小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨成因研究.pdf
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1、第42卷第4期2023年4月Vol.42 No.4Apr.2023重庆交通大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)DOI;10.3969/j.issn.1674-0696.2023.04.05小半径曲线科隆蛋扣件区段 钢轨波磨成因研究 漆伟1,刘美1,程植彳,李童2,崔晓璐1,2(1.重庆市轨道交通(集团)有限公司,重庆401120;2.重庆交通大学机电与车辆工程学院,重庆400074)摘要:结合现场测试发现的小半径曲线科隆蛋扣件区段内轨的钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动理论研究了该 波磨现象的成
2、因。首先,结合现场调研建立了车辆-轨道系统的动力学模型,根据动力学模型建立了相应的转向架-轮对-钢轨系统有限元模型。然后采用复特征值分析研究了轮轨系统的摩擦自激振动特性。最后采用控制变量法 研究了一系悬挂垂向冈慷阻尼和科隆蛋扣件刚度阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。研究结果表明:导向 轮对与钢轨间的饱和蠕滑力引起的轮轨系统的摩擦自激振动是诱导小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨的主要成 因。转向架-轮对-钢轨系统中一系悬挂的垂向刚度和阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响较小,而科隆蛋扣件参 数对轮轨系统摩擦自激振动的影响较为明显。随扣件垂向刚度的增加,轮轨系统的摩擦自激振动呈现先减小后增 大的趋势
3、。扣件垂向刚度为20 MN/m时轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小,同时增大扣件的垂向阻尼可 以一定程度抑制轮轨系统的摩擦自激振动。关 键 词:铁道工程;摩擦自激振动;科隆蛋扣件;钢轨波磨;动力学分析;复特征值分析中图分类号:U211 文献标志码:A 文章编号:1674-0696(2023)04-032-08Cause of Rail Corrugation in the Small Radius Curve Cologne Egg Fastener SectionQI Wei1,LIU Mei1,CHENG Zhi2,LI Tong2,CUI Xia ol u1,2(1.Chongqing
4、 Ra il Tr a nsit(Gr ou p)Co.,Lt d.,Chongqing 401120,China;2,Sc hool of Mec ha t r onic s&Vehic l e Engineer ings Chongqing Jia ot ong Univer sit y,Chongqing 400074,China)Ab st r a c t:Comb ined wit h t he r a il c or r u ga t ion of t he inner r a il in t he sma l l r a d iu s c u r ve Col ogne egg
5、fa st ener sec t ion fou nd in t he fiel d t est,t he c a u se of t he r a il c or r u ga t ion wa s st u d ied b a sed on t he t heor y of wheel-r a il fr ic t ion sel fex c it ed vib r a t ion.Fir st o a l l,a d y na mic mod el of t he vehic l e-t r a c k sy st em wa s est a b l ished a c c or d i
6、ng t o t he fil ed invest iga t ion,a nd t he c or r espond ing finit e el ement mod el of t he b ogie-wheel set-r a il sy st em wa s est a b l ished b a sed on t he d y na mic mod el.Then,t he fr ic t iona l sel f-ex c it ed vib r a t ion c ha r a c t er ist ic s of t he wheel-r a il sy st em wa s
