车辆轨道关键参数对高速铁路钢轨波磨的影响研究

摘要

近百年来，钢轨波磨一直是铁路行业的重大技术难题。人们都致力于改进已有的研究模型或者发展新的模型来更好的揭示钢轨波磨萌生和发展的机理。尽管学者们对钢轨波磨发展进行过多种模拟研究，但是关于高速铁路无砟轨道的车辆和轨道参数对钢轨波磨的影响尚无系统性研究。因此，建立针对高速铁路无砟轨道钢轨波磨发展的理论计算模型，再现不同车辆和轨道参数下钢轨波磨发展的演化过程，对于高速铁路波磨发展机理的认识以及提出预防或措施具有重要的工程价值。 本文基于轮轨垂向动力学模型、轮轨接触模型以及磨耗模型建立了高速铁路钢轨波磨萌生和发展的理论计算模型。在轮轨垂向动力学模型计算得到轮轨垂向力的基础上，利用轮轨接触模型得到轮轨切向力，再通过摩擦功磨耗模型计算钢轨表面磨耗量，如此反复再现了高速铁路钢轨波磨的萌生和发展过程。本文仿真得到的钢轨波磨的波长与高速铁路上的波磨测量结果相符。 利用高速铁路无砟轨道钢轨波磨萌生和发展的理论计算模型进行了车辆一系悬挂刚度和悬挂阻尼对钢轨平均磨耗量、钢轨波磨的最大波深以及轮轨力的影响研究。结果表明，增加车辆一系悬挂刚度可以在一定程度上降低钢轨磨耗，但增加车辆一系悬挂刚度会促进高速铁路钢轨波磨的发展。车辆一系悬挂阻尼对钢轨磨耗量和钢轨波磨的发展影响较小；保持车辆一系悬挂阻尼在某个最优值附近时有利于减缓高速铁路钢轨波磨的发展。 在对钢轨表面材料性能对钢轨波磨的影响研究中，建立了可考虑钢轨硬度影响的磨耗模型。通过研究发现增加钢轨硬度可以降低钢轨表面磨耗，减缓钢轨波磨的发展。通过钢轨脱碳层的硬度测试获得了钢轨脱碳层对硬度的影响规律，并将测试结果输入可考虑钢轨硬度影响的磨耗模型，再现了不同脱碳层厚度下钢轨波磨的演化过程，研究结果表明：钢轨脱碳层对钢轨波磨发展有显著影响；随着钢轨脱碳层深度增加，钢轨表面平均磨耗量呈线性增加，钢轨波磨的最大波深呈指数增涨，钢轨波磨的发展速度逐渐加快。 利用高速铁路无砟轨道钢轨波磨萌生和发展的理论计算模型进行了钢轨初始不平 顺幅值、初始不平顺波长以及初始不平顺相位对钢轨平均磨耗量、钢轨波磨的最大波 深以及轮轨力的影响研究。结果表明，钢轨表面不是波磨特征波长的钢轨不平顺在钢轨表面磨耗过程中被磨掉了，因此避免初始不平顺波长在钢轨波磨特征波长附近有利于减缓波磨的发展。钢轨初始不平顺对钢轨平均磨耗量的影响较小。 最后，利用所建立的模型进行了钢轨扣件刚度和扣件阻尼对钢轨平均磨耗量、钢轨波磨的最大波深以及轮轨力的影响研究。结果表明，降低扣件刚度可以一定程度上降低钢轨磨耗；适当的扣件刚度以及较大的扣件阻尼可有利于减缓高速铁路钢轨波磨的发展。扣件阻尼对钢轨平均磨耗量的影响较小。

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