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基于轮轨振动特性的地铁钢轨波磨产生及发展机理研究

时间:2015-11-22 11:36来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是公路工程论文,通过计算不同条件下的波磨增长率,研究分析了轨道结构类型、曲线半径、轨枕上方和跨中不同位置、行车速度和轮轨摩擦系数5种因素对波磨增长趋势的影响规律

1引言


1.1研究背景和意义
随着城市规模的扩大和居民出行需求的提高,城市交通拥堵问题广泛出现在世界各大城市当中。为了提高城市公共交通系统的运输能力,解决交通拥堵问题,世界许多国家相继建成了立体化交通网络。其中,发挥骨干作用的城市轨道交通由于自身“快捷方便、承载容量大、环境污染小和能源消耗低”等优势深受大众青睐⑴。从20世纪初开始,欧美多个城市相继开通了地铁线路。20世纪70年代以后,由于能源危机、环境污染、交通拥堵等问题,世界上许多发达国家都将城市轨道交通作为城市交通的发展重点。截至2014年4月,全世界己经有50多个国家和地区的150多座城市开通了总长度超过10,000km的地铁线路。我国最早幵通的地铁线路是北京地铁1号线,建成于1969年,此后,天津、上海、广州等城市相继开通了地铁线路。截至2014年底,我国已有23座城市拥有了共约3000km的地铁线路,成为世界上地铁线路运营里程最长的国家:共有16座城市的地铁线路正在建设;14座城市的地铁已经批准建设或正在规划中。据相关机构统计,未来十年,中国每年将建15到20条地铁,总共将建成7395km的地铁线路,总价值达3万8千亿元,预计到2020年,中国将有33个城市拥有177条地铁线路12]。安全运营始终是城市轨道交通建设与运营维护的基本前提与目标。在上海地铁发生追尾,阿根廷地铁出现脱轨等重大事故后,地铁的安全运营更是受到了政府及普通市民的极大关注。在城市轨道交通建设、运营和养护维修的过程中,影响其安全性的因素很多,其中钢轨的状态是非常重要的因素之一。钢轨作为引导列车运行的轨道部件,不仅受到上部运行列车的碾压、摩擦、振动和冲击,同时还遭受到环境温度、地下水、养护维修、邻近施工等自然因素和人为因素长期复杂的共同作用。因此,在实际的运营过程中,钢轨出现了种类繁多的伤损病害,如波浪形磨耗、侧面磨耗、裂纹、剥离掉块、绣蚀等。其中,由于钢轨波浪形磨耗分布范围广、出现概率大,并且常常连续出现,受到了众多研究者的普遍关注。本文就针对地铁线路上大量出现的钢轨波磨问题,对其产生和发展机理进行研究。
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1.2国内外研究现状
20世纪70年代,Johnson等利用圆盘式试验机试验再现了波磨。为了解释圆盘式试验机上波磨的产生机理,他们建立了圆盘试验装置的动力学理论分析模带,利用半经验的解析方法解释了塑流型波磨的产生机理通过分析他们得出了如下结论:滚动接触物体的接触共振频率是决定波磨波长的重要因素;初始波磨的形成是由接触表面存在的初始不平顺引起的;初始波磨形成后,稳定的接触荷载和适当的系统阻尼是塑流型波磨继续发展的必要条件;随着碾压次数的增多,接触表面的波磨深度逐渐趋于稳定。1986年,Frederick利用解析方法建立了磨耗程度与车轮、轨道的垂向、横向和纵向动力响应的数学关系模型。这个模型考虑了轨道的阻抗和轮轨间蝶滑力-螺滑率定体。该模型可以预测经过车轮的若干次滚压后,钢轨表面周期性磨损深度的变化情况。利用该数学模型进行数值计算,可以得到初始不平顺发展成为波磨的条件:每次不均勾磨损的频率和相位须相同,这样以来,钢轨表面的不平顺深度逐渐加大,波磨逐渐形成。1988年,Valdivia等结合Hertz轮轨接触理论,通过解析方法计算了钢轨和车轮的阻抗。他认为,波磨的形成过程是一个轮轨滚动接触力学、轮轨结构动力学与材料磨损机制长期東复的反馈循环过程,正是该反馈循环导致了波磨的不断发展。波磨的反馈形成机理如图1-4所示。在该模型中,他利用“波磨增长率”预测了波磨的发展趋势。“波磨增长率”是磨损特征量的实部,是车轮碾压若干次后钢轨波磨的僧长趋势,可以反映轨道任意位置具有一定波长的初始不平顺是继续发展还是逐渐消失。
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2钢轨波磨评价指标旳选取


