高速铁路制动区间钢轨摩擦自激振动研究

　　摘要：本文基于轮轨摩擦自激振动的观点研究了高速铁路制动区间的典型钢轨波磨现象，首先通过武广高速铁路制动区段的现场调研，掌握该区段的波磨特征并采集相应的轨道不平顺，然后基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点分别建立制动区段高速列车的动拖车轮对轨道制动系统的有限元模型，并利用复特征值法进行动拖车轮轨系统的摩擦自激振动分析，比较动拖车轮轨系统在制动和非制动工况下系统发生摩擦自激振动的可能性，以及在制动工况下动车轮轨和拖车轮轨系统的摩擦自激振动情况。最后，使用控制变量法研究了制动系统摩擦系数和扣件垂向刚度对动拖车轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。对比制动非制动工况发现制动工况更容易引起系统的摩擦自激振动;对比动拖车轮轨系统发现拖车轮轨系统更容易引起系统摩擦自激振动。通过参数化分析可得出：控制制动装置摩擦系数约为0.3，扣件垂向刚度约为50MN·m时能一定程度降低轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性，进而抑制钢轨波磨的产生。

　　关键词：摩擦自激振动高速列车制动钢轨波磨复特征值分析

　　铁路因其运输量大，便捷，安全等特点，一直被作为一种重要的交通运输方式。随着铁路使用时间的增加，出现了各种轮轨损伤问题，其中钢轨波磨是铁路中普遍存在的轨道损伤问题之一。钢轨波磨是钢轨表面出现的一种波浪状周期性磨损，是一种常见的钢轨磨损形式，不仅会加剧车辆与轨道之间的振动，还降低了车辆和轨道系统结构件的使用寿命，使列车运行存在安全隐患[12]。为抑制和消除钢轨波磨，亟需开展钢轨波磨形成机理的研究。

　　运输论文范例：复杂地质铁路隧道敞开式TBM施工挑战及思考

　　目前，研究者们主要从波长固定机理和损伤机理的角度研究钢轨波磨问题[3]，波长固定机理可分为两种观点：(1)钢轨表面存在的初始不平顺将使系统产生不稳定振动，导致钢轨波磨的产生[46];(2)轮轨系统间存在的粘滑自激振动诱导波磨形成[79]。随着经济的不断发展，铁路运输正朝着高速的方向发展，波磨损伤的问题也愈加严重，许多学者针对高速列车的钢轨波磨展开了研究。谷永磊等[10]经过现场考察，总结了高速铁路钢轨波磨的分布特征和发展规律，并使用力锤法进行实验，得出钢轨波磨与轮轨垂向振动和垂向Pinnnedpinnned共振有关。

　　Zhao等[11]调查了近期开通的高速铁路，针对发现的短节距波磨展开研究。通过分析不同速度下轮轨接触压力、应力和摩擦功等参数，从材料损伤机理的角度解释波磨问题。Cui等[12]从轮轨摩擦引起振动和轮轨反馈振动的角度解释陡坡地段钢轨波磨现象，建立了无砟轨道和轮对的高速列车模型，指出轮轨蠕滑力饱和引起的摩擦振动与陡坡地段的波磨有着密切的联系。

　　Yu等[13]从轮轨之间面与面接触关系的角度出发，建立了高速列车的轮轨非稳态滚动接触模型，在考虑轮轨几何非线性关系的前提下，研究了轮轨接触对钢轨波磨的影响以及列车通过频率对轨道减振器件的影响。Correa等[14]总结并分析了四种高速轨道结构的钢轨波磨磨损及程度，在考虑动态特性的前提下比较不同曲线半径、运行速度对钢轨波状磨损发展的影响。Bogacz等[15]认为车轮的外径和轮对稳定性是影响高速列车动力学的关键因素，改变载荷移动的水平速度和轮对中心的垂向加速度将改变轮轨接触点，且会影响钢轨的波状磨损。

　　在上述介绍中，国内外学者多从轮对、钢轨、轨下结构及轮轨接触关系等方面研究钢轨波磨现象，考虑制动装置对钢轨波磨影响的研究较少，而在高速铁路中，钢轨波磨通常出现于桥上直线、下坡制动区段以及站点前的减速区段，尤其是下坡的制动区段，钢轨波磨尤为严重[10,12]。当列车进行制动时，制动闸片与制动盘之间的摩擦力达到饱和，使得制动装置系统产生强烈的摩擦自激振动，此时，轮轨之间容易发生滚滑现象，导致轮轨系统发生摩擦自激振动，从而诱导钢轨波磨的产生[1618]。

　　制动装置的摩擦耦合作用与钢轨波磨有着密切的关联。为研究制动装置系统对轮轨系统摩擦自激振动特性的影响，本文基于轮轨自激振动诱导钢轨波磨的理论研究了武广高速某制动区段高速铁路的钢轨波磨现象，较为全面地建立了动拖车轮对轨道制动系统的有限元模型，通过复特征值分析对比了动拖车轮轨系统在不同工况下的摩擦自激振动特性，然后对动拖车轮轨系统制动装置中的摩擦系数和轨道结构中的扣件参数进行参数化分析，并提出缓解波磨产生的相应措施。

　　高速铁路钢轨波磨表现特征调查本文主要对武广高速的制动区段进行了现场调研，调研发现长下坡的制动区段是钢轨波磨的高发区段，特别是坡度大于10‰的下坡制动区段的钢轨波磨尤为严重。为进一步了解这种典型波磨问题，对该制动区段进行局部采集，这里选取了里程1871+300公里处，此处钢轨波磨波长约为140～160mm左右。该波磨位为大半径曲线区段，其曲线半径为10000m，坡度为13.9‰，经过此处的列车速度约为0km/h。为具体研究里程1871+300公里处钢轨波磨，使用Gekon小车进行了局部测量，获取钢轨表面的不平顺数据，该设备由手动小车和测量传感器组成，传感器分辨率为μm。

