基于摩擦自激振動引起高速列車車輪多邊形磨耗的仿真研究.pdf

1、隨著高速列車車速的提升，車輛和軌道之間的動力作用會加劇。這種劇烈的動力作用會引起車輛強迫振動，使列車車輪磨耗損傷問題惡化。車輪多邊形磨耗是車輪磨耗損傷的一種特殊形式。當車輪存在多邊形磨耗時，非圓的車輪在車輛行駛過程中會產(chǎn)生周期性的垂向激勵并引起車輛的強迫振動，加速車輛部件損壞，影響乘客乘車舒適度。同時，高頻大幅振動可能會導致機車發(fā)生脫軌。但國內(nèi)外對車輪多邊形磨耗的形成機理并沒有一個明確且統(tǒng)一的認識。目前而言，針對車輪多邊形磨耗問題，一般

2、只有采取對非圓車輪進行鏇修的辦法來降低其危害。但這種方法會增加列車的維護費用，不能從根本上解決問題。所以最好的辦法是研究車輪多邊形磨耗的形成機理，從源頭采取措施消除其產(chǎn)生條件。
　　西南交通大學的陳光雄教授提出了摩擦自激振動可以引起車輪多邊形磨耗的觀點。該觀點認為高速列車在直線軌道牽引加速或制動減速時，可能發(fā)生輪軌滑動現(xiàn)象。此時輪軌間的蠕滑力趨于飽和，其大小約等于摩擦力。在這種飽和的蠕滑力作用下，輪軌系統(tǒng)可能發(fā)生不穩(wěn)定摩擦自激振動

3、，從而導致摩擦功波動并引起車輪多邊形磨耗現(xiàn)象。本文運用有限元軟件提供的瞬時動態(tài)分析法驗證了摩擦自激振動可以導致摩擦功波動從而引起車輪多邊形磨耗的觀點;運用有限元軟件提供的復(fù)特征值分析法研究扣件阻尼和剛度、摩擦系數(shù)、軸重對摩擦自激振動發(fā)生趨勢的影響。從產(chǎn)生條件出發(fā)提出了抑制車輪多邊形磨耗的方法。本文的主要工作如下:
　　(1)對國內(nèi)外車輪多邊形磨耗的研究現(xiàn)狀進行了調(diào)查。國內(nèi)外學者對車輪多邊形磨耗的研究主要是通過仿真研究和現(xiàn)場試驗兩種

4、方法。他們建立了車輛-軌道動力學模型并結(jié)合考慮了車輪初始不圓順的車輪踏面磨耗模型，進行迭代計算。同時結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，預(yù)測車輪多邊形磨耗的發(fā)展規(guī)律，研究車輪多邊形磨耗對車輛動力學的影響。
　　(2)通過有限元軟件ABAQUS提供的瞬時動態(tài)分析法分析高速列車通過直線軌道時輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動的動態(tài)特性。對鋼軌表面節(jié)點垂向振動加速度和輪軌間法向接觸力信號進行PSD分析，得到振動的主導頻率為239.16Hz。研究發(fā)現(xiàn)由飽和蠕滑力作用引起

5、的輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動會導致輪軌間法向接觸力波動，摩擦功也會以同頻率波動。摩擦自激振動可以引起車輪多邊形磨耗現(xiàn)象。
　　(3)通過有限元軟件ABAQUS提供的復(fù)特征值分析法，研究輪軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過該方法預(yù)測輪軌系統(tǒng)可能發(fā)生自激振動的頻率和對應(yīng)的振動模態(tài)。通過復(fù)特征值分析法得到的振動主導頻率為239.48Hz。并探討扣件阻尼和剛度、摩擦系數(shù)、軸重對輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動發(fā)生趨勢的影響。提出了提高扣件阻尼的大小，在一定范圍內(nèi)提高扣