車輛系統(tǒng)振動(dòng)穩(wěn)定性及鋼軌波磨影響因數(shù)研究

在車輛、軌道系統(tǒng)內(nèi)部組成部件的摩擦和沖擊會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)和噪聲，進(jìn)而引起自激振動(dòng)。陳光雄教授對鋼軌波磨的研究具有較多經(jīng)驗(yàn)，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(huì)引起輪軌系統(tǒng)自激振動(dòng)的現(xiàn)象

。輪軌間產(chǎn)生摩擦自激振動(dòng)時(shí)，輪軌間法向壓力和摩擦力所做的功會(huì)隨著振動(dòng)頻率的改變而發(fā)生改變，使得鋼軌表面產(chǎn)生的磨損和磨耗與振動(dòng)頻率相同，這種現(xiàn)象稱為鋼軌波磨

。鋼軌波磨的產(chǎn)生和發(fā)展是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，對于不同國家的線路無法用統(tǒng)一的理論模型解釋運(yùn)行環(huán)境、車輛組成、軌道結(jié)構(gòu)等參數(shù)不同而對鋼軌波磨產(chǎn)生的相應(yīng)影響。通過對車輛及軌道系統(tǒng)摩擦自激振動(dòng)引起的鋼軌波磨影響因數(shù)進(jìn)行研究，對改善鋼軌波磨帶來的輪軌相互作用有重要影響

。

1 摩擦系數(shù)的影響分析

1.1 輪軌間的摩擦系數(shù)

在輪對與鋼軌組成的系統(tǒng)中，兩者之間存在一定的摩擦運(yùn)動(dòng)，輪軌間摩擦運(yùn)動(dòng)計(jì)算中的摩擦系數(shù)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(shù)的大小與相互接觸的物體表面粗糙度大小有關(guān)，而兩物體之間接觸面積的改變并不影響摩擦系數(shù)。雖然在特定的情況下，可以將摩擦系數(shù)等效為一個(gè)恒定的數(shù)值處理。然而在實(shí)際情況下隨著環(huán)境中溫度、濕度的改變或物體間相互運(yùn)動(dòng)情況等因素發(fā)生變化使得摩擦系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生變化。當(dāng)軌道交通車輛沿著軌道運(yùn)行時(shí)，輪對與鋼軌之間的摩擦系數(shù)與其表面的粗糙度有關(guān)，隨著車輛所處的環(huán)境發(fā)生變化，摩擦系數(shù)也在發(fā)生變化，變化的摩擦系數(shù)直接影響著鋼軌波磨。在實(shí)際采用復(fù)特征值分析法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可將輪對與軌道之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.20～0.60之間，在此設(shè)置的基礎(chǔ)上，從而計(jì)算在改變摩擦系數(shù)時(shí)，輪對、軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性等參數(shù)的改變情況，進(jìn)而分析該系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦自激振動(dòng)的情況，產(chǎn)生摩擦自激振動(dòng)的機(jī)理及發(fā)展趨勢將會(huì)如何，從而在此基礎(chǔ)上分析摩擦系數(shù)與鋼軌波磨兩個(gè)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

1.2 摩擦系數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及鋼軌波磨的影響分析

車輛及軌道系統(tǒng)模型計(jì)算中可以用阻尼系數(shù)和復(fù)特征值兩個(gè)參數(shù)表示系統(tǒng)的穩(wěn)定性。依據(jù)復(fù)特征值分析法，如果系統(tǒng)的全部復(fù)特征值都具有負(fù)實(shí)部則車輛及軌道系統(tǒng)穩(wěn)定，相反如果實(shí)部為正則系統(tǒng)不穩(wěn)定，當(dāng)引起摩擦自激振動(dòng)時(shí)，而該復(fù)特征值中的虛部就是振動(dòng)頻率，也是該振動(dòng)引起的鋼軌波磨的頻率。用阻尼系數(shù)表示時(shí)如果其值為正，此時(shí)阻尼屬于耗能元件。在一些情況下，如果沒有受到激勵(lì)，系統(tǒng)在振動(dòng)中得到能量，此時(shí)阻尼系數(shù)為負(fù)值，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)的振幅慢慢升高，使得系統(tǒng)不再穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生了鋼軌波磨。在ABAQUS軟件中分析車輛、軌道系統(tǒng)的不穩(wěn)定振動(dòng)振型，進(jìn)而研究鋼軌波磨的變化情況，通過模型計(jì)算可知，系統(tǒng)復(fù)特征值實(shí)部與摩擦自激振動(dòng)的激烈程度成正比例，即實(shí)部正數(shù)的數(shù)值越大則振動(dòng)的不穩(wěn)定性越強(qiáng)烈，產(chǎn)生鋼軌波磨的概率越大。負(fù)阻尼比與摩擦自激振動(dòng)的趨勢成反比，即負(fù)阻尼比越小系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的不穩(wěn)定性越強(qiáng)烈，出現(xiàn)鋼軌波磨的概率越大。基于以上計(jì)算，摩擦系數(shù)與車輛、軌道系統(tǒng)振動(dòng)的激烈程度成正比例，即摩擦系數(shù)越大，振動(dòng)情況越激烈，產(chǎn)生鋼軌波磨的概率越大。車輛及軌道系統(tǒng)的不穩(wěn)定振動(dòng)振型見圖1

