轮轨摩擦耦合自激振动引发钢轨波磨的机理研究

It only took about two months for rail corrugation to occur on tracks since Jing-hu high-speed railway line and subway line 4 of Beijing were put into service. Rail corrugation can result in severe vibration and nosie of vehicles and tracks, decrease of adhesive traction forces and damage of rails. It is an old and difficult problem needed to be solve urgently. So far, there is not a good and effective method for curing rail corrugation. In their previous work, applicants proposed a new and original mechanism for rail corrugation in which rail corrugation is attributed to friction coupling self-excited vibration of a wheelset-track system. This mechanism is used to successfully explain several important phenomena of rail corrugation. In this project, the applicants are planning to study the generation mechanism and control of rail corrugation from the view point of friction coupling self-excited vibration of a wheelset-track based on their previous research advancements. The research emphases are put on modelling of friction coupling self-excited vibration of a wheelset-track system, formation mechanism for friction coupling self-excited vibration of a wheelset-track system, test study of friction coupling self-excited vibration of a wheelset-track system inducing rail corrugation and controlling of rail corrugation by structure modification of wheelset-track systems. After this project is finished, one may establish a new mechanism for rail corrugation occurrence, understand key factors which have important influences on rail corrugation formation and find the solution of rail corrugation. This project is significant for truly understanding the mechanism of rail corrugation generation and developing the theories of friction-induced self-excited vibration and vehicle system dynamics.

京沪高铁和北京地铁4号线开通运行仅2个月就出现了钢轨波磨。钢轨波磨引起严重的振动和噪声、粘着牵引力的降低以及钢轨损伤，是迫切需要解决的铁路老大难问题。但由于对钢轨波磨机理的认识有限，迄今为止还没有好的解决办法。申请人在前期研究工作中，原创性提出了轮轨摩擦耦合自激振动引起钢轨波磨的新观点，并成功应用这种观点解释了多个与钢轨波磨有关的重要物理现象。本项目拟在前期研究进展的基础上，从轮轨摩擦耦合自激振动的角度研究钢轨波磨发生的机理及其控制方法。拟重点研究轮轨摩擦耦合自激振动的建模方法、轮轨摩擦耦合自激振动的发生机理和主要影响因素，开展轮轨摩擦耦合自激振动引发波磨的试验研究，研究基于结构修改抑制轮轨摩擦耦合自激振动的方法。通过本研究，可以揭示新的钢轨波磨机理，认识钢轨波磨的关键影响因素及其影响规律，找到钢轨波磨的控制方法。本项目对正确认识钢轨波磨机理以及丰富摩擦振动和车辆动力学理论都有积极的意义。

钢轨波磨严重影响到铁路系统的运行噪声和安全性，是铁路工业研究百年但又没有得到较好解决的问题。现有波磨理论包括轮轨瞬态动力学相互作用引起波磨的理论和轮轨粘着振动引起波磨理论两大类，其中前者得到广泛的认同。但这两种理论都遇到严重的挑战：（1）波磨研究近百年了，但时至今日小半径曲线内轨的波磨几乎百分之百发生，似乎百年的波磨研究并没有取得满意的成果。（2）现有的波磨理论可以解释一些波磨现象，但无法解释很多确定性的波磨现象。因此作者认为现有波磨理论存在严重的缺点，不能导致波磨问题的根本解决。. 本项目开展了以下的研究工作：（1）轮轨系统摩擦耦合自激振动的建模研究，针对不同的轮轨工况建立了五种以上的轮轨系统模型，研究了各种模型的轮轨自激振动发生规律。（2）轮轨系统摩擦耦合自激振动产生机理的研究，经过大量的仿真分析，揭示了轮轨接触角对摩擦自激振动的重要影响。（3）轮轨系统摩擦耦合自激振动瞬态动力学仿真研究，发展了轮轨系统摩擦自激振动的瞬态动力学分析方法，获得了轮轨系统自激振动瞬态动力学的演变规律。（4）轮轨系统摩擦耦合自激振动引发波磨的试验研究，利用小比例试验机成功获得了摩擦自激振动导致波状磨损的试验结果，初步验证了摩擦自激振动导致波磨的观点。（5）通过结构修改抑制钢轨波磨的研究，获得了控制或消除波磨的技术和方法。. 本项目研究取得了如下的重要结果：（1）在饱和蠕滑力作用下，轮轨系统有可能发生摩擦自激振动。（2）轮轨摩擦自激振动能够引起钢轨的波磨。（3）轮轨摩擦系数对轮轨自激振动有重要的影响，当轮轨摩擦系数小于某一个值后，轮轨系统就不会发生摩擦自激振动。（4）轮轨接触角对波磨有重要影响，当接触角大于某一个数值后，轮轨系统就不会发生波磨。. 通过本项目的研究，获得了钢轨波磨机理的新认识，可以满意地解释现有波磨理论不能解释的波磨现象，如现有波磨理论不能解释为何小半径曲线线路内轨几乎百分之百出现波磨但外轨几乎没有波磨，以及当曲线半径大于650~800m时，线路的两条钢轨极少发生波磨。轮轨自激振动的研究结果显示，在现有的轮轨参数条件下，小半径曲线内轮-钢轨系统很容易发生摩擦自激振动及波磨，但外轮-钢轨系统不会发生摩擦自激振动及波磨。当曲线半径较大或在直线上，轮轨系统蠕滑力没有饱和，因此轮轨系统就没有摩擦自激振动，所以极少发生波磨。