SV 冲击和振动 1875 - 9203 1070 - 9622 Hindawi 10.1155 / 2021/5546809 5546809 研究文章 铁路铁路磨引起的起皱的高速铁路 https://orcid.org/0000 - 0001 - 5814 - 6625 杜 兴 1 金 Xuesong 1 赵 Guotang 2 温 Zefeng 1 李 魏 1 Mazilu 特拉扬· 1 国家重点实验室的牵引力 西南交通大学 成都610031 四川 中国 swjtu.edu.cn 2 中国铁路公司 北京100036年 中国 2021年 11 6 2021年 2021年 11 1 2021年 12 4 2021年 1 6 2021年 11 6 2021年 2021年 版权©2021年邢Du et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

铁路铁路起皱是一种常见的缺陷,包括多样和复杂的因素。铁磨也解决干硬后最常用的方法。通过大量的不规则性测试和1/3倍频程频谱分析,本研究确定的特点和开发过程对高速铁路铁路起皱。磨列车的振动传输特性进行了测试使用力锤影响的方法。此后,使用模拟,垂直振动的影响行为的磨石和液压刚度的确定。通过一系列的现场试验和数值模拟,本研究显示之间存在明确的相关性铁路起皱和铁路研磨和证实,铁路的技术操作磨与普通磨削是密切相关的波长大约60 mm在钢轨表面。的组合的自然振动研磨石(60赫兹的频率)和不恰当的操作过程可能加剧铁路上的磨痕表面,从而形成的初始励磁铁路起皱。尽管大量的不规则性测试执行铁路研磨后,这些wavelength-fixing磨痕会导致铁路起皱的形成和发展。建议改善高速rail-grinding技术也提供。

 中国国家自然科学基金 52002343 中国四川省科技计划 2019年yfh0053 1。介绍

铁路起皱是铁路行业面临的最重要的问题在世界范围内,它影响所有类型的铁路。铁路的形成和发展起皱原因激烈的车辆和轨道结构的振动,噪声( 1),地面和建筑物的振动( 2),减少车辆的结构零件的使用寿命和跟踪 3),和减少车辆行驶舒适 4),也影响轮轨动力( 5]。在某些情况下,严重起皱原因总破坏车辆和轨道。波纹rails导致相当大的维护和更换成本运输公司。因此,理解起皱的生产和经济增长的机制是至关重要的。铁路起皱现象的观察和研究已经超过100年了。取得了实质性进展承认最初的起皱的机制形成,和理论和实验方法已经开发出来 6]。根据铁路起皱,先进的评价研究主要集中在现场调查和实验室实验,理论和数值模拟( 3]。

一些研究人员使用野外观察和实验研究的特点和原因铁路起皱。2002年,佐藤et al。 7)详细讨论的问题在日本铁路起皱。2003年,尼尔森et al。 8]调查高频火车和轨道相互作用,以及不均匀性的机制在切的大小和大半径曲线沿着铁路运行表面的磨损。2013年,李et al。 9]研究了rails的起皱机理为切线和曲线跟踪与科隆的地铁紧固件,包括广泛的测量在网站和数值分析。金等。 3]研究铁路起皱发生的几个中国的城市从2010年开始的地铁线路。调查包括测量、分析和铁路压波形特征的观察,地铁轨道生成干硬后的动态行为,和起皱的分析机制。此外,他们讨论了基本轨制波纹的形成条件和提供了一个详细的压波形特征和地铁轨道特征之间的关系。

此外,学者们已经提出了很多计算模型来理解铁路制波纹形成和发展的机制。这些模型可分为频域理论( 10- - - - - - 14)和起皱的非线性时域理论分析模型( 15- - - - - - 20.]。1986年,弗雷德里克( 21起皱的)提出了一个线性频域理论。1996年,Hempelman和Knothe [ 22)提出了一个先进的短节距的线性模型预测起皱,认为接触力学提供了一个接触滤波器,抑制极短波的起皱的增长。1997年,Igeland和伊利亚斯( 23)提出了起皱增长预测模型基于非线性高频vehicle-track交互,考虑非线性接触力的因素,非线性轮轨接触几何,高频轮轨相互作用。2006年,温 24)提出了铁路压波形计算模型基于磨损机制。模型考虑结合改性石灰的non-Hertzian滚动接触理论,铁路材料磨损模型和垂直和横向耦合动力学半乘用车和一个弯曲的轨道。这个起皱模型比之前报道的更完整的和复杂的。

根据这些发表的研究中,铁路制波纹形成和发展是由因素包括pinned-pinned共振和P2共振的跟踪( 24- - - - - - 27),扭转振动轮副的( 28- - - - - - 30.),通过车辆速度[[ 31日]、[ 32]],紧固系统刚度( 33, 34]。跟踪和起皱的结构特征之间的关系形成和发展,包括铁路违规行为( 35[],轨道几何缺陷 36],卧铺距离( 31日, 37, 38),也表示。最后一个因素( 39, 40)是铁路塑性变形的影响可能饱和的起皱的增长机制。

在一项研究中,铁路磨被发现是一个重要的维护方法,解决铁路起皱,滚动接触疲劳,和穿