車輛系統振動穩定性及鋼軌波磨影響因數研究

在車輛、軌道系統內部組成部件的摩擦和沖擊會產生一定的振動和噪聲，進而引起自激振動。陳光雄教授對鋼軌波磨的研究具有較多經驗，在他的文章中首先提出了在外界條件允許情況下，飽和蠕滑力會引起輪軌系統自激振動的現象

。輪軌間產生摩擦自激振動時，輪軌間法向壓力和摩擦力所做的功會隨著振動頻率的改變而發生改變，使得鋼軌表面產生的磨損和磨耗與振動頻率相同，這種現象稱為鋼軌波磨

。鋼軌波磨的產生和發展是一個非常復雜的過程，對于不同國家的線路無法用統一的理論模型解釋運行環境、車輛組成、軌道結構等參數不同而對鋼軌波磨產生的相應影響。通過對車輛及軌道系統摩擦自激振動引起的鋼軌波磨影響因數進行研究，對改善鋼軌波磨帶來的輪軌相互作用有重要影響

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1 摩擦系數的影響分析

1.1 輪軌間的摩擦系數

在輪對與鋼軌組成的系統中，兩者之間存在一定的摩擦運動，輪軌間摩擦運動計算中的摩擦系數是指輪對與鋼軌相互接觸面之間的摩擦力和法向壓力之間的比值。摩擦系數的大小與相互接觸的物體表面粗糙度大小有關，而兩物體之間接觸面積的改變并不影響摩擦系數。雖然在特定的情況下，可以將摩擦系數等效為一個恒定的數值處理。然而在實際情況下隨著環境中溫度、濕度的改變或物體間相互運動情況等因素發生變化使得摩擦系數也會產生變化。當軌道交通車輛沿著軌道運行時，輪對與鋼軌之間的摩擦系數與其表面的粗糙度有關，隨著車輛所處的環境發生變化，摩擦系數也在發生變化，變化的摩擦系數直接影響著鋼軌波磨。在實際采用復特征值分析法進行計算時，可將輪對與軌道之間的摩擦系數設置為0.20～0.60之間，在此設置的基礎上，從而計算在改變摩擦系數時，輪對、軌道系統的穩定性等參數的改變情況，進而分析該系統產生摩擦自激振動的情況，產生摩擦自激振動的機理及發展趨勢將會如何，從而在此基礎上分析摩擦系數與鋼軌波磨兩個參數之間的對應關系。

1.2 摩擦系數對系統穩定性及鋼軌波磨的影響分析

車輛及軌道系統模型計算中可以用阻尼系數和復特征值兩個參數表示系統的穩定性。依據復特征值分析法，如果系統的全部復特征值都具有負實部則車輛及軌道系統穩定，相反如果實部為正則系統不穩定，當引起摩擦自激振動時，而該復特征值中的虛部就是振動頻率，也是該振動引起的鋼軌波磨的頻率。用阻尼系數表示時如果其值為正，此時阻尼屬于耗能元件。在一些情況下，如果沒有受到激勵，系統在振動中得到能量，此時阻尼系數為負值，隨著時間的推移，系統的振幅慢慢升高，使得系統不再穩定，進而產生了鋼軌波磨。在ABAQUS軟件中分析車輛、軌道系統的不穩定振動振型，進而研究鋼軌波磨的變化情況，通過模型計算可知，系統復特征值實部與摩擦自激振動的激烈程度成正比例，即實部正數的數值越大則振動的不穩定性越強烈，產生鋼軌波磨的概率越大。負阻尼比與摩擦自激振動的趨勢成反比，即負阻尼比越小系統產生振動的不穩定性越強烈，出現鋼軌波磨的概率越大。基于以上計算，摩擦系數與車輛、軌道系統振動的激烈程度成正比例，即摩擦系數越大，振動情況越激烈，產生鋼軌波磨的概率越大。車輛及軌道系統的不穩定振動振型見圖1

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2 車輛相關參數對鋼軌波磨的影響分析

2.1 軸重的影響分析

軸重是軌道交通車輛重要的性能參數，軸重的大小與車輛及軌道的承載能力有關。一般是用輪對所允許承載的重量加上該輪對自身的重量代表軸重。軌道交通車輛軸重不同，車輛在運行過程中對軌道的沖擊力與作用力不同，對輪軌間產生的鋼軌波磨會產生不同的影響。

