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(dāng)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(dǎo)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(rèn)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(jìn)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(xué)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(rèn)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行了調(diào)查。國內(nèi)外學(xué)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(xué)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(jìn)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(xué)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(jìn)行PSD分析，得到振動的主導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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