高速铁路制动区间钢轨摩擦自激振动研究

为了探究高速铁路制动区间的典型钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点展开了研究,通过武广高速铁路制动区段的现场调研,掌握该区段的波磨特征并采集相应的轨道不平顺;基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点分别建立制动区段高速列车的动/拖车轮对-轨道-制动系统的有限元模型,并利用复特征值法进行动/拖车轮轨系统的摩擦自激振动分析,比较动/拖车轮轨系统在制动和非制动工况下系统发生摩擦自激振动的可能性,以及在制动工况下动车轮轨和拖车轮轨系统的摩擦自激振动情况;使用控制变量法研究了制动系统摩擦系数和扣件垂向刚度对动/拖车轮轨系统摩擦自激振动的影响规律.研究结果表明：制动工况更容易引起系统的摩擦自激振动;拖车轮轨系统更容易引起系统摩擦自激振动;控制制动装置摩擦系数约为0.30,扣件垂向刚度约为50 MN/m时能一定程度降低轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性,进而抑制钢轨波磨的产生.     

地铁先锋扣件地段钢轨波磨成因

为了研究先锋扣件地段钢轨波磨的成因并给出应对措施，基于摩擦自激振动引起钢轨波磨的理论，建立了包括导向轮对、轨道系统的自激振动有限元模型，使用复特征值法研究了轮对-轨道系统的动态稳定性；通过参数敏感性分析寻找影响钢轨波磨的主导因素，提出抑制乃至消除钢轨波磨的措施. 研究结果表明:轮轨间饱和的蠕滑力引起的轮对-轨道系统频率为319 Hz的自激振动是导致内侧钢轨严重的波磨的主要原因，模型预测的波磨波长为51.4 mm，与实测数据非常接近；参数敏感性分析表明，先锋扣件中的橡胶支承块的弹性模量和阻尼系数越大，钢轨波磨发生的可能性越低；采用弹性模量和阻尼系数有利于抑制乃至消除钢轨波磨，将阻尼系数提高到0.000 1可显著抑制钢轨波磨.      

高速列车车轮踏面非圆磨耗机理

为揭示高速列车车轮踏面非圆磨耗的产生机理,控制高速列车车轮的非圆磨耗,基于高速列车在雨、雪条件下调速制动可能发生轮轨滑动的特点,建立了由轮对和钢轨组成的轮轨系统摩擦自激振动模型,使用该模型对轮轨系统进行了摩擦自激振动发生趋势的仿真分析.仿真结果表明,在轮对调速制动轮轨蠕滑力达到饱和(即滑动)状态下,轮轨系统容易发生摩擦自激振动,此摩擦自激振动能引起车轮非圆磨耗,并提出控制高速列车调速制动时的制动摩擦力使轮轨不发生滑动是抑制车轮非圆磨耗的主要措施,增大钢轨扣件垂向阻尼是控制高速列车车轮非圆磨耗的可行方法.      

抑制轮轨摩擦自激振动的扣件结构多参数拟合研究

为研究扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响，基于轮轨摩擦耦合自激振动的观点建立了小半径曲线轨道整体道床支承的轮轨系统有限元模型；通过现场测试和数值仿真验证了轮轨摩擦自激振动模型，进而基于该模型研究了扣件结构中各参数对轮轨摩擦自激振动的影响；综合考虑多因素之间的相互影响，采用最小二乘法得到了预测轮轨摩擦自激振动发生可能性的扣件结构多参数拟合方程. 研究结果表明:在整体道床支承的小半径曲线轨道上，轮轨间饱和蠕滑力引起的轮轨摩擦自激振动是诱导该区间钢轨波磨的关键因素，轮轨系统的摩擦自激振动主要发生在300 Hz和320 Hz；根据扣件结构的多参数拟合方程，在适当范围内，扣件的垂向阻尼为1000 N?s/m，扣件间距为1.0 m组合时，可以降低小半径曲线轨道上轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性，从而降低钢轨波磨发生的可能性.      

轮对结构和扣件刚度对钢轨波磨的影响

为研究地铁线路小半径曲线轨道上钢轨波磨的形成机理和影响因素,基于轮轨摩擦耦合自激振动导致钢轨波磨的观点,建立了小半径曲线轨道上由动车轮对-钢轨-轨枕组成的轮轨系统有限元模型.采用复特征值分析和瞬时动态分析研究了轮轨系统的稳定性和动态特性.计算结果表明:在饱和蠕滑力作用下,轮轨系统存在较强的摩擦自激振动趋势,即产生钢轨波磨的趋势;动车轮对上齿轮箱的安装位置对系统的自激振动影响较小;扣件横向刚度对自激振动的影响较小,垂向刚度对自激振动的影响较为明显;不稳定振动随扣件垂向刚度的增加呈现先增大后减小的趋势,当其垂向刚度约为20 MN/mm时,钢轨波磨最容易发生.     

