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基于摩擦自激扭振理论模型的钢轨波磨现象的分析
| 论文题名： | 基于摩擦自激扭振理论模型的钢轨波磨现象的分析 |
| 关键词： | 钢轨表面;波浪形磨损;轮轴扭转振动理论模型;负阻尼理论 |
| 摘要： | 近年来，随着中国城市轨道交通的迅速发展，轨道交通的地位愈加凸显，但其复杂的运营环境也不可避免地带来了列车/轨道系统的疲劳损伤问题，如钢轨表面的波浪形磨损。基于以上背景，本文对钢轨波磨的产生机理进行了理论和实验研究，主要内容如下： （1）对两条地铁线路进行了现场调查，发现钢轨波磨多发生于曲线轨道的内轨上，并且半径越小的曲线轨道上钢轨波磨现象越严重。通过分析轮对经过曲线轨道时与钢轨的动力学关系，本文解释了钢轨波磨发生于曲线轨道内轨的原因，并建立了钢轨波磨形成机理的轮轴扭转振动理论模型； （2）基于负阻尼理论建立了轮轴摩擦自激扭转振动数学模型，并分别仿真不同曲线轨道半径以及不同垂向动力学条件下的轮轴扭振曲线。结果表明，由于负阻尼的影响，轮轴扭转振动的幅值随曲线轨道曲率的增大而增大。另外，轮轨滚动接触垂向动力学对轮轴的扭转振动有重要影响，低频垂向振动对扭振的影响明显，某些低频垂向振动会明显增强扭振的强度，而高频的垂向振动对扭振的影响较弱。进一步研究还发现，垂向振动的幅值对轮轴扭转振动的强度也有较大影响，扭振的有效值先随着垂向振动幅值的增大而缓慢增大，当垂向振动的幅值超过某一临界值后，扭振的有效值快速增大，意味着扭转振动更强烈。结合仿真结果和理论分析，认为轮轴的扭转振动与轨道的垂向振动耦合所形成的周期性摩擦自激扭转振动是形成钢轨波磨的机理之一； （3）设计并搭建了钢轨波磨双轮实验台，基于同步带传动设计了在双轮间施加稳定纵向蠕变的方法，利用实验台同时测量了不同转速、纵向蠕变和大轮支撑刚度条件下大轮的垂向力、扭矩、转速波动和垂向振动，并对比了实验前后大小轮接触表面的磨损状态； （4）实验结果首先验证了双轮滚动接触过程中负阻尼的存在，此外，随着纵向蠕变的增大，大轮轴的转速波动也逐渐增大，与仿真结果具有相同的趋势。进一步分析发现，大轮支撑结构的垂向振动频率与大轮轴转速波动的频率有很高的一致性，同时大轮转速波动对低频的垂向振动敏感，而对高频的垂向振动不敏感，实验结果与理论模型的仿真结果较为一致； （5）实验中通过在两轮间施加稳定的纵向蠕变并保持实验台持续运转，成功在模拟轨道轮（即小轮）表面复现了波浪形磨损，对比实验前后大小轮的表面状态，验证了轮轴摩擦自激扭转振动是钢轨波磨的产生机理。 上述的研究工作和成果提出了钢轨波磨的形成机理，为抑制钢轨波磨现象提供了理论依据和方法。 |
| 作者： | 王鹏 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 刘晓刚 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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