制动对车轮多边形磨耗和钢轨波磨影响的研究

摘要

随着轮轨交通系统向高速重载方向发展，轮轨损伤问题越来越严重。钢轨波磨和车轮多边形磨耗是轨道交通领域的两个难题。车轮多边形磨耗和钢轨波磨会恶化轮轨间的接触相互作用，引起车辆和轨道系统剧烈的振动，导致车辆和轨道系统的结构件松动、脱落、疲劳甚至断裂等，对列车的安全运行造成严重的影响。世界范围内的铁路工作者对车轮多边形磨耗和钢轨波磨的形成机制进行了大量的研究。但迄今为止，对车轮多边形磨耗和钢轨波磨的形成原因还未得到一致的认同。因此，研究车轮多边形磨耗和钢轨波磨具有重要的理论和现实意义。本文基于摩擦自激振动理论来研究高速列车车轮多边形磨耗和地铁钢轨波磨现象，主要开展了以下几个方面的工作：　　(1)研究了中国高速列车车轮踏面上22～23阶多边形磨耗的形成机制，建立了轮对-轨道-盘式制动系统摩擦自激振动有限元模型，对高速列车的制动过程进行复模态分析，研究该摩擦系统自激振动的频率分布和发生的可能性，并对列车制动过程进行有限元瞬时动态分析，研究钢轨与车轮间法向接触力的变化过程。根据研究结果提出了关于车轮多边形磨耗形成机制的新观点：在高速列车制动时，制动闸片和制动盘间的摩擦力激发了轮对-轨道-盘式制动系统的摩擦自激振动，引起钢轨和车轮间法向接触力振动，导致钢轨与车轮间摩擦功波动，从而最终导致高速列车车轮产生多边形磨耗。此外，研究了车轮与钢轨间纵向蠕滑率和摩擦系数以及扣件系统的阻尼和刚度等因素对车轮多边形磨耗的影响。数值模拟表明：在制动盘与闸片间的摩擦力的激励下，轮-轨-盘式制动系统发生的频率约为650Hz的摩擦自激振动是中国高速列车车轮上22～23阶多边形磨耗产生的主要原因。　　(2)研究了深圳地铁某线路长下坡道制动地段钢轨波磨的产生机制，建立了轮对-轨道-闸瓦制动系统有限元模型，使用复模态分析方法研究了该摩擦系统的摩擦自激振动。根据数值模拟结果，提出了闸瓦制动引起轮对-轨道-闸瓦制动系统摩擦自激振动从而导致钢轨产生波状磨耗的观点。在该制动地段，列车使用闸瓦制动系统制动时，闸瓦与车轮踏面间的摩擦力诱发了轮对-轨道-闸瓦制动系统摩擦自激振动，导致了车轮与钢轨间法向接触力的波动，最终导致钢轨波磨的产生。系统最可能发生的摩擦自激振动频率约为430Hz，主要发生在轮对的内侧车轮上，该频率的摩擦自激振动导致低轨表面产生波长约为55mm的钢轨波磨，模型预测的波磨波长和产生位置与实际情况吻合，验证了所建立的模型的准确性。参数敏感性分析表明：闸瓦包角和闸瓦安装位置对钢轨钢轨波磨具有明显的影响。闸瓦包角越小，钢轨波磨的发生概率越高。将闸瓦调整到压力角为8°的位置，钢轨波磨的发生几率最小。　　(3)基于轮轨间饱和的蠕滑力导致轮轨系统摩擦自激振动从而导致钢轨产生波状磨耗的理论，建立了浮轨式减振扣件轨道的轮对-轨道系统有限元模型，使用复模态分析方法研究了安装浮轨式减振扣件的地铁小半径曲线轨道上的钢轨波磨现象，并发展了抑制此类波磨的措施。多体系统动力学分析和复模态分析结果表明：导向轮对在通过小半径曲线轨道时，车轮和钢轨间蠕滑力达到饱和，轮对发生滑动，诱发了轮对-轨道系统摩擦自激振动，从而导致钢轨产生波状磨耗。频率为320Hz左右的摩擦自激振动是钢轨产生波状磨耗的主要原因，该频率的自激振动主要发生在曲线轨道的低轨和导向轮对内侧车轮上。参数敏感性分析结果表明：提高浮轨式减振扣件系统中橡胶支撑块材料的弹性模量和阻尼可以有效地抑制甚至消除此类扣件轨道上的波磨。　　(4)研究了地铁车辆转向架结构对钢轨波磨的影响。基于轮轨间饱和的蠕滑力导致轮轨系统摩擦自激振动从而导致钢轨产生波状磨耗的理论，建立了轴箱内置式转向架和轴箱外置式转向架轮对-轨道-轨枕系统有限元模型，使用复模态分析法研究了地铁车辆转向架轴箱布置方式和一系弹簧悬挂参数对钢轨波磨的影响。研究发现，在小半径曲线轨道上，采用轴箱内置式转向架可有效地减小车轮与钢轨间的接触角和冲角，抑制轮对-轨道-轨枕系统的摩擦自激振动，从而抑制钢轨波磨的产生和发展。一系弹簧悬挂点的横向距离越大，钢轨产生波磨的可能性越高。轴箱内置式转向架一系弹簧悬挂点横向距离对钢轨波磨的影响大于轴箱外置式转向架一系弹簧悬挂点横向距离对钢轨波磨的影响。

