摘要：本文基于輪軌摩擦自激振動的觀點研究了高速鐵路制動區(qū)間的典型鋼軌波磨現(xiàn)象，首先通過武廣高速鐵路制動區(qū)段的現(xiàn)場調(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誘導(dǎo)鋼軌波磨的觀點分別建立制動區(qū)段高速列車的動拖車輪對軌道制動系統(tǒng)的有限元模型，并利用復(fù)特征值法進行動拖車輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動分析，比較動拖車輪軌系統(tǒng)在制動和非制動工況下系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動的可能性，以及在制動工況下動車輪軌和拖車輪軌系統(tǒng)的摩擦自激振動情況。最后，使用控制變量法研究了制動系統(tǒng)摩擦系數(shù)和扣件垂向剛度對動拖車輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動的影響規(guī)律。對比制動非制動工況發(fā)現(xiàn)制動工況更容易引起系統(tǒng)的摩擦自激振動;對比動拖車輪軌系統(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。通過參數(shù)化分析可得出：控制制動裝置摩擦系數(shù)約為0.3，扣件垂向剛度約為50MN·m時能一定程度降低輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動的可能性，進而抑制鋼軌波磨的產(chǎn)生。

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

　　鐵路因其運輸量大，便捷，安全等特點，一直被作為一種重要的交通運輸方式。隨著鐵路使用時間的增加，出現(xiàn)了各種輪軌損傷問題，其中鋼軌波磨是鐵路中普遍存在的軌道損傷問題之一。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，不僅會加劇車輛與軌道之間的振動，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理的研究。

　　運輸論文范例：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固定機理和損傷機理的角度研究鋼軌波磨問題[3]，波長固定機理可分為兩種觀點：(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，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誘導(dǎo)波磨形成[79]。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，鐵路運輸正朝著高速的方向發(fā)展，波磨損傷的問題也愈加嚴重，許多學(xué)者針對高速列車的鋼軌波磨展開了研究。谷永磊等[10]經(jīng)過現(xiàn)場考察，總結(jié)了高速鐵路鋼軌波磨的分布特征和發(fā)展規(guī)律，并使用力錘法進行實驗，得出鋼軌波磨與輪軌垂向振動和垂向Pinnnedpinnned共振有關(guān)。

　　Zhao等[11]調(diào)查了近期開通的高速鐵路，針對發(fā)現(xiàn)的短節(jié)距波磨展開研究。通過分析不同速度下輪軌接觸壓力、應(yīng)力和摩擦功等參數(shù)，從材料損傷機理的角度解釋波磨問題。Cui等[12]從輪軌摩擦引起振動和輪軌反饋振動的角度解釋陡坡地段鋼軌波磨現(xiàn)象，建立了無砟軌道和輪對的高速列車模型，指出輪軌蠕滑力飽和引起的摩擦振動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，研究了輪軌接觸對鋼軌波磨的影響以及列車通過頻率對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，在考慮動態(tài)特性的前提下比較不同曲線半徑、運行速度對鋼軌波狀磨損發(fā)展的影響。Bogacz等[15]認為車輪的外徑和輪對穩(wěn)定性是影響高速列車動力學(xué)的關(guān)鍵因素，改變載荷移動的水平速度和輪對中心的垂向加速度將改變輪軌接觸點，且會影響鋼軌的波狀磨損。

　　在上述介紹中，國內(nèi)外學(xué)者多從輪對、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，考慮制動裝置對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、下坡制動區(qū)段以及站點前的減速區(qū)段，尤其是下坡的制動區(qū)段，鋼軌波磨尤為嚴重[10,12]。當(dāng)列車進行制動時，制動閘片與制動盤之間的摩擦力達到飽和，使得制動裝置系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的摩擦自激振動，此時，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，從而誘導(dǎo)鋼軌波磨的產(chǎn)生[1618]。

　　制動裝置的摩擦耦合作用與鋼軌波磨有著密切的關(guān)聯(lián)。為研究制動裝置系統(tǒng)對輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動特性的影響，本文基于輪軌自激振動誘導(dǎo)鋼軌波磨的理論研究了武廣高速某制動區(qū)段高速鐵路的鋼軌波磨現(xiàn)象，較為全面地建立了動拖車輪對軌道制動系統(tǒng)的有限元模型，通過復(fù)特征值分析對比了動拖車輪軌系統(tǒng)在不同工況下的摩擦自激振動特性，然后對動拖車輪軌系統(tǒng)制動裝置中的摩擦系數(shù)和軌道結(jié)構(gòu)中的扣件參數(shù)進行參數(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)查本文主要對武廣高速的制動區(qū)段進行了現(xiàn)場調(diào)研，調(diào)研發(fā)現(xiàn)長下坡的制動區(qū)段是鋼軌波磨的高發(fā)區(qū)段，特別是坡度大于10‰的下坡制動區(qū)段的鋼軌波磨尤為嚴重。為進一步了解這種典型波磨問題，對該制動區(qū)段進行局部采集，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小車進行了局部測量，獲取鋼軌表面的不平順數(shù)據(jù)，該設(shè)備由手動小車和測量傳感器組成，傳感器分辨率為μm。

