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轨枕支撑刚度和阻尼对小半径曲线钢轨磨耗型波磨影响的有限元研究

100振动与冲击2011年第30卷

早提出了这个观点;Brockley【14]更进一步,认为轮轨系统的摩擦自激振动引起钢轨波磨;Sun【l纠假设了轮轨横向蠕滑力饱和并具有蠕滑力一蠕滑率益线负斜率特性,以此来研究钢轨波磨的产生机理。由于轮轨横向蠕滑力一蠕滑率曲线负斜率特性多为假设,所以学术界接受这个理论的研究者不如接受前一种理论的多。

最近,Eadie【l刮等报道说原先发生钢轨波磨的区段在换装新轨并通过控制轮轨摩擦系数和蠕滑力一蠕滑率曲线负斜率特性(frictionmodifier,简称FM)后,大部分情况下钢轨波磨不再出现,但现有的钢轨波磨理论还不能满意地解释FM的作用,说明对钢轨波磨理论的研究还有许多工作要做。作者在研究曲线尖叫噪声时发现,饱和蠕滑力会引起轮轨系统的自激振动。根据BrockleyH41理论,这个自激振动可能是引起钢轨磨耗型波磨的一个主要原因。本文从轮轨系统自激振动的角度研究在小半径曲线线路上的钢轨波磨,获得了一些关于波磨问题的新认识。

1轮轨系统有限元模型

1.1轮轨系统弹性振动模型

当列车通过R。<350m的小半径曲线时,车辆转向架前轮对的横向蠕滑力一般都会达到饱和状态,而后轮对的横向蠕滑力则可能达到,也可能没有达到饱和状态,取决于车辆运行速度以及线路状态。本研究假设车辆稳态通过小半径曲线线路,且前轮对左右车轮的横向蠕滑力达到饱和,即蠕滑力等于摩擦系数与法向力的乘积。与车辆动力学研究的刚体系统振动不同的是,本文研究的是轮轨系统处于刚体系统动力学平衡位置时发生的弹性振动稳定性问题。由于问题的复杂性,整个模型可以只包括前轮对、轨道的钢轨和钢轨支撑弹簧(代替离散轨枕的弹性支撑),见图l所示。使用NUCARS软件计算车辆稳态曲线通过,得到了内、外轮轨接触点的位置、接触角、车体作用在轮对轴颈上的垂向力、横向力,见图2所示。

建立的有限元模型共有138000多个节点,100000多个单元,主要为六面体C3D81单元。在模型中,每个轨枕支撑弹簧刚度和阻尼均匀分布在钢轨上

图1轮轨系统实体模型

Fig.IModelofawheelset?tracksystem

与轨枕接触的平面的每一个节点上,如图3所示。

图2中,n、‰分别为高轨和低轨的横向蠕滑力,札、%分别为高轨和低轨的接触法向力,晚、8。分别为高轨和低轨韵接触角,F。虹、几憎分别为转向架侧架作用在车轴上的垂向力,F眦、F黜分别为转向架侧架作用在车轴上的横向力,K,、托分别为轨枕弹簧的垂向和横向刚度,C,、C。分别为轨枕垂向和横向阻尼。

图2轮轨接触点位置和横向蠕滑力方向

Fig.2Thepositionsofcontactpoints

anddirectionsoflateralcreepforces

图3轮轨系统有限元模型

Fig.3Finiteelementmodelofthewheelset-tracksystem

1.2轮轨系统弹性振动有限元建模方法

有限元软件ABAQUS对摩擦系统的动力学建模主要是应用YuanⅢ1提出的方法。即对摩擦系统各部件进行离散化,建立没有摩擦的系统运动微分方程如下:

Mx+C叠+缸=0(1)式中:M为质量矩阵,C、置分别为系统的阻尼矩阵和刚度矩阵。没有摩擦时,方程(1)的系数矩阵肘、C和x都是对称矩阵,所以方程(1)的特征方程的特征值不可能出现实部R,>0的特征值,即系统的运动是稳定的。当考虑摩擦后,摩擦力方程如下:

F=∥(2)式中,F为摩擦力,p为摩擦系数,Ⅳ为接触法向力。考虑摩擦耦合后系统的运动方程变为:

(M一肼r)z+(C+C,+C。)x+(X+Kr)工=AN(3)式中:M,、Cr和耳分别是摩擦力对质量、阻尼和刚度的影响矩阵,为非对称矩阵;co是摩擦力一相对滑动速度关系斜率影响矩阵,为非对称矩阵;AN为法向力