在應用ABAQUS軟件建立的車輛、軌道系統有限元模型計算中，采用不同的軸重進行加載，得到相應的復特征值，對數值進行分析。通過計算結果可知隨著軸重的增大，復特征值的正實部數值增大，從而加大了鋼軌波磨出現的概率。軸重與復特征值之間的關系見圖2。

由于輪軌沖擊的作用，軌道交通車輛在運行過程中伴隨著一定的振動，此時車輛的一系懸掛就是車輛運行過程中緩解振動的重要組成部分。通過建立的模型分析一系懸掛的剛度及阻尼對車輛鋼軌波磨的影響可知，在剛度變大的情況下，鋼軌表面產生波磨的程度隨之減小。而當阻尼發生改變時，鋼軌表面產生波磨的程度基本不變

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2.2 車輛一系懸掛的影響分析

2018年9月10日，阿里巴巴集團創始人馬云在公開信中宣布：一年后的阿里巴巴20周年之際，他將不再擔任集團董事局主席，屆時由現任集團CEO張勇接任。雖然馬云談及退休二字已不是首次，但此次的阿里傳承計劃仍舊一石激起千層浪，外界整體的反應還是傳遞了積極的信號，業內人士普遍認為此次的權杖交接將實現平穩有序的過渡，不會影響阿里公司的正常運營。

3.3.1 整體剛度影響分析

3 軌道組成對鋼軌波磨的影響分析

3.1 鋼軌材料的影響分析

[4]馬維，等.地物化綜合方法在草原覆蓋區找礦中的應用[J].地質與資源，2014,23：113-121.

3.2 鋼軌初始不平順的影響分析

根據前面內容提到由于摩擦系數和軸重對系統穩定性都存在一定的影響，依據經驗設定系統的摩擦系數μ為0.45，選取軸重為25T在輪對兩側加載相應的載荷，此時的支撐彈簧剛度為給定的標準值，在標準值的基礎上改變支撐彈簧的整體剛度值，分析支撐彈簧整體剛度與復特征值實部之間對應的曲線，得出兩個值之間的大小變化關系。有限元分析結果顯示，彈簧支撐整體剛度與復特征值實部之間不是線性關系，也就是說車輛、軌道系統中的彈簧支撐整體剛度值與系統穩定性之間不是線性關系，而是在一定的外界環境下，例如軌道承受的載荷、軌道的平整度、車輪踏面完整度等實際條件保障良好的情況下彈簧支撐整體剛度有一個最優值。根據彈簧支撐整體剛度-復特征值實部曲線圖優化彈性支撐元件的結構剛度使得控制振動的不穩定性的波動，從而降低鋼軌波磨的出現概率

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3.3 支撐彈簧剛度的影響分析

車輛及軌道組成的復雜系統中，除了輪對鋼軌及軌枕整體結構對于系統的穩定性存在一定影響外，其中包括的一些鋼軌與軌枕之間的連接扣件以及道床的支撐彈簧等元件的結構參數也影響著整個系統振動的穩定性。為了仿真支撐彈簧三種剛度對車輛、軌道系統振動的影響，在ABAQUS軟件建立的模型中通過有限元分析來模擬實際軌道組成系統中連接軌道的扣件以及作為支撐彈簧的彈性墊片，測試其剛度的影響性。通過有限元仿真分析，設置不同的軌道支撐剛度工況，從而獲得在不同的軌道支撐剛度下鋼軌波磨的變化情況，獲得其影響曲線。在研究過程中分別從支撐彈簧的整體剛度、橫向剛度及垂向剛度三種剛度分析支撐彈簧的影響情況。

通過分析不同施鉀處理對鉀肥農學效率的影響，100%OF 處理的鉀肥農學效率最低，為 9.11kg／kg，30%OF＋70%CF處理和50%OF＋50%CF處理的鉀肥農學效率明顯高于其他施鉀處理，分別為21.53、19.44 kg／kg。因此，從甜玉米產量和鉀肥農學效率的結果來看，甜玉米施用30%有機鉀與70%無機鉀可以達到較好的效果。

鋼軌鋪設完畢后，當兩根鋼軌的高度或者左右方向與設計的理想的尺寸存在一定的偏差時我們稱之為軌道不平順，為了保證列車順利運行，既要保證強度要求，又要保證平順性的要求，然而即使鋼軌得到相應的測試及調整，但是由于多方面的原因使得其仍然存在著一定的不平順，這種不平順不僅會限制軌道交通車輛行駛的速度，也會使得軌道交通車輛在運行的過程中產生振動和沖擊，而這種振動和沖擊同時也加劇了鋼軌表面的磨耗程度。軌道不平順主要有高低不平順、水平不平順、扭曲不平順、軌面短波不平順等多種情況

