地鐵鋼軌波磨形成機(jī)理研究.pdf

1、一個多世紀(jì)以來，鋼軌波磨引起了鐵路工作者的廣泛注意和研究興趣，然而人們卻一直沒有總結(jié)出治愈波磨的根本方法。一個公認(rèn)的事實(shí)是:不同類型的波磨其形成機(jī)理也不同，因而很難用某一種方法完全治愈鋼軌波磨。但是部分類型的鋼軌波磨也可以通過相應(yīng)的措施得到很好地預(yù)防。隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，我國地鐵發(fā)展迅速，與此同時，各個城市的地鐵線路都出現(xiàn)了不同程度的波磨。地鐵鋼軌波磨的形成機(jī)理十分復(fù)雜，至今尚未完全弄清楚。它的研究涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的相關(guān)知識，如

2、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、固體接觸力學(xué)、滾動接觸理論、摩擦學(xué)、計算方法等。因此，深入研究地鐵鋼軌波磨問題是十分重要的，揭示其形成機(jī)理并提出相應(yīng)的波磨減緩措施，對確保我國地鐵車輛安全運(yùn)行和城市軌道的減振降噪具有重要意義。
　　我國某地鐵線路開通不久后，整個線路多種軌道形式上均出現(xiàn)嚴(yán)重的鋼軌波磨，其不僅引起了車輛軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動，還帶來了惱人的環(huán)境噪音，引起了乘客和附近居民的強(qiáng)烈不滿。因此，本文對該地鐵線路鋼軌波磨的形成機(jī)理及其相關(guān)的減磨措施展開

3、詳細(xì)的研究和探討，主要包括:
　　(1)簡單介紹了城市軌道交通的發(fā)展概況，對軌道交通發(fā)展過程中出現(xiàn)的鋼軌波磨問題進(jìn)行了簡單論述，對地鐵波磨的研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)的綜述，指出了鋼軌波磨研究的重要性。
　　(2)詳細(xì)介紹某城市地鐵車輛軌道結(jié)構(gòu)特征、典型區(qū)段鋼軌波磨狀態(tài)和軌道結(jié)構(gòu)特性測試結(jié)果，對鋼軌波磨通過頻率與軌道結(jié)構(gòu)振動頻率的相互關(guān)系做了詳細(xì)探討，發(fā)現(xiàn)該線路上出現(xiàn)的波磨主要與軌道結(jié)構(gòu)形式相關(guān)。
　　(3)建立了車輛簧下質(zhì)量與

4、多種軌道耦合作用的三維實(shí)體有限元理論分析模型，分析討論了軌道結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性與波磨發(fā)生發(fā)展的相互關(guān)系，給出了各種軌道形式波磨形成機(jī)理的初步解釋。
　　(4)建立了地鐵車輛-無砟軌道鋼軌耦合作用下的波磨理論分析模型，模型集成了考慮剛?cè)崽匦缘恼?無砟軌道垂橫向耦合動力學(xué)模型、改進(jìn)的輪軌非Hertz滾動接觸模型、輪軌材料摩擦磨損模型和鋼軌波磨磨耗疊加模型。該模型可以考慮整車車輛輪軌之間的動力作用對鋼軌波磨形成和發(fā)展的影響，以及波磨導(dǎo)致鋼

5、軌表面不平順發(fā)生變化后其對輪軌接觸和動力學(xué)的反激勵作用，即整個大模型可以考慮車輛軌道瞬態(tài)動力作用行為與輪軌磨耗的往復(fù)循環(huán)相互作用過程。動力學(xué)耦合模型中，車輛結(jié)構(gòu)采用多剛體質(zhì)量塊—彈簧—阻尼系統(tǒng)來模擬，鋼軌采用鐵木辛柯梁模型，軌道板采用三維實(shí)體有限元來模擬，更加真實(shí)地反應(yīng)了軌道結(jié)構(gòu)的特性;滾動接觸模型中考慮了磨耗逐步累積的鋼軌波磨對輪軌接觸的影響;材料摩擦磨損模型采用考慮自旋效應(yīng)的摩擦功磨耗模型;波磨磨耗疊加模型可以同時計算整車車輛8個車

6、輪與鋼軌相互作用所形成的磨耗。
　　(5)詳細(xì)介紹某地鐵現(xiàn)場波磨的發(fā)展情況，掌握了該地鐵特定軌道形式上波磨的發(fā)展規(guī)律。結(jié)合現(xiàn)場跟蹤的實(shí)測結(jié)果，對本文的理論模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真計算結(jié)果表明該模型能夠能客觀地反應(yīng)實(shí)際情況，其模擬結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查情況相吻合。
　　(6)研究了白噪聲激勵、復(fù)合不平順激勵和凹坑激勵下普通短軌枕曲線軌道和科隆蛋減振直線軌道鋼軌波磨的形成機(jī)理和其發(fā)展情況。研究結(jié)果表明，普通短軌枕軌道結(jié)構(gòu)在60 Hz～9

7、0 Hz范圍內(nèi)鋼軌和軌道板整體相對于路基的垂向彎曲振動是125 mm～160 mm波磨產(chǎn)生的根本原因;數(shù)值結(jié)果顯示在多種激勵下，普通短軌枕軌道內(nèi)外軌波磨的顯著波長與現(xiàn)場情況相一致?？坡〉?Cologne)減振扣件軌道在160 Hz～300 Hz的鋼軌垂向彎曲振動和鋼軌扭轉(zhuǎn)振動是形成40 mm～50 mm波磨的根本原因;數(shù)值結(jié)果顯示在多種激勵下，科隆蛋減振扣件軌道左右軌波磨的顯著波長與現(xiàn)場情況相一致。數(shù)值結(jié)果還表明，鋼軌波磨的形成與隨機(jī)不

8、平順中的初始波長關(guān)系較小，與軌道結(jié)構(gòu)自身的固有特性以及車輛通過速度關(guān)系較大，只有初始不平順中的波長與波磨通過頻率對應(yīng)波長相近時，其才能發(fā)展成波磨，否則其會在輪軌的碾壓過程中消失。
　　(7)研究了扣件參數(shù)、曲線超高、車輛載重和摩擦系數(shù)對鋼軌波磨的影響，并提出了相應(yīng)地減緩措施。研究結(jié)果表明，隨著扣件參數(shù)的增大，科隆蛋減振軌道的敏感頻率發(fā)生偏移，波磨的波動幅值明顯減小，且鋼軌波磨的發(fā)展速度也比較緩慢;適當(dāng)?shù)販p小小半徑曲線過超高值，以及