地鐵鋼軌波磨成因及其對車輛-軌道行為的影響研究.pdf

1、鋼軌波磨問題是輪軌關(guān)系領(lǐng)域研究的難題之一。隨著我國地鐵交通的快速發(fā)展，地鐵線路鋼軌波磨現(xiàn)象較為普遍。鋼軌波磨不僅加劇輪軌間相互作用，導(dǎo)致車輛軌道系統(tǒng)振動(dòng)噪聲過大，影響乘坐舒適性，而且縮短車輛軌道零部件疲勞壽命，產(chǎn)生安全隱患。目前關(guān)于鋼軌波磨成因的解釋較多，沒有統(tǒng)一定論。因而，開展地鐵鋼軌波磨成因及其影響研究，為波磨機(jī)理的深入系統(tǒng)研究提供參考，為線路維護(hù)保養(yǎng)提供工程指導(dǎo)，對增加結(jié)構(gòu)部件使用壽命和可靠性，保證列車運(yùn)營安全和乘車舒適性，具有重

2、要意義。
　　基于現(xiàn)場試驗(yàn)測試和數(shù)值仿真分析，本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的研究工作:
　　(1)總結(jié)和論述了國內(nèi)外鋼軌波磨的研究現(xiàn)狀，明確了地鐵鋼軌波磨成因及其影響研究的重要性。
　　(2)全面調(diào)查了我國地鐵線路鋼軌波磨的現(xiàn)狀。根據(jù)波磨特征、軌道結(jié)構(gòu)形式和線路運(yùn)營條件，對其進(jìn)行了總結(jié)分類，可分為以下5類:(a)“減振扣件型”短波長波磨，即減振型扣件軌道出現(xiàn)的30-63 mm短波長波磨，導(dǎo)致的波磨通過頻率為200-84

3、0 Hz。(b)“P2共振型”中波長波磨，即在普通扣件（非減振）軌道小半徑曲線段出現(xiàn)的100-250mm波長波磨現(xiàn)象，這類波磨通過頻率(50-140 Hz)與輪對-軌道系統(tǒng)的P2共振頻率(30-120 Hz)相似。(c)“彈性短軌枕型”波磨，波長表現(xiàn)為50-160mm，發(fā)生在小半徑曲線段，對應(yīng)波磨通過頻率范圍為130-280 Hz，其與彈性短軌枕軌道的固有特性相關(guān)。(d)“梯形軌枕型”波磨，波長(80-200m m)與P2共振型波磨類似

4、，發(fā)生在曲線段，波磨通過頻率特征為80-200 Hz。(e)基于軌枕間距相關(guān)的短波長波磨，該軌道采用了普通扣件，且軌枕間距為0.625m，直線和曲線段出現(xiàn)的30-40 mm短波長波磨現(xiàn)象，長軌枕段較為嚴(yán)重。
　　(3)建立了地鐵列車-軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析模型。列車模型中考慮了6節(jié)編組;每節(jié)車輛簡化為由一個(gè)車體、兩個(gè)構(gòu)架、四個(gè)輪對及八個(gè)軸箱定位裝置組成的多剛體系統(tǒng);考慮了相鄰車輛間的相互動(dòng)態(tài)作用。軌道建模中，鋼軌簡化為離散彈性

5、支承的Timoshenko梁，軌道板則用三維實(shí)體有限元單元進(jìn)行離散。車輛與軌道間通過非線性的輪軌關(guān)系耦合。該數(shù)值模型的得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，并利用該模型模擬分析了鋼軌波磨狀態(tài)下列車軌道動(dòng)態(tài)行為。
　　(4)利用已有的鋼軌波磨頻域線性分析理論，建立了地鐵鋼軌波磨頻域分析數(shù)值模型。該模型能考慮輪對-軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)行為和鋼軌磨損相互作用，能夠反映軌道特性、輪對特性和輪軌接觸特性。地鐵多種軌道的導(dǎo)納特性通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲得。采用Hertz接觸理論求解

6、輪軌法向力和接觸斑大小波動(dòng)引起的輪軌接觸點(diǎn)相對位置的變化;通過Vermeulen-Johnson理論對輪軌切向力進(jìn)行了求解;利用摩擦功假設(shè)分析了鋼軌縱向磨損特征。
　　(5)利用鋼軌波磨線性分析模型對我國地鐵線路不同軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌波磨成因進(jìn)行仿真分析。調(diào)查了車輛運(yùn)營速度對鋼軌波磨形成的影響，分析了軌道結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納特性與鋼軌波磨特征的相關(guān)性，解釋了我國地鐵不同軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同特征波磨的原因。軌道出現(xiàn)低位移導(dǎo)納值對鋼軌波磨形成和發(fā)展的影

7、響明顯。
　　(6)開展了鋼軌波磨狀態(tài)下地鐵車輛和軌道系統(tǒng)振動(dòng)噪聲試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:波磨對車輛和軌道系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲影響明顯;短波長波磨是引起車輛和軌道零部件振動(dòng)及噪聲異常的主要原因，鋼軌打磨可消除或減緩其存在和發(fā)展。車輪不圓順（或車輪波磨）對軸箱和構(gòu)架振動(dòng)加速度影響明顯，其對車輛內(nèi)部和外部噪聲影響不明顯。車輛一系懸掛對車輪不圓激勵(lì)的振動(dòng)減振效果較差。
　　(7)建立了車輛一系鋼彈簧及扣件彈條的三維實(shí)體有限元模型，結(jié)合地鐵車

8、輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析了一系簧和彈條斷裂失效與鋼軌波磨之間關(guān)系，提出了減緩措施。結(jié)果如下:(a)波磨對車輛一系鋼彈簧和扣件彈條疲勞壽命影響明顯，其壽命隨著波磨幅值的增大及波長的減小而迅速減小。(b)當(dāng)波磨通過頻率與彈條和一系鋼彈簧的固有頻率相近時(shí)，會引發(fā)彈條和一系鋼彈簧出現(xiàn)過早失效現(xiàn)象。從一系簧和扣件彈條疲勞破壞方面考慮，30-40 mm短波長波磨幅值應(yīng)控制在0.08 mm以下。(c)增大扣件鐵墊板端部圓角半徑到8mm、保證鐵墊板圓

9、角處光滑狀態(tài)、將彈條后端圓弧與鐵墊板端部距離控制在8-10 mm范圍可增加彈條使用壽命。
　　(8)地鐵鋼軌波磨的打磨控制應(yīng)考慮不同運(yùn)營速度條件下波長/波深范圍的限值。基于列車行車安全性準(zhǔn)則和軌道疲勞破壞準(zhǔn)則，在小于120 km/h運(yùn)營速度條件下波長分別為30-80、80-120、120-200mm的波磨對應(yīng)幅值（波峰-波谷）應(yīng)該分別控制在0.03、0.1和0.25 mm以下?；谲囕啿牧系钠谑Э紤]，在小于80 km/h速度的