钢轨波磨成因分析的轮轨空间耦合振动模型

钢轨波磨成因分析的轮轨空间耦合振动模型

波形磨损是一种常见的重型装备中的常见钢带疾病之一。关于其形成原因,国内外有数十种理论。现有波磨成因理论大致可分为两类(如表1)。第一类称为动力类成因理论,第二类称为非动力类成因理论。动力类成因认为轮轨系统振动使波磨产生,引起波磨的振动可分为自激、共振和反馈振动三类,波磨波长与轮轨系统中某一或某几种振动形式相关联。非动力类则认为,即使轮轨作用力为常值,也会因为不均匀塑性流动或磨损等原因形成波磨,波磨的波长是随机的。非动力成因理论中,许多理论只能用于解释短波磨耗的成因,如残余应力、驻波、弹性波及超声波理论;有些仅仅是对波磨形成具体过程所进行的描述如不均匀磨损和塑性变形理论;还有部分理论是强调波磨的影响因素,如冶金性能、接触疲劳、液体动力磨损等。总的来看,由于非动力类成因理论未涉及到轮轨系统的动力作用无法解释波磨出现的地段位置波长和表面特征的差异,对波磨发展过程的描述也大多不够明确,不大可能单独依靠非动力类成因理论完整地解释波磨。波磨成因的最终解释还得从轮轨系统振动分析着手。但现有动力类成因理论还存在较多缺陷,主要表现在:(1)注重单一振动而忽略了相关振动的影响。(2)分析模型过于简单化,无法研究轮轨系统中数种振动形式发生耦合且相互激化的情况,难以解释波磨的多样性。(3)未涉及轮轨系统中结构参数变化的影响,因而难以指导从结构参数方面采取有效的减缓措施。因此本文针对重载线路上钢轨波磨的特征,建立轮轨系统空间耦合振动分析模型,以轮轨磨耗功作为综合参量,归纳轮轨系统垂向和横向振动、轮对扭转和弯曲振动等成因理论,进一步完善波磨成因的理论体系。1波场特征和起源发展规律对重载线路钢轨波磨进行了大量调查和测试,总结出波磨的特征及发生发展规律如下:(1)振动的影响波磨和减磨(1)波磨多数出现在曲线地段。曲线半径越小,形成和发展的速率越快。直线地段极少出现波磨。说明波磨与曲线地段轮轨所特有的某种或某几种振动形式相关联,这些振动形式在直线上不存在或振动强度较小不足以引发波磨,因此,轮轨系统横向的振动值得关注。(2)制动地段波磨严重。说明轮轨间的切向力、粘着和滑动过程直接影响波磨的形成和发展,因此,轮对的扭转和弯曲等振动值得关注。(3)轨道弹性对波磨的发生发展影响较大。石质路基和板结道床上的波磨较为严重;木枕地段的波磨明显较混凝土枕地段轻微。说明轮轨系统的垂向振动也是影响波磨的重要因素。由此可见,分析波磨成因的模型应当包含轮轨系统内主要的横向振动形式,同时还应当考虑系统的垂向振动和轮对振动。(2)波深长度对比波磨按其波长、特征及出现部位不同大致可分为三类,即:波长小于100mm的波纹磨耗,波长100～200mm的中长波磨耗,波长大于200mm的长波磨耗。波长200～700mm的长波磨耗总是出现在曲线外轨,又分为均匀长波和非均匀长波。均匀长波的波长和波深都很均匀,波长约为250±10mm,接头处波深并无明显加深,成段波磨同时出现。非均匀长波的波长主要分布于200～700,波磨从接头鞍形磨耗或距接头约一个货车转向架处开始,波长渐长,波深先深、后浅、再深、渐浅,逐步向钢轨小腰和大腰发展。缓和曲线地段的外轨上发现波长150mm且波深波长非常均匀的中长波。观察表明,这种中长波没有向长波磨耗发展的迹象。曲线内轨上出现波长约80mm且波长和波深均匀的短波纹,短波纹最大波深不超过0.5mm,发展到一定程度后渐趋稳定。(3)临界曲线半径缓和曲线上波磨始发点一般距ZH或HZ点一定的距离,说明波磨发生发展存在一个临界曲线半径。对实测数据的统计表明,临界半径约为1500～2000m。