摘 要

钢轨波磨已经成为铁路运行的一大危害，为了更便于对钢轨波磨的研究，我们首先设计了双轮实验台，它用来模拟列车在钢轨上运行时的车轮与钢轨的滚动接触状态。通过双轮实验台我们可以测得双轮实验台运行时上轮所承受的垂向载荷、纵向力、横向力、纵向蠕变、横向蠕变、上下轮旋转速度等。本片文章首先建立了一个用来模拟双轮实验台运行过程中的扭振模型，然后基于Hertz接触理论和Kalker简化理论建立了双轮实验台在不同转速运行时的数学模型，该数学模型主要描绘双轮滚动接触时所产生的纵向力和纵向蠕变及扭振之间的关系，以便于研究扭振与钢轨波磨之间的联系。然后给出了一些关于评价双轮实验台双轮波磨程度的理论方法。结果建议使用合适摩擦调节剂改变摩擦因数从而可以调节双轮实验台运行时上轮扭振的幅度，减弱扭振对双轮的波磨程度。研究结果表明：当双轮实验台轮对蠕滑率小于临界蠕滑率时，双轮实验台传动系统的扭转振动的振幅较小，并且会随时间变化迅速收敛到零；而当双轮实验台轮对蠕滑率大于临界蠕滑率时，双轮实验台传动系统将会出现周期性振动的现象；蠕滑率越大，扭振振幅越大；扭转刚度越大，扭振振幅越大。

关键词：纵向蠕变；钢轨波磨；扭振；滚动接触

Abstract

Rail corrugation has become a major hazard in railway operation. In order to facilitate the study of rail corrugation, we first designed a rolling contact two disk test rig, which is used to simulate the rolling contact state between the wheel and the rail when the train is running on a rail. Through the rolling contact two disk test rig, we can measure the vertical load, longitudinal force, lateral force, longitudinal creep, lateral creep, and upper and lower wheel rotation speeds. This article first established a torsional vibration model used to simulate the operation of the rolling contact two disk test rig. And then based on Hertz contact theory and Kalker's simplification theory, we established a mathematical model of the rolling contact two disk test rig running at different speeds. The mathematical model is mainly to explain the relationship between the longitudinal force and the longitudinal creep and torsional vibrations generated during the two-wheel rolling contact. So we can study the relationship between torsional vibration and rail corrugation. Then some theoretical methods for evaluating the Rail corrugation on the rolling contact two disk test rig are given. The results show that when the creep rate is less than the critical creep rate, the amplitude of the torsional vibration is small, and it will quickly converge to zero with time. When the creep rate is greater than the critical creep rate, the system will experience periodic vibration. As the creep rate increases, the amplitude of the torsional vibration also increases. As the torsional stiffness increases, the torsional amplitude increases.

Key Words：Longitudinal creep；Torsional vibration；Rail corrugation；Rolling contact