钢轨波磨研究进展

为了解轨道车辆运营中普遍存在的钢轨波磨问题,分析了钢轨波磨的形成机理,阐述了钢轨波磨对车辆-轨道系统动力学性能的影响,综述了常见的钢轨波磨检测、监测与抑制方法,并展望了钢轨波磨的研究方向。研究结果表明:车辆-轨道系统耦合振动、轮轨反馈振动、轮轨自激振动和轮轨接触振动是形成钢轨波磨的主因,车辆-轨道结构、线路运营条件、轮轨材料、钢轨型面和车轮踏面轮廓等多方面因素相互耦合作用亦会引起钢轨波磨;重载、高速铁路和地铁钢轨波磨会影响车辆-轨道系统动力学性能和车辆与轨道零部件寿命,也会影响扣件、钢轨、轨枕、轨道板(道砟)和轴箱等零部件的振动特性,各零部件的阻尼、刚度等物理参数与运行条件不匹配时也会造成钢轨波磨,列车长时间运行在钢轨波磨路段时会导致车辆-轨道结构产生强烈共振,造成严重疲劳损伤,影响行车安全;检测与监测是研究和发现钢轨波磨的重要辅助手段,抑制钢轨波磨主要通过改善轮轨接触关系、钢轨打磨、提高钢轨表面材料硬度、添加相关摩擦调节剂和轮轨润滑剂、使用钢轨吸振器技术、优化轮轨系统结构以及调整列车运营规定等措施来实现;目前,钢轨打磨仍是消除和减轻钢轨波磨最直接、最有效和最经济的措施,应提升并改善钢轨打磨技术。      

地铁钢轨波磨的基本特征、形成机理和治理措施综述

对世界各国地铁钢轨波磨的基本特征进行了系统梳理，总结了其普遍性与时间集中性，及其与曲线、轨道结构、车辆及其他因素相关性等典型特征，并对其分类方法、形成机理和治理措施进行了综合评述。研究结果表明:钢轨波磨普遍存在于地铁与有轨电车线路中，在新线开通初期与线路改造初期最为严重；一般而言，相对于直线和大半径曲线，小半径曲线的钢轨波磨最为普遍，低轨侧波磨波长短，幅值大，但也有例外，部分大半径曲线及直线上也有分布；波磨的波长特征和发展速度与轨道结构密切相关，轨道结构及部件不匹配时，易出现快速发展的波磨；车轮踏面廓形、轮对定位、悬挂刚度与簧下质量等车辆结构参数会对波磨萌生、发展与表现特征产生影响；波磨的产生还可能与钢轨材质、牵引和制动、运行环境、湿度及摩擦因数有关。地铁钢轨波磨的形成机理主要基于轮轨系统共振、轮轨黏滑(摩擦自激)振动、钢轨振动波反射等理论，对波磨形成过程的纵向动力学影响与系统非线性因素考虑不完善，关于黏滑自激振动与轮轨负摩擦特性对波磨影响的认识还不统一，难以解释直线以及曲线高低轨波磨特征的差异等，对波磨的形成和发展缺乏理论上的主动预测和试验验证；各国主要以钢轨打磨来控制波磨发展，通过调节轨道结构、运行环境，采用钢轨吸振器和轮轨摩擦调节装置，以及优化车辆设计等主动措施来控制波磨的研究仍需进一步开展；未来应针对车辆-轨道系统的动态特性以及实际运行工况下的轮轨微观接触行为和黏滑自激振动特性，开展车辆-轨道系统的轮轨动态磨耗演化仿真，掌握地铁钢轨波磨形成机理和关键因素影响规律，提出控制地铁钢轨波磨的主动措施和轮轨匹配优化设计原则。      

基于摩擦自激理论的单侧钢轨波磨机理分析

为了分析重载铁路曲线地段钢轨波磨的产生原因,基于摩擦自激振动理论建立小半径曲线轮轨三维接触精细化模型,讨论了不同扣件刚度、摩擦系数、超高对轮轨系统不稳定摩擦自激振动的影响,揭示了单侧钢轨波磨产生的内在原因,并通过轮轨瞬态动力学方法,分析了单侧钢轨波磨的传递及演化过程. 结果表明:超高和实际运行速度的不匹配是曲线内股钢轨首先产生波磨的主要原因;内股钢轨波磨产生后会导致轮轨系统不稳定,并将振动传递至外股钢轨,从而诱发小半径曲线地段两侧钢轨均产生波磨;适当地提高扣件垂横向刚度、控制轮轨摩擦系数在0.4以下,能够有效地降低轮轨系统发生不稳定振动的趋势,从而抑制波磨发展.       