7、st u d ied b y c ompl ex eigenva l u e a na l y sis.Fina l l y,t he c ont r ol va r ia b l e met hod wa s a d opt ed t o invest iga t e t he infl u enc e of pr ima r y su spension ver t ic a l st iffness d a mping a nd Col ogne egg fa st ener st iffness d a mping on t he fr ic t iona l sel f-ex c it
8、 ed vib r a t ion o t he wheel-r a il sy st em The r esea r c h r esu l t s show t ha t t he fr ic t iona l sel f-ex c it ed vib r a t ion o t he wheelr a il sy st em c a u sed b y t he sa t u r a t ed c r eep for c e b et ween t he gu id e wheel set a nd t he r a il is t he ma in c a u se of r a il
9、 c or r u ga t ion in t he sma l l r a d iu s c u r ve Col ogne egg fa st ener sec t ion.The ver t ic a l st iffness a nd d a mping of t he pr ima r y su spension in t he b ogie-wheel set-r a il sy st em ha ve l it t l e infl u enc e on t he fr ic t iona l sel f-ex c it ed vib r a t ion of t he whee
10、l-收稿日期:2021-07-13;修订日期:2021-12-13基金项目:国家自然科学基金项目(52275176,51805057);中国博士后科学基金项目(2019M663889XB);重庆市基础研究与前沿探索项目(CSTB2022NSCQ-MSX1542);重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-K202100703)第一作者:漆 伟(1973),男,重庆人,正高级工程师,主要从事跨座式单轨车辆动力学、弓网/轮轨摩擦方面的工作。E-ma il:18323935637 163.c om通信作者:崔晓璐(1990),女,山东济南人,教授,博士,主要从事轮轨摩擦学方面的研究。E-ma il:c
11、u i_x ia ol u fox ma il,c om第4期漆 伟,等:小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨成因研究33r a il sy st em,whil e t he Col ogne egg fa st ener pa r a met er s ha ve ob viou s infl u enc e on t he fr ic t iona l sel f-ex c it ed vib r a t ion of t he wheel-r a il sy st em.As t he ver t ic a l st iffness of t he fa st ener inc r ea
12、ses?t he fr ic t iona l sel f-ex c it ed vib r a t ion of t he wheel-r a il sy st em shows a t r end of fir st d ec r ea sing a nd t hen inc r ea sing.The wheel-r a il sy st em ha s t he l ea st possib il it y of gener a t ing fr ic t iona l sel f-ex c it ed vib r a t ion when t he ver t ic a l st i