理论分析表明,该临界半径与主型货车(配转8A)轮对发生粘滑振动的临界半径相同。(4)磨与轨枕位置之间的关系没有发现波磨与轨枕位置有关系。波磨的波长和轨枕跨距没有明显关系。波磨的波峰和波谷位置与轨枕位置间没有明显关系。(5)波谷的形态特征(1)淬火轨上主要出现磨损型波磨。未发现轨头明显的塑性压溃,轨头光带光滑,波谷和波峰处疲劳斑点和折皱较少。钢轨表面存在明显的磨损痕迹,峰谷颜色没有差异。(2)沿轨顶宽度范围内,波磨纵向轮廓线完全相似,波谷出现在同一钢轨横断面上,各列波形不存在相位差。(3)波峰和波谷的形状短波磨耗、中长波磨耗和均匀长波磨耗的波峰和波谷本身是对称的,波峰在两波谷正中,波谷在两波峰正中。但波谷与波峰不对称,如在二分之一波深处画水平线,则波谷区比波峰区长。非均匀长波除波长不均匀外,峰与谷也不对称。波峰向行车方向偏斜,前端短且陡,后端长且缓,波谷则正好相反。一些波长较大的波磨,侧面呈碟状,是由于两个或多个波谷逐渐发展而形成的。(6)线路曲线半径对波磨发展速率的影响(1)对曲线半径为300m、500m和1000m三段曲线上的波磨进行测量和波长谱分析,发现优势波长相同,说明波磨是由曲线地段轮轨系统中某种或某几种振动所致,但波长却与线路曲线半径相关性不大。(2)对79条曲线波磨的统计表明,随曲线半径加大,波磨发展速率明显降低;而在半径小于300m的曲线地段,因快速的钢轨侧磨,波磨发展速率也有所降低。淬火轨在半径300～350m左右的曲线上波磨发展速率最大。(7)混凝土睡眠地段波磨的发展速率(1)木枕地段波磨略轻于混凝土枕地段。最大波深发展速率约小10%以上,平均波深发展速率小20%以上。(2)木枕地段波磨波长大于混凝土枕地段。木枕地段波磨的波长谱图上,优势波长为400mm,明显大于混凝土枕地段波磨优势波长250mm。木枕和混凝土枕地段波磨特征的差异,进一步说明波磨的发生发展与轮轨垂向振动相关联。2振动形式的修正由前述波磨的特征和发生发展规律可见,解决波磨成因问题的关键,在于弄清轮轨系统振动条件下钢轨头部的磨损过程,即进行钢轨磨损的动力分析。为此,需建立振动分析模型,选择合理的钢轨磨损指数对磨耗功进行分析。由于波磨一般出现在曲线上,因此,分析模型应当考虑曲线地段轮轨系统中各种振动形式,如轮轨系统垂向、横向振动及轮对扭转和弯曲振动等。在文献分析模型的基础上,加入轮对的扭转和弯曲振动形式(其简化模型如图2所示),将原来的“轮轨系统垂向-横向非线性空间耦合振动时变模型”发展为一个“轮轨系统垂向-横向-轮对扭转和弯曲非线性空间耦合振动时变模型”。车辆模型的总自由度数为11N+26个,其中N为轨道计算段内轨枕数。文献中的纵横向蠕滑率表达式修正为式(1)、式(2)中,θj为轮对扭转振动角,Uj为轮对弯曲振动角,rj表示各车轮的时变滚动半径,且有轮缘与钢轨贴靠的判断条件修正为当Ij<0,第j轮缘与钢轨不贴靠;Ij=0为临界状态;当Ij>0时,第j轮缘与钢轨贴靠。第j车轮与钢轨间磨耗功的表达式为此外,在轮轨系统的总动能、总势能及各种虚功的表达式中,均需要加入与轮对扭转和弯曲振动相关联的项,并进行振动方程的组建和求解、非线性接触力和蠕滑力的迭代等,此处不再一一叙述。3轴承连接滑动的振动3.1轮对粘滑振动的影响计算表明,在一定条件下,由于振动的自激及交叉激扰,轮轨系统垂向振动、轮对弯曲振动、轮对扭转振动三种振动形式,构成一个循环自激振动系统,轮对在曲线地段的振动表现为粘滑振动。随着轮轨系统中各参数的变化,三种振动形式被激化的强弱程度不一样,轮对粘滑振动可呈现出多种形态。通过大量的计算,发现了以下四类粘滑振动形态。