缩尺轮轨模型中钢轨波磨的相似性

为了研究地铁小半径曲线线路的钢轨波磨现象，基于轮轨间饱和蠕滑力引起摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论，对全尺寸和缩尺轮轨模型的相似性进行了研究. 分别建立1∶1和1∶5车辆-轨道系统的动力学模型，确定每个车辆模型在通过小半径曲线线路时前转向架导向轮对与轨道间的蠕滑力饱和情况；根据动力学仿真所得轮轨接触参数，建立轮对-轨道-轨枕有限元模型；采用复特征值分析研究各个轮轨系统的稳定性. 研究结果表明:全尺寸和缩尺车辆模型分别通过小半径曲线线路时，导向轮对内外车轮上的蠕滑力均接近饱和；轮对两端垂向悬挂力的偏差小于3%，轮轨接触角的偏差小于5%；相似不稳定振动模态对应的频率偏差均小于3%；缩尺轮轨模型在动力学表现及稳定性方面与全尺寸模型具有良好的相似性，故可用缩尺模型对钢轨波磨的形成机理进行理论与试验研究.      

兰新客运专线动车组车轮多边形磨耗的机理

由于兰新客运专线的线路复杂环境，动车组车轮多边形磨耗现象严峻，加大了列车运行过程中的轮轨作用力，影响了乘客舒适性，给高速列车的安全运行造成极大威胁. 为解决上述问题，基于长期跟踪客运专线获得的车轮多边形磨耗规律以及摩擦自激理论的观点，建立了轮对-钢轨-轨道板摩擦耦合自激振动模型，通过复特征值分析方法来研究车轮多边形磨耗的形成原因及其发展规律. 研究结果表明，在直线线路上，轮轨间蠕滑力饱和引起的摩擦自激振动易导致车轮第15～16阶多边形磨耗；在制动系统和轮轨系统耦合的情况下，动力轮对和非动力轮对对应的不稳定振动频率分别容易引起第23～24阶和第22～23阶车轮多边形磨耗；轮轨之间的黏着系数变大可能是导致冬春季车轮多边形发展速度较夏季快的重要原因.      

地铁钢轨波磨对车辆和轨道动态行为的影响

采用钢轨波磨测量仪测量了钢轨波磨特征,采用加速度和位移传感器测量了钢轨打磨前后车辆和轨道零部件的振动加速度,分析了钢轨波磨对车辆和轨道零部件振动的影响,建立了车辆-轨道耦合动力学模型,研究了钢轨波磨对轮轨相互作用力的影响,确定了钢轨打磨限值。研究结果表明:钢轨波磨主波长为30~40mm,次波长为16mm;钢轨轨头和弹条在650~800Hz的振动和轴箱在670~800Hz的振动与30~40mm波长对应的车辆通过振动行为一致,因此,短波钢轨波磨导致地铁车辆和轨道零部件振动过大,是车辆一系钢弹簧和轨道扣件弹条疲劳断裂的主要原因;钢轨打磨可以有效解决疲劳断裂问题,打磨前钢轨轨头、弹条、轨枕和道床振动加速度均方根分别为243.4、309.3、17.1、2.6m·s-2,打磨后振动加速度均方根下降为51.5、8.8、1.5、0.5m·s-2;轮轨垂向力和横向力均对钢轨波磨波长非常敏感,当钢轨波磨波深为0.1mm时,35、80mm波长对应的轮轨垂向力分别为307、109kN,横向力分别为56、25kN;当车辆运营速度为90~120km·h-1时,根据轮重减载率限值标准,35mm波长钢轨波磨波深为0.05~0.08mm,根据轮轨垂向力限值标准,35mm波长钢轨波磨波深为0.03~0.06mm,建议30~40mm短波钢轨波磨波深达到0.05mm时进行打磨处理。     

