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原文传递地铁钢轨波磨成因及其对车辆/轨道行为的影响研究

论文题名：	地铁钢轨波磨成因及其对车辆/轨道行为的影响研究
关键词：	地铁线路;钢轨波磨;故障分析;车辆运营;轨道结构
摘要：	钢轨波磨问题是轮轨关系领域研究的难题之一。随着我国地铁交通的快速发展，地铁线路钢轨波磨现象较为普遍。钢轨波磨不仅加剧轮轨间相互作用，导致车辆轨道系统振动噪声过大，影响乘坐舒适性，而且缩短车辆轨道零部件疲劳寿命，产生安全隐患。目前关于钢轨波磨成因的解释较多，没有统一定论。因而，开展地铁钢轨波磨成因及其影响研究，为波磨机理的深入系统研究提供参考，为线路维护保养提供工程指导，对增加结构部件使用寿命和可靠性，保证列车运营安全和乘车舒适性，具有重要意义。　　基于现场试验测试和数值仿真分析，本论文主要开展了以下几个方面的研究工作: 　　(1)总结和论述了国内外钢轨波磨的研究现状，明确了地铁钢轨波磨成因及其影响研究的重要性。　　(2)全面调查了我国地铁线路钢轨波磨的现状。根据波磨特征、轨道结构形式和线路运营条件，对其进行了总结分类，可分为以下5类:(a)“减振扣件型”短波长波磨，即减振型扣件轨道出现的30-63 mm短波长波磨，导致的波磨通过频率为200-840 Hz。(b)“P2共振型”中波长波磨，即在普通扣件（非减振）轨道小半径曲线段出现的100-250mm波长波磨现象，这类波磨通过频率(50-140 Hz)与轮对-轨道系统的P2共振频率(30-120 Hz)相似。(c)“弹性短轨枕型”波磨，波长表现为50-160mm，发生在小半径曲线段，对应波磨通过频率范围为130-280 Hz，其与弹性短轨枕轨道的固有特性相关。(d)“梯形轨枕型”波磨，波长(80-200m m)与P2共振型波磨类似，发生在曲线段，波磨通过频率特征为80-200 Hz。(e)基于轨枕间距相关的短波长波磨，该轨道采用了普通扣件，且轨枕间距为0.625m，直线和曲线段出现的30-40 mm短波长波磨现象，长轨枕段较为严重。　　(3)建立了地铁列车-轨道空间耦合动力学数值分析模型。列车模型中考虑了6节编组;每节车辆简化为由一个车体、两个构架、四个轮对及八个轴箱定位装置组成的多刚体系统;考虑了相邻车辆间的相互动态作用。轨道建模中，钢轨简化为离散弹性支承的Timoshenko梁，轨道板则用三维实体有限元单元进行离散。车辆与轨道间通过非线性的轮轨关系耦合。该数值模型的得到了试验验证，并利用该模型模拟分析了钢轨波磨状态下列车轨道动态行为。　　(4)利用已有的钢轨波磨频域线性分析理论，建立了地铁钢轨波磨频域分析数值模型。该模型能考虑轮对-轨道结构动态行为和钢轨磨损相互作用，能够反映轨道特性、轮对特性和轮轨接触特性。地铁多种轨道的导纳特性通过现场试验获得。采用Hertz接触理论求解轮轨法向力和接触斑大小波动引起的轮轨接触点相对位置的变化;通过Vermeulen-Johnson理论对轮轨切向力进行了求解;利用摩擦功假设分析了钢轨纵向磨损特征。　　(5)利用钢轨波磨线性分析模型对我国地铁线路不同轨道结构的钢轨波磨成因进行仿真分析。调查了车辆运营速度对钢轨波磨形成的影响，分析了轨道结构的导纳特性与钢轨波磨特征的相关性，解释了我国地铁不同轨道结构出现不同特征波磨的原因。轨道出现低位移导纳值对钢轨波磨形成和发展的影响明显。　　(6)开展了钢轨波磨状态下地铁车辆和轨道系统振动噪声试验研究。结果表明:波磨对车辆和轨道系统的振动噪声影响明显;短波长波磨是引起车辆和轨道零部件振动及噪声异常的主要原因，钢轨打磨可消除或减缓其存在和发展。车轮不圆顺（或车轮波磨）对轴箱和构架振动加速度影响明显，其对车辆内部和外部噪声影响不明显。车辆一系悬挂对车轮不圆激励的振动减振效果较差。　　(7)建立了车辆一系钢弹簧及扣件弹条的三维实体有限元模型，结合地铁车辆轨道耦合动力学模型，分析了一系簧和弹条断裂失效与钢轨波磨之间关系，提出了减缓措施。结果如下:(a)波磨对车辆一系钢弹簧和扣件弹条疲劳寿命影响明显，其寿命随着波磨幅值的增大及波长的减小而迅速减小。(b)当波磨通过频率与弹条和一系钢弹簧的固有频率相近时，会引发弹条和一系钢弹簧出现过早失效现象。从一系簧和扣件弹条疲劳破坏方面考虑，30-40 mm短波长波磨幅值应控制在0.08 mm以下。(c)增大扣件铁垫板端部圆角半径到8mm、保证铁垫板圆角处光滑状态、将弹条后端圆弧与铁垫板端部距离控制在8-10 mm范围可增加弹条使用寿命。　　(8)地铁钢轨波磨的打磨控制应考虑不同运营速度条件下波长/波深范围的限值。基于列车行车安全性准则和轨道疲劳破坏准则，在小于120 km/h运营速度条件下波长分别为30-80、80-120、120-200mm的波磨对应幅值（波峰-波谷）应该分别控制在0.03、0.1和0.25 mm以下。基于车轮材料的疲劳失效考虑，在小于80 km/h速度的地铁线路，30-65、65-125和125-250mm波长范围对应的粗糙度水平应小于5.4、24.8和33.8 dB re1μm。
作者：	李伟
专业：	载运工具运用工程
导师：	金学松
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文