主要原因是接触面间摩擦系数变化引起的自激振动;当车轮阻尼大于等效阻尼临界值时会使滑动过程稳定;轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

高架轨道桥梁新型橡胶减振支座的减振效果分析

为减小列车在高架轨道桥梁上运行引起的环境振动,开发了一种新型橡胶减振支座。此新型支座采用高阻尼厚层橡胶块倾斜布置的设计方案,在实现竖向减振的同时还可以提供较大的横向水平刚度;为研究这种新型支座的减振效果,建立了上部质量块-橡胶减振支座-桥墩体系有限元模型,采用竖向扫频激振的方式对其减振效果进行数值模拟;设计了一系列工况对影响新型支座减振效果的因素进行分析。研究表明:激振力幅值对新型支座的振动插入损失无影响,但增大桥墩高度会导致新型支座的振动插入损失减小;当激振力幅值取140 kN、桥墩高度取6 m时,新型支座的振动插入损失为17.53 dB;在满足承载力的情况下,增大橡胶块的倾角、增大橡胶块中橡胶层总厚度、减少橡胶层数的划分,可以降低新型支座的压缩刚度,进而提高新型支座的减振效果。     

地铁钢轨波磨对轨道结构振动及减振特性影响

现场调查某地铁线路上普通短轨枕、先锋扣件和钢弹簧浮置板三种轨道的钢轨波磨特征,并分别进行振动测试,研究钢轨存在波磨时,三种轨道结构的振动特性及减振效果。结果表明:三种轨道结构都是内轨波磨明显,外轨表面不平顺幅值相比内轨都很小,可以忽略不计其影响;波磨主波长频率成分很容易在轨道各零部件(包括隧道壁)振动中激发出来,并且会引起较大幅值的振动;在4 Hz~200 Hz频率范围内,波磨激励下的减振型轨道依然具有良好的减振性能,但是与其最初设计用于的减振效果相比,有明显的下降;先锋扣件轨道短波长波磨会削减隧道壁在高频段的减振效果;钢弹簧浮置板轨道的波磨幅值显著,虽然对其隧道壁的减振效果影响不明显,但是会造成钢轨振动增加。     

轮对径向质心偏离对纵向振动的影响

当轮对质心存在径向偏离时,会引发周期性粘着系数的变化,与剧烈的自激扭转振动,从而直接导致轮对产生纵向振动。轮对纵向振动与轮轨黏-滑振动相互耦合,破坏了机车稳定动力学性能。通过某新型机车的建模和数值仿真,计算和分析在不同的质心偏离和速度下,构架、轮对的纵向振动频率与车体垂向共振频率。并计算轮对粘着系数变化规律,分析机车垂向平稳性恶化的机理。结果表明当轮对存在径向偏心时,轮轨蠕滑力饱和产生动力学耦合,引起轮对的扭转振动和纵向振动,由此将通过构架与牵引装置的传递而恶化机车垂向平稳性。     

钢轨波浪磨耗产生和发展机理及其控制

通过研究轨道系统不连续支承钢轨柔度的变化及轮轨系统动柔度关系,提出了＂轮轨柔度差变＂机理,该机理能有效地描述钢轨波浪磨耗产生和发展的原因,通过轨道动柔度理论计算和实验验证及运营条件下实际钢轨波浪磨耗现象的比较,得出一致的结论,从而充分证明了轮轨柔度差变和钢轨不连续支承及轨道支承刚度变化是钢轨波浪磨耗形成的主要原因之一,根据本文提出的钢轨波浪磨耗产生和发展机理,降低轮轨柔度差变及控制钢轨振动能够有效抑制钢轨波浪磨耗的形成与发展。通过在线对采用低刚度谐振动力阻尼隔振扣件的线路与原有普通线路上采用刚度较高扣件的轨道线路上钢轨粗糙度在不同时间间隔进行的测试比较,结果表明,在普通线路上采用刚度较高扣件的轨道线路上钢轨的粗糙度较高,而在安装低刚度谐振动力阻尼隔振扣件的线路上钢轨粗糙度反而有所下降,同时其钢轨本身在垂直方向及横向振动水平也有所下降。     

全轮对曲线通过时的瞬态滚动接触行为模拟研究

采用显式有限元法建立了我国某地铁系统R300 m曲线段的全轮对三维轮轨瞬态滚动接触模型,在时域内数值模拟了轮对曲线通过时的瞬态滚滑行为,详细分析了自由轮对滚过无不平顺的光滑钢轨和单侧钢轨存在波磨时两侧轮轨间的接触力、接触应力、相对滑移和黏滑区分布及摩擦功等结果。相比以往直线轨道的半轮对和全轮对滚动接触模型,该模型将曲线超高、弯曲钢轨、轮对横移及侧滚等考虑在内。光滑轮轨的结果表明:以50 km/h通过曲线时（均衡速度50.42 km/h）,外轨磨耗大于内轨,最大磨耗值约为内轨的3.1倍,且集中于轨距角附近;随着横移量的增大,外轨的接触力、接触应力及摩擦功会显著增大;这些与现场观测一致,初步验证了模型的可靠性。存在于单侧钢轨的短波波磨会引起两侧轨头摩擦功的波动,不仅会造成波磨侧轨面的不均匀磨耗,也会引发另一侧钢轨的轻微不均匀磨耗。该文计算工况下,波磨存在于内轨时引起的无波磨侧摩擦功最大波动幅值约为存在于外轨时相应结果的1.9倍,即内轨短波波磨能更有效触发无波磨侧萌生波磨;短波波磨无论发生在内轨还是外轨,两侧摩擦功波动幅值均在40 km/h~50 km/h间某速度下（略低于均衡速度）达到最小值,即波磨发展速率最低。     

谐振式浮轨扣件减振性能测试研究

为测试谐振式浮轨扣件振动特性和钢轨表面波磨,对南京地铁谐振式浮轨扣件进行锤击和波磨测试,同时对比测试Ⅰ型扣件、DTVⅠ2扣件和DTVⅡ2扣件3种典型常用扣件。测试结果表明,谐振式浮轨扣件固有频率、刚度和钢轨表面粗糙度最低,振动传播衰减率最好,谐振式浮轨扣件同时具有较好的减振和抑制钢轨波磨能力。