扰动向量。摩擦力一相对滑动速度关系的表达式为:

第2期王国新等:轨枕支撑刚度和阻尼xCd,半径曲线钢轨磨耗型波磨影响的有限元研究101

肛。/.L。4-a口(4)式中,以为静摩擦系数,a为摩擦力一相对滑动速度关系斜率,秽为相对滑动速度。

消去AN后,可得如下的简化方程:

肘,菇+C,主+K,z=0(5)式中:肘,、C,和K,为简化的系统质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。当存在摩擦时,它们都是非对称矩阵。方程式(5)对应的特征方程为:

(M,A2+AC,+K,)母=0(6)方程式(5)的通解为:

茗(t)=∑№}exp(A;£)=

∑{咖。}exp(卢t+如i)t(7)式中,{咖i}是特征方程式(6)的特征矢量,Ai=/3i+如。是方程式(6)的特征根,.『是虚数单位。对有凡个节点自由度的有限元动力学系统,就有n个特征值和特征向量,每个特征值就对应某阶固有频率,相应的特征向量就对应该固有频率下的振型。由于式(6)的系数矩阵为非对称矩阵,在一些条件下会出现实部为正的特征根,根据式(7)可知此时系统出现运动不稳定,即在微小干扰下会出现振幅愈来愈大的振动。

1.3轮轨系统摩擦振动与钢轨波磨的关系

在钢轨波磨的理论研究上,普遍认为摩擦功的波动引起钢轨的波浪形磨耗从而导致波磨∞叫引。Brock—ley【141提出了下面的钢轨磨损预测模型:

ll,=K(H—C)(8)式中:埘为单位时间的磨损量,K为磨损系数,H为摩擦功率(等于摩擦力F乘以滑动速度秽),C为长效摩擦功率。在摩擦振动研究领域,目前利用复特征值预测弹性系统的不稳定振动是很常用的方法。因为计算困难,很少进行摩擦系统不稳定振动的动态响应计算¨引。根据摩擦振动理论,摩擦不稳定振动是一种耦合振动,在振动过程中法向接触力和摩擦力按摩擦振动的频率动态变化m】。由此可推知摩擦功率日是波动变化的,这个波动变化的摩擦功,引起了钢轨的波磨。

1.4模型参数

车轮直径D=840mm,钢轨型号为60kg/m,钢轨长度L=12.5m,轨枕间距离S=600mm,钢轨与轨枕接触面的宽度d=160mm,轨底坡a=1/40,曲线轨距G=1440mm,根据NUCARS计算,列车通过速V=80km/h时,在半径R=300m的圆曲线上,6£=28.60,颤=1.520,Fs儿=112000N,Fs馏=78000N,凡址=7600N.F轧R=7600No

2计算结果及分析

2.1轮轨系统的自激振动及其模态

小半径曲线内轨的短波磨波长为25mm一80mm,对应列车速度V=80km/h时的不稳定振动频率.厶的变化范围277.8Hz嘲≤888.9Hz。本文取轮轨系统所有厶≤l200Hz的不稳定振动进行分析。计算结果表明,当摩擦系数肛>0.28时,轮轨系统就存在实部为正的特征值,即轮轨系统存在发生摩擦自激振动的可能性。当p=0.4以及忽略轨枕支撑阻尼时,轮轨系统有7个不稳定自激振动模态。图4显示了这些不稳定模态在频域上的分布情况。理论上认为,复特征值实部越大,系统发生该频率自激振动的可能性也就越大。可以推断,轮轨系统最有可能发生的不稳定振动频率为厶=509.40Hz,图5是该模态的的振型。对应不稳定振动频率.厶=509.40Hz的钢轨波磨波长Z=43.62ram(V=80km/h),是一种短波波磨。而且,这种自激振动只发生在内轨与内轮上,说明在小半径曲线线路上内轨容易发生短波波磨。这个结论与钢轨波磨发生的实际情况是一致的旧1。

图4轮轨自激不稳定振动模态

频率的分布(无轨枕阻尼)

