重载铁路小半径曲线钢轨波磨演变机理研究

• 作 者: 陈鑫
• 出 处: 北京交通大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 重载铁路 单侧钢轨波磨 摩擦自激振动 瞬态动力响应 针对性打磨

钢轨波浪形磨耗是重载铁路最典型的病害之一,随着重载铁路运营轴重和运营量的增加,钢轨波磨问题日渐严重。据调查,钢轨波浪形磨耗出现得非常普遍,大秦铁路、山西中南部铁路、神华铁路等重载铁路钢轨均存在较为严重的波磨地段,约40%的曲线地段都会产生波磨,特别是在小半径曲线地段,钢轨波磨不仅出现早,而且发展快,严重影响了重载铁路的经济效益和运营安全。论文结合我国重载铁路小半径曲线钢轨波磨问题,依托神朔重载铁路钢轨波磨研究课题,基于现场调查和测试,通过数值分析等方法开展理论研究,分析重载铁路小半径曲线单侧钢轨波磨的发展和演化规律。本文主要研究工作和研究结果如下:(1)针对国内外有关重载铁路发展概况和钢轨波磨成因及理论措施等方面的研究资料和研究成果,进行了实验方法、理论依据、建模方法和评价指标的归纳总结。(2)针对重载铁路现场钢轨波磨展开了长期的调研测试与统计分析。具体内容包括:钢轨波磨的类型,波长、波谷分布特点及规律,钢轨波磨出现的位置和动力学测试指标的差异,钢轨波磨与线路条件、运量、机车类型的关系以及钢轨波磨出现后发展的速度与演变规律等。结果表明,重载铁路钢轨波磨波长在200mm左右,属于典型的中波长波磨,并且伴随着较为明显的塑性流变特征。且曲线地段轮轨之间的相互作用较直线地段更加强烈,内外轨受力状态差别较大。在波磨产生前期,均出现鱼鳞纹、剥离掉块等初始不平顺,而后在单侧钢轨上首先出现明显的波磨现象,并逐渐传递至另一侧钢轨。(3)基于饱和蠕滑力诱发轮轨系统摩擦自激振动的理论,针对现场实际重载铁路车辆及轮轨踏面特征,利用商业有限元软件ABAQUS建立轮轨有限元模型,进行复特征值分析以及扣件刚度、摩擦系数、超高等影响因素的相关性分析。结果表明,适当地提高扣件垂横向刚度、控制轮轨摩擦系数在0.4以下,能够有效地降低轮轨系统发生不稳定振动的可能性,从而抑制波磨发展。同时,过超高设置会直接导致轮轨系统在内轮-内轨处更易发生不稳定摩擦自激振动,而欠超高设置导致轮轨系统在外轮-外轨处更易发生不稳定摩擦自激振动。该结论进一步解释了重载铁路小半径曲线地段波磨总是先发生在钢轨其中一侧的原因。(4)通过轮轨系统瞬态动力学分析,模拟了单侧钢轨波磨及其传递演化过程。结果表明,波磨的扰动会导致轮轨系统发生不稳定振动,有波磨一侧的轮轨不稳定振动逐渐传递至无波磨一侧,同时垂向不稳定振动也会逐渐传递至横向振动,并进一步放大轮轨动态响应,如此循环往复,导致波磨由一侧逐渐传递至另一侧,并不断恶化,迅速发展。该结论进一步印证了不合理的超高设置导致轮轨蠕滑力饱和诱发摩擦自激振动的观点。(5)基于现场针对性打磨的实际需求,结合MINIPROF实测的钢轨廓形变化数据,借助SIMPACK进行轮轨动力学分析,利用变截面思想,考虑轨道不平顺、小半径曲线等因素从动态角度研究当单侧钢轨首先萌生波磨时,仅打磨该侧钢轨后的轮轨接触变化、蠕滑行为变化和动力学行为差异。结果表明,在钢轨一侧开始产生较为明显的波磨时,建议进行单侧钢轨针对性打磨,以抑制钢轨波磨的发展和传递,改善轮轨之间的接触行为和受力状况。图78幅,表12个,参考文献79篇。