摘要：本文基于輪軌摩擦自激振動(dòng)的觀點(diǎn)研究了高速鐵路制動(dòng)區(qū)間的典型鋼軌波磨現(xiàn)象，首先通過(guò)武廣高速鐵路制動(dòng)區(qū)段的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，掌握該區(qū)段的波磨特征并采集相應(yīng)的軌道不平順，然后基于輪軌摩擦自激振動(dòng)誘導(dǎo)鋼軌波磨的觀點(diǎn)分別建立制動(dòng)區(qū)段高速列車的動(dòng)拖車輪對(duì)軌道制動(dòng)系統(tǒng)的有限元模型，并利用復(fù)特征值法進(jìn)行動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)分析，比較動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)在制動(dòng)和非制動(dòng)工況下系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的可能性，以及在制動(dòng)工況下動(dòng)車輪軌和拖車輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)情況。最后，使用控制變量法研究了制動(dòng)系統(tǒng)摩擦系數(shù)和扣件垂向剛度對(duì)動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的影響規(guī)律。對(duì)比制動(dòng)非制動(dòng)工況發(fā)現(xiàn)制動(dòng)工況更容易引起系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng);對(duì)比動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)拖車輪軌系統(tǒng)更容易引起系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)。通過(guò)參數(shù)化分析可得出：控制制動(dòng)裝置摩擦系數(shù)約為0.3，扣件垂向剛度約為50MN·m時(shí)能一定程度降低輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的可能性，進(jìn)而抑制鋼軌波磨的產(chǎn)生。

　　關(guān)鍵詞：摩擦自激振動(dòng)高速列車制動(dòng)鋼軌波磨復(fù)特征值分析

　　鐵路因其運(yùn)輸量大，便捷，安全等特點(diǎn)，一直被作為一種重要的交通運(yùn)輸方式。隨著鐵路使用時(shí)間的增加，出現(xiàn)了各種輪軌損傷問(wèn)題，其中鋼軌波磨是鐵路中普遍存在的軌道損傷問(wèn)題之一。鋼軌波磨是鋼軌表面出現(xiàn)的一種波浪狀周期性磨損，是一種常見的鋼軌磨損形式，不僅會(huì)加劇車輛與軌道之間的振動(dòng)，還降低了車輛和軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的使用壽命，使列車運(yùn)行存在安全隱患[12]。為抑制和消除鋼軌波磨，亟需開展鋼軌波磨形成機(jī)理的研究。

　　運(yùn)輸論文范例：復(fù)雜地質(zhì)鐵路隧道敞開式TBM施工挑戰(zhàn)及思考

　　目前，研究者們主要從波長(zhǎng)固定機(jī)理和損傷機(jī)理的角度研究鋼軌波磨問(wèn)題[3]，波長(zhǎng)固定機(jī)理可分為兩種觀點(diǎn)：(1)鋼軌表面存在的初始不平順將使系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定振動(dòng)，導(dǎo)致鋼軌波磨的產(chǎn)生[46];(2)輪軌系統(tǒng)間存在的粘滑自激振動(dòng)誘導(dǎo)波磨形成[79]。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，鐵路運(yùn)輸正朝著高速的方向發(fā)展，波磨損傷的問(wèn)題也愈加嚴(yán)重，許多學(xué)者針對(duì)高速列車的鋼軌波磨展開了研究。谷永磊等[10]經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察，總結(jié)了高速鐵路鋼軌波磨的分布特征和發(fā)展規(guī)律，并使用力錘法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出鋼軌波磨與輪軌垂向振動(dòng)和垂向Pinnnedpinnned共振有關(guān)。

　　Zhao等[11]調(diào)查了近期開通的高速鐵路，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的短節(jié)距波磨展開研究。通過(guò)分析不同速度下輪軌接觸壓力、應(yīng)力和摩擦功等參數(shù)，從材料損傷機(jī)理的角度解釋波磨問(wèn)題。Cui等[12]從輪軌摩擦引起振動(dòng)和輪軌反饋振動(dòng)的角度解釋陡坡地段鋼軌波磨現(xiàn)象，建立了無(wú)砟軌道和輪對(duì)的高速列車模型，指出輪軌蠕滑力飽和引起的摩擦振動(dòng)與陡坡地段的波磨有著密切的聯(lián)系。

　　Yu等[13]從輪軌之間面與面接觸關(guān)系的角度出發(fā)，建立了高速列車的輪軌非穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)接觸模型，在考慮輪軌幾何非線性關(guān)系的前提下，研究了輪軌接觸對(duì)鋼軌波磨的影響以及列車通過(guò)頻率對(duì)軌道減振器件的影響。Correa等[14]總結(jié)并分析了四種高速軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌波磨磨損及程度，在考慮動(dòng)態(tài)特性的前提下比較不同曲線半徑、運(yùn)行速度對(duì)鋼軌波狀磨損發(fā)展的影響。Bogacz等[15]認(rèn)為車輪的外徑和輪對(duì)穩(wěn)定性是影響高速列車動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素，改變載荷移動(dòng)的水平速度和輪對(duì)中心的垂向加速度將改變輪軌接觸點(diǎn)，且會(huì)影響鋼軌的波狀磨損。