高速列车动力学性能研究进展

为更深入全面了解高速列车系统动力学研究现状，综述了高速列车动力学性能对车辆运行稳定性、安全性和平稳性的影响，总结了列车安全评价方法和动力学试验方法在车辆动力学中的应用，基于轮轨间作用力，分析了轮轨磨耗对列车动力学性能的影响，概括了车-桥耦合模型、弓网系统以及列车空气动力模型在车辆系统动力学中的研究内容。分析结果表明:车轮异常磨耗会导致舒适性下降，合理的车轮镟修能有效降低车轮非圆化和车辆系统关键部件的振动，降低车内振动噪声，增加列车运行稳定性、安全性和平稳性；合适的轮对定位刚度和抗蛇行减振器的刚度和阻尼有利于提高列车蛇行运动稳定性和转向架运动临界速度；钢轨波磨严重时会导致钢轨扣件松动，缩短车辆构架和钢轨的使用寿命；通过合理的钢轨廓型打磨可消除曲线波磨，改善轮轨关系；行波效应对车辆安全性影响很大，与相同激励下的各项参数相比，车速为350 km·h-1、行波速度为300 m·s-1时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力都有所降低；横风作用下受电弓气动抬升力增大，影响接触网安全，增大弓头阻尼和弓头刚度可改善弓网受流特性。      

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

轮轨波磨形成机理与再现试验

根据非线性振动理论和赫兹理论，分析了钢轨波磨与轮轨纵向自激振动幅值和接触椭圆纵向轴长的关系。分析表明，钢轨波磨产生的机理是轮对自激振动幅值大于接触椭圆纵向轴长；对于实际的轮轨系统，波磨产生的条件是轮对横移量大于临界值。据此，对波磨形成的过程进行了仿真计算并设计了再现试验。计算结果表明，在轮对横移量为8mm时，接触表面产生短波长（16—20mm）波磨。再现试验用机车轮对在滚动振动试验台上进行。当横移量为8和11mm时，均产生波磨。前者波长均匀，约20mm；后者波长不均匀，在18—27mm之间。横移量为6mm时无明显波磨。仿真计算和试验均支持关于波磨产生的机理和条件的结论。     

钢轨波磨预测模型验证工况的研究

钢轨波磨会降低乘坐舒适性，增大轨道结构伤损，甚至影响列车的安全运行. 为判断钢轨波磨预测模型的准确性，首先，基于钢轨波磨现场调研数据，统计地铁线路和干线铁路的钢轨波磨发生率；其次，针对现有钢轨波磨预测模型验证方法的局限性，同时结合钢轨波磨发生的规律性，提出预测模型验证的3种基本工况:线路曲线半径≤350 m时的内轨波磨和外轨波磨、曲线半径 ≥ 650 m时的非科隆蛋扣件曲线线路或者直线线路钢轨的波磨，并进行实例验证；最后，根据基于轮轨蠕滑力饱和情况，提出了一种快速预测钢轨波磨发生的新方法. 研究结果表明:现有的波磨预测模型验证工况缺乏一般性，大部分没有考虑线路曲线半径的影响，忽视了从新轨到波磨出现阶段的钢轨振动演变规律，造成通过验证的波磨预测模型预测准确率偏低；所提出的波磨快速预测方法准确率可达到85.00%.      

轮轨纵向几何不平顺对直线电机地铁车辆动态行为的影响

为研究直线电机地铁车辆系统在轮轨几何不平顺激振作用下的动态行为,基于车辆-轨道系统耦合理论,建立了考虑直线电机子系统的地铁车辆-轨道耦合系统动力学模型.应用该模型研究了车轮非圆化、钢轨焊接接头几何不平顺以及钢轨波磨对车辆和直线电机系统的振动响应、轮轨作用力及车辆稳定性等特性的影响.研究结果表明,几何不平顺中长波(大于1 m)影响气隙波动,短波(小于1 m)造成轮轨剧烈冲击振动,需特别注意钢轨焊接接头,其可使轮轨作用力增大1.5倍,气隙降低2~3 mm,轮轨甚至发生分离.      

