地鐵鋼軌波磨形成機理研究.pdf

1、一個多世紀以來，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出治愈波磨的根本方法。一個公認的事實是:不同類型的波磨其形成機理也不同，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的措施得到很好地預防。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理十分復雜，至今尚未完全弄清楚。它的研究涉及多學科多領域的相關知識，如

2、結構動力學、固體接觸力學、滾動接觸理論、摩擦學、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，揭示其形成機理并提出相應的波磨減緩措施，對確保我國地鐵車輛安全運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)嚴重的鋼軌波磨，其不僅引起了車輛軌道結構的強烈振動，還帶來了惱人的環(huán)境噪音，引起了乘客和附近居民的強烈不滿。因此，本文對該地鐵線路鋼軌波磨的形成機理及其相關的減磨措施展開

3、詳細的研究和探討，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)的鋼軌波磨問題進行了簡單論述，對地鐵波磨的研究現(xiàn)狀做了詳細的綜述，指出了鋼軌波磨研究的重要性。
　　(2)詳細介紹某城市地鐵車輛軌道結構特征、典型區(qū)段鋼軌波磨狀態(tài)和軌道結構特性測試結果，對鋼軌波磨通過頻率與軌道結構振動頻率的相互關系做了詳細探討，發(fā)現(xiàn)該線路上出現(xiàn)的波磨主要與軌道結構形式相關。
　　(3)建立了車輛簧下質量與

4、多種軌道耦合作用的三維實體有限元理論分析模型，分析討論了軌道結構的動態(tài)特性與波磨發(fā)生發(fā)展的相互關系，給出了各種軌道形式波磨形成機理的初步解釋。
　　(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，模型集成了考慮剛柔特性的整車-無砟軌道垂橫向耦合動力學模型、改進的輪軌非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循環(huán)相互作用過程。動力學耦合模型中，車輛結構采用多剛體質量塊—彈簧—阻尼系統(tǒng)來模擬，鋼軌采用鐵木辛柯梁模型，軌道板采用三維實體有限元來模擬，更加真實地反應了軌道結構的特性;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。結合現(xiàn)場跟蹤的實測結果，對本文的理論模型進行了試驗驗證，仿真計算結果表明該模型能夠能客觀地反應實際情況，其模擬結果和現(xiàn)場調查情況相吻合。
　　(6)研究了白噪聲激勵、復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理和其發(fā)展情況。研究結果表明，普通短軌枕軌道結構在60 Hz～9

7、0 Hz范圍內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波磨產生的根本原因;數(shù)值結果顯示在多種激勵下，普通短軌枕軌道內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振動是形成40 mm～50 mm波磨的根本原因;數(shù)值結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)值結果還表明，鋼軌波磨的形成與隨機不

8、平順中的初始波長關系較小，與軌道結構自身的固有特性以及車輛通過速度關系較大，只有初始不平順中的波長與波磨通過頻率對應波長相近時，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，并提出了相應地減緩措施。研究結果表明，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?shù)販p小小半徑曲線過超高值，以及