车辆系统振动稳定性及钢轨波磨影响因数研究

在车辆、轨道系统内部组成部件的摩擦和冲击会产生一定的振动和噪声，进而引起自激振动。陈光雄教授对钢轨波磨的研究具有较多经验，在他的文章中首先提出了在外界条件允许情况下，饱和蠕滑力会引起轮轨系统自激振动的现象

。轮轨间产生摩擦自激振动时，轮轨间法向压力和摩擦力所做的功会随着振动频率的改变而发生改变，使得钢轨表面产生的磨损和磨耗与振动频率相同，这种现象称为钢轨波磨

。钢轨波磨的产生和发展是一个非常复杂的过程，对于不同国家的线路无法用统一的理论模型解释运行环境、车辆组成、轨道结构等参数不同而对钢轨波磨产生的相应影响。通过对车辆及轨道系统摩擦自激振动引起的钢轨波磨影响因数进行研究，对改善钢轨波磨带来的轮轨相互作用有重要影响

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1 摩擦系数的影响分析

1.1 轮轨间的摩擦系数

在轮对与钢轨组成的系统中，两者之间存在一定的摩擦运动，轮轨间摩擦运动计算中的摩擦系数是指轮对与钢轨相互接触面之间的摩擦力和法向压力之间的比值。摩擦系数的大小与相互接触的物体表面粗糙度大小有关，而两物体之间接触面积的改变并不影响摩擦系数。虽然在特定的情况下，可以将摩擦系数等效为一个恒定的数值处理。然而在实际情况下随着环境中温度、湿度的改变或物体间相互运动情况等因素发生变化使得摩擦系数也会产生变化。当轨道交通车辆沿着轨道运行时，轮对与钢轨之间的摩擦系数与其表面的粗糙度有关，随着车辆所处的环境发生变化，摩擦系数也在发生变化，变化的摩擦系数直接影响着钢轨波磨。在实际采用复特征值分析法进行计算时，可将轮对与轨道之间的摩擦系数设置为0.20～0.60之间，在此设置的基础上，从而计算在改变摩擦系数时，轮对、轨道系统的稳定性等参数的改变情况，进而分析该系统产生摩擦自激振动的情况，产生摩擦自激振动的机理及发展趋势将会如何，从而在此基础上分析摩擦系数与钢轨波磨两个参数之间的对应关系。

1.2 摩擦系数对系统稳定性及钢轨波磨的影响分析

车辆及轨道系统模型计算中可以用阻尼系数和复特征值两个参数表示系统的稳定性。依据复特征值分析法，如果系统的全部复特征值都具有负实部则车辆及轨道系统稳定，相反如果实部为正则系统不稳定，当引起摩擦自激振动时，而该复特征值中的虚部就是振动频率，也是该振动引起的钢轨波磨的频率。用阻尼系数表示时如果其值为正，此时阻尼属于耗能元件。在一些情况下，如果没有受到激励，系统在振动中得到能量，此时阻尼系数为负值，随着时间的推移，系统的振幅慢慢升高，使得系统不再稳定，进而产生了钢轨波磨。在ABAQUS软件中分析车辆、轨道系统的不稳定振动振型，进而研究钢轨波磨的变化情况，通过模型计算可知，系统复特征值实部与摩擦自激振动的激烈程度成正比例，即实部正数的数值越大则振动的不稳定性越强烈，产生钢轨波磨的概率越大。负阻尼比与摩擦自激振动的趋势成反比，即负阻尼比越小系统产生振动的不稳定性越强烈，出现钢轨波磨的概率越大。基于以上计算，摩擦系数与车辆、轨道系统振动的激烈程度成正比例，即摩擦系数越大，振动情况越激烈，产生钢轨波磨的概率越大。车辆及轨道系统的不稳定振动振型见图1

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2 车辆相关参数对钢轨波磨的影响分析

2.1 轴重的影响分析

轴重是轨道交通车辆重要的性能参数，轴重的大小与车辆及轨道的承载能力有关。一般是用轮对所允许承载的重量加上该轮对自身的重量代表轴重。轨道交通车辆轴重不同，车辆在运行过程中对轨道的冲击力与作用力不同，对轮轨间产生的钢轨波磨会产生不同的影响。

在应用ABAQUS软件建立的车辆、轨道系统有限元模型计算中，采用不同的轴重进行加载，得到相应的复特征值，对数值进行分析。通过计算结果可知随着轴重的增大，复特征值的正实部数值增大，从而加大了钢轨波磨出现的概率。轴重与复特征值之间的关系见图2。