。隨著鋼軌表面磨耗的不斷加深，容易導致列車在運行過程中發生脫軌等安全事故，同時軌道不平順也是引起鋼軌波磨的重要因素之一

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在對ABAQUS軟件建立的模型給定一定的標準參數，在保持垂向剛度值不變的情況下給定支撐彈簧橫向剛度的標準值，在此基礎上改變支撐彈簧橫向剛度，分析支撐彈簧橫向剛度與復特征值實部之間對應的曲線，得出兩者的大小變化關系。通過有限元分析計算可知，兩個參數的對應關系與整體支撐彈簧剛度情況一樣。同樣在計算模型上保持支撐彈簧橫向剛度值不變的情況下改變其垂向剛度，分析支撐彈簧垂向剛度與系統穩定性之間對應的曲線，得到兩個參數的對應關系與整體支撐彈簧剛度情況一基本樣，進而得到支撐彈簧三種剛度對鋼軌波磨的影響與其對系統穩定性影響相一致。

在輪軌系統中，不僅輪對的參數會對鋼軌波磨產生影響，鋼軌材料的耐磨性和硬度也對鋼軌波磨的發展速度存在一定影響，鋼軌表面材料的硬度越大那么鋼軌就會越耐磨，從而使得鋼軌波磨的發生概率減小，然而如果鋼軌波磨一旦發生，它的進展速度就會加快。因此增大鋼軌表面材料的硬度可以有效降低鋼軌波磨的發展進度及速度

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3.3.2 橫向剛度及垂向剛度影響分析

3.4 支撐阻尼的影響分析

前面對摩擦系數、車輛一系懸掛、車輛參數、鋼軌材料、鋼軌初始不平順、支撐彈簧剛度等參數對車輛系統振動穩定性及鋼軌波磨的影響做了一定的分析，那么除此以外，軌道的支撐阻尼也應該進行考慮。通過有限元研究計算可以得到，軌道的支撐阻尼對車輛系統振動穩定性所產生的一定影響。在車輛運行過程中，軌道組成結構中的軌枕、道床以及地基都提供了一定的支撐阻尼，因此在計算的過程中，為了采用模型模擬支撐阻尼，在結構中添加一定的節點以及阻尼單元。采用Q來表示整體軌道提供的支撐阻尼設定的標準值。在計算時，分別設定整體軌道支撐阻尼為0、0.1Q、0.5Q、2Q、5Q及10Q時，得到輪軌系統穩定性的情況，從而得出不同支撐阻尼與系統的復特征值正實部之間的對應關系。

在農業灌溉中，低壓管道輸水灌溉技術是常用的一種灌溉技術。通過低壓管道輸水灌溉技術主要是通過水泵抽水，然后灌溉水通過低壓管道管道輸送到農田，從而達到減少滲漏的效果，從而實現農業節水灌溉的效果。

通過計算可以得出，相對比較有軌道支撐阻尼時出現復特征值實部為正的模態的數目要多一些，同時可以得出當軌道支撐阻尼比較大時，輪軌不穩定振動出現的情況較少一些。因此可以得出，軌道支撐阻尼對于減小輪軌系統的不穩定振動具有一定的促進作用，從而有效的減小鋼軌波磨的發展趨勢。然而軌道支撐阻尼是不是越大，所對應的系統不穩定振動就會減弱的越多呢。這還和系統不穩定振動時所對應的頻率有關，頻率不同時，支撐阻尼所起到的作用也不同。那么，如果想減小系統振動并削弱鋼軌波磨，要確定整個軌道組成部分中合理的支撐阻尼可通過建立輪軌系統模型，通過有限元仿真計算來確定數值。

卷筒紙印刷機折頁機構如圖1所示，主要由曲柄、連桿和折刀桿三部分組成.折刀裝有折刀桿上，折刀桿在曲柄和連桿的帶動下作往復擺動，當紙張從兩輥子上通過時，折刀將紙張推入兩輥子之間，由兩輥子擠壓紙張完成一次橫折動作.

4 結束語

針對車輛系統振動穩定性及鋼軌波磨相應的影響因數進行分析，利用軟件建模對所得數據進行一定的分析和計算，得出摩擦系數、車輛一系懸掛、車輛參數、鋼軌材料、鋼軌初始不平順、支撐彈簧剛度、支撐阻尼及軌道參數等影響因數與鋼軌波磨的產生及發展之間的對應關系，為鋼軌波磨的進一步研究提供一定的依據。

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