第一类轮对粘滑振动。在半径较小的曲线地段,轮轨间蠕滑力接近饱和,如轨道横向刚度偏大且轨距偏小,则轮对适应内外轨长度差的能力遭到削弱,轮轨间出现滑动,如蠕滑力特性曲线上存在负斜率段,就有可能形成第一类轮对粘滑振动,其特点如图2和图3所示。轮轨间粘着(T>0.33,图3中以T=0表示)和滑动(T≤0.33)交替发生,粘着段磨耗功较小,滑动段磨耗功较大,磨耗功经历一个持续稳定的“脉冲～恢复”循环过程。磨耗功频谱图上,0～200Hz内分布着许多峰值,而波动的主频清楚地位于90Hz附近,即轮对扭转振动一阶频率。因此,在第一类轮对粘滑振动中,致使磨耗功波动的主要因素是持续不衰减的轮对扭转振动。第二类轮对粘滑振动。对于设有一系悬挂的客车和机车转向架,当一系悬挂垂向阻尼较小时,轮对的垂向振动和弯曲振动得不到有效抑制,易促成第二类轮对粘滑振动,其特点如图4和图5所示。与第一类粘滑振动有所不同,轮轨间粘着段和滑动段长度不相等,且较第一类粘滑振动中要长得多。粘着段与滑动段的长短与线路曲线半径无关,而取决于悬挂刚度和轴刚度。滑动段中磨耗功呈现若干个周期的波动,其频率成分主要是轮轨垂向振动频率。第二类轮对粘滑振动由轮对弯曲和扭转振动共同作用而产生。第三类轮对粘滑振动。这是由于轮轨粘着系数降低等因素引起的,如图6和图7所示。磨耗功在两次大峰波动中夹有若干个小峰波动。磨耗功频谱图上,第一峰频出现在60Hz左右,为轮载波动固有频率;第二峰出现在130Hz左右,与轮对弯曲振动一阶频率相对应。由于轮轨粘着系数降低,磨耗功中轮对弯曲振动和扭转振动的作用减小而垂向振动作用加大。轮对扭转和弯曲振动在各自固有频率处并未占据振动的主要能量,而由于与垂向振动的相互激扰,扭转和弯曲振动的主频均出现在轮轨垂向振动频率处。第四类轮对粘滑振动。这类振动发生于轨道存在不平顺(如接头附近)的曲线地段,因轨道不平顺作用造成轮轨间出现短暂或瞬时滑动而诱发轮对粘滑振动,如图8和图9所示。车轮在不平顺内及驶出不平顺后的某一时间内,轮对出现粘滑振动,粘滑振动持续一定时间后衰减完毕,振动消失。磨耗功与轮载的波动相似,说明轮载波动对磨耗功波动的贡献是主要的。各种振动参量的频谱曲线上几乎完全相似地在频率50Hz处出现单一峰值。3.2粘滑振动的发生机制轮对在曲线上发生粘滑振动的必要条件为:(1)轮轨间出现滑动蠕滑力饱和后出现骤降或负斜率段,且骤降量或负斜率值要达到一定量值;(3)轮对纵向拖动速度曲线与轮对扭转振动速度曲线出现交点,或轮对横向拖动速度曲线与轮对弯曲振动速度曲线出现交点。影响粘滑振动的因素较多,蠕滑力特性曲线对粘滑振动形成与否有着决定性作用。当蠕滑力饱和后骤降至50%或具有大于1/12的负斜率段时,轮对粘滑振动才可能产生;蠕滑力饱和后如无下降,无论其它条件如何,均不会发生粘滑振动。轮轨系统中的横向刚度(尤其是轨道横向刚度)加大,易于激发第一类粘滑振动。当轨道上存在不平顺时,垂向刚度增加易造成轮轨瞬时滑动,引发第四类粘滑振动。增加轮轴的弯曲刚度对第一类粘滑振动可起到良好的抑制作用。增加一系阻尼能有效地抑制第二类粘滑振动。轨面粘着系数降低使各类粘滑振动的机率均增加,粘着系数较大时,轮对粘滑振动较难形成,但在高粘着条件下,一经形成粘滑振动,则波磨更容易产生和发展。制动力与轨面粘降有类似的作用。列车实行制动时,车轮受到轨面向后的切向力,制动力与蠕滑力迭加,改变了轮轨间切向力量值,使导向轴上减载车轮首先滑动而诱发轮对粘滑振动。4钢渣形成4.1出现轮对粘滑振动的其他条件轮对一旦产生粘滑振动,磨耗功即出现剧烈持续的波动。磨耗功的波动致使钢轨不均匀磨损。