13、ffness of t he fa st ener is 20 MN/m.At t he sa me t ime,inc r ea sing t he ver t ic a l st iffness of t he fa st ener c a n su ppr ess t he fr ic t iona l sel f-ex c it ed vib r a t ion o t he wheel-r a il sy st em t o some ex t ent.Key wor d s:r a il wa y engineer ing;fr ic t iona l sel f-ex c it
14、ed vib r a t ion?Col ogne egg fa st ener;r a il c or r u ga t ion;d y na mic a na l y sis;c ompl ex eigenva l u e a na l y sis0引言随着城市轨道车辆运营网络的完善,城市居民 的出行压力得到减缓。但另一方面,这种交通方式 带来的振动噪声给人们的生活带来了极大困扰。减振轨道结构作为一种有效降低地铁振动噪声的轨 道支撑结构形式,广泛应用于各种地铁线路。目前 常用的减振轨道结构包括梯形轨枕轨道、先锋扣件 和科隆蛋扣件轨道结构等。然而,大量减振轨道 结构的广泛使用反而导致轨道线路
15、上出现了较为严 重的钢轨波磨病害,从而加剧了车辆-轨道系统的异 常振动,并且打磨过后钢轨波磨仍在23个月内还 会再次出现。因此亟需探究钢轨波磨的成因才能从 根本上解决该病害问题。目前,对于钢轨波磨成因 的研究主要基于波长固定机理,该机理从动力学成 因的角度研究钢轨波磨的振动诱导机制,包括了自 激振动理论和反馈振动理论25。自激振动理论表 明,轮轨系统的固有特性会在一定条件下使系统出 现自激振动,从而引发钢轨波磨的产生血刃。反馈 振动理论表明,轮轨系统中钢轨钢面初始不平顺会 导致轮轨振动,使轨面不平顺程度加深,即出现“磨 损-振动-更深的磨损-更强的振动”的循环,从而促进 钢轨波磨的形成910。
16、针对减振轨道结构处的钢轨 波磨问题,研究者们基于以上理论对其成因开展了 一系列的研究工作。LEI Zheny u等】构建了波磨 叠加模型,研究了科隆蛋扣件轨道的钢轨波磨频率 特征及其对轮轨系统的影响;LI Wei等采用试验 研究和理论分析研究了套靴短轨枕、科隆蛋扣件、梯 形短轨枕区段钢轨波磨与轨道结构共振响应的关联 性;吴波文等通过对支撑结构进行参数相关性分 析,研究了地铁线路上先锋扣件支撑路段中影响钢 轨波磨生长的关键因素;XIAO Hong等基于轨道 振动理论研究了弹性短轨枕、梯形短轨枕和吸振轨 道结构的频响特性,研究了轨道结构固有特性和钢 轨波磨的关联性;LIU Weifeng等通过对北
17、京地 铁科隆蛋扣件支撑路段的调研与分析,探究了相关 路段上钢轨波磨的产生机理,并提出了 3种抑制钢 轨波磨产生的实施手段,即轨腰处安装吸振器、扣件 底部加装橡胶垫或采用压缩扣件。根据前期的研究 发现,减振轨道结构区间出现了明显的钢轨波磨问 题,特别是在科隆蛋扣件区间。在其安装的直线区 段或曲线区段均出现了较为严重的钢轨波磨问 题11,16,其中小半径曲线轨道的内轨处尤为严重,如图1。图1为重庆地铁科隆蛋扣件小半径区段的 钢轨波磨病害,根据现场调研发现,该区段钢轨波磨 的波长约为30-50 mm,并且经过打磨处理后,钢轨 波磨仍会出现,因此,亟需对该区段的波磨病害展开 研究,为后续钢轨波磨的治理
18、提供理论支撑和技术 参考。图1小半径曲线科隆蛋扣件区段的钢轨波磨现象Fig.1 Rail corrugation in the small radius curveCologne egg fastener section为研究科隆蛋扣件支撑小半径曲线段的波磨病 害,基于轮轨摩擦自激振动引发钢轨波磨的理论,结 合现场调研结果,建立了对应小半径曲线区段上车 辆-轨道耦合系统的动力学模型,分析了车辆驶过对 应区段时的受力和接触情况。参考车辆行驶至小半 径曲线区段中的受力和接触情况,构建了该状态下 转向架-轮对-钢轨系统的有限元模型,并通过复特 34重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷征值法探究了该
19、系统中轮轨间的摩擦自激振动特 性,揭示了科隆蛋扣件支撑小半径曲线区段的波磨 病害成因。结合参数化分析研究了悬挂结构和轨道 结构参数对钢轨波磨的影响规律,为地铁线路减振 轨道结构钢轨波磨的抑制提供参考。1模型与方法1.1车辆轨道系统的动力学模型根据现场调研,建立了小半径曲线科隆蛋扣件 区段的车辆-轨道系统的动力学模型,如图2。图2小半径曲线科隆蛋扣件区段的车辆-轨道系统动力学模型Fig.2 The vehicle-track system dynamic model in the small radius curve Cologne egg fastener section车辆为山地As型地铁,
