基于摩擦自激振動(dòng)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(dòng)力作用會(huì)加劇。這種劇烈的動(dòng)力作用會(huì)引起車輛強(qiáng)迫振動(dòng)，使列車車輪磨耗損傷問(wèn)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(shí)，非圓的車輪在車輛行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生周期性的垂向激勵(lì)并引起車輛的強(qiáng)迫振動(dòng)，加速車輛部件損壞，影響乘客乘車舒適度。同時(shí)，高頻大幅振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)車發(fā)生脫軌。但國(guó)內(nèi)外對(duì)車輪多邊形磨耗的形成機(jī)理并沒(méi)有一個(gè)明確且統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前而言，針對(duì)車輪多邊形磨耗問(wèn)題，一般

2、只有采取對(duì)非圓車輪進(jìn)行鏇修的辦法來(lái)降低其危害。但這種方法會(huì)增加列車的維護(hù)費(fèi)用，不能從根本上解決問(wèn)題。所以最好的辦法是研究車輪多邊形磨耗的形成機(jī)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(dòng)可以引起車輪多邊形磨耗的觀點(diǎn)。該觀點(diǎn)認(rèn)為高速列車在直線軌道牽引加速或制動(dòng)減速時(shí)，可能發(fā)生輪軌滑動(dòng)現(xiàn)象。此時(shí)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(dòng)

3、，從而導(dǎo)致摩擦功波動(dòng)并引起車輪多邊形磨耗現(xiàn)象。本文運(yùn)用有限元軟件提供的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析法驗(yàn)證了摩擦自激振動(dòng)可以導(dǎo)致摩擦功波動(dòng)從而引起車輪多邊形磨耗的觀點(diǎn);運(yùn)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(duì)摩擦自激振動(dòng)發(fā)生趨勢(shì)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(duì)國(guó)內(nèi)外車輪多邊形磨耗的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車輪多邊形磨耗的研究主要是通過(guò)仿真研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種

4、方法。他們建立了車輛-軌道動(dòng)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(jì)算。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)車輪多邊形磨耗的發(fā)展規(guī)律，研究車輪多邊形磨耗對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響。
　　(2)通過(guò)有限元軟件ABAQUS提供的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析法分析高速列車通過(guò)直線軌道時(shí)輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)鋼軌表面節(jié)點(diǎn)垂向振動(dòng)加速度和輪軌間法向接觸力信號(hào)進(jìn)行PSD分析，得到振動(dòng)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(dòng)會(huì)導(dǎo)致輪軌間法向接觸力波動(dòng)，摩擦功也會(huì)以同頻率波動(dòng)。摩擦自激振動(dòng)可以引起車輪多邊形磨耗現(xiàn)象。
　　(3)通過(guò)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(guò)該方法預(yù)測(cè)輪軌系統(tǒng)可能發(fā)生自激振動(dòng)的頻率和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)。通過(guò)復(fù)特征值分析法得到的振動(dòng)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(duì)輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)發(fā)生趨勢(shì)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