　　在上述介紹中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多從輪對(duì)、鋼軌、軌下結(jié)構(gòu)及輪軌接觸關(guān)系等方面研究鋼軌波磨現(xiàn)象，考慮制動(dòng)裝置對(duì)鋼軌波磨影響的研究較少，而在高速鐵路中，鋼軌波磨通常出現(xiàn)于橋上直線、下坡制動(dòng)區(qū)段以及站點(diǎn)前的減速區(qū)段，尤其是下坡的制動(dòng)區(qū)段，鋼軌波磨尤為嚴(yán)重[10,12]。當(dāng)列車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤之間的摩擦力達(dá)到飽和，使得制動(dòng)裝置系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦自激振動(dòng)，此時(shí)，輪軌之間容易發(fā)生滾滑現(xiàn)象，導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)，從而誘導(dǎo)鋼軌波磨的產(chǎn)生[1618]。

　　制動(dòng)裝置的摩擦耦合作用與鋼軌波磨有著密切的關(guān)聯(lián)。為研究制動(dòng)裝置系統(tǒng)對(duì)輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)特性的影響，本文基于輪軌自激振動(dòng)誘導(dǎo)鋼軌波磨的理論研究了武廣高速某制動(dòng)區(qū)段高速鐵路的鋼軌波磨現(xiàn)象，較為全面地建立了動(dòng)拖車輪對(duì)軌道制動(dòng)系統(tǒng)的有限元模型，通過(guò)復(fù)特征值分析對(duì)比了動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)在不同工況下的摩擦自激振動(dòng)特性，然后對(duì)動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)制動(dòng)裝置中的摩擦系數(shù)和軌道結(jié)構(gòu)中的扣件參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析，并提出緩解波磨產(chǎn)生的相應(yīng)措施。

　　高速鐵路鋼軌波磨表現(xiàn)特征調(diào)查本文主要對(duì)武廣高速的制動(dòng)區(qū)段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，調(diào)研發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)下坡的制動(dòng)區(qū)段是鋼軌波磨的高發(fā)區(qū)段，特別是坡度大于10‰的下坡制動(dòng)區(qū)段的鋼軌波磨尤為嚴(yán)重。為進(jìn)一步了解這種典型波磨問(wèn)題，對(duì)該制動(dòng)區(qū)段進(jìn)行局部采集，這里選取了里程1871+300公里處，此處鋼軌波磨波長(zhǎng)約為140～160mm左右。該波磨位為大半徑曲線區(qū)段，其曲線半徑為10000m，坡度為13.9‰，經(jīng)過(guò)此處的列車速度約為0km/h。為具體研究里程1871+300公里處鋼軌波磨，使用Gekon小車進(jìn)行了局部測(cè)量，獲取鋼軌表面的不平順數(shù)據(jù)，該設(shè)備由手動(dòng)小車和測(cè)量傳感器組成，傳感器分辨率為μm。

　　測(cè)量數(shù)據(jù)可由移動(dòng)設(shè)備傳輸至計(jì)算機(jī)，配合相應(yīng)的分析軟件Gekonevaluation對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)軟件的濾波功能，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分為五個(gè)波段，分別是D1波段(10～30mm、D2波段(30～100mm)、D3波段(100～300mm)、D4波段(300～1000mm)、D5波段(1000～3000mm)。對(duì)照D1波段至D5波段的峰峰值，發(fā)現(xiàn)D3波段的超限值最高，其對(duì)應(yīng)的100～300mm波段存在嚴(yán)重的鋼軌表面不平順現(xiàn)象。

　　2仿真模型建立與分析方法

　　2.1CRH2型高速列車動(dòng)拖車輪對(duì)-軌道-制動(dòng)系統(tǒng)的接觸模型本次調(diào)查線路為武廣高鐵，該線路常用列車型號(hào)為CRH2、CRH3、CRH380A，此處選取CRH2型高速列車作為研究對(duì)象。根據(jù)CRH2型高速列車車軸結(jié)構(gòu)建立動(dòng)拖車輪對(duì)-軌道-制動(dòng)系統(tǒng)的接觸模型[1921]。模型中包括鋼軌、輪對(duì)及制動(dòng)裝置，其中，由于動(dòng)車軸上需安裝齒輪箱，所以動(dòng)車僅采用輪盤式制動(dòng)裝置，而拖車采用軸盤式和輪盤式制動(dòng)裝置[2223]。

　　3結(jié)果與討論

　　3.1動(dòng)拖車輪對(duì)-軌道-制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)研究

　　針對(duì)上述制動(dòng)區(qū)段的鋼軌波磨問(wèn)題，結(jié)合建立的動(dòng)拖車輪對(duì)軌道制動(dòng)系統(tǒng)的有限元模型，采用復(fù)特征值法研究了制動(dòng)和非制動(dòng)工況下動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)特性，提取誘導(dǎo)輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的頻率，分析制動(dòng)工況下和非制動(dòng)工況下動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)特性。