由于轮轨冲击的作用，轨道交通车辆在运行过程中伴随着一定的振动，此时车辆的一系悬挂就是车辆运行过程中缓解振动的重要组成部分。通过建立的模型分析一系悬挂的刚度及阻尼对车辆钢轨波磨的影响可知，在刚度变大的情况下，钢轨表面产生波磨的程度随之减小。而当阻尼发生改变时，钢轨表面产生波磨的程度基本不变

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2.2 车辆一系悬挂的影响分析

2018年9月10日，阿里巴巴集团创始人马云在公开信中宣布：一年后的阿里巴巴20周年之际，他将不再担任集团董事局主席，届时由现任集团CEO张勇接任。虽然马云谈及退休二字已不是首次，但此次的阿里传承计划仍旧一石激起千层浪，外界整体的反应还是传递了积极的信号，业内人士普遍认为此次的权杖交接将实现平稳有序的过渡，不会影响阿里公司的正常运营。

3.3.1 整体刚度影响分析

3 轨道组成对钢轨波磨的影响分析

3.1 钢轨材料的影响分析

[4]马维，等.地物化综合方法在草原覆盖区找矿中的应用[J].地质与资源，2014,23：113-121.

3.2 钢轨初始不平顺的影响分析

根据前面内容提到由于摩擦系数和轴重对系统稳定性都存在一定的影响，依据经验设定系统的摩擦系数μ为0.45，选取轴重为25T在轮对两侧加载相应的载荷，此时的支撑弹簧刚度为给定的标准值，在标准值的基础上改变支撑弹簧的整体刚度值，分析支撑弹簧整体刚度与复特征值实部之间对应的曲线，得出两个值之间的大小变化关系。有限元分析结果显示，弹簧支撑整体刚度与复特征值实部之间不是线性关系，也就是说车辆、轨道系统中的弹簧支撑整体刚度值与系统稳定性之间不是线性关系，而是在一定的外界环境下，例如轨道承受的载荷、轨道的平整度、车轮踏面完整度等实际条件保障良好的情况下弹簧支撑整体刚度有一个最优值。根据弹簧支撑整体刚度-复特征值实部曲线图优化弹性支撑元件的结构刚度使得控制振动的不稳定性的波动，从而降低钢轨波磨的出现概率

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3.3 支撑弹簧刚度的影响分析

车辆及轨道组成的复杂系统中，除了轮对钢轨及轨枕整体结构对于系统的稳定性存在一定影响外，其中包括的一些钢轨与轨枕之间的连接扣件以及道床的支撑弹簧等元件的结构参数也影响着整个系统振动的稳定性。为了仿真支撑弹簧三种刚度对车辆、轨道系统振动的影响，在ABAQUS软件建立的模型中通过有限元分析来模拟实际轨道组成系统中连接轨道的扣件以及作为支撑弹簧的弹性垫片，测试其刚度的影响性。通过有限元仿真分析，设置不同的轨道支撑刚度工况，从而获得在不同的轨道支撑刚度下钢轨波磨的变化情况，获得其影响曲线。在研究过程中分别从支撑弹簧的整体刚度、横向刚度及垂向刚度三种刚度分析支撑弹簧的影响情况。

通过分析不同施钾处理对钾肥农学效率的影响，100%OF 处理的钾肥农学效率最低，为 9.11kg／kg，30%OF＋70%CF处理和50%OF＋50%CF处理的钾肥农学效率明显高于其他施钾处理，分别为21.53、19.44 kg／kg。因此，从甜玉米产量和钾肥农学效率的结果来看，甜玉米施用30%有机钾与70%无机钾可以达到较好的效果。

钢轨铺设完毕后，当两根钢轨的高度或者左右方向与设计的理想的尺寸存在一定的偏差时我们称之为轨道不平顺，为了保证列车顺利运行，既要保证强度要求，又要保证平顺性的要求，然而即使钢轨得到相应的测试及调整，但是由于多方面的原因使得其仍然存在着一定的不平顺，这种不平顺不仅会限制轨道交通车辆行驶的速度，也会使得轨道交通车辆在运行的过程中产生振动和冲击，而这种振动和冲击同时也加剧了钢轨表面的磨耗程度。轨道不平顺主要有高低不平顺、水平不平顺、扭曲不平顺、轨面短波不平顺等多种情况