但单个车轮对钢轨的不均匀磨损是非常微小的,因此,波磨的形成和发展是通过曲线的多数车轮作用效果的累加。轮对粘滑振动虽然可能造成钢轨的不均匀磨损,但这种不均匀磨损是随机的,每一通过车轮可能加大或减小前一车轮产生的不均匀磨耗。因此,出现轮对粘滑振动并不意味着钢轨波磨一定会产生和发展,还应具备其它一些条件。钢轨波磨出现和发展的必要条件可归纳为:(1)轮对发生粘滑振动,磨耗功出现剧烈持续的波动;(2)轨道上存在不平顺。计算及分析表明,轨道不平顺能使粘滑振动被激化且归一化,车速相等或相近时,每一通过车轮对既定轨道点的作用能实现重复和累加。正是这种重复和累加效应使钢轨上磨耗大和磨耗小的地方固定不变,促成了波磨的形成和发展。(3)列车速度的离散程度对波磨的形成和发展起到重要的作用。车速离散度越小,波磨越易形成,且发展越快计算表明高速车高于平均速度因存在欠超高,粘滑振动受到一定的抑制。而低速车因存在过超高,粘滑振动的强度要大得多。如低速车的速度集中在某一车速附近,则更易助长波磨的形成和发展。(4)分析表明,机车、货车及客车轮对粘滑振动的频率特性差异极大,对钢轨的不均匀磨损不可能产生累加效应,钢轨波磨是这三种车轮中的某一种车轮所产生的,而不是三者的共同作用。波磨形成和发展过程中,主要是数量较多、轴重较大且速度较低的货车的作用。4.2粘滑振动造成轮轨间磨耗功轮轨系统在一定参数配合下,系统垂向振动、轮对弯曲振动和扭转振动三种振动形式构成一循环自激振动系统。轮对发生粘滑振动,轮轨间磨耗功发生剧烈波动,造成钢轨的不均匀磨损或压溃。当通过曲线的列车车速和车型相对集中以及轨道上存在不平顺时,轮对粘滑振动被激化和归一化,既定钢轨点磨损或压溃发生重复和累加效应,逐步形成钢轨波磨。波磨的形成和发展的原因基本上是相同的。不同的粘滑振动类型形成的波磨,不但表面特征有所不同,而且发展过程也表现出差异。(1)波磨波长的影响中长波磨耗的成因是轮对第一类粘滑振动。振动频率主要取决于轮对扭转振动固有频率。这种粘滑振动将在钢轨上形成波长为150mm左右且波长极为均匀的中长波。钢轨接头等轨道不平顺使粘滑振动归一化并加剧粘滑振动,对波磨波长没有影响,钢轨接头处波磨的波深也不会明显加大。波磨在钢轨上较长范围内同时发生。波磨发展过程中,波长保持不变,垂向振动只加剧粘滑振动。波磨形成初期发展较快,当波深达到0.5mm后,大致保持均匀的发展速率。在石太线K39半径300m曲线的缓和曲线上发现这种波磨。(2)波深对波磨发展速率的影响均匀长波磨耗的成因是轮对的第三类粘滑振动。粘滑振动表现为轮轨垂向振动和轮对弯曲振动,所造成的波磨波长与轮轨垂向振动频率相对应。波磨形成初期的波长略短,约为200mm左右。发展过程中波长逐渐加长,最后稳定的波长约为250～270mm。波磨在钢轨上较大范围内同时出现,波长和波深较为均匀,靠近接头处波深略有加大,但不明显。波磨发展过程中,波深越大,则发展速率越大,波磨发展速率同波深几乎呈线性关系。在石太线K63半径300m的曲线地段发现这种波磨。(3)波磨的出现和发展速率设有一系悬挂的机车和客车,因一系悬挂阻尼不足引发第二类轮对粘滑振动。粘滑振动在钢轨上造成间距300～1000mm的高磨损段,钢轨上首先出现不连续的多个凹坑,而后逐渐发展成连续的波磨。这种波磨在形成过程中波长是变化的,最后稳定的波长取决于轮轨垂向振动、轮对扭转振动和轮对弯曲振动三种频率的共同作用,波长一般是不均匀的。波深越大,波磨发展越快。由于客车轴重轻而机车数量少,只有在曲线半径较大,货车轮对不会发生粘滑振动时,这类波磨才可能出现,但波磨的发展速率极慢。石太线半径2500m以上的曲线地