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原文传递高速铁路无砟轨道钢轨波浪形磨损机理研究

论文题名：	高速铁路无砟轨道钢轨波浪形磨损机理研究
关键词：	高速铁路;无砟轨道;钢轨结构;波浪形磨损
摘要：	由于钢轨表面的不均匀磨耗作用，钢轨走行光带表面沿纵向出现的像波浪一样周期性的磨损，称作钢轨波浪形磨损，简称钢轨波磨。钢轨波磨不仅加剧了轮轨间的相互作用，导致车辆轨道系统振动噪声过大，影响乘坐舒适度，而且缩短车辆轨道零部件疲劳寿命，产生安全隐患。在波磨的研究过程中，需要运用到材料学、摩擦学、结构动力学、滚动接触理论、固体接触力学、计算方法等多个学科多个领域的相关知识。由于其影响因素众多，持续了近百年的钢轨波磨的研究至今仍然是一个有待解决的科学问题。　　中国高速铁路投入运营后在部分区段出现了钢轨波磨现象。高速铁路钢轨波磨不但导致了车辆轨道结构高频振动，而且还对车辆运行安全产生隐患。中国高速铁路主要以无砟轨道结构为主，在其上产生的钢轨波磨的发展特征、产生机理及其对高速车辆轨道的影响均尚无系统性研究。因此，深入开展高速铁路无砟轨道钢轨波磨的研究，认识高速铁路无砟轨道钢轨波磨机理，对提高高速铁路运行安全性、舒适度和降低运营维修成本等都具有较大的理论价值和工程指导意义。　　本文结合中国某高速铁路波磨现象，对高速铁路无砟轨道波磨的成因及其对高速铁路轨道结构和车辆的影响进行了深入的研究和探讨，主要内容和结论包括: 　　(1)结合中国某高速铁路波磨现象，率先系统跟踪调查了高速铁路无砟轨道的钢轨波磨状态，分析了钢轨波磨的空间分布特征和随时间的发展特性，初步得到了钢轨波磨在不同线路条件下的分布特征及发展规律。研究表明，某高速铁路无砟轨道钢轨波磨的波长分别为65～80mm和125～160mm。钢轨波磨现象在线路的直线、缓和曲线和圆曲线段区段均存在，上坡段比下坡段严重，曲线的内侧钢轨比外侧钢轨严重。钢轨波磨的发展速度随时间逐渐放缓并趋于稳定。通过打磨可有效降低钢轨的波磨程度，但一段时间以后钢轨波磨又会逐渐发展。　　(2)首次进行了高速铁路无砟轨道振动特性对钢轨波磨发展的影响机理研究。测试了高速铁路无砟轨道结构的振动特性，分析了轨道结构振动特性与钢轨波磨特征间的相互关系。建立了高速铁路无砟轨道三维实体有限元模型，通过模态响应、频率响应和宽频激励响应分析，深入研究了轨道振动特性对钢轨波磨的影响。测试和数值分析结果均表明，波长为65～80mm的波磨主要与1000Hz左右的钢轨离散支撑pinned-pinned共振相关，而波长为125-160mm的波磨主要与钢轨相对轨道板的垂向振动相关。研究还发现，增大钢轨扣件垂向刚度可以缓解波长为125-160mm的波磨。　　(3)首次对钢轨表面状态对高速铁路无砟轨道钢轨波磨的萌生与发展机理进行了研究。对高速铁路新钢轨及在用钢轨的表面初始不平顺进行了深入调查，基于车辆-无砟轨道耦合动力学模型、轮轨赫兹接触模型、Carter滚动接触模型和轮轨材料摩擦磨损模型，建立了高速铁路无砟轨道钢轨波磨发展的数值仿真模型。通过现场观测及数值模拟研究的方法研究了钢轨表面初始不平顺对高速铁路无砟轨道钢轨波磨的萌生与发展的影响机理。研究发现，钢轨表面初始不平顺对钢轨波磨的萌生和发展有较大的影响。当钢轨表面存在与波磨特征波长一致的不平顺时，钢轨波磨迅速萌生并发展;而当钢轨表面不存在与波磨特征波长一致的不平顺时，钢轨波磨发展较为缓慢，甚至发生钢轨不平顺程度先降低再升高的现象，与现场实际情况一致。对高速铁路钢轨表面脱碳层进行了调查，首次建立了可考虑钢轨脱碳层对钢轨波磨影响的数值模型，进行了脱碳层对钢轨波磨发展影响的数值模拟，研究了脱碳层对钢轨波磨发展的影响机理。研究结果表明，钢轨表面脱碳层的厚度越大，钢轨表层的硬度越小，钢轨抗磨损特性越低，在轮轨作用下钢轨磨耗和波磨程度越严重。　　(4)建立了车辆-板式无砟轨道动力学数值分析模型，采用现场测试得到的高速铁路钢轨波磨数据作为系统激励，研究了钢轨波磨对高速铁路轨道结构和车辆的影响。研究表明，钢轨波磨越严重，轮轨相互作用越剧烈，轮轨垂向力最大值和轮重减载率随波磨深度的增加而增加。钢轨波磨深度越大，车辆部件振动加速度越大，但钢轨波磨对轮对、构架和车体振动加速度的影响程度依次减小。高速车辆在有波磨的线路上运行时，扣件作用力出现高频波动，其最大值随波磨深度的增加而显著增加。通过扣件作用力的频谱可以发现，扣件弹条的垂向固有频率与扣件作用力峰值频率吻合，易导致扣件弹条共振。进行了扣件弹条受力有限元分析，结果表明扣件弹条受力危险点在弹条后端位置，与现场实际破坏位置吻合。
作者：	谷永磊
专业：	道路与铁道工程
导师：	赵国堂
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文