地铁钢轨波磨演化过程中的特性分析

调查分析了广州某条地铁线路轨道短波长钢轨波磨现象形成原因。首先,现场测试了线路钢轨波磨状态,对比分析了采用相同车辆结构和运营条件的另一条地铁线路钢轨波磨特征的差异。然后,基于地铁轮对-轨道高频相互作用线性理论和钢轨磨损理论,建立了钢轨波磨频域分析模型。最后,基于力锤敲击测试方法获得了轨道结构动态特性,利用钢轨波磨频域模型计算分析了地铁车辆通过半径800 m曲线时的钢轨磨损率特征。结果表明:(1)地铁线路采用的GJ-III型减振扣件和DTVI型普通扣件长轨枕轨道在大半径(大于等于800 m)曲线均出现了30~40 mm波长钢轨波磨现象,其产生不是由轮对固有模态特性所致。(2)当车辆以90 km/h速度运行时,仿真获得的轨道钢轨磨损率在1030~1130 Hz和620~840 Hz范围表现最大,易萌生22~24 mm和28~40 mm波长波磨;仿真结果与现场测量的钢轨波磨特征吻合。(3)轨道垂向位移导纳值在620~840Hz高频段表现低是导致该地铁线路出现30~40 mm短波长波磨的主要原因。     

基于轨道振动理论的梯形轨枕轨道钢轨波磨研究*

研究半径为350 m梯形轨枕曲线轨道上波磨的成因。借助于现场观察和测量,获得波磨的特征参数。调查区段车辆运行速度在35 km/h左右,该波磨的主波长为60~100 mm,其通过频率为110~180 Hz;次波长为30 mm,其通过频率为324 Hz。结合轨道结构振动理论对波磨成因进行预测分析。根据结构特征建立梯形轨枕轨道三维有限元实体模型,利用此模型分析轨道结构的固有特性与波磨通过频率的内在联系,对波磨的成因做出初步解释,利用该模型计算分析白噪声激励下轨道结构的频响特性,进一步揭示波磨形成的机理。将理论计算结果与现场测试数据比较,两者相吻合。研究表明,车辆通过梯形轨枕轨道时,容易引起钢轨相对于轨枕的垂横向弯曲振动,从而加剧轮轨粘滑振动,加速了该轨道曲线段波磨的形成和发展。     

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。     

P2共振型波磨激励下轮轨垂向动力学响应研究

为分析小半径曲线上P2共振型波磨激励下轮轨垂向动力学响应,于时域内建立车辆-轨道耦合动力学模型。在69 Hz的P2共振型波磨激励下,将车辆通过速度、波磨波长、波深等参数的变化考虑在内,模拟线路中不同工况对轮轨垂向动力学响应的影响。结果表明：在波深为0.2 mm时,随着车辆运行速度和波磨波长变化,轮对垂向动力学响应均在69 Hz达到最大值,说明与其他波磨通过频率相比,P2共振型波磨对轮对垂向响应影响最大;与无钢轨波磨工况相比,钢轨波磨工况的轮轨垂向动力响应均明显提高,且响应频率与波磨通过频率吻合;随着波磨波深的增加,轮轨间动力学响应加剧,这与现场实际情况和以往研究结论相符。     

[轮轨磨耗及预测]地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究

基于车辆轨道耦合动力学模型和钢轨材料摩擦磨损计算模型,分析了不同轨道结构参数和车辆运营速度对地铁直线轨道钢轨波磨发生和发展的影响。结果发现,对于不同的变量参数,轮轨接触斑内摩擦功率随时间的变化都具有一定的波动性,且摩擦功率整体波动幅度较为均匀。同时,摩擦功率1/3倍频程图分析结果表明,摩擦功率的特征频率主要集中在中低频范围。在主要特征频率处,扣件纵向刚度、纵向阻尼、横向阻尼和垂向阻尼对钢轨波磨的影响较小,扣件横向刚度、垂向刚度、扣件间距、轮轨摩擦因数和车辆运行速度对钢轨波磨的影响较大。扣件垂向刚度和扣件间距的变化会导致摩擦功率的特征频率发生偏移,主要特征频率从80 Hz偏移至100 Hz,从而导致对应波长的钢轨波磨,说明扣件垂向刚度和扣件间距对特定频率处钢轨波磨的产生和发展具有重要的影响。其余变量的增大并未导致摩擦功率的特征频率发生改变,表明其余变量不影响钢轨波磨的特征频率。     