目录

第 1 章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 国内外的研究 2

1.2.1 关于钢轨波磨的简要综述 2

1.2.2 关于扭振研究的简要综述 3

1.3 本文要点 3

第 2 章 轮轨滚动接触理论的相关理论 5

2.1 基于Hertz接触条件的相关理论的发展 5

2.1.1 Hertz接触理论简介 6

2.1.2 Kalker简化理论简介 6

2.1.3 Carter 和 Fromm 的二维弹性接触理论简介 7

2.2 基于非Hertz 接触条件的相关理论的发展 7

2.3 有限元接触理论的发展 7

2.4 本章小结 8

第 3 章 理论模型 9

3.1 实验台设计及测量方法简介 9

3.2 双轮实验台滚动接触理论分析 11

3.3 波磨评价的方法 16

3.4 本章小结 16

第 4 章 模型的求解及仿真 17

4.1 双轮实验台传动轴扭转刚度的计算方法 17

4.2 运动方程仿真 19

4.3 旋转速度对纵向振动影响 21

4.4 本章小结 24

第 5 章 总结与展望 25

参考文献 26

致谢 28

绪论

高铁技术在我国快速发展，但是随着列车运行次数增加列车轨道一定会出现磨损，那么这些逐渐在钢轨顶部的某些位置沿其纵向面出现一种规律性的类似波浪形状的不平顺的现象，这种现象被称作钢轨的波浪形磨损，简称波磨。调查得到，钢轨波磨是铁路线路上非常普遍存在的一种钢轨损伤形式。在我们的国家，近些年来随着铁路运输不断向重载、高速的方向发展，波磨越来越严重^[1]。当一些列车在通过一些不平整地段的时候会引起列车轮对和车体的剧烈振动，这些原因加速了列车铁轨的损坏，增加了维修费用，而且严重时甚至会危及行车安全，因此研究列车的振动及钢轨的波磨对现实的发展有重大的意义。

背景

随着世界经济的高速发展，如今铁路运输业也越来越兴旺，迄今为止全球铁路总长已经超过120万公里^[2]。而铁轨的波磨现象已成为常见的现象，并引起其他很多的问题，是世界各个部门致力解决的复杂难题。在我国国内，近些年来随着铁路运输不断向重载、高速的方向发展，波磨现象也就也越来越严重。钢轨波磨不仅增加维修成本，而且危及行车安全性，还会影响乘客舒适性。钢轨的波浪形磨耗，加剧了轮轨间的动力作用，加速了铁轨道路结构与车辆部件的损坏，因此进行一定的波磨的研究有利于铁路的发展。钢轨运行中，受到车辆的循环载荷，在钢轨表面会产生不同程度的磨损。波磨是一种普遍的钢轨磨损问题，就此各国研究人员已经提出了一些相应的整理措施。钢轨波磨的形成与列车在运行时的规律性振动有关，有关波磨的成因，有很多不同的见解，尽管很多研究人员已经对波磨进行了许多的研究，但其轮轨相互作用过程是一个非常复杂的摩擦学问题，它涉及到了许多的学科领域，至今还没有形成一个众所公认的理论来分析钢轨波磨形成的机理。设计实验台实验研究是了解波磨成因的重要方法之一，本篇文章考虑到实际线路的运行试验费用非常大大,持续的时间非常长,而且条件又难以控制，因此本文研究采用设计双轮实验台来模拟铁轨运行的状态来研究钢轨波磨的机理。通过大量的参考文献,针对波磨形成的主要影响因,本文设计双轮实验台主要实验研究了载荷、转动速度、蠕滑率等因素对波磨波长的影响。本文主要是应用kalker和Hertz的滚动接触力学的理论对所设计的双轮实验台进行研究研究纵向的摩擦自激振动对波磨的发展规律。

国内外的研究

本文设计了双轮实验台，主要为研究钢轨波磨的形成，而这篇文章的主要内容是论述车轮扭振对钢轨波磨的影响，因此我主要就扭振对波磨的影响两个方面查阅了很多文献，本小节主要是对钢轨波磨和扭振研究两方面的综述。

关于钢轨波磨的简要综述

综合相关研究学者以前对波磨的研究，波磨的成因一般分为动力类和非动力类两种。动力类认为波磨的波长取决于列车运行时振动的特性, 它与轮轨系统中某一种或几种振动形式相关,主要有的 Johnson的接触共振理论^[3]。Y.Suda的轮轨系统垂向自激振动理论^[4]。Clark轮对横向振动理论^[5]。谭立成等人的摩擦自激振动理论^[6]等等。而非动力类将波磨的形成归结于冶金、材质性能、应力变形等等方面的原因,这里面以Baumann的冶金理论^[7]。Feller .H 的锈蚀磨损理论^[8]。Kalousek接触疲劳理论^[9]等等。

在2015年吴杰和陈光熊基于轮轨系统间的摩擦力可能引起摩擦耦合自激振动从而使钢轨轨发生波磨的观点，提出了轮轨系统摩擦自激振动模型^[10]。李源等人认为地铁车辆转向架的前轮在受到轨道冲击后，经构架广义共振作用传递到后轮，因此对于建立的机械振动模型可以看作是一个具有三自由度的机械位移二阶模型^[11]。金学松提出了车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型^[12]。

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