基于摩擦自激振动引起高速列车车轮多边形磨耗的仿真研究

摘要

随着高速列车车速的提升，车辆和轨道之间的动力作用会加剧。这种剧烈的动力作用会引起车辆强迫振动，使列车车轮磨耗损伤问题恶化。车轮多边形磨耗是车轮磨耗损伤的一种特殊形式。当车轮存在多边形磨耗时，非圆的车轮在车辆行驶过程中会产生周期性的垂向激励并引起车辆的强迫振动，加速车辆部件损坏，影响乘客乘车舒适度。同时，高频大幅振动可能会导致机车发生脱轨。但国内外对车轮多边形磨耗的形成机理并没有一个明确且统一的认识。目前而言，针对车轮多边形磨耗问题，一般只有采取对非圆车轮进行镟修的办法来降低其危害。但这种方法会增加列车的维护费用，不能从根本上解决问题。所以最好的办法是研究车轮多边形磨耗的形成机理，从源头采取措施消除其产生条件。
　　西南交通大学的陈光雄教授提出了摩擦自激振动可以引起车轮多边形磨耗的观点。该观点认为高速列车在直线轨道牵引加速或制动减速时，可能发生轮轨滑动现象。此时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，轮轨系统可能发生不稳定摩擦自激振动，从而导致摩擦功波动并引起车轮多边形磨耗现象。本文运用有限元软件提供的瞬时动态分析法验证了摩擦自激振动可以导致摩擦功波动从而引起车轮多边形磨耗的观点;运用有限元软件提供的复特征值分析法研究扣件阻尼和刚度、摩擦系数、轴重对摩擦自激振动发生趋势的影响。从产生条件出发提出了抑制车轮多边形磨耗的方法。本文的主要工作如下:
　　(1)对国内外车轮多边形磨耗的研究现状进行了调查。国内外学者对车轮多边形磨耗的研究主要是通过仿真研究和现场试验两种方法。他们建立了车辆-轨道动力学模型并结合考虑了车轮初始不圆顺的车轮踏面磨耗模型，进行迭代计算。同时结合现场实测数据，预测车轮多边形磨耗的发展规律，研究车轮多边形磨耗对车辆动力学的影响。
　　(2)通过有限元软件ABAQUS提供的瞬时动态分析法分析高速列车通过直线轨道时轮轨系统摩擦自激振动的动态特性。对钢轨表面节点垂向振动加速度和轮轨间法向接触力信号进行PSD分析，得到振动的主导频率为239.16Hz。研究发现由饱和蠕滑力作用引起的轮轨系统摩擦自激振动会导致轮轨间法向接触力波动，摩擦功也会以同频率波动。摩擦自激振动可以引起车轮多边形磨耗现象。
　　(3)通过有限元软件ABAQUS提供的复特征值分析法，研究轮轨系统的稳定性。通过该方法预测轮轨系统可能发生自激振动的频率和对应的振动模态。通过复特征值分析法得到的振动主导频率为239.48Hz。并探讨扣件阻尼和刚度、摩擦系数、轴重对轮轨系统的摩擦自激振动发生趋势的影响。提出了提高扣件阻尼的大小，在一定范围内提高扣件刚度的大小和降低轮轨摩擦系数的大小是抑制高速列车车轮多边形磨耗的可能办法。并发现仅通过改变轴重大小并不能抑制车轮多边形磨耗。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容

第二章 摩擦自激振动有限元基础

2．1 摩擦自激振动引起车轮多边形磨耗的机理分析

2．2 摩擦自激振动的有限元分析方法

2．2．1 复特征值分析法

2．2．2 瞬时动态分析法

2．3 本章小结

第三章 轮轨接触模型

3．1 直线轨道轮轨接触位置

3．2 轮轨接触有限元模型

3．3 本章小结

第四章 轮轨接触模型瞬时动态分析

4．1 直线轨道轮轨接触模型瞬时动态分析

4．2 瞬时动态分析结果的PSD分析

4．3 本章小结

第五章 轮轨接触模型复特征值分析

5．1 直线轨道轮轨接触模型复特征值分析

5．2 模型正确性验证

5．3 参数稳定性分析

5．3．1 钢轨扣件阻尼对摩擦自激振动发生趋势的影响

5．3．2 钢轨扣件刚度对摩擦自激振动发生趋势的影响

5．3．3 摩擦系数对摩擦自激振动发生趋势的影响

5．3．4 轴重对摩擦自激振动发生趋势的影响

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文