[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。     

铁路曲线钢轨初始波磨演化分析

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浪形磨损计算模型,发展了相应的数值方法。利用该方法分析曲线钢轨接触面上具有不同固定波长的初始波磨随着车辆通过次数增加的演化规律。计算同一个转向架的4个车轮反复作用下初始波磨波深、频率和相位的变化情况。数值结果表明,随着车辆通过次数增加,具有任何固定波长的钢轨初始波磨逐渐衰减,且同一个转向架前轮对作用下初始波磨衰减的速度远大于后轮对作用下初始波磨衰减的速度;前轮对作用下的演化波磨的相位有移动的趋势;轮对反复作用下单一波长的初始波磨逐渐演化具有两个波长的新的波磨;初始波磨的波长越短,在车辆通过次数增加时,衰减得越快。     

轮轨综合磨耗下对高速列车动力学性能的影响

高速铁路长时间运营,经常发生车轮多边形磨耗,并伴随钢轨波磨,两种损伤形式对列车运行特性的综合影响有待深入研究。采用简谐函数法建立车轮多边形模型,设计余弦函数描述钢轨不平顺磨耗,建立列车刚柔耦合动力学模型,分析不同车轮多边形及钢轨波磨综合磨耗情况下,列车的动力学性能的影响,并提出轮轨综合磨耗的安全限值。结果表明：在轮轨综合磨耗激扰下对列车的动力学性能的影响更为剧烈;列车运行速度为300 km/h下,轮轨垂向力增长幅值最大达到30%,车轮与25阶振型模态产生共振;车轮多边形比钢轨波磨对垂向力的影响更大;不同多边形阶次、幅值下,轮轨综合磨耗工况对轴箱、轮对以及钢轨垂向振动加速度影响更大。车轮多边形安全限值更小,多边形幅值限值平均降低了25.9%,在轮轨综合磨耗作用下更易超出限值;当速度为300 km/h,提出了钢轨波磨和车轮多边形阶次在一定范围内的安全限值。     

多边形激励下动车组动态响应研究

首先基于刚柔耦合理论,考虑了轮对、轴箱和构架的柔性,建立了动车组车辆刚柔耦合动力学模型;然后又通过模态叠加法建立了轨道的动力学模型,从而发展成车线-刚柔耦合动力学模型。随后,在车轮上施加20阶理想多边形,研究了300 km/h下轴箱垂向加速度、轮轨垂向力和轮轴弯曲应力的响应,结果表明:轴箱垂向加速度和轮轨垂向力以577 Hz的多边形通过频率波动,而轮轴弯曲应力主频为28.8Hz的车轮转频,在此基础上,叠加了多边形的通过频率,因此多边形的通过频率577 Hz会分岔为548 Hz和605 Hz两个频率。通过对不同速度和不同多边形幅值下车辆响应的研究可以得到以下结论:随着速度和多边形幅值的增大,轮轨力最大值总体上呈现增大趋势。从轮轨力最小值上看:速度越大,多边形幅值越大,则更容易发生轮轨分离。当车轮多边形通过频率与轮轨耦合共振频率耦合,会引起轮轨垂向力的增大。当与轴箱自身模态频率耦合时会导致轴箱加速度的变大。轮轴应力则主要受到轮轨耦合共振模态以及轮轴自身的弯曲模态影响。     

钢轨打磨对焊接接头区的不平顺及其动力学响应的影响

利用钢轨焊接接头不平顺测量仪Railprof,测量并分析国内某高铁线路钢轨的焊接接头区在打磨前后几何不平顺的变化,发现钢轨打磨能够减小焊接接头的不平顺幅值。基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立高铁车辆-轨道耦合动力学模型,以实际测得的钢轨焊接接头不平顺作为轮轨界面不平顺激励输入,分析焊接接头不平顺引起的轮轨动力学响应的特征,并讨论行车速度对焊接接头不平顺激扰下轮轨动力学响应的影响。结果表明,轮轨垂向力随着车辆通过速度的增加而增加,打磨后的轮轨垂向力以及轮重减载率相比于打磨前明显降低;钢轨打磨改善了焊接接头的不平顺性,并使轮轨的动力学性能(安全性)相应地得到改善。     

