鐵路輪軌和弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦自激振動瞬態(tài)動力學(xué)研究.pdf

1、弓網(wǎng)接觸副與輪軌接觸副是鐵路系統(tǒng)中兩個最為重要的摩擦接觸副，其動力學(xué)性能直接影響到列車的正常運(yùn)行以及行車安全，是鐵路系統(tǒng)中的重點研究對象。然而，以往針對弓網(wǎng)系統(tǒng)和輪軌系統(tǒng)動力學(xué)特性的研究主要集中在各類由線路不平順以及車體自身振動引起的受激振動上。弓網(wǎng)接觸與輪軌接觸作為摩擦接觸副，其摩擦振動特性不可忽略。輪軌系統(tǒng)的波磨問題已經(jīng)研究一百多年但迄今還無法解決，低速列車的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象也無法解釋。諸如此類鐵路疑難問題，需要革新的研究思維。鐵路輪軌

2、和弓網(wǎng)系統(tǒng)的摩擦自激振動問題過去研究得很少，鐵路動力學(xué)工作者也很陌生，但其有可能成為解決鋼軌波磨等疑難問題的一個突破口。因此，研究弓網(wǎng)和輪軌摩擦接觸副的摩擦自激振動特性具有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)創(chuàng)新性以及工程應(yīng)用背景。本文從摩擦學(xué)的角度出發(fā)，詳細(xì)研究了弓網(wǎng)系統(tǒng)與輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動的發(fā)生以及發(fā)展規(guī)律，主要開展了以下幾個方面的工作:
　　(1)使用金屬往復(fù)滑動試驗系統(tǒng)對摩擦自激振動的有限元瞬時動態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行了試驗驗證。首先，采用ABAQUS有

3、限元復(fù)特征值分析方法預(yù)測了金屬往復(fù)滑動系統(tǒng)的摩擦自激振動頻率。其次，使用ABAQUS有限元分析軟件對金屬往復(fù)滑動系統(tǒng)的摩擦自激振動進(jìn)行了瞬時動態(tài)分析。將有限元復(fù)特征值分析結(jié)果和瞬時動態(tài)分析結(jié)果分別與試驗實測結(jié)果進(jìn)行比較。比較結(jié)果顯示復(fù)特征值分析結(jié)果與試驗結(jié)果在頻域上能很好的吻合。摩擦自激振動的瞬時動態(tài)分析結(jié)果在時域上也能與試驗結(jié)果吻合。這說明瞬時動態(tài)分析能準(zhǔn)確地預(yù)測摩擦系統(tǒng)在時域上的摩擦自激振動響應(yīng)。并且，復(fù)特征值分析結(jié)果與瞬時動態(tài)分析

4、結(jié)果均顯示當(dāng)摩擦自激振動發(fā)生時，金屬往復(fù)滑動系統(tǒng)的法向振動與切向振動具有相同的振動頻率。這種現(xiàn)象說明法向振動與切向振動的耦合可能是引起摩擦自激振動的主要原因。金屬往復(fù)滑動系統(tǒng)的參數(shù)穩(wěn)定性分析結(jié)果顯示:法向接觸力、往復(fù)滑動幅值以及往復(fù)滑動頻率對摩擦自激振動有明顯影響。摩擦自激振動發(fā)生時，法向接觸力的劇烈變化可能是引起接觸表面點狀坑蝕以及粗糙度增加的主要原因。恰當(dāng)?shù)募虞d方式能抑制摩擦自激振動的發(fā)生。
　　(2)從摩擦自激振動的角度研究

5、了摩擦對弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定性的影響。建立了弓網(wǎng)系統(tǒng)的摩擦耦合模型，并分別使用復(fù)特征值分析方法和瞬時動態(tài)分析法對此模型進(jìn)行了分析。復(fù)特征值分析結(jié)果顯示當(dāng)受電弓與接觸線之間的摩擦系數(shù)大于0.1時，弓網(wǎng)系統(tǒng)可能發(fā)生不穩(wěn)定的摩擦自激振動。瞬時動態(tài)分析結(jié)果顯示摩擦自激振動對受電弓與接觸線之間的法向接觸力有非常明顯的影響。當(dāng)摩擦自激振動的振幅達(dá)到一定程度以后，可能引起受電弓與接觸網(wǎng)之間的離線現(xiàn)象。對弓網(wǎng)系統(tǒng)的有限元摩擦耦合模型進(jìn)行了參數(shù)穩(wěn)定性分析。分

6、析結(jié)果顯示受電弓與接觸線之間的摩擦系數(shù)、升弓力、弓頭懸掛彈簧剛度、接觸線張力以及受電弓的空間位置對弓網(wǎng)系統(tǒng)的摩擦自激振動都有明顯影響。將受電弓與接觸線之間的摩擦系數(shù)控制在一個較小的數(shù)值內(nèi)以及選取恰當(dāng)?shù)纳δ芤种颇Σ磷约ふ駝拥漠a(chǎn)生。
　　(3)研究了當(dāng)車輪通過小半徑曲線軌道以及直線軌道時，摩擦自激振動對鋼軌波磨的影響。使用有限元瞬時動態(tài)分析方法以及復(fù)特征值分析方法分別建立了車輪通過小半徑曲線軌道模型以及直線軌道模型，并進(jìn)行了運(yùn)動穩(wěn)

7、定性分析。在分析過程中，假設(shè)車輪與鋼軌間的蠕滑力達(dá)到飽和狀態(tài)，即蠕滑力等于輪軌間的法向接觸力乘以摩擦系數(shù)。分析結(jié)果顯示，飽和蠕滑力能使輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動，進(jìn)而引發(fā)輪軌間法向接觸力的同頻率波動。通過對比北京地鐵的實測波磨數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在相同條件下摩擦自激振動頻率非常接近鋼軌波磨的頻率。這個現(xiàn)象說明由飽和蠕滑力引起的輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動可能是鋼軌波磨產(chǎn)生的主要原因之一。研究了鋼軌扣件阻尼以及剛度對輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動的影響，分析結(jié)果顯示鋼