20、动力学参数参考文献 17,线路条件如下:直线为100 m,缓和曲线为120 m,圆曲线为300 m,曲线半径为300 m,轨道超高设 为0.12 mo列车通过该曲线区间的速度设为60 km/h。车辆-轨道系统动力学模型采用Ka l ker的 FASTSIM理论作为蠕滑力的计算理论。通过车辆轨道耦合系统进行动力学分析,可以 得到该系统中车辆各部件的动力学特性,进而为转 向架轮对钢轨系统的有限元模型提供参考。1.2转向架轮对钢轨系统有限元模型为进一步考虑轮轨间的摩擦耦合振动特性,需 细化轮轨系统的有限元模型中的接触部分,且由于 轨道车辆驶过小半径曲线轨道时轮轨间的作用力在 横向上存在较为明显的波动
21、,因此需考虑转向架-轮 对钢轨系统的横向自由度。笔者在有限元模型的 构建中考虑了转向架构架、一系悬挂、轮对和轨道结 构的综合作用。首先,结合小半径曲线科隆蛋扣 件区段的转向架-轮对-钢轨系统接触模型(图3),可 确定该系统对应有限元模型中的受力情况与轮轨接 触情况。在小半径曲线段,转向架构架上受到非对 称的簧上载荷,主要包括垂向力Fh、心,l和横向 力Fx,h、Fx,l。一系悬挂作为转向架和轮对间的连 接装置,其悬挂垂向刚度和阻尼分别为Ks、Cs 横向刚度和阻尼分别为Ks,x、Cs,x。轮轨接触中外 轮轮缘和高轨轨头为外侧轮轨接触位置,接触角为 H,内轮踏面和低轨轨头为内侧轮轨接触位置,接 触
22、角为L。轮轨间的法向接触力分别为Nh、Nl,蠕 滑力分别为FHaFLo科隆蛋扣件作为钢轨支撑结 构,其垂向刚度与阻尼分别为Kr、Cr横向刚度 和阻尼分别为Kr,x、Cr,x。/图3小半径曲线科隆蛋扣件区段的转向架-轮对-钢轨系统接触模型Fig.3 Bogie-wheel-rail system contact model in the small radius curve Cologne egg fastener section根据接触模型的受力和接触情况,建立对应的 转向架-轮对-钢轨系统有限元模型,如图4O图4小半径曲线科隆蛋扣件区段的转向架-轮对-钢轨系统有限元模型Fig.4 Bogie
23、-wheel-rail system finite element model in the small radius curve Cologne egg fiastener section该模型主要包括转向架构架、一系悬挂、轮对、钢轨和科隆蛋扣件。转向架构架采用解析刚体单元 模拟,轮对和钢轨均采用实体单元构建。轮对和钢 轨的弹性模量与泊松比分别设为2.1X105 MP a和 0.37,。采用并联的弹簧阻尼模拟了车体与转向 架间的二系悬挂和转向架与轮对间的一系悬挂。轴 距设为2 300 mm,车轮直径为840 mm,踏面为LM 型。轮轨间的接触位置参考接触模型,具体的接触 位置可通过车辆轨道系
24、统的动力学接触结果确定。第4期漆 伟,等:小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨成因研究35车轮与钢轨的接触采用面与面的接触,切向作用用 罚函数模拟,摩擦系数为0.4,垂向特性采用硬接 触,并设置了接触几何特性。内轮踏面和低轨轨头 为内侧轮轨的接触位置,外轮轮缘和高轨轨头为外 侧轮轨的接触位置。钢轨为60 kg/m型,两端采用 六自由度全约束”。该区段轨道由科隆蛋扣件支 撑,扣件间距为0.625 mo由于科隆蛋扣件结构为 一种无轨枕的轨道支撑结构,笔者采用了点对点的 并联弹簧阻尼模拟科隆蛋扣件。转向架-轮对-钢轨 系统的悬挂结构和支撑结构参数如表116 18 o1.3轮轨系统的摩擦自激振动分析方法表
25、1转向架-轮对-钢轨系统的悬挂结构和支撑结构参数见18 Table 1 Suspension structure and supporting structure parameters of the bogie-wheel-rail system 18结构参数数值一系悬挂垂向刚度瓦/(MN/m)1.00一系悬挂垂向阻尼CS F/(kN s/m)10.00一系悬挂横向刚度Ks*/(MN/m)6.50扣件垂向刚度Kr/(MN/m)12.00扣件垂向阻尼Cr,(kNs/m)1.40扣件横向刚度Kr,x/(MN/m)7.50扣件横向阻尼Cr,x/(kN-s/m)0.97轮轨摩擦自激振动理论认为,当轮对
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