车线动力学(应用2)解说.ppt

第四节 　钢轨波形磨耗成因及预防减缓措施 滚滑接触表面，如铁路钢轨和车轮表面、公路路面及滚滑接触的机械零件表面，经常出现一种不均匀的表面波状变形现象，这种波状变形（不均匀磨损、不均匀塑性变形、或两者的综合效应）称之为波形磨耗，简称波磨。 波磨一经形成，则造成接触表面的不平顺，引发动力作用，加大动作用力、振动和噪声，急剧缩短相关零部件的使用寿命。 关于波形磨耗的研究已有一百多年的历史，但其形成原因及预措施目前尚未能完全解决。 一、钢轨波形磨耗的研究概况及成因理论 钢轨波形磨耗出现得非常普遍。 波形磨耗主要出现在重载运输线上，尤其在运煤运矿专线上特别严重，在高速客运专线上也不同程度的发生，城市地铁上也较为普遍。 列车速度较高的铁路上，主要发生短波磨耗，一般出现在直线和制动地段。 在车速较低的重载运输线上，主要发生长波磨耗，一般出现在曲线地段。 1．钢轨波磨的影响因素及研究简况 影响钢轨波磨发生发展的因素很多，涉及到钢轨材质、线路及机车车辆条件等多个方面。 一个多世纪以来，国内外许多专家学者对波磨成因进行了广泛的研究。波磨初期研究高潮、波磨整治措施、打磨的有效性、1980年代研究高潮。 国内自1980年代初开始研究。在轮轨接触共振、轮对扭转张弛振动、轮对弯曲张弛振动、轨头塑性变形及磨耗特性等方面进行了研究。 波磨问题迄今尚未取得共识，离波磨成因问题的彻底解决还有一定距离。 2．钢轨波磨的成因理论分类 波磨成因理论分为两类：动力类、非动力类。 动力类成因理论认为：轮轨作用力因振动而出现波动，一定条件下钢轨产生波磨，波磨可能是不均匀磨耗、不均匀塑性变形或两种成分的混合。 非动力类成因理论认为：即使轮轨作用力为常值，也会因为不均匀塑性变形及磨损等原因形成波磨。 动力类成因理论又可分为自激振动、共振和反馈振动三类。 自激振动理论注重轮轨系统中的自激因素、振动形式和形成条件。波磨的形成和发展受同一振动形式控制。 反馈振动是指在重复荷载条件下，振动逐步加强的激化过程。由“不平顺－振动－更大的不平顺－更强的振动”构成波磨形成及发展的恶性循环，波磨越严重，其发展速率越大。 共振理论注重分析轮轨系统中周期性变化的因素对振动和波磨形成的影响。 3．主要波磨成因理论的要点 轮轨接触共振理论。表面存在的单个不平顺或随机表面粗糙度。单个不平顺使系统受瞬时激振，在激振点前方造成一系列衰减的塑性压痕，其间距取决于接触共振频率。随机粗糙表面情况下，系统对粗糙度频谱中接近接触共振频率的部分产生放大作用，接触共振使特定的波长得到加强，在下一次载荷通过时激化更强的振动，从而逐渐形成波磨。 轮轨系统垂向振动理论 ① 轮轨系统垂向共振理论。钢轨表面存在波长随机分布的不平顺，垂向共振将与垂向振动固有频率相对应的波长成分放大，随机不平顺的带宽逐渐减小，垂向振动被激化。 ② 轮轨系统垂向“自激”振动理论。第一阶段是波磨的产生，第二阶段是波磨的发展。波磨的产生是随机振动所引起的钢轨表面塑性变形的结果，而波磨的发展却与波磨频率和轮轨系统垂向振动的固有频率有关，只有当既有波磨的激振频率小于系统的共振频率时波磨才会发展。 ③ 钢轨表面原始不平顺理论。钢轨上道时轨面存在几何不平顺，车轮经过时产生附加力作用，振动对既定钢轨点的重复作用促成波磨。 ④ 轮轨系统高频振动理论。波磨主要依赖于钢轨原始不平顺，是间断支承轨道－车轮系统共振峰值的直接反应。采用连续支承轨道可消除共振峰值，预防波磨的形成。 ⑤ 轨枕弯曲振动理论。波磨波长与轨枕弯曲振动频率有密切联系，波磨是由于轨枕的弯曲振动产生的。 轮对振动理论 ① 轮对横向振动理论。 “小提琴模”。轮对运行于间断支承的钢轨上，一定车速下发生横向共振或次共振。 ② 轮对弯曲振动理论。轮对弯曲振动可表现为自激振动或反馈振动。一阶、三阶振动分别引起长、短波磨。 ③ 轮对扭转振动理论。轮轨间纵横向蠕滑力周期性波动是波磨的成因。 ④ 轮对扭转张驰振动理论。轮轨间蠕滑力饱和后的骤降引起轮对扭转张驰振动。 磨耗功波动理论。波磨是多个原因引起的。轮轨间的磨耗功的波动反映了轮轨系统中多种振动形式的综合影响，是形成波磨的原因。 二、我国重载线路上钢轨波磨的特征 1．波磨多发地段的线路及运营特点 （１）波磨一般出现在曲线地段曲线半径越小，波磨出现和发展速率越快。直线地段很少出现波磨。 （２）制动地段波磨严重半径稍大的曲线地段，波磨出现取决于列车运行工况，制动地段波磨较容易发生。 （３）轨道弹性对波磨的发生发展影响较大路基、道床及轨枕弹性对波磨有明显影响。 2．波磨的分类及发生特点 （1）长波磨耗。波长200－700mm，出现在曲线外轨。 （2）中长波磨耗。个别缓和曲线（对应的圆曲线半径较小）的外轨上发现波长150mm且波深波长非常均匀的中长波。 （3）短波磨耗。曲