Fig.4Distributionofunstablevibrations

withoutsleepersupportdamping

厶=509.40Hz,R。=48.124

图5轮轨系统的自激不稳定振动模态

Fig.5Modeshapeofanunstablevibration

2.2轨枕支撑弹簧刚度对钢轨波磨的影响

轨枕支撑弹簧的刚度对轮轨系统的自激振动(也即钢轨波磨)有着明显的影响。图6显示了垂向和横向弹簧刚度对轮轨自激不稳定振动的影响。由图6(1t)可见,当横向弹簧刚度K.=29.4MN/m时,不同的垂向弹簧刚度对应的最大特征值实部不同。其中K,=44.10

MN/m对应的不稳定振动的特征值实部最大,尺。

轨枕支撑刚度和阻尼对小半径曲线钢轨磨耗型波磨影响的有

限元研究

作者:王国新, 陈光雄, 邬平波, WANG Guo-xin, CHEN Guang-xiong, WU Ping-bo

作者单位:西南交通大学,摩擦学研究所,牵引动力国家重点实验室,成都,610031

刊名:

振动与冲击

英文刊名:JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK

年,卷(期):2011,30(2)

被引用次数:1次

参考文献(20条)

1.Grassie S L;Kalousek J Rail corrugation:characteristics,causes and treatments 1993(207)

2.Sato Y;Matsumoto A;Knothe K Review on rail corrugation studies[外文期刊] 2002(1/2)

3.Grassie S L Rail corrugation:advances in measurement,understanding,and treatment 2005

4.Oostermeijer K H Review on short pitch rail corrugation studies[外文期刊] 2008

5.Ahlbeck D;Daniels L E A review of rail corrugation processes under different operating modes 1990

6.Hempelmann K;Knothe K An extended linear model for the prediction of short pitch corrugation[外文期刊] 1996

7.Igeland A;Ilias H Railhead corrugation growth predictions based on nonlinear high frequency vehicle/track interaction[外文期刊] 1997(1/2)

8.llias H The influence of railpad stiffness on wheelset/track interaction and corrugation growth[外文期刊] 1999(05)

9.Wu T X;Thompson D J Vibration analysis of railway track with multiple wheels on the rail[外文期刊] 2001(1)

10.Jin X S;Wen Z F;Wang K Y Three-dimensional train-track model for study of rail corrugation[外文期刊] 2006

11.Jin X S;Wen Z F Effect of discrete track support by sleepers on rail corrugation at a curved track[外文期刊] 2008(1/2)

12.Clark R A Slip-stick vibrations may hold the key to corrugation puzzle 1984

13.Clark R A;Scott G A;Poole W Short wave corrugation-an explanation based on stick-slip vibrations 1988

14.Brockley C A An investigation of railcorrugation using friction-induced vibration theory[外文期刊] 1988

15.Sun Y Q;Simson S Wagon-track modeling and parametric study on rail corrugation initiation due to wheel stick-slip process on curved track[外文期刊] 2008

16.Eadie D T;Santoro M;Oldknow K Field studies of the effect of friction modifiers on short pitch corrugation generation in curves 2008

17.Yuan Y An eigenvalue analysis approach to brake squeal problem 1996

18.Ouyang H;Nack W;Yuan Y Numerical analysis of automotive disc brake squeal:a review[外文期刊] 2005(3/4)

19.Nack W V Brake squeal analysis by finite elements[外文期刊] 2000(3-4)

20.Massi F Brake squeal:Linear and nonlinear numerical approaches[外文期刊] 2007(6)

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3.韩冰论小半径曲线钢轨磨耗原因及防治[期刊论文]-现代商贸工业2010(16)

4.赵振华钢轨磨耗与整治研究探索[期刊论文]-中国高新技术企业2010(15)

5.李再帏.雷晓燕.张鹏飞.LI Zai-wei.LEI Xiao-yan.ZHANG Peng-fei减振型阻尼钢轨有限元分析[期刊论文]-噪声与振动控制2009,29(4)

6.陈光雄.金学松.邬平波.戴焕云.周仲荣.CHEN Guang-xiong.JIN Xue-song.WU Ping-bo.DAI Huan-yun.ZHOU Zhong-rong车轮多边形磨耗机理的有限元研究[期刊论文]-铁道学报2011,33(1)

7.周亮.Zhou Liang上海地铁曲线轨道减磨措施试验研究[期刊论文]-城市轨道交通研究2009,12(9)

引证文献(1条)

1.杨广武.彭华.王佳妮.蔡小培基于工程类比的北京地铁钢轨异常波磨整治方法[期刊论文]-北京交通大学学报2013(4)

本文链接:https://www.doczj.com/doc/e418865160.html,/Periodical_zdycj201102019.aspx

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