　　测量数据可由移动设备传输至计算机，配合相应的分析软件Gekonevaluation对采集的现场数据进行处理。通过软件的滤波功能，将实测数据分为五个波段，分别是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)。对照D1波段至D5波段的峰峰值，发现D3波段的超限值最高，其对应的100～300mm波段存在严重的钢轨表面不平顺现象。

　　2仿真模型建立与分析方法

　　2.1CRH2型高速列车动拖车轮对-轨道-制动系统的接触模型本次调查线路为武广高铁，该线路常用列车型号为CRH2、CRH3、CRH380A，此处选取CRH2型高速列车作为研究对象。根据CRH2型高速列车车轴结构建立动拖车轮对-轨道-制动系统的接触模型[1921]。模型中包括钢轨、轮对及制动装置，其中，由于动车轴上需安装齿轮箱，所以动车仅采用轮盘式制动装置，而拖车采用轴盘式和轮盘式制动装置[2223]。

　　3结果与讨论

　　3.1动拖车轮对-轨道-制动系统的摩擦自激振动研究

　　针对上述制动区段的钢轨波磨问题，结合建立的动拖车轮对轨道制动系统的有限元模型，采用复特征值法研究了制动和非制动工况下动拖车轮轨系统的摩擦自激振动特性，提取诱导轮轨系统发生摩擦自激振动的频率，分析制动工况下和非制动工况下动拖车轮轨系统的摩擦自激振动特性。

　　在制动工况下，动车轮轨系统在408.1Hz时等效阻尼比最小，为0.00080，拖车轮轨系统在454.9Hz时等效阻尼比最小，为0.02168;在非制动工况下，动车轮轨系统在616.9Hz时等效阻尼比最小，为2.3512×1011，拖车轮轨系统在429.2Hz时等效阻尼比最小，为0.00318。由复特征值分析法可知，等效阻尼比越小，系统越不稳定，越容易发生摩擦自激振动，由此可以预测：比较制动工况下和非制动工况下动拖车轮对轨道制动系统的摩擦自激振动特性，发现制动工况下的等效阻尼比明显小于非制动工况，说明制动工况下更容易引起动拖车轮轨系统发生摩擦自激振动。

　　比较动车轮轨系统和拖车轮轨系统，在非制动工况下，动车轮轨系统和拖车轮轨系统的等效阻尼比均较大，说明动车轮轨系统和拖车轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性较小，系统趋于稳定;在制动工况下，动车轮轨系统的等效阻尼比更小，说明拖车轮轨系统更容易产生摩擦自激振动。根据上述计算可知，波长140～160mm钢轨波磨对应的频率范围为434.0～494.1Hz，只有制动工况下拖车轮轨系统最易发生摩擦自激振动的频率位于该频率范围内。综上所述，制动盘和闸片之间、车轮与钢轨之间的摩擦耦合作用，从而导致波长140～160mm的钢轨波磨。

　　3.2动拖车制动装置摩擦系数对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律

　　制动盘装置因材料、温度及湿度等因素的不同，造成制动盘与闸片之间的摩擦系数不同。根据上文所建立的轮对轨道制动系统有限元模型，研究动车轮轨系统和拖车轮轨系统制动盘与闸片间的摩擦系数对摩擦自激振动的影响规律。对于动车轮轨系统的制动装置，仅有轮盘制动，轮盘与闸片间的摩擦系数范围一般在0.2～0.6之间[20,27]，在此范围内，本文摩擦系数取值为0.2～0.45，间隔值为0.05。

　　不同摩擦系数诱导的主要不稳定振动频率约为408.1Hz随着轮盘制动装置摩擦系数的增大，系统的等效阻尼比出现先增大后减小的变化趋势，当摩擦系数为0.3时等效阻尼比最大，说明此时动车轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性最小，因此当轮盘制动摩擦系数为0.3以下时能在一定程度抑制动车轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性。

　　4结论

　　本文基于摩擦自激振动引起钢轨波磨现象的观点研究高速列车运行区段出现的钢轨波磨问题。分别对动拖车轮对轨道制动系统进行复特征值分析，比较动拖车在制动和非制动工况下系统发生摩擦自激振动的可能性，并比较了动车轮轨系统和拖车轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性。同时研究了不同制动装置摩擦系数和不同扣件垂向刚度对轮轨系统摩擦自激振动的影响，提出抑制轮轨系统摩擦自激振动产生的措施，综合以上研究，本文的结论如下：

　　(1)对比制动工况和非制动工况，制动工况下的动拖车轮轨系统因制动盘与闸片之间的摩擦耦合作用，更容易发生摩擦自激振动;对比动车轮轨系统和拖车轮轨系统，拖车轮轨系统在制动和非制动状况下均容易发生摩擦自激振动。

　　(2)制动工况下拖车轮轨系统摩擦自激振动频率与现场发现的波磨频率相近，意味着制动系统的摩擦耦合与轮轨系统的摩擦自激振动密切相关，是诱导钢轨波磨产生的重要因素。

　　(3)对于动拖车轮轨系统，控制制动装置摩擦系数约为0.3，扣件垂向刚度约为50MN能一定程度降低轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性率，进而抑制钢轨波磨的产生。

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　　作者：崔晓璐1*，包鹏羽1，陈佳欣1，杨宗超2