　　在制動(dòng)工況下，動(dòng)車輪軌系統(tǒng)在408.1Hz時(shí)等效阻尼比最小，為0.00080，拖車輪軌系統(tǒng)在454.9Hz時(shí)等效阻尼比最小，為0.02168;在非制動(dòng)工況下，動(dòng)車輪軌系統(tǒng)在616.9Hz時(shí)等效阻尼比最小，為2.3512×1011，拖車輪軌系統(tǒng)在429.2Hz時(shí)等效阻尼比最小，為0.00318。由復(fù)特征值分析法可知，等效阻尼比越小，系統(tǒng)越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生摩擦自激振動(dòng)，由此可以預(yù)測(cè)：比較制動(dòng)工況下和非制動(dòng)工況下動(dòng)拖車輪對(duì)軌道制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)工況下的等效阻尼比明顯小于非制動(dòng)工況，說(shuō)明制動(dòng)工況下更容易引起動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)。

　　比較動(dòng)車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)，在非制動(dòng)工況下，動(dòng)車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)的等效阻尼比均較大，說(shuō)明動(dòng)車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的可能性較小，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定;在制動(dòng)工況下，動(dòng)車輪軌系統(tǒng)的等效阻尼比更小，說(shuō)明拖車輪軌系統(tǒng)更容易產(chǎn)生摩擦自激振動(dòng)。根據(jù)上述計(jì)算可知，波長(zhǎng)140～160mm鋼軌波磨對(duì)應(yīng)的頻率范圍為434.0～494.1Hz，只有制動(dòng)工況下拖車輪軌系統(tǒng)最易發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的頻率位于該頻率范圍內(nèi)。綜上所述，制動(dòng)盤和閘片之間、車輪與鋼軌之間的摩擦耦合作用，從而導(dǎo)致波長(zhǎng)140～160mm的鋼軌波磨。

　　3.2動(dòng)拖車制動(dòng)裝置摩擦系數(shù)對(duì)輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的影響規(guī)律

　　制動(dòng)盤裝置因材料、溫度及濕度等因素的不同，造成制動(dòng)盤與閘片之間的摩擦系數(shù)不同。根據(jù)上文所建立的輪對(duì)軌道制動(dòng)系統(tǒng)有限元模型，研究動(dòng)車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)制動(dòng)盤與閘片間的摩擦系數(shù)對(duì)摩擦自激振動(dòng)的影響規(guī)律。對(duì)于動(dòng)車輪軌系統(tǒng)的制動(dòng)裝置，僅有輪盤制動(dòng)，輪盤與閘片間的摩擦系數(shù)范圍一般在0.2～0.6之間[20,27]，在此范圍內(nèi)，本文摩擦系數(shù)取值為0.2～0.45，間隔值為0.05。

　　不同摩擦系數(shù)誘導(dǎo)的主要不穩(wěn)定振動(dòng)頻率約為408.1Hz隨著輪盤制動(dòng)裝置摩擦系數(shù)的增大，系統(tǒng)的等效阻尼比出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時(shí)等效阻尼比最大，說(shuō)明此時(shí)動(dòng)車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的可能性最小，因此當(dāng)輪盤制動(dòng)摩擦系數(shù)為0.3以下時(shí)能在一定程度抑制動(dòng)車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的可能性。

　　4結(jié)論

　　本文基于摩擦自激振動(dòng)引起鋼軌波磨現(xiàn)象的觀點(diǎn)研究高速列車運(yùn)行區(qū)段出現(xiàn)的鋼軌波磨問(wèn)題。分別對(duì)動(dòng)拖車輪對(duì)軌道制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)特征值分析，比較動(dòng)拖車在制動(dòng)和非制動(dòng)工況下系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的可能性，并比較了動(dòng)車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的可能性。同時(shí)研究了不同制動(dòng)裝置摩擦系數(shù)和不同扣件垂向剛度對(duì)輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)的影響，提出抑制輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)產(chǎn)生的措施，綜合以上研究，本文的結(jié)論如下：

　　(1)對(duì)比制動(dòng)工況和非制動(dòng)工況，制動(dòng)工況下的動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)因制動(dòng)盤與閘片之間的摩擦耦合作用，更容易發(fā)生摩擦自激振動(dòng);對(duì)比動(dòng)車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)，拖車輪軌系統(tǒng)在制動(dòng)和非制動(dòng)狀況下均容易發(fā)生摩擦自激振動(dòng)。

　　(2)制動(dòng)工況下拖車輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)頻率與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的波磨頻率相近，意味著制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦耦合與輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動(dòng)密切相關(guān)，是誘導(dǎo)鋼軌波磨產(chǎn)生的重要因素。

　　(3)對(duì)于動(dòng)拖車輪軌系統(tǒng)，控制制動(dòng)裝置摩擦系數(shù)約為0.3，扣件垂向剛度約為50MN能一定程度降低輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動(dòng)的可能性率，進(jìn)而抑制鋼軌波磨的產(chǎn)生。

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　　作者：崔曉璐1*，包鵬羽1，陳佳欣1，楊宗超2