。

2 車輛相關(guān)參數(shù)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(shù)，軸重的大小與車輛及軌道的承載能力有關(guān)。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(yùn)行過程中對軌道的沖擊力與作用力不同，對輪軌間產(chǎn)生的鋼軌波磨會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

在應(yīng)用ABAQUS軟件建立的車輛、軌道系統(tǒng)有限元模型計(jì)算中，采用不同的軸重進(jìn)行加載，得到相應(yīng)的復(fù)特征值，對數(shù)值進(jìn)行分析。通過計(jì)算結(jié)果可知隨著軸重的增大，復(fù)特征值的正實(shí)部數(shù)值增大，從而加大了鋼軌波磨出現(xiàn)的概率。軸重與復(fù)特征值之間的關(guān)系見圖2。

由于輪軌沖擊的作用，軌道交通車輛在運(yùn)行過程中伴隨著一定的振動(dòng)，此時(shí)車輛的一系懸掛就是車輛運(yùn)行過程中緩解振動(dòng)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(chǎn)生波磨的程度隨之減小。而當(dāng)阻尼發(fā)生改變時(shí)，鋼軌表面產(chǎn)生波磨的程度基本不變

。

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(tuán)創(chuàng)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(dān)任集團(tuán)董事局主席，屆時(shí)由現(xiàn)任集團(tuán)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(jì)劃仍舊一石激起千層浪，外界整體的反應(yīng)還是傳遞了積極的信號，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為此次的權(quán)杖交接將實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)有序的過渡，不會(huì)影響阿里公司的正常運(yùn)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(qū)找礦中的應(yīng)用[J].地質(zhì)與資源，2014,23：113-121.

3.2 鋼軌初始不平順的影響分析

根據(jù)前面內(nèi)容提到由于摩擦系數(shù)和軸重對系統(tǒng)穩(wěn)定性都存在一定的影響，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定系統(tǒng)的摩擦系數(shù)μ為0.45，選取軸重為25T在輪對兩側(cè)加載相應(yīng)的載荷，此時(shí)的支撐彈簧剛度為給定的標(biāo)準(zhǔn)值，在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)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(fù)特征值實(shí)部之間對應(yīng)的曲線，得出兩個(gè)值之間的大小變化關(guān)系。有限元分析結(jié)果顯示，彈簧支撐整體剛度與復(fù)特征值實(shí)部之間不是線性關(guān)系，也就是說車輛、軌道系統(tǒng)中的彈簧支撐整體剛度值與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間不是線性關(guān)系，而是在一定的外界環(huán)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(shí)際條件保障良好的情況下彈簧支撐整體剛度有一個(gè)最優(yōu)值。根據(jù)彈簧支撐整體剛度-復(fù)特征值實(shí)部曲線圖優(yōu)化彈性支撐元件的結(jié)構(gòu)剛度使得控制振動(dòng)的不穩(wěn)定性的波動(dòng)，從而降低鋼軌波磨的出現(xiàn)概率

。

3.3 支撐彈簧剛度的影響分析

車輛及軌道組成的復(fù)雜系統(tǒng)中，除了輪對鋼軌及軌枕整體結(jié)構(gòu)對于系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)參數(shù)也影響著整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)的穩(wěn)定性。為了仿真支撐彈簧三種剛度對車輛、軌道系統(tǒng)振動(dòng)的影響，在ABAQUS軟件建立的模型中通過有限元分析來模擬實(shí)際軌道組成系統(tǒng)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(shè)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(nóng)學(xué)效率的影響，100%OF 處理的鉀肥農(nóng)學(xué)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(nóng)學(xué)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(chǎn)量和鉀肥農(nóng)學(xué)效率的結(jié)果來看，甜玉米施用30%有機(jī)鉀與70%無機(jī)鉀可以達(dá)到較好的效果。

鋼軌鋪設(shè)完畢后，當(dāng)兩根鋼軌的高度或者左右方向與設(shè)計(jì)的理想的尺寸存在一定的偏差時(shí)我們稱之為軌道不平順，為了保證列車順利運(yùn)行，既要保證強(qiáng)度要求，又要保證平順性的要求，然而即使鋼軌得到相應(yīng)的測試及調(diào)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(huì)限制軌道交通車輛行駛的速度，也會(huì)使得軌道交通車輛在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，而這種振動(dòng)和沖擊同時(shí)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(dǎo)致列車在運(yùn)行過程中發(fā)生脫軌等安全事故，同時(shí)軌道不平順也是引起鋼軌波磨的重要因素之一