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。     

系统参数对垂向轮轨耦合系统频率的影响

基于模态叠加法及特征值算法,提出一种计算轮轨耦合系统各阶频率的方法,分析了系统参数对于轮轨系统固有频率的影响规律。研究表明：离散支承导致轨道系统存在明显的Pinned-pinned共振现象,连续支承现象不明显,Pinned-pinned共振频率与钢轨抗弯刚度成正比,与轨道参振质量及扣件跨距成反比,轮轨共振为轮对和轨道质量在轨道弹性基础上的复合振动,其固有频率明显低于轨道自振频率;系统参数对轮轨共振频率的影响较大,随着轮对质量的增大而减小,随着扣件等效刚度的增大而增大,扣件频变特性使得轮轨共振频率明显增加;轨道不平顺会诱发轮轨共振现象,恶化轮轨相互作用,其中波长为100~300 mm波段对应的共振速度为23~68 km/h。     

地铁浮轨式减振扣件轨道的轮轨接触有限元分析

为了探究浮轨式减振扣件轨道存在的短波长钢轨波磨问题,采用有限元软件ABAQUS建立三维轮轨静态接触的数值模型,探讨轨道扣件系统垂向刚度和支撑方式对轮轨接触时接触斑、接触压力和钢轨位移等接触参数的影响。结果表明:轨下结构(扣件实体、轨道板等)对浮轨式减振扣件轨道的轮轨静态接触参数影响很小;采用轨腰支撑的浮轨式减振扣件的最大接触压力大于DTVI2型扣件,接触面积小于DTVI2型扣件;浮轨式减振扣件轨道钢轨垂向位移为与DTVI2型扣件的5倍左右,横向位移比DTVI2型扣件轨道小5.2%～13.2%,钢轨翻转角比DTVI2型扣件大146.3%～206.1%;浮轨式减振扣件的垂向刚度对轮轨接触压力分布、接触面积、钢轨横向位移及钢轨翻转角基本没有影响,而对钢轨垂向位移影响较大,垂向刚度越大钢轨垂向位移越小。浮轨式减振扣件较大的钢轨垂向位移及翻转角,降低了轮轨接触的稳定性,易导致波动的轮轨力,萌生钢轨波磨现象,因而需改进该类型扣件的设计,以降低钢轨翻转角。     

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。     

北京地铁剪切型减振器扣件钢轨波磨治理的试验研究

北京地铁近年来投入运营的几条线路中,剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象,经过大量的调查和测试分析发现：剪切型减振器扣件轨道系统在200～400 Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因。为了抑制波磨发展,在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块,并在北京地铁10号线选择两个试验段进行了现场试验,对两个试验段的钢轨走形带粗糙度进行了为期6个月的跟踪测试。测试结果表明：在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块有效地控制了钢轨波磨的发展,并在一定程度上起到了消减钢轨波磨的作用。     

嵌入式轨道与扣件轨道曲线啸叫噪声试验分析

嵌入式轨道是一种减振降噪型轨道,可以通过高分子材料的包裹增加轮轨系统阻尼。测试和分析100%低地板有轨电车通过嵌入式轨道和扣件式轨道小半径曲线时产生曲线啸叫噪声,测试曲线半径为50 m,试验速度范围5～15 km/h,测试结果表明,当有轨电车经过扣件式轨道时,导向轮对(第一位轮对)内侧车轮发出的啸叫噪声最为显著,其产生机理是轮轨间的横向蠕滑激励车轮960Hz频率处(0,2)轴向模态振动,从而产生强烈的单频振动并发出啸叫;与扣件式轨道相比,嵌入式轨道对曲线啸叫有一定的抑制效果;建立三维轮轨接触有限元模型,发现耦合模态阻尼受轨道结构阻尼影响较大,改变轨道结构的阻尼能有效的提高轮轨耦合模态阻尼,其中提高轨道结构参数中的横向阻尼是抑制曲线啸叫最有效的方式。     

