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原文传递轮轨周期性磨耗及其引起的车轨耦合系统动力学特性研究

论文题名：	轮轨周期性磨耗及其引起的车轨耦合系统动力学特性研究
关键词：	车辆-轨道耦合动力学;轮轨周期性磨耗;磨耗机理;动力学响应;疲劳寿命
摘要：	随着我国“八纵八横”铁路规划的进一步实施，高速铁路在显著改善人们出行的同时，也迎来更多机遇和挑战。随着动车组运营里程的增加，轮轨周期性磨耗问题逐渐突显并严重影响列车的正常运行和维护周期，亟待解决。为此，本文通过实测和理论两方面分析其影响因素、形成及生长机理。并基于车辆-轨道耦合系统动力学模型，研究其对车轨系统动力响应的影响，通过分析影响规律，总结其发生机理，进而提出抑制措施。具体开展的研究工作以及取得的创新性成果如下：　　（1）轮轨周期性磨耗主要指车轮谐波磨耗和钢轨波磨。通过测试3种车型镟修前后的车轮谐波磨耗，统计车轮谐波磨耗的振动频率与轮径、速度和轴距的关系，基于构架的模态振型和频率分析了构架与车轮谐波磨耗激励频率间的关系。结果表明：轮轨激振频率与轴距和轨道类型有关。当车轮产生初始缺陷后，每次与轨道冲击均会在缺陷位置处产生磨耗，并且磨耗沿踏面圆周呈波浪形延伸，当波浪形磨耗头尾相连后，便形成了初始车轮谐波磨耗。初始车轮谐波磨耗又进一步加剧了轮轨振动，使车轮谐波磨耗逐渐从低阶向高阶发展，当幅值和阶次达到一定程度时，轮轨间将发生冲击振动，车轮谐波磨耗的生长更快。在进出站或大坡度区段时，车辆频繁加减速，破坏了轮轨之间稳定的黏滑关系，使轮轨接触斑处滑动区明显增大，从而形成钢轨波磨；小半径曲线区段时，在轮对一阶弯曲、垂向和横向载荷等因素的作用下，会引起轮轨接触区车轮相对钢轨横向滑动，导致钢轨波磨的形成。　　（2）进一步通过理论分析轮轨周期性磨耗的发生机理。通过建立考虑干摩擦因素的轮对黏滑振动非线性动力学模型，推导系统运动中黏着、滑动和碰撞运动的衔接关系，研究轮对黏滑振动的机理和运动行为，从而揭示轮轨周期性磨耗的发生机理。结果表明：低频区系统表现出大幅振荡和微幅振荡间往复切换变化，为一类典型的周期性颤振运动，颤振运动使轮轨接触斑内黏滑区发生剧烈变化，引起轮轨接触区车轮相对钢轨横向滑动，从而使横向蠕滑力呈周期性变化，最终诱发轮轨周期性磨耗的发生。　　（3）基于Kalker简化理论，推导得到了轮轨滚动弹性接触的蠕滑力，并通过建立轮对沿直线轨道的运动方程，经坐标变换，推导得到了轮轨滚动弹性接触的蠕滑率。基于车辆-轨道耦合系统动力学模型分析了轮轨周期性磨耗对车轨系统动力响应的影响。结果表明：车轮谐波磨耗下，轮轨垂向力随幅值的增大而增大，速度和阶次并非呈现单一的增长趋势。转向架构架和轴箱的振动峰值与车轮谐波磨耗的激励频率接近，且振动幅度随车轮谐波磨耗幅值的增大而增大。高阶下的车轮谐波磨耗激励频率容易激发车轮的固有弯曲模态，加剧轮轨振动，进而影响轮轨之间的接触关系，使蠕滑率/力显著增大。扣件刚度对蠕滑特性的影响与速度呈现相关性；轮轨周期性磨耗下，轮轨动态相互作用力表现出随速度增大而增大的特征，且轮轨垂向力最大值均出现在轮轨周期性磨耗工况一的钢轨波磨段，高速时，由于轮轨周期性磨耗的作用导致车轮出现了跳轨现象。钢轨波磨对轮轨横向力的影响较小。轮轨周期性磨耗对纵向蠕滑力受速度的影响比较显著，钢轨波磨对横向蠕滑力的影响不起主导作用。残余波磨无论对轮轨动态相互作用力还是轮轨间蠕滑特性的影响均很小。　　（4）根据EN13103-1:2017标准，分别计算了非动力车轴和动力车轴在不考虑未平衡横向加速度和考虑未平衡横向加速度2种线路工况下的疲劳强度。结果表明：动力车轴各主要检测部位的最小安全系数比非动力车轴的最小安全系数低。故以动力车轴为研究对象，通过有限元分析得到车轴的vonMises应力，运用准静态法计算考虑车轮谐波磨耗下的车轴载荷时间历程，采用Brown-Miller法计算考虑车轮谐波磨耗下的车轴疲劳寿命。结果表明：考虑车轮谐波磨耗下的车轴疲劳寿命为19.2a，发生在轮座内侧圆弧过渡部位。车轮谐波磨耗导致轮轨振动加剧，对车轴疲劳寿命产生明显不利的影响。
作者：	吴丹
专业：	车辆工程
导师：	丁旺才
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022