。随着钢轨表面磨耗的不断加深，容易导致列车在运行过程中发生脱轨等安全事故，同时轨道不平顺也是引起钢轨波磨的重要因素之一

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在对ABAQUS软件建立的模型给定一定的标准参数，在保持垂向刚度值不变的情况下给定支撑弹簧横向刚度的标准值，在此基础上改变支撑弹簧横向刚度，分析支撑弹簧横向刚度与复特征值实部之间对应的曲线，得出两者的大小变化关系。通过有限元分析计算可知，两个参数的对应关系与整体支撑弹簧刚度情况一样。同样在计算模型上保持支撑弹簧横向刚度值不变的情况下改变其垂向刚度，分析支撑弹簧垂向刚度与系统稳定性之间对应的曲线，得到两个参数的对应关系与整体支撑弹簧刚度情况一基本样，进而得到支撑弹簧三种刚度对钢轨波磨的影响与其对系统稳定性影响相一致。

在轮轨系统中，不仅轮对的参数会对钢轨波磨产生影响，钢轨材料的耐磨性和硬度也对钢轨波磨的发展速度存在一定影响，钢轨表面材料的硬度越大那么钢轨就会越耐磨，从而使得钢轨波磨的发生概率减小，然而如果钢轨波磨一旦发生，它的进展速度就会加快。因此增大钢轨表面材料的硬度可以有效降低钢轨波磨的发展进度及速度

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3.3.2 横向刚度及垂向刚度影响分析

3.4 支撑阻尼的影响分析

前面对摩擦系数、车辆一系悬挂、车辆参数、钢轨材料、钢轨初始不平顺、支撑弹簧刚度等参数对车辆系统振动稳定性及钢轨波磨的影响做了一定的分析，那么除此以外，轨道的支撑阻尼也应该进行考虑。通过有限元研究计算可以得到，轨道的支撑阻尼对车辆系统振动稳定性所产生的一定影响。在车辆运行过程中，轨道组成结构中的轨枕、道床以及地基都提供了一定的支撑阻尼，因此在计算的过程中，为了采用模型模拟支撑阻尼，在结构中添加一定的节点以及阻尼单元。采用Q来表示整体轨道提供的支撑阻尼设定的标准值。在计算时，分别设定整体轨道支撑阻尼为0、0.1Q、0.5Q、2Q、5Q及10Q时，得到轮轨系统稳定性的情况，从而得出不同支撑阻尼与系统的复特征值正实部之间的对应关系。

在农业灌溉中，低压管道输水灌溉技术是常用的一种灌溉技术。通过低压管道输水灌溉技术主要是通过水泵抽水，然后灌溉水通过低压管道管道输送到农田，从而达到减少渗漏的效果，从而实现农业节水灌溉的效果。

通过计算可以得出，相对比较有轨道支撑阻尼时出现复特征值实部为正的模态的数目要多一些，同时可以得出当轨道支撑阻尼比较大时，轮轨不稳定振动出现的情况较少一些。因此可以得出，轨道支撑阻尼对于减小轮轨系统的不稳定振动具有一定的促进作用，从而有效的减小钢轨波磨的发展趋势。然而轨道支撑阻尼是不是越大，所对应的系统不稳定振动就会减弱的越多呢。这还和系统不稳定振动时所对应的频率有关，频率不同时，支撑阻尼所起到的作用也不同。那么，如果想减小系统振动并削弱钢轨波磨，要确定整个轨道组成部分中合理的支撑阻尼可通过建立轮轨系统模型，通过有限元仿真计算来确定数值。

卷筒纸印刷机折页机构如图1所示，主要由曲柄、连杆和折刀杆三部分组成.折刀装有折刀杆上，折刀杆在曲柄和连杆的带动下作往复摆动，当纸张从两辊子上通过时，折刀将纸张推入两辊子之间，由两辊子挤压纸张完成一次横折动作.

4 结束语

针对车辆系统振动稳定性及钢轨波磨相应的影响因数进行分析，利用软件建模对所得数据进行一定的分析和计算，得出摩擦系数、车辆一系悬挂、车辆参数、钢轨材料、钢轨初始不平顺、支撑弹簧刚度、支撑阻尼及轨道参数等影响因数与钢轨波磨的产生及发展之间的对应关系，为钢轨波磨的进一步研究提供一定的依据。

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