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原文传递铁路轮轨和弓网系统摩擦自激振动瞬态动力学研究

论文题名：	铁路轮轨和弓网系统摩擦自激振动瞬态动力学研究
关键词：	铁路轮轨;弓网系统;摩擦自激振动;瞬态动力学
摘要：	弓网接触副与轮轨接触副是铁路系统中两个最为重要的摩擦接触副，其动力学性能直接影响到列车的正常运行以及行车安全，是铁路系统中的重点研究对象。然而，以往针对弓网系统和轮轨系统动力学特性的研究主要集中在各类由线路不平顺以及车体自身振动引起的受激振动上。弓网接触与轮轨接触作为摩擦接触副，其摩擦振动特性不可忽略。轮轨系统的波磨问题已经研究一百多年但迄今还无法解决，低速列车的弓网电弧现象也无法解释。诸如此类铁路疑难问题，需要革新的研究思维。铁路轮轨和弓网系统的摩擦自激振动问题过去研究得很少，铁路动力学工作者也很陌生，但其有可能成为解决钢轨波磨等疑难问题的一个突破口。因此，研究弓网和轮轨摩擦接触副的摩擦自激振动特性具有很强的学术创新性以及工程应用背景。本文从摩擦学的角度出发，详细研究了弓网系统与轮轨系统摩擦自激振动的发生以及发展规律，主要开展了以下几个方面的工作: 　　(1)使用金属往复滑动试验系统对摩擦自激振动的有限元瞬时动态分析结果进行了试验验证。首先，采用ABAQUS有限元复特征值分析方法预测了金属往复滑动系统的摩擦自激振动频率。其次，使用ABAQUS有限元分析软件对金属往复滑动系统的摩擦自激振动进行了瞬时动态分析。将有限元复特征值分析结果和瞬时动态分析结果分别与试验实测结果进行比较。比较结果显示复特征值分析结果与试验结果在频域上能很好的吻合。摩擦自激振动的瞬时动态分析结果在时域上也能与试验结果吻合。这说明瞬时动态分析能准确地预测摩擦系统在时域上的摩擦自激振动响应。并且，复特征值分析结果与瞬时动态分析结果均显示当摩擦自激振动发生时，金属往复滑动系统的法向振动与切向振动具有相同的振动频率。这种现象说明法向振动与切向振动的耦合可能是引起摩擦自激振动的主要原因。金属往复滑动系统的参数稳定性分析结果显示:法向接触力、往复滑动幅值以及往复滑动频率对摩擦自激振动有明显影响。摩擦自激振动发生时，法向接触力的剧烈变化可能是引起接触表面点状坑蚀以及粗糙度增加的主要原因。恰当的加载方式能抑制摩擦自激振动的发生。　　(2)从摩擦自激振动的角度研究了摩擦对弓网系统运动稳定性的影响。建立了弓网系统的摩擦耦合模型，并分别使用复特征值分析方法和瞬时动态分析法对此模型进行了分析。复特征值分析结果显示当受电弓与接触线之间的摩擦系数大于0.1时，弓网系统可能发生不稳定的摩擦自激振动。瞬时动态分析结果显示摩擦自激振动对受电弓与接触线之间的法向接触力有非常明显的影响。当摩擦自激振动的振幅达到一定程度以后，可能引起受电弓与接触网之间的离线现象。对弓网系统的有限元摩擦耦合模型进行了参数稳定性分析。分析结果显示受电弓与接触线之间的摩擦系数、升弓力、弓头悬挂弹簧刚度、接触线张力以及受电弓的空间位置对弓网系统的摩擦自激振动都有明显影响。将受电弓与接触线之间的摩擦系数控制在一个较小的数值内以及选取恰当的升弓力能抑制摩擦自激振动的产生。　　(3)研究了当车轮通过小半径曲线轨道以及直线轨道时，摩擦自激振动对钢轨波磨的影响。使用有限元瞬时动态分析方法以及复特征值分析方法分别建立了车轮通过小半径曲线轨道模型以及直线轨道模型，并进行了运动稳定性分析。在分析过程中，假设车轮与钢轨间的蠕滑力达到饱和状态，即蠕滑力等于轮轨间的法向接触力乘以摩擦系数。分析结果显示，饱和蠕滑力能使轮轨系统发生摩擦自激振动，进而引发轮轨间法向接触力的同频率波动。通过对比北京地铁的实测波磨数据，发现在相同条件下摩擦自激振动频率非常接近钢轨波磨的频率。这个现象说明由饱和蠕滑力引起的轮轨系统摩擦自激振动可能是钢轨波磨产生的主要原因之一。研究了钢轨扣件阻尼以及刚度对轮轨系统摩擦自激振动的影响，分析结果显示钢轨扣件的阻尼对轮轨间法向接触力的波动幅度有显著影响。恰当提高钢轨扣件的阻尼值能在一定程度上抑制由摩擦自激振动引起的钢轨波磨。钢轨扣件的刚度对轮轨间法向接触力的波动幅度影响较小。
作者：	钱韦吉
专业：	机械设计及理论
导师：	陈光雄
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文