一系悬挂和扣件参数对钢轨波磨影响的仿真分析

摘要

随着城市轨道交通的蓬勃发展，地铁车辆运营环境愈加复杂，轮轨相互作用环境趋于严峻。钢轨波浪形磨损是轮轨相互作用导致的常见轨道损伤问题之一。当车辆通过存在波磨的轨道区段时，不仅会带来严重的尖锐噪声，影响乘客的乘坐舒适度，其引起的车辆剧烈振动还会导致车辆与轨道结构受损，严重的钢轨波磨甚至会引起行车事故。从首次进入研究人员的视线，到现在为止，钢轨波浪形磨损的研究已经持续了百年之久，但仍未有一种具有普遍适用性的形成机理能够被国内外研究人员所认同。在实际的地铁维护工作中，针对钢轨波浪形磨损问题，一般只有采取打磨或更换钢轨的办法来降低其危害。但这并不能从根本上解决问题，打磨或更换新轨后，新的波磨还会产生。只有研究钢轨波浪形磨损的形成机理，从根本上研究消除其产生条件的措施，才能真正的消除波磨。 陈光雄教授提出的摩擦耦合自激振动可以引起钢轨波浪形磨损的观点，认为地铁车辆在通过小半径曲线轨道时，导向轮对上轮轨间的蠕滑力趋于饱和，其大小约等于摩擦力，在这种饱和的蠕滑力作用下，轮轨系统可能会发生摩擦自激振动，引起摩擦功波动进而导致钢轨波磨。本文基于该观点，使用有限元软件ABAQUS分别建立了用于瞬时动态分析和复特征值分析的轮轨接触系统有限元模型，并通过对该系统模型的复特征值分析和瞬时动态分析研究了模型在频域和时域内的稳定性情况，预测了轮轨系统的摩擦自激振动的生成。本文的主要工作如下： （1）对钢轨波浪形磨损的研究现状进行了简单介绍。介绍了国内外学者对钢轨波磨问题所做的现场调查、试验等研究，然后对学者们所提出的在时域和频域上的波磨形成理论模型进行了相应的说明探讨，最后简单介绍了研究人员从影响因素角度出发所做的工作。 （2）通过有限元软件ABAQUS提供的瞬时动态分析法分析了地铁车辆通过小半径曲线轨道时轮轨系统的摩擦自激振动动态特性。在对相应的钢轨轨头表面节点垂向振动加速度信号和轮轨间法向接触力信号的研究中发现，由饱和蠕滑力作用引起的轮轨系统摩擦自激振动会引起轮轨间法向接触力和垂向加速度的剧烈波动，且低轨上的波动幅值要比高轨上的幅值高很多，这说明摩擦自激振动更易在低轨发生。而利用MATALAB对这两个时域信号进行的PSD分析，得到该轮轨系统摩擦自激振动的主要频率在490 Hz左右，符合现场测试的波磨频率范围。 （3）通过有限元软件ABAQUS提供的复特征值分析法，研究了轮轨系统在频域上的稳定性，预测了轮轨系统可能发生摩擦自激振动的振动频率和模态。通过复特征值分析法得到的振动主导频率为498.12 Hz，这与瞬时动态分析中得到的振动主导频率十分接近，这无疑证实了复特征值分析法的准确性。利用该方法，本文还探讨了一系悬挂阻尼和刚度、整体与单侧扣件阻尼和刚度对轮轨系统摩擦自激振动发生趋势的影响。从影响因素角度出发提出了可用于抑制钢轨波浪形磨损现象的方法。

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第一章 绪论

第二章 摩擦自激振动有限元理论

第三章 轮轨系统摩擦自激振动的复特征值分析

第四章 轮轨系统摩擦自激振动的瞬时动态分析

第五章 轮轨系统参数稳定性分析

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文