。

在對ABAQUS軟件建立的模型給定一定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)值，在此基礎(chǔ)上改變支撐彈簧橫向剛度，分析支撐彈簧橫向剛度與復(fù)特征值實(shí)部之間對應(yīng)的曲線，得出兩者的大小變化關(guān)系。通過有限元分析計(jì)算可知，兩個(gè)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系與整體支撐彈簧剛度情況一樣。同樣在計(jì)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(tǒng)穩(wěn)定性之間對應(yīng)的曲線，得到兩個(gè)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系與整體支撐彈簧剛度情況一基本樣，進(jìn)而得到支撐彈簧三種剛度對鋼軌波磨的影響與其對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響相一致。

在輪軌系統(tǒng)中，不僅輪對的參數(shù)會(huì)對鋼軌波磨產(chǎn)生影響，鋼軌材料的耐磨性和硬度也對鋼軌波磨的發(fā)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(huì)越耐磨，從而使得鋼軌波磨的發(fā)生概率減小，然而如果鋼軌波磨一旦發(fā)生，它的進(jìn)展速度就會(huì)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(fā)展進(jìn)度及速度

。

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(shù)、車輛一系懸掛、車輛參數(shù)、鋼軌材料、鋼軌初始不平順、支撐彈簧剛度等參數(shù)對車輛系統(tǒng)振動(dòng)穩(wěn)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(yīng)該進(jìn)行考慮。通過有限元研究計(jì)算可以得到，軌道的支撐阻尼對車輛系統(tǒng)振動(dòng)穩(wěn)定性所產(chǎn)生的一定影響。在車輛運(yùn)行過程中，軌道組成結(jié)構(gòu)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(jì)算的過程中，為了采用模型模擬支撐阻尼，在結(jié)構(gòu)中添加一定的節(jié)點(diǎn)以及阻尼單元。采用Q來表示整體軌道提供的支撐阻尼設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值。在計(jì)算時(shí)，分別設(shè)定整體軌道支撐阻尼為0、0.1Q、0.5Q、2Q、5Q及10Q時(shí)，得到輪軌系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況，從而得出不同支撐阻尼與系統(tǒng)的復(fù)特征值正實(shí)部之間的對應(yīng)關(guān)系。

在農(nóng)業(yè)灌溉中，低壓管道輸水灌溉技術(shù)是常用的一種灌溉技術(shù)。通過低壓管道輸水灌溉技術(shù)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(nóng)田，從而達(dá)到減少滲漏的效果，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的效果。

通過計(jì)算可以得出，相對比較有軌道支撐阻尼時(shí)出現(xiàn)復(fù)特征值實(shí)部為正的模態(tài)的數(shù)目要多一些，同時(shí)可以得出當(dāng)軌道支撐阻尼比較大時(shí)，輪軌不穩(wěn)定振動(dòng)出現(xiàn)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(tǒng)的不穩(wěn)定振動(dòng)具有一定的促進(jìn)作用，從而有效的減小鋼軌波磨的發(fā)展趨勢。然而軌道支撐阻尼是不是越大，所對應(yīng)的系統(tǒng)不穩(wěn)定振動(dòng)就會(huì)減弱的越多呢。這還和系統(tǒng)不穩(wěn)定振動(dòng)時(shí)所對應(yīng)的頻率有關(guān)，頻率不同時(shí)，支撐阻尼所起到的作用也不同。那么，如果想減小系統(tǒng)振動(dòng)并削弱鋼軌波磨，要確定整個(gè)軌道組成部分中合理的支撐阻尼可通過建立輪軌系統(tǒng)模型，通過有限元仿真計(jì)算來確定數(shù)值。

卷筒紙印刷機(jī)折頁機(jī)構(gòu)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(dòng)下作往復(fù)擺動(dòng)，當(dāng)紙張從兩輥?zhàn)由贤ㄟ^時(shí)，折刀將紙張推入兩輥?zhàn)又g，由兩輥?zhàn)訑D壓紙張完成一次橫折動(dòng)作.

4 結(jié)束語

針對車輛系統(tǒng)振動(dòng)穩(wěn)定性及鋼軌波磨相應(yīng)的影響因數(shù)進(jìn)行分析，利用軟件建模對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的分析和計(jì)算，得出摩擦系數(shù)、車輛一系懸掛、車輛參數(shù)、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(shù)等影響因數(shù)與鋼軌波磨的產(chǎn)生及發(fā)展之間的對應(yīng)關(guān)系，為鋼軌波磨的進(jìn)一步研究提供一定的依據(jù)。

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