鐵路輪軌和弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)瞬態(tài)動(dòng)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(gè)最為重要的摩擦接觸副，其動(dòng)力學(xué)性能直接影響到列車(chē)的正常運(yùn)行以及行車(chē)安全，是鐵路系統(tǒng)中的重點(diǎn)研究對(duì)象。然而，以往針對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)和輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的研究主要集中在各類(lèi)由線路不平順以及車(chē)體自身振動(dòng)引起的受激振動(dòng)上。弓網(wǎng)接觸與輪軌接觸作為摩擦接觸副，其摩擦振動(dòng)特性不可忽略。輪軌系統(tǒng)的波磨問(wèn)題已經(jīng)研究一百多年但迄今還無(wú)法解決，低速列車(chē)的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象也無(wú)法解釋。諸如此類(lèi)鐵路疑難問(wèn)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(dòng)問(wèn)題過(guò)去研究得很少，鐵路動(dòng)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(wèn)題的一個(gè)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(dòng)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(dòng)的發(fā)生以及發(fā)展規(guī)律，主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)使用金屬往復(fù)滑動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)摩擦自激振動(dòng)的有限元瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。首先，采用ABAQUS有

3、限元復(fù)特征值分析方法預(yù)測(cè)了金屬往復(fù)滑動(dòng)系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)頻率。其次，使用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)金屬往復(fù)滑動(dòng)系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)進(jìn)行了瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析。將有限元復(fù)特征值分析結(jié)果和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果分別與試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(yàn)結(jié)果在頻域上能很好的吻合。摩擦自激振動(dòng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果在時(shí)域上也能與試驗(yàn)結(jié)果吻合。這說(shuō)明瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)摩擦系統(tǒng)在時(shí)域上的摩擦自激振動(dòng)響應(yīng)。并且，復(fù)特征值分析結(jié)果與瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析

4、結(jié)果均顯示當(dāng)摩擦自激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，金屬往復(fù)滑動(dòng)系統(tǒng)的法向振動(dòng)與切向振動(dòng)具有相同的振動(dòng)頻率。這種現(xiàn)象說(shuō)明法向振動(dòng)與切向振動(dòng)的耦合可能是引起摩擦自激振動(dòng)的主要原因。金屬往復(fù)滑動(dòng)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(dòng)幅值以及往復(fù)滑動(dòng)頻率對(duì)摩擦自激振動(dòng)有明顯影響。摩擦自激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，法向接觸力的劇烈變化可能是引起接觸表面點(diǎn)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(dòng)的發(fā)生。
　　(2)從摩擦自激振動(dòng)的角度研究

5、了摩擦對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(shí)動(dòng)態(tài)分析法對(duì)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(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)可能發(fā)生不穩(wěn)定的摩擦自激振動(dòng)。瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果顯示摩擦自激振動(dòng)對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)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(gè)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?dòng)的產(chǎn)生。
　　(3)研究了當(dāng)車(chē)輪通過(guò)小半徑曲線軌道以及直線軌道時(shí)，摩擦自激振動(dòng)對(duì)鋼軌波磨的影響。使用有限元瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析方法以及復(fù)特征值分析方法分別建立了車(chē)輪通過(guò)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(dòng)穩(wěn)

7、定性分析。在分析過(guò)程中，假設(shè)車(chē)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(dòng)，進(jìn)而引發(fā)輪軌間法向接觸力的同頻率波動(dòng)。通過(guò)對(duì)比北京地鐵的實(shí)測(cè)波磨數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在相同條件下摩擦自激振動(dòng)頻率非常接近鋼軌波磨的頻率。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明由飽和蠕滑力引起的輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)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(duì)輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的影響，分析結(jié)果顯示鋼