高速列车轮轨激励作用机理及其影响综述

针对高速列车运行过程中普遍存在的轮轨激励问题,系统归纳了轮轨激励常用的研究方法,分析了引起轨道不平顺、车轮非圆等轮轨激励的原因及其作用机制,重点研究了车轮多边形磨耗、钢轨波磨等中高频轮轨激励的形成机理;从动力学性能和噪声方面阐述了轮轨激励作用对高速列车运行品质的影响,从疲劳损伤的角度分析了轮轨激励对车辆/轨道系统零部件服役性能的影响;结合现有监测技术和轮轨激励研究方法,提出了高速列车轮轨激励的研究展望。研究结果表明:现场观测、数值仿真和试验模拟是目前研究轮轨激励最常用的方法;轮轨摩擦自激振动、车辆/轨道系统零部件结构共振、材料自身特性及工艺质量是导致轮轨激励形成的根本原因;系统结构参数、运行速度、里程、载重、线路条件等因素都会影响轮轨激励的形成和发展;低频激励的存在虽然会限制列车曲线通过速度,但对车辆/轨道系统零部件服役性能影响不大;中高频激励会严重影响列车运行品质,使系统长期处于中高频振动状态,引起零部件的结构共振,加速系统零部件的疲劳损伤;建议结合实时监测技术和精准的检测手段对轮轨激励形成机理和发展过程展开深入研究,并可通过轮轨匹配型面优化、工艺设备和减振降噪装置智能化产品的研发、车辆/轨道系统结构优化和维护保养等措施来抑制或减缓轮轨激励的产生和发展。      

地铁弹性短轨枕轨道的钢轨波磨萌生原因

为探明我国某地铁线路弹性短轨枕轨道曲线钢轨短波长波磨萌生原因，采用现场试验和数值仿真方法对其开展了研究. 首先，通过现场试验确定钢轨波磨波长与轨道动态特性对应关系；其次，利用车辆-轨道耦合动力学模型计算轮轨接触参量，通过力锤敲击法获得现场轨道导纳特性；最后，基于轮轨接触参量和轨道导纳结果，建立钢轨波磨频域线性分析的数值模型，模拟弹性短轨枕轨道频域下曲线钢轨磨损率特征，分析了弹性短轨枕轨道萌生特定波长波磨原因. 研究结果表明:地铁弹性短轨枕轨道钢轨波磨主要出现在半径小于等于800 m曲线段，低轨波磨程度更为显著，波长为50～160 mm，通过频率为140～280 Hz；轨道在160～210 Hz频率范围的模态振型表现为钢轨和轨枕一起相对轨道板垂向弯曲振动，在250～300 Hz频率范围的表现为钢轨和轨枕垂向反向振动，波磨通过频率与该轨道的160～300 Hz共振频率相近. 弹性短轨枕轨道特定波长波磨萌生主要与其轨道垂向固有特性相关，其波磨特征为频率固定型，波磨波长随车辆运行速度变化而变化.      

车轮踏面缺陷引起的轮轨动态响应综述

从滚动接触理论、试验与数值模拟三方面概述了轮轨关系研究现状，强调了轮轨滚动接触行为中轮轨材料动态力学性能的影响；总结了轮轨材料静动态力学性能与本构关系的相关成果；介绍了由车轮扁疤、踏面剥离/剥落、车轮多边形等典型踏面缺陷引起的轮轨动态响应研究，分析了车轮踏面缺陷对轮轨滚动接触行为和列车系统动力学性能的影响，以及车轮踏面缺陷的形成原因、影响规律与演变机理，重点关注了轮轨动态效应对高速轮轨滚动接触行为的影响；概括了车轮踏面缺陷的检测技术与减缓和防治措施。研究结果表明:车轮踏面缺陷致使轮轨冲击力显著增大，导致轮轨部件损伤和车体异常振动，严重影响车辆-轨道系统部件的使用寿命和列车动力学性能，甚至威胁列车运行安全；车轮踏面缺陷的成因与机理仍需进一步探究，车辆异常制动、轮轨低黏着状态均会导致车轮扁疤的产生，轮轨材料特性、轮轨间接触载荷、轮对共振、列车制动系统性能与线路运行条件/环境等均是导致车轮踏面发生剥离的主要影响因素，轮轴共振、轮轨摩擦振动、车轮制造镟修工艺等均与车轮多边形的形成有密切联系；改善轮轨材料的性能，控制轨道系统的支撑刚度/阻尼及轮轨间摩擦因数等均是抑制车轮踏面缺陷产生的有效途径。      

高速、重载轮轨接触表面波浪形磨损及接触疲劳的研究

随着列车速度的提高，钢轨波磨现象和滚动接触疲劳破坏现象变得日趋严重，导致较高的铁路运输成本、恶劣的生活环境，而且影响铁路运输安全。在本项目的研究中，建立了较完整的钢轨波磨计算模型，模型中结合了车辆轨道系统动力学、轮轨材料摩擦磨损模型和三维非赫