2.1位移导纳
随着轮轨磨损理论的不断发展和完善,该模型的应用越来越少。摩擦功是轮轨间作用力与轮轨相对速度的向量积,由于材料磨损量与单位面积摩擦功成正比,计算出来摩擦功即可得到钢轨表面磨耗量。基于摩擦功模型,许多学者提出了反映钢轨磨耗量的简化指标,如Heumann磨耗指数、踏面磨耗指标、List磨耗指数、Ghonem和Kalousek磨耗指数、Elkins螺滑功磨耗指数等。大量的试验研究表明,基于摩擦功发展出来的一系列指标与实际的磨耗率存在接近正比的关系,能较为准确的反映轮轨磨耗规律【67】。因此,上述指标在钢轨波磨的研究中应用广泛。然而,无论是Archard模型还是摩擦功模型,两者虽然能计算出一定轮轨接触状态下的钢轨磨耗量,但却无法反映出不同频率下钢轨磨耗程度的大小。Grassie在其2008年发表的论文中指出,目前所发现的所有类型的波磨均是特定频率下车辆、轨道系统相互作用导致的,列车的行驶速度不同,将会产生不同波长的波磨。可见,如果能确定导致波磨产生和发展的轮轨系统振动频率,即可预测钢轨表面将产生何种波长的波磨,这对于地铁线路钢轨波磨的预防和整治具有重大意义。因此,能否揭示出不同频率下钢轨波磨产生和发展的趋势,是选取波磨评价指标的重要依据。为了满足上述要求,本文选取了位移导纳和波磨增长率两个指标分别作为钢轨波磨产生和发展的评价指标。
………..


2.2波磨增长率
波磨增长率是Valdivia于1988年首先提出的,其实质是磨损特征量的实部,可以预测轨枕间某位置具有一定波长的初始不平顺是否继续发展,即可以评价初始+平顺的发展趋势。Hempelmann首次将波磨培长率应用在德国普速线路上波磨消长趋势的研究中N. Correa则利用该指标研究分析了欧洲高速铁路上波磨的长趋势由于波磨增长率可以方便地判断轨枕间任意位?钢轨波磨是继续发展还足逐渐消失,国外许多学者在研究波磨发展机理和判断某一线路波磨是否继续增长方面均应用了该指标。但在国内,利用波磨增长率来判断波磨谓长趋势的文献罕见报道,仅西南交大张继业在其一篇论文中用到该指标,但他并没有应用该指标进行系统的钢轨波磨发展趋势分析。本节首先介绍了波磨增长率的概念,随后介绍了波磨增长率的推导过程,最后讲述了它的计算方法。


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3基于频域分析的波磨产生机理研究........... 25
3.1轨道振动与波磨产生的关系研究 ...........25
3.2轮对振动与波磨产生的关系研究...........49
3.3本章小结........... 53
4基于时域分析的波磨产生机理研究........... 55
4.1车辆-轨道-隧道空间耦合动力分析模型........... 55
4.2不同轨道结构的波磨产生机理分析........... 61
4.3 本章小结........... 67
5基于波磨增长率的波磨发展趋势分析........... 69
5.1 SIMPACK动力分析模型........... 69
5.2波磨发展趋势的影响因素分析........... 72
5.3本章小结........... 86


