关键词：
车轮多边形磨耗
车轮非圆磨耗
摩擦自激振动
不稳定振动
饱和蠕滑力
轮对质量偏心
摘要：
随着我国高速铁路的快速发展,一些涉及到高速列车安全运行的重大技术问题日渐凸显。其中,车轮多边形磨耗是其最为突出的技术问题之一。车轮多边形磨耗指列车车轮沿踏面圆周方向的波状磨损,会改变轮轨之间接触几何关系,产生一个固定的轮轨接触不平顺,严重影响车辆动力学性能。本文基于车轮多边形磨耗规律以及摩擦自激振动理论的观点,建立了轮对-轨道系统摩擦自激振动模型,通过复特征值分析方法和瞬时动态分析方法,开展了以下几方面的研究工作:(1)基于轮轨系统摩擦自激振动导致车轮多边形磨耗的观点,根据实际线路运行参数建立高速列车轮轨系统有限元分析模型,对高速列车轮轨系统的运动稳定性展开研究。结果表明,当轮轨间蠕滑力趋于饱和时,轮轨系统可能发生频率为f=495.01 Hz的摩擦自激振动,此时从振动模态可以看出,车轮踏面出现了不稳定振动。同时采用瞬时动态分析方法,提取了轮轨系统发生摩擦自激振动时的轮轨法向接触力和测点垂向加速度,得到了数值相近的不稳定振动频率,初步验证了该有限元理论模型的合理性。通过钢轨扣件垂向刚度和垂向阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响研究发现,钢轨扣件垂向刚度对轮轨系统摩擦自激振动的影响较小,但在一定范围内增加扣件垂向阻尼可以减缓轮轨系统摩擦自激振动发生趋势,即达到抑制车轮多边形磨耗的目的。研究也表明,随着摩擦系数的增大,轮轨系统发生摩擦自激振动的趋势也就越大,改变一系悬挂力和轮轴过盈量都不能有效地抑制车轮多边形磨耗的产生。(2)基于车辆轮对普遍存在的质量偏心现象,建立了车辆-轨道动力学模型,对车辆运行安全性和稳定性展开研究。研究结果表明,动不平衡量U在一定范围内,对车辆的脱轨系数与轮重减载率的影响较小,但临界速度会随着动不平衡量的增大而降低,严重制约了车辆运行速度的提高。随着轮对质量偏心相位差的增大,车辆的临界速度出现明显的降低,且轮对的横向摇动剧烈,最终会导致车轮和钢轨的非正常磨损。然后,建立了轮轨系统有限元模型,采用隐式瞬时动态分析方法对轮轨系统不同运行状态下的动态响应展开研究。研究结果表明,当质量偏心轮对在钢轨上滚动时,由于偏心质量的作用使得轮对与钢轨之间发生冲击,轮轨垂向接触力峰值变化幅度大于横向接触力峰值变化幅度。随着速度增加,偏心轮对将增大轮轨系统的垂向振动能量,使得中高频区域的振动能量显著增大,当列车速度v=300 km/h时,对应的振动频率f=534.82 Hz变得非常突出,这与高阶车轮多边形磨耗的通过频率相近。同时,随着动不平衡量U的增大,轮轨系统整体振动能量呈现增大趋势,但对不稳定振动主频影响不大。随着轮对质量偏心相位差的逐渐增大,中高频区域存在的不稳定振动主频增多,容易引起高阶车轮多边形磨耗。当轮轨系统发生摩擦自激振动时,不同动不平衡量对应的轮轨不稳定振动特性几乎一致,即动不平衡量的大小对轮轨系统摩擦自激振动的影响较小。同时从车轮多边形磨耗激励频率来看,基本上呈现出随着运行速度的提高,频率也逐渐增大的趋势。最后,轮对质量偏心相位差的增大导致绕车轴中心点垂线的旋转力矩增大,当轮轨系统发生摩擦自激振动时,轮轨系统在中高频段不稳定振动明显,容易使轮对出现高阶车轮多边形磨耗。(3)针对CRH3型动车组车轮多边形磨耗的特点,分别建立了动车轮对和拖车轮对的轮对-轨道系统摩擦自激振动模型,计算分析了这两种不同轮对结构对车轮多边形磨耗的影响。研究结果表明,当轮轨间蠕滑力达到饱和时,动车轮对的不稳定振动容易导致车轮产生16-17阶多边形磨耗,拖车轮对的不稳定振动容易导致车轮产生17-18阶多边形磨耗,与现场测量数据基本吻合。当齿轮箱靠近车轴中心时,可以有效抑制动车车轮的多边形磨耗发生趋势。同时,在盘形制动系统和轮轨系统摩擦耦合的作用下,车轮不稳定振动趋势变化较大,应当避免在列车高速区段使用盘形制动。通过改变闸片的制动压力发现,合理的制动力大小可以有效的降低轮轨系统不稳定振动趋势。最后,适当增大闸片材料杨氏模量可以降低车轮多边形磨耗的发展趋势,改变闸片材料泊松比对车轮多边形磨耗的发展趋势影响较小。(4)基于兰新客运专线车轮多边形磨耗的特点,建立了轮对-轨道系统摩擦自激振动模型,采用复特征值方法对车轮多边形磨耗现象展开研究。结果表明,轮轨间饱和蠕滑力引起的摩擦自激振动容易使车轮产生15-16阶多边形磨耗,是导致车轮多边形主要阶次增长的重要原因。同时,随着镟修次数的增加,车轮多边形磨耗的阶数变化不大,但其磨耗速度会逐渐加快。在盘形制动系统和轮轨系统摩擦耦合的作用下,动力轮对和非动力轮对出现的不稳定振动频率分别容易引起23-24阶和22-23阶车轮多边形磨耗。最后,轮轨间摩擦系数变大是导致冬春季车轮多边形粗糙度水平高于夏季且冬春季车轮多边形发展速度比夏季快的重要原因。
