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。     

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。     

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。     

科隆蛋扣件与普通短轨枕过渡段钢轨波磨的瞬态动力学研究

基于轮轨摩擦耦合自激振动导致钢轨波磨的观点,建立位于小半径曲线轨道上科隆蛋扣件和普通短轨枕交界区段的两轮对-钢轨-轨枕有限元模型,在小半径曲线上,轮轨间的蠕滑力通常达到饱和状态,其值等于法向力乘以动摩擦因数。采用ABAQUS软件研究轮轨系统的瞬态动力学过程,获得轮对通过该区段时钢轨表面的振动加速度和接触力的变化规律。通过结果分析可发现,在内轨和内轮上发生了严重的摩擦自激振动,从而产生了钢轨波磨;钢轨的振动在科隆蛋扣件区段比在普通短轨枕区段明显。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Study on the Effect of Track Curve Radius on Friction-Induced Oscillation of a Wheelset–Track System

Abstract

The purpose of this article is to investigate the correlation between the friction-induced oscillation of a wheelset–track system and curve radius and to explain a general phenomenon of rail corrugation based on the viewpoint of friction-induced oscillation. The typical phenomenon of rail corrugation in metros is that corrugation generally arises when the curve radius is quite small, whereas it rarely occurs when the curve radius is larger or on a straight track. Different multibody models of the vehicle–track system and finite-element models of the multiple-wheelset–track system with different curve radii are established, respectively. According to the creep force analyses and unstable vibration analyses, the correlation between the creep force and friction-induced oscillation can be identified. Then the effect of the track curve radius on the friction-induced oscillation of the wheelset–track system can be summarized, which provides an explanation of the typical phenomenon of corrugation.     

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(1 430 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。     

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。     

Experimental Study on Corrugation of a Sliding Surface Caused by Frictional Self-Excited Vibration

A series of tests is conducted on a pin-on-disc tester to study the effect of frictional self-excited vibration on evolution of the scar profiles. A laser displacement sensor is used to measure the profile size of the worn scars. An accelerometer is used to measure vibration of the pin specimen. The test results show that a sustained frictional self-excited vibration easily occurs under dry friction. When the vibration lasts for a long enough time, corrugation is generated on the sliding surface of the disc specimen. The wavelength of corrugation is approximately equal to the sliding speed multiplied by the period time of the friction-induced vibration.     

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。     

Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of rail corrugation

The effect of a scratch formed on the running surface of a curved rail, due to the slide of a locomotive wheel, on the formation and evolution of rail corrugation is investigated in detail with numerical methods when a wheelset is steadily and repeatedly curving. In the calculation we consider a combination of Kalker’s rolling contact theory with non-Hertzian to be modified, a linear frictional work model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. Also the influence of different speeds of wheelset curving through the scratch on the development of the corrugation is taken into account. The numerical results indicate that a scratch causes strong contact vibration between the wheel and rail, and initiation and development of rail corrugation under the condition of steady creepage occurring between the wheel and curved rail. The wave-length of the corrugation depends on the speed of wheelset curving and the natural frequencies of the track.     

应用蠕滑理论分析钢轨表面磨耗型波浪形磨损

从轮轨接触力的波动观点出发，应用动态蠕滑理论分析了轮轨接触表面摩擦功密度的变化，并讨论了轮轨表面产生磨耗形波浪形磨损的原因，分析得出波浪形磨损可能在任何轨面上萌生，但是要使波浪形磨损持续发展却需要满足一定的条件——轮轨振动的匹配条件，即初始波浪形磨损引发的轮轨激振频率与轨道或轮对的某阶振型相接近时，初始波浪形磨损就扩展，否则就逐渐消失。