高速鐵路無砟軌道鋼軌波浪形磨損機(jī)理研究.pdf

1、由于鋼軌表面的不均勻磨耗作用，鋼軌走行光帶表面沿縱向出現(xiàn)的像波浪一樣周期性的磨損，稱作鋼軌波浪形磨損，簡稱鋼軌波磨。鋼軌波磨不僅加劇了輪軌間的相互作用，導(dǎo)致車輛軌道系統(tǒng)振動(dòng)噪聲過大，影響乘坐舒適度，而且縮短車輛軌道零部件疲勞壽命，產(chǎn)生安全隱患。在波磨的研究過程中，需要運(yùn)用到材料學(xué)、摩擦學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、滾動(dòng)接觸理論、固體接觸力學(xué)、計(jì)算方法等多個(gè)學(xué)科多個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。由于其影響因素眾多，持續(xù)了近百年的鋼軌波磨的研究至今仍然是一個(gè)有待解決的

2、科學(xué)問題。
　　中國高速鐵路投入運(yùn)營后在部分區(qū)段出現(xiàn)了鋼軌波磨現(xiàn)象。高速鐵路鋼軌波磨不但導(dǎo)致了車輛軌道結(jié)構(gòu)高頻振動(dòng)，而且還對(duì)車輛運(yùn)行安全產(chǎn)生隱患。中國高速鐵路主要以無砟軌道結(jié)構(gòu)為主，在其上產(chǎn)生的鋼軌波磨的發(fā)展特征、產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)高速車輛軌道的影響均尚無系統(tǒng)性研究。因此，深入開展高速鐵路無砟軌道鋼軌波磨的研究，認(rèn)識(shí)高速鐵路無砟軌道鋼軌波磨機(jī)理，對(duì)提高高速鐵路運(yùn)行安全性、舒適度和降低運(yùn)營維修成本等都具有較大的理論價(jià)值和工程指導(dǎo)意義。<

3、br>　　本文結(jié)合中國某高速鐵路波磨現(xiàn)象，對(duì)高速鐵路無砟軌道波磨的成因及其對(duì)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)和車輛的影響進(jìn)行了深入的研究和探討，主要內(nèi)容和結(jié)論包括:
　　(1)結(jié)合中國某高速鐵路波磨現(xiàn)象，率先系統(tǒng)跟蹤調(diào)查了高速鐵路無砟軌道的鋼軌波磨狀態(tài)，分析了鋼軌波磨的空間分布特征和隨時(shí)間的發(fā)展特性，初步得到了鋼軌波磨在不同線路條件下的分布特征及發(fā)展規(guī)律。研究表明，某高速鐵路無砟軌道鋼軌波磨的波長分別為65～80mm和125～160mm。鋼軌波磨

4、現(xiàn)象在線路的直線、緩和曲線和圓曲線段區(qū)段均存在，上坡段比下坡段嚴(yán)重，曲線的內(nèi)側(cè)鋼軌比外側(cè)鋼軌嚴(yán)重。鋼軌波磨的發(fā)展速度隨時(shí)間逐漸放緩并趨于穩(wěn)定。通過打磨可有效降低鋼軌的波磨程度，但一段時(shí)間以后鋼軌波磨又會(huì)逐漸發(fā)展。
　　(2)首次進(jìn)行了高速鐵路無砟軌道振動(dòng)特性對(duì)鋼軌波磨發(fā)展的影響機(jī)理研究。測試了高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，分析了軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與鋼軌波磨特征間的相互關(guān)系。建立了高速鐵路無砟軌道三維實(shí)體有限元模型，通過模態(tài)響應(yīng)、頻

5、率響應(yīng)和寬頻激勵(lì)響應(yīng)分析，深入研究了軌道振動(dòng)特性對(duì)鋼軌波磨的影響。測試和數(shù)值分析結(jié)果均表明，波長為65～80mm的波磨主要與1000Hz左右的鋼軌離散支撐pinned-pinned共振相關(guān)，而波長為125-160mm的波磨主要與鋼軌相對(duì)軌道板的垂向振動(dòng)相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，增大鋼軌扣件垂向剛度可以緩解波長為125-160mm的波磨。
　　(3)首次對(duì)鋼軌表面狀態(tài)對(duì)高速鐵路無砟軌道鋼軌波磨的萌生與發(fā)展機(jī)理進(jìn)行了研究。對(duì)高速鐵路新鋼軌及在

6、用鋼軌的表面初始不平順進(jìn)行了深入調(diào)查，基于車輛-無砟軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型、輪軌赫茲接觸模型、Carter滾動(dòng)接觸模型和輪軌材料摩擦磨損模型，建立了高速鐵路無砟軌道鋼軌波磨發(fā)展的數(shù)值仿真模型。通過現(xiàn)場觀測及數(shù)值模擬研究的方法研究了鋼軌表面初始不平順對(duì)高速鐵路無砟軌道鋼軌波磨的萌生與發(fā)展的影響機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，鋼軌表面初始不平順對(duì)鋼軌波磨的萌生和發(fā)展有較大的影響。當(dāng)鋼軌表面存在與波磨特征波長一致的不平順時(shí)，鋼軌波磨迅速萌生并發(fā)展;而當(dāng)鋼軌表面不

7、存在與波磨特征波長一致的不平順時(shí)，鋼軌波磨發(fā)展較為緩慢，甚至發(fā)生鋼軌不平順程度先降低再升高的現(xiàn)象，與現(xiàn)場實(shí)際情況一致。對(duì)高速鐵路鋼軌表面脫碳層進(jìn)行了調(diào)查，首次建立了可考慮鋼軌脫碳層對(duì)鋼軌波磨影響的數(shù)值模型，進(jìn)行了脫碳層對(duì)鋼軌波磨發(fā)展影響的數(shù)值模擬，研究了脫碳層對(duì)鋼軌波磨發(fā)展的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明，鋼軌表面脫碳層的厚度越大，鋼軌表層的硬度越小，鋼軌抗磨損特性越低，在輪軌作用下鋼軌磨耗和波磨程度越嚴(yán)重。
　　(4)建立了車輛-板式無

8、砟軌道動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析模型，采用現(xiàn)場測試得到的高速鐵路鋼軌波磨數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)激勵(lì)，研究了鋼軌波磨對(duì)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)和車輛的影響。研究表明，鋼軌波磨越嚴(yán)重，輪軌相互作用越劇烈，輪軌垂向力最大值和輪重減載率隨波磨深度的增加而增加。鋼軌波磨深度越大，車輛部件振動(dòng)加速度越大，但鋼軌波磨對(duì)輪對(duì)、構(gòu)架和車體振動(dòng)加速度的影響程度依次減小。高速車輛在有波磨的線路上運(yùn)行時(shí)，扣件作用力出現(xiàn)高頻波動(dòng)，其最大值隨波磨深度的增加而顯著增加。通過扣件作用力的頻譜可以發(fā)