Effect of passenger car curving on rail corrugation at a curved track

The paper presents a corrugation calculation model, which considers Kalker's non-Hertzian rolling contact theory to be modified, a material wear model and a vertical and lateral coupling dynamics of a half passenger car and a curved track. The dynamics characters of the curved track model in frequency domain were investigated by the commercial finite element code ANSYS, and some results concerning rail corrugation are presented in this paper. During a passenger car passing a curved track the dynamical performance of the vehicle and track and the initiation and growth of the curved rail corrugation are analyzed with the present corrugation calculation model. In the numerical calculation, two track states are investigated. One is that the track does not have any congenital defect except for the discrete rail support by sleepers. The other is that the track has a lateral dent on the gauge corner of the high rail. The rail corrugations analyzed are attributed to the material wear mechanism. The numerical results obtained indicate that (1) a high passing frequency corrugation initiates on the smooth running surface of the curved rail during the first passing of the passenger car through the curved track without defects; (2) the initial corrugation develops quickly and its passing frequencies change with an increase of passenger car passage; (3) the interaction of the leading wheelset of the bogie and the curved rails causes more severe corrugation and wear on the rail running surface than that of the trailing wheelset of the same bogie; (4) discrete rail support by sleepers is the congenital defect leading to rail corrugation formation.     

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。     

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。     

车轮多边形磨耗统计规律及关键影响因素分析

针对列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于轨道交通运输领域,会导致车辆/轨道系统产生高频的振动冲击,严重影响车辆和轨道系统零部件的使用寿命,危及行车安全这一问题,调查了大量车轮的多边形磨耗情况并进行统计分析,掌握了高速列车车轮多边形磨耗问题的现状和特点。以18～20阶多边形磨耗车辆为例,通过理论研究和试验分析(试验分析包括车辆系统振动特性测试和转向架模态特性测试),对车轮多边形磨耗的根本原因及诱导因素进行研究。研究发现,轮轨系统在580 Hz频率附近存在固有模态是导致车辆发生18～20阶多边形磨耗的根本原因,轮轨表面的各种不平顺能激发或者加剧轮轨系统在580 Hz频率附近的模态共振,从而诱发车轮多边形磨耗的产生。该结果可为高速列车车轮多边形磨耗问题的防止和进一步研究提供参考。     

地铁线路上一种钢轨波磨现象的成因分析

针对地铁线路直缓点附近区间上的一种特殊钢轨波磨现象,根据现场条件建立车辆-轨道系统数值模型,并对模型的有效性进行了验证;运用数值模型分析上述线路区间的轮轨界面黏滑特性,解释了该类钢轨波磨的形成原因;结合轮轨系统动力响应特性,分析促使钢轨波磨生成和发展的波长固定属性的成立条件。结果表明：在线路直缓点附近区间,导向轮对和从动轮对内外侧轮轨界面均会发生横向黏滑运动,而轮轨界面发生纵向黏滑运动的概率较低,且黏滑运动的交替发生,导致了钢轨表面初始波磨的形成;当导向轮对和从动轮对内外侧车轮经过线路直缓点时,外侧轮轨接触表现为轮缘-轨距角接触,且接触形式的改变造成了轮轨系统法向力的波动,说明直缓点的存在赋予了轮轨横向黏滑运动的相位同步特征,能够保持钢轨波磨的波长固定属性,因此,钢轨波磨最终形成并不断发展,而且内轨表现为轨面波磨,外轨表现为侧面波磨,这与实测区间波磨现象一致。     

轨道交通扣件系统时频特性测试与分析

为了得到安装在不同扣件系统下钢轨的振动特性,室内以WJ 7型扣件为样品,采用力锤激振法对其进行动力测试。基于MATLAB软件信号分析处理平台,利用线性短时傅里叶变换,非线性Page变换和Zhao Atlas Marks变换对振动信号的时频特性进行对比分析。研究结果表明：钢轨轨脚振动主要集中在中高频,其中在2 250 Hz振动能量最大,且持续时间最长;短时傅里叶变换(Short-time Fourier transform,简称STFT)具有较高的时间和频率分辨率,可以将轨脚的时域、频域和时频域的固有属性一一对应起来;非线性Page时频分析在能量较高的高频段具有较好的分辨率,而在低频段显得无能为力;非线性Zhao-Atlas-Marks分布时频分析在低频段效果较好,在高频段不是很理想。该分析结果可为轨道结构的振动噪声控制提供依据。