【摘 要】
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中国高速铁路即将迈入时速400公里时代,如此高的速度,在世界范围内并无现成经验可以借鉴,其背后蕴含着巨大机遇和挑战。现役高铁的运行实践表明,在服役过程中,轮轨接触表面可能会出现各种短波激励,恶化轮轨滚动接触行为,显著降低轮轨运行品质,甚至威胁列车安全。考虑到短波激励在更高速铁路上可能依旧高发,有必要对短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为开展深入研究,为设计更高速铁路奠定坚实的理论基础。鉴于此,本
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中国高速铁路即将迈入时速400公里时代,如此高的速度,在世界范围内并无现成经验可以借鉴,其背后蕴含着巨大机遇和挑战。现役高铁的运行实践表明,在服役过程中,轮轨接触表面可能会出现各种短波激励,恶化轮轨滚动接触行为,显著降低轮轨运行品质,甚至威胁列车安全。考虑到短波激励在更高速铁路上可能依旧高发,有必要对短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为开展深入研究,为设计更高速铁路奠定坚实的理论基础。鉴于此,本文开展短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为研究,为更高速轮轨短波激励管理策略提供有意义的参考。该研究主要涉及轮轨滚动接触理论、轮轨短波不平顺和轨面低黏着等方面的研究,故首先就相关研究开展文献综述,指出更高速下面临的问题与挑战,提出分析短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的必要性。鉴于此最终研究目标,本文建立了可求解更高速下轮轨滚动接触行为的时域数值模型,具体包括动车组车辆系统动力学模型和曲线段全轮对三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,其中,动力学模型为瞬态滚动接触模型提供轮对横移量、侧滚角和摇头角的关键运行参数。上述模型可引入高速铁路中常见的短时低黏着和短波不平顺这两类短波激励,涉及的短时低黏着和短波不平顺具体参数,取自现役高速轮轨的现场跟踪测试结果。在分析短波激励对更高速轮轨瞬态滚动接触行为的影响之前,先研究了无短波激励（平顺几何和正常黏着）下的准稳态轮轨滚动接触行为,揭示了速度（350～500 km/h）、牵引系数（0.05～0.3）和黏着系数（0.15～0.45）等对轮轨接触应力、黏滑特征和磨耗等的影响。结果表明,该模型可实现更高速下的轮轨准稳态滚动。因为是准稳态工况,所以速度对轮轨接触解的影响几乎可以忽略,牵引系数和黏着系数的影响与传统稳态滚动接触理论的预测相同,如随牵引系数升高,接触斑内滑移区逐渐增大,磨耗逐渐升高;随着黏着系数降低,滑移区逐渐增大,磨耗也逐渐升高。以曲线段单侧钢轨存在短时低黏着为例,研究了低黏着区长度（0.2～1.0 m）以及发生轨侧、速度（350～500 km/h）、牵引系数（0.05～0.3）和黏着系数（0.027～0.45）等因素对更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的影响机制。结果表明:典型参数下,单侧低黏着不会导致整个轮对发生大蠕滑空转或打滑,即正常黏着侧可以平衡低黏着侧的蠕滑力不足问题。仅高轨发生低黏着时,1)低黏着会导致另一侧发生不均匀磨耗,且在低黏着区大于等于0.6 m时,正常黏着侧的不均匀磨耗更严重;2)低黏着区长于0.6 m时,两侧不均匀磨耗严重程度均基本不变;3)速度增大,因低黏着所致轮轨力峰值和蠕滑率峰值有所降低,两轮不均匀磨耗程度略有减轻。低轨低黏着的结果类似,但现象更轻微,因此,现场中更需关注高轨的黏着状态。当然,倘若正常黏着侧的黏着水平降低至一定程度,不足以满足整个轮对蠕滑力需求时,则会发生整个轮对的低黏着现象,继而发生轮对大蠕滑现象,例如,对于牵引系数为0.1的工况,考虑到动力减载效应,正常黏着侧的黏着系数低于0.25时,则易发生轮对空转或打滑。以曲线段存在两侧不对称波磨为例,研究了波磨的发生轨侧、两侧波磨的相位差等因素对更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的影响机制。结果表明:1)波磨激励的高频振动可在轮轨系统内传递,导致两侧均产生高频响应,但二者的波动幅度和相位存在不可忽略的差异;2)当两侧波磨所致响应在一侧轮轨间同相位叠加时,可增强轮轨间动力作用;3)基于最恶劣的响应同相位叠加工况,提出了不同速度（350～500 km/h）、波长（30～210 mm）、轴重（10～15 t）下及考虑低频动力减载（法向力减载30%）后,轮轨接触脱离时的临界波深列表。
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