目录

声明

第1 章绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 钢轨波磨的研究现状

1.2.1 钢轨波磨的分类

1.2.2 钢轨波磨理论模型

1.3 车轮多边形磨耗的研究现状

1.4 本文主要的研究内容

第2 章摩擦自激振动的理论方法

2.1 摩擦自激振动的产生机制

2.1.1 粘着-滑动机制

2.1.2 摩擦力-相对滑动速度负斜率机制

2.1.3 自锁-滑动机制

2.1.4 模态耦合机制

2.1.5 法向力-摩擦力时滞机制

2.2 摩擦自激振动的数值模拟方法

2.2.1 复特征值分析方法

2.2.2 瞬时动态分析方法

2.3 本章小结

第3 章高速列车车轮多边形磨耗产生机理的研究

3.1 高速列车车轮多边形磨耗数值仿真模型

3.1.1 轮对-轨道-盘式制动系统摩擦自激振动有限元模型

3.1.2 轮对-轨道-盘式制动系统摩擦自激振动引起车轮多边形磨耗分析

3.2 高速列车车轮多边形磨耗数值模拟

3.2.1 轮对-轨道-盘式制动系统摩擦自激振动仿真分析

3.3 参数敏感性分析

3.3.1 轮轨间纵向蠕滑率对车轮多边形磨耗的影响

3.3.2 制动盘与制动闸片间摩擦系数的影响

3.3.3 轮轨间摩擦系数的影响

3.3.4 扣件阻尼的影响

3.3.5 扣件刚度的影响

3.4 本章小结

第4 章 地铁制动地段钢轨波磨成因分析

4.1 地铁制动地段钢轨波磨仿真模型

4.1.1 车辆-轨道多体系统动力学模型

4.1.2 轮对-轨道-闸瓦制动系统摩擦自激振动有限元模型

4.2 地铁制动地段钢轨波磨数值模拟

4.2.1 车辆通过曲线轨道时的动力学分析

4.2.2 轮对-轨道-闸瓦制动系统摩擦自激振动仿真分析

4.3 参数敏感性分析

4.3.1 制动压力对钢轨波磨的影响

4.3.2 闸瓦包角的影响

4.3.3 闸瓦压力角的影响

4.3.4 闸瓦贴合状态的影响

4.3.5 闸瓦摩擦系数的影响

4.4 本章小结

第5 章地铁浮轨式减振扣件地段钢轨波磨成因分析及抑制措施

5.1 地铁浮轨式减振扣件地段钢轨波磨仿真模型

5.1.1 车辆-轨道多体系统动力学模型

5.1.2 浮轨式减振扣件轨道轮对-轨道系统摩擦自激振动有限元模型

5.2 浮轨式减振扣件轨道钢轨波磨数值模拟

5.2.1 车辆通过浮轨式减振扣件轨道时动力学分析结果

5.2.2 轮对-轨道系统摩擦自激振动仿真分析

5.3 橡胶支撑块弹性模量对钢轨波磨的影响

5.4 橡胶块材料阻尼对钢轨波磨的影响

5.6 本章小结

第6 章地铁车辆转向架轴箱布置方式和一系悬挂参数对钢轨波磨的影响

6.1 轴箱内置和轴箱外置转向架结构介绍

6.2 地铁车辆转向架轴箱布置方式对钢轨波磨影响的仿真模型

6.2.1 车辆-轨道多体动力学模型

6.2.2 轮对-轨道-轨枕系统摩擦自激振动有限元模型

6.3 轴箱布置方式对钢轨波磨影响的仿真分析

6.3.1 轴箱布置方式对车辆-轨道系统动力学的影响

6.3.2 轴箱布置方式对轮对-轨道-轨枕系统摩擦自激振动的影响

6.4 一系弹簧悬挂参数对钢轨波磨的影响

6.4.1 一系弹簧悬挂点横向距离的影响

6.4.2 一系弹簧悬挂刚度和阻尼的影响

6.4.3 轴重的影响

6.5 本章小结

结论与展望

1. 本文的主要结论

2. 研究展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目