曲线钢轨初始波磨形成的机理分析

利用数值方法分析钢轨离散支撑引发曲线钢轨初始波浪形磨损形成的机理.建立车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论模型和轮轨界面材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型.考虑半个车辆模型和有限计算长度的轨道模型,利用Hertz非线性接触弹簧和沈志云-Hydrick-Elkins非线性蠕滑理论耦合车辆和轨道的计算模型来计算轮轨的法向载荷和切向载荷.通过车辆过曲线动力学分析,确定轮轨的瞬时接触位置、法向载荷、蠕滑率等.根据修改的Kalker三维滚动接触理论计算轮轨滚动接触力学行为,再利用轮轨材料摩擦磨损模型计算钢轨的磨损量.对曲线两端的缓和曲线和圆曲线的初始波磨形成过程作详细分析,并对波动频率也作了调查.数值结果显示,同一个转向架4个车轮引起的磨损波长和波深是不同的;不同曲线位置初始波磨的波深和波长也有区别;波磨的频率和轮轨接触振动密切相关;波磨的频率不仅包含轨枕的通过频率,也包含轨道被激发的更高振动频率.     

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。     

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。     

轮轨高频动力作用模拟中接触模型的影响分析

轮轨高频动力分析模型目前多沿用了传统的赫兹接触模型,其在高速轮轨系统上的适用性尚未得到验证。针对赫兹接触工况,建立基于多体动力学的车轮-轨道耦合动力学和车辆动力学模型,其中轮轨法向接触由赫兹弹簧表征,作为对比也建立基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型,采用可考虑三维接触几何的"面-面"接触算法精确求解轮轨接触。对比150～500km/h速度范围内典型钢轨短波波磨(波长20～140mm、波深0.01～0.20mm)激励下的高频轮轨力结果,发现三种模型预测的幅值存在显著差异,但未发生轮轨脱离时(波磨尚浅),三种模型预测的幅值均与波深线性正相关。具体而言,相较于瞬态滚动接触模型,车轮-轨道耦合动力学和车辆动力学模型预测的垂向轮轨力更大,其特征幅值的最大差值分别为静轮重的39.2%和88.4%,三种模型预测波长30mm波磨的临界波深(恰好发生轮轨脱离)相应地高于0.2mm、0.14mm和0.05mm。开展高速、高频轮轨动力分析时,传统的赫兹接触弹簧会带来不可忽略的计算误差。     

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。     

车辆轨道关键参数对高速铁路钢轨波磨发展的影响

基于轮轨垂向动力学、轮轨滚动接触理论以及磨耗理论建立高速铁路无砟轨道钢轨波磨发展的理论计算模型,并发展出相应的数值仿真方法。其中轮轨垂向动力学模型包含高速车辆和高速铁路无砟轨道模型;采用Hertz接触理论和Carter二维轮轨接触理论计算轮轨切向力;利用摩擦功磨耗模型计算钢轨表面的磨耗。利用数值仿真再现了高速铁路钢轨波磨的演化过程,以此来研究车辆一系悬挂刚度以及悬挂阻尼,轨道扣件刚度、扣件阻尼以及钢轨硬度对高速铁路钢轨波磨发展的影响规律。结果表明:文中模拟所得的钢轨波磨波长特征与高速铁路上的波磨调查结果相符;较小的车辆一系悬挂刚度,适当的一系悬挂阻尼和扣件刚度,以及较大的扣件阻尼和钢轨硬度有利于抑制高速铁路钢轨波磨的发展。     

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。     

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。     

地铁线路钢轨焊接区轮轨动力学问题

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了地铁车辆-整体道床轨道垂向耦合模型,以实际测量得到的地铁线路钢轨焊接接头不平顺作为轮轨界面不平顺激扰输入,分析了接头不平顺引起的轮轨动力响应特征,以及行车速度、不平顺波长、不平顺波深、轨下胶垫刚度以及轨道结构形式等对焊接接头不平顺激扰下轮轨动力响应的影响。分析结果表明,不平顺波长的减小以及不平顺波深的增大会恶化焊接区轮轨动力响应,轨道结构弹性的提高有助于改善车辆-轨道耦合系统动力学性能。     