　　測量數(shù)據(jù)可由移動設(shè)備傳輸至計算機，配合相應(yīng)的分析軟件Gekonevaluation對采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行處理。通過軟件的濾波功能，將實測數(shù)據(jù)分為五個波段，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，其對應(yīng)的100～300mm波段存在嚴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型高速列車動拖車輪對-軌道-制動系統(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為CRH2、CRH3、CRH380A，此處選取CRH2型高速列車作為研究對象。根據(jù)CRH2型高速列車車軸結(jié)構(gòu)建立動拖車輪對-軌道-制動系統(tǒng)的接觸模型[1921]。模型中包括鋼軌、輪對及制動裝置，其中，由于動車軸上需安裝齒輪箱，所以動車僅采用輪盤式制動裝置，而拖車采用軸盤式和輪盤式制動裝置[2223]。

　　3結(jié)果與討論

　　3.1動拖車輪對-軌道-制動系統(tǒng)的摩擦自激振動研究

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

　　在制動工況下，動車輪軌系統(tǒng)在408.1Hz時等效阻尼比最小，為0.00080，拖車輪軌系統(tǒng)在454.9Hz時等效阻尼比最小，為0.02168;在非制動工況下，動車輪軌系統(tǒng)在616.9Hz時等效阻尼比最小，為2.3512×1011，拖車輪軌系統(tǒng)在429.2Hz時等效阻尼比最小，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，由此可以預(yù)測：比較制動工況下和非制動工況下動拖車輪對軌道制動系統(tǒng)的摩擦自激振動特性，發(fā)現(xiàn)制動工況下的等效阻尼比明顯小于非制動工況，說明制動工況下更容易引起動拖車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動。

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

　　3.2動拖車制動裝置摩擦系數(shù)對輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動的影響規(guī)律

　　制動盤裝置因材料、溫度及濕度等因素的不同，造成制動盤與閘片之間的摩擦系數(shù)不同。根據(jù)上文所建立的輪對軌道制動系統(tǒng)有限元模型，研究動車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)制動盤與閘片間的摩擦系數(shù)對摩擦自激振動的影響規(guī)律。對于動車輪軌系統(tǒng)的制動裝置，僅有輪盤制動，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)定振動頻率約為408.1Hz隨著輪盤制動裝置摩擦系數(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，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時等效阻尼比最大，說明此時動車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動的可能性最小，因此當(dāng)輪盤制動摩擦系數(shù)為0.3以下時能在一定程度抑制動車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動的可能性。

　　4結(jié)論

　　本文基于摩擦自激振動引起鋼軌波磨現(xiàn)象的觀點研究高速列車運行區(qū)段出現(xiàn)的鋼軌波磨問題。分別對動拖車輪對軌道制動系統(tǒng)進行復(fù)特征值分析，比較動拖車在制動和非制動工況下系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動的可能性，并比較了動車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)發(fā)生摩擦自激振動的可能性。同時研究了不同制動裝置摩擦系數(shù)和不同扣件垂向剛度對輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動的影響，提出抑制輪軌系統(tǒng)摩擦自激振動產(chǎn)生的措施，綜合以上研究，本文的結(jié)論如下：

　　(1)對比制動工況和非制動工況，制動工況下的動拖車輪軌系統(tǒng)因制動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;對比動車輪軌系統(tǒng)和拖車輪軌系統(tǒng)，拖車輪軌系統(tǒng)在制動和非制動狀況下均容易發(fā)生摩擦自激振動。

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

　　(3)對于動拖車輪軌系統(tǒng)，控制制動裝置摩擦系數(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)生摩擦自激振動的可能性率，進而抑制鋼軌波磨的產(chǎn)生。

　　參考文獻：

　　[1]金學(xué)松,李霞,李偉,等.鐵路鋼軌波浪形磨損研究進展[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2016,51(2):264273.JINXuesong,LIXia,LIWei,etal.Reviewofrailcorrugationprogress[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2016,51(2):264273.

　　[2]CHENGuangxiong,ZHOUZhongrong,OUYANGHuajiang,etal.Afiniteelementstudyonrailcorrugationbasedonsaturatedcreepforceinducedselfexcitedvibrationofawheelsettracksystem[J].JournalofoundandVibration,2010,329(22):4644655.

　　[3]GRASSESL.Railirregularities,corrugationandacousticroughness:characteristics,significanceandeffectsofreprofiling[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartEJournalofRailandRapidTransit,2012,226(5):542557.

　　[4]OOSTERMEIJERKH.Reviewonshortpitchrailcorrugationstudies[J].Wear,2008,265(910):12311237.

　　[5]劉學(xué)毅,王平,萬復(fù)光.重載線路鋼軌波形磨耗成因研究[J].鐵道學(xué)報,2000,22(1):98103.LIUueyi,WANGing,WANuguang.Formationmechanismofrailcorrugationsinheavyhaulrailline[J].JournalofTheChinaRailwaySociety,2000,22(1):98103.

　　[6]IUei,MAWeihua,LUOShihui,etal.Researchintotheproblemofwheeltreadspallingcausedbywheelsetlongitudinalvibration[J].VehicleSystemDynamics,2015,53(4):546567.

　　作者：崔曉璐1*，包鵬羽1，陳佳欣1，楊宗超2