基于轮对-钢轨-轨枕系统摩擦自激振动引起的直线轨道钢轨波磨研究

摘要

钢轨波磨问题在世界各国的铁路上都有不同程度的出现，各国研究人员对此问题的研究也已有一百多年的历史，并且也提出了一些相应的整治措施。然而，到目前为止还没有一种受到广泛认可的统一有效的钢轨波磨整治方法。钢轨波磨的形成和发展，不仅影响车辆和轨道结构的使用寿命，而且严重的钢轨波磨会导致重大脱轨事故的发生。因此，研究钢轨波磨问题对铁路行业的发展是有重大意义的。
　　基于轮轨之间的摩擦耦合自激振动引起钢轨波磨的观点，论文建立了直线轨道上的轮轨系统摩擦耦合自激振动有限元模型。用ABAQUS软件提供的复特征值分析方法，对该模型的运动稳定性进行了探究，获得了关于摩擦自激振动引起钢轨波磨问题的一些新的认识。论文探讨了摩擦系数、轴重、轨道支撑弹簧刚度和轨道支撑阻尼对钢轨波磨的影响。计算结果表明：
　　(1)本文用有限元软件ABAQUS分析了车辆轮对在直线轨道上承载很大牵引力或制动载荷使蠕滑力达到饱和状态时的钢轨波磨问题，计算预测到不稳定振动模态的频率在60-1200Hz范围内，在实际钢轨波磨的频率范围内，说明本文使用的方法是可以用于钢轨波磨的预测分析的。
　　(2)通过对不同摩擦系数情况下的系统进行稳定性分析，表明随着摩擦系数增大，车轮-钢轨-轨枕系统发生不稳定振动的可能性增大，即随着摩擦系数增大出现钢轨波磨的可能性也增大。
　　(3)在车轴两端分别进行对称加载和不对称加载情况的复特征值分析，发现随着载荷的增大会使得系统出现相应的不稳定自激振动的可能性增大，即在同等条件下，线路通过的车辆轴重越重，越容易出现钢轨波磨。
　　(4)分别从整体、垂向、横向轨道支撑弹簧刚度三个方面分析轨道支撑弹簧刚度对车轮-钢轨-轨枕系统稳定性的影响。发现轨道支撑弹簧刚度不是越大越好也不是越小越好，在一定的载荷、轨道条件、车轮踏面等实际条件下有一个优化值。垂向和横向轨道支撑弹簧刚度对系统稳定性的影响趋势是一样的。
　　(5)轨道支撑阻尼对系统不稳定振动的抑制有很大的作用，但也不是说轨道支撑阻尼越大就越好，而是要针对不同的线路条件、不同的不稳定振动频率来设置相应的阻尼数值和分布。