波磨条件下地铁车轮瞬态滚动噪声特性研究

联合应用隐式-显式有限元及边界元方法,分析地铁线路中几种典型钢轨波磨对车轮声辐射的影响。采用Ansys/LSdyna建立有钢轨波磨存在的三维轮轨瞬态滚动接触模型,获得波磨激励下的轮轨接触力。将该轮轨力输入到有限元/边界元振动声辐射模型,进行波磨激励下车轮声辐射分析。结果表明,该模型能够反映波磨对轮轨作用力非线性的影响;钢轨波磨增大了轮轨间作用力,波磨波长越短,波深越深,对轮轨力的影响越大。对于直型辐板车轮,当钢轨波长较长或波深较小时,车轮声辐射主要由径向模态振动声辐射贡献,当钢轨波长较短或波深较大时,车轮振动声辐射在波磨激励频率处贡献较大。     

单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响分析

基于我国某地铁钢轨波磨的调研,采用显式有限元法建立了考虑车轮、车轴和钢轨连续体振动以及车辆、轨道高频结构振动的全轮对三维瞬态轮轨滚动接触模型,在时域内数值再现了轮对通过单侧钢轨波磨轨道段时的滚动接触行为,系统分析了单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响。相比于作者之前开发的半轮对滚动接触模型,该模型可将轮轨横向蠕滑和大自旋考虑在内。结果表明：地铁运行速度越高,波磨侧的不均匀磨损现象越严重;计算的五个速度中,波磨造成的瞬态激励在30和120 km/h时更易传递至无波磨侧,进而促进无波磨侧钢轨萌生波磨;轮对越是向波磨侧横移,波磨侧不均匀磨损越严重,但无波磨侧不均匀磨损逐渐降低,即相较于直线段,横移更大的曲线段上的外侧钢轨波磨更不易引发另一侧钢轨的波磨。     

科隆蛋扣件段钢轨波磨产生机理及发展特性

为研究地铁钢轨波磨的产生机理和发展特性,通过建立车辆-轨道空间耦合模型和钢轨波磨评价模型,从频域和时域的角度分析波磨产生机理,并运用波磨增长率对科隆蛋扣件轨道钢轨波磨的产生机理和发展特性进行研究。基于频域的分析,对轨道结构模型进行模态分析和频响分析,发现存在与实测波磨通过频率接近的轨道结构固有频率,说明该频率所对应的振型更容易被激发出来,促使轨道结构发生共振现象,形成相应频率的波磨。基于时域的分析,运用车辆-轨道耦合模型,计算钢轨垂向振动加速度、钢轨垂向位移的时程曲线并进行频域变换,发现存在与实测波磨通过频率接近的特征频率,说明轨道结构相应频率下的振动是促进波磨形成的重要原因。车速的改变对波磨增长率的特征频率没有影响,体现了波磨的固定频率特性。随着列车运行次数的增加,特征频率对应波长的波磨逐渐形成并不断发展;波磨的波长范围和发展速度随着列车速度的增加而逐渐增大。     

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。     

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。     

多边形磨耗对轮轨力和轴箱加速度的影响研究

针对高速动车组车轮多边形磨耗会加剧轮轨间的相互作用,导致轮轨间异常伤损的问题,建立了车辆轮对的有限元模型,并利用Lancos法对车轮进行了模态分析。建立了考虑轮对柔性的车辆刚柔耦合动力学模型,研究了车轮多边形磨耗对轮轨力和轴箱加速度的影响,分析了不同速度级下的不同幅值、阶次的车轮多边形磨耗的动力学响应。仿真及研究结果表明:随着车轮多边形磨耗的幅值增加,轮轨垂向力和轴箱垂向加速度均有增加,在18、23多边形阶次下,车轮多边形磨耗引发的激扰频率区间为300 Hz～350 Hz、500 Hz～550 Hz和680 Hz～750 Hz,该频率区间与柔性轮对系统模态接近引起谐振,导致在上述区间段轮轨力与振动加速度幅值显著增加。