地铁线路钢轨波磨现象发生机理研究

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随着城市轨道交通的高速发展,轨道损伤问题越发凸显。钢轨波磨作为地铁线路中显著的轨道损伤问题,不仅影响了乘客的舒适度,而且降低了车辆和轨道结构部件的使用寿命,严重的波磨甚至会导致车辆的脱轨事故。从上个世纪以来铁路工作者就对钢轨波磨问题开展了大量的研究工作,但迄今为止对于地铁线路上钢轨波磨的一些普遍现象和局部现象仍没有得到较为明确的认识,为此许多学者提出了不同的钢轨波磨理论模型来研究这些波磨现象的产生机理。本文主要基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论模型对实际地铁线路上钢轨波磨现象的产生机理开展了以下几方面的研究工作:(1)综合采用现场测试和数值仿真的方法验证了轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的全新观点。在现场测试中,测量了地铁线路套靴短轨枕支撑小半径曲线轨道钢轨波磨高发区段的轨道不平顺,采集了列车通过时三个不同位置测点的振动信号。在数值仿真中,建立了相应轨道支撑结构上导向轮对-钢轨系统的有限元模型,分别采用复特征值分析法和瞬时动态分析法计算了该系统的不稳定振动模态和相应的动态响应。现场测试和数值仿真结果的一致性表明并不是所有的轮轨振动均能引发钢轨波磨的产生。轮轨系统的随机振动仅能导致钢轨表面的随机磨损,不能引发钢轨波磨的产生。轮轨系统的摩擦自激振动则能够增加或者减小钢轨表面任意考察点的磨损,从而导致钢轨波磨的产生。(2)在地铁线路上小半径曲线低轨容易出现波磨但高轨极少出现波磨的机理研究中,基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论模型,建立了普通短轨枕支撑小半径曲线轨道上导向轮对-钢轨系统的有限元模型并研究了该系统的摩擦自激振动情况。然后分别研究了轮轨间接触角和饱和蠕滑力方向对钢轨波磨的影响情况,研究表明当轮轨间的接触角大于或等于8.41~o时,即使轮轨间蠕滑力饱和,相应的轮轨系统仍没有摩擦自激振动产生,即在相应的轨道上没有波磨发生;当轮轨间饱和蠕滑力的方向为横向时比纵向时更容易引发钢轨波磨。当车辆通过小半径曲线轨道时,导向轮对外侧和内侧车轮与钢轨间的蠕滑力均趋于饱和状态。但由于导向轮对外侧车轮与钢轨间的接触角大于或等于15-20~o,内侧车轮与钢轨间的接触角约为1.5-2.5~o,因此在小半径曲线轨道上轮轨系统的不稳定振动不会发生在高轨上但容易发生在相应的低轨上,即小半径曲线轨道上的钢轨波磨通常发生在低轨上。(3)在地铁线路上小半径曲线轨道几乎百分之百出现波磨但大半径或直线轨道极少出现波磨的机理研究中,基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论模型,建立了普通短轨枕支撑曲线半径从200 m到800 m轨道上车辆-轨道系统的动力学模型和多轮对-钢轨系统的有限元模型,综合地研究了轨道曲线半径对轮轨间接触几何关系、轮轨间蠕滑力大小、轮轨系统摩擦自激振动和钢轨波磨的影响情况。研究发现当轨道的曲线半径小于350 m时,导向轮对内侧和外侧车轮与钢轨间的蠕滑力均趋于饱和状态,因此在此类小半径曲线轨道上钢轨波磨的发生概率几乎为百分之百。当轨道的曲线半径大于650-800 m时,由于轮轨间的蠕滑力未能饱和(除去不正常的牵引和制动引起轮轨滑动的情况),从而导致轮轨系统不会发生摩擦自激振动,因而在相应轨道的高轨和低轨上均极少出现钢轨波磨。(4)在地铁线路采用科隆蛋扣件的轨道地段出现波磨局部特殊现象的机理研究中,基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论模型,建立了采用科隆蛋扣件直线轨道和小半径曲线轨道上多轮对-钢轨系统的有限元模型,研究表明较低的轨道支撑刚度是导致科隆蛋扣件直线轨道上钢轨波磨出现的主要原因。当采用垂向支撑刚度较高的DTVI2扣件替换垂向支撑刚度较低的科隆蛋扣件后,相同工况下直线轨道上的钢轨波磨消失。但该方法并不适用于科隆蛋扣件小半径曲线轨道上钢轨波磨的抑制。同时,并不是在所有采用科隆蛋扣件的轨道地段均有钢轨波磨出现,当轮轨间的蠕滑力趋于或达到饱和时钢轨波磨发生的可能性较大。(5)在地铁线路同一小半径曲线轨道支撑结构的变化区段,采用科隆蛋扣件地段钢轨波磨的波长和普通短轨枕支撑地段钢轨波磨的波长具有明显差别。基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论模型,研究了车辆通过该轨道支撑结构变化区段的三种位置时多轮对-钢轨系统的摩擦自激振动情况。研究表明当车辆通过由科隆蛋扣件和普通短轨枕支撑结构组成的小半径曲线轨道区段时,在科隆蛋扣件区段摩擦自激振动的主要频率和在普通短轨枕支撑区段摩擦自激振动的主要频率具有明显差异,这成功重现了车辆通过该轨道支撑结构变化区段时钢轨波磨的发生情况。综上所述,本文综合采用现场测试和数值仿真的方法充分研究了地铁线路上钢轨波磨普遍现象和局部特殊现象的产生机理,具体的研究路线罗列如下:首先,通过对地铁线路钢轨波磨的现场测试和数值仿真验证了轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨理论模型的正确性;然后,基于该理论模型研究了地铁线路中钢轨波磨最为典型和普遍现象的产生机理;进一步地,基于该理论模型研究了地铁线路中钢轨波磨的一些局部特殊现象的产生机理。总而言之,对于钢轨波磨理论模型的验证工作主要包括对普遍波磨现象和局部波磨现象的验证,通过对实际线路上这一系列波磨现象的重现,进一步验证了轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨理论模型的正确性。本文对地铁线路上不同钢轨波磨现象产生机理的研究对于钢轨波磨的研究工作具有重要的参考意义和学术创新性,对于解决实际地铁线路中的钢轨波磨问题具有重要的工程应用价值。
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