5基于波磨增长率的波磨发展趋势分析


依据第2章所述波磨增长率的计算方法,本章将进行波磨增长率的计算。通过分析波磨增长率的数值大小和不同频率下的分布规律,研究地铁线路上钢轨波磨的发展机理。随后进行波磨增长趋势的影响因素分析,计算分析了轨道结构类型、曲线半径、轨枕间不同位置、行车速度和轮轨摩擦系数5种因素对波磨增长率的影响,进而揭示地铁线路上钢轨波磨发展趋势的规律。由2.2.2节和图2-2可以看出,计算波磨增长率需要首先求出两组中间变量。一组为不同轨道结构钢轨的垂、横向位移导纳,需要借助有限元软件ABAQUS建立不同轨道结构的频域分析模型求出;另外一组为轮轨相互作用参数,需要借助多体动力学软件SIMPACK建立车辆-轨道稱合动力分析模型求出。钢轨垂、横向位移导纳的计算已在第3章完成,本章则要完成轮轨相互作用参数的计算。接下来就利用SIMPAOC软件,建立车辆-轨道稱合动力分析模型,计算波磨增长率需要的轮轨相互作用参数。


5.1 SIMPACK动力分析模型
有限元软件ABAQUS虽然在模拟轮轨接触等非线性问题上具有很好的效果,但在模拟曲线地段轮轨相互作用、计算曲线地段车辆、轨道的动力响应时,建模过程、计算过程均比较复杂。尤其当模型中需要考虑线路几何条件如外轨超高、缓和曲线、轨底坡、轨距等参数时,用ABAQUS建模就更为复杂。而SIMPACK多体动力学软件则可方便地解决上述问题。相比ABAQUS、ANSYS等有限元分析软件,SIMPACK在模拟复杂线路条件下的轮轨接触问题具有重大的优势,由于釆用了多体动力学的分析方法,其建模方法简单、操作界面简洁、求解时间短、占用的计算机资源少。基于此,本节采用SIMPACK软件计算波磨增长率所需的轮轨相互作用参数。
……….


结论


针对北京地铁4号线不同种类轨道结构上出现的钢轨波磨情况,本文开展了地铁钢轨波磨产生及发展机理研究。首先确定了钢轨波磨的评价指标,推导了波磨增长率的计算公式;其次运用频域分析方法,建立了普通短枕式、减振器扣件式、弹性短枕式、梯形轨枕式4种轨道和轮对的频域分析模型,分析了轨道、轮对的振动与波磨产生的关系;再次运用时域分析方法,建立了地铁车辆-轨道-随道稱合时域分析模型,研究列车荷载和轨道不平顺激励作用下轨道的振动与波磨产生的关系;最后基于波磨增长率进行了钢轨波磨的发展机理研究。得到了如下结论:
1.对于普通短枕式轨道钢轨上出现的125mm?160mm波长的波磨,轨道结构90Hz左右的垂向振动是其产生的重要原因;对于减振器扣件式轨道钢轨上出现的40mm~50mm主波长波磨和20nim次波长波磨,轨道结构300Hz和690Hz左右的垂向振动是其产生的重要原因;对于弹性短枕式轨道钢轨上出现的50mm波长的波磨,轨道结构220Hz左右的垂向振动是其产生的重要原因;对于梯形轨枕式轨道钢轨上出现的60mm?80mm主波长波磨和30mm次波长波磨,轨道结构150Hz和370Hz左右的垂向振动是其产生的重要原因。
2.轮对310Hz左右的振动是减振器扣件式轨道结构40mm~50mm波长波磨产生的重要原因。除此之外,轮对的振动对其余三种轨道结构上钢轨波磨的产生基本没有影响。
3.对于不同类型的轨道结构,波磨增长率曲线具有不同的峰值频率和数值大小。四种轨道结构的波磨增长率曲线均在波磨实际通过频率附近达到了峰值,这给出了四种轨道结构相应波长波磨形成发展的原因。四种轨道结构的波磨增长趋势不同,减振器扣件式轨道的波磨增长趋势最大,因而最容易发生波磨,普通短枕式轨道的波磨增长趋势最小,因而最不容易发生波磨。
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参考文献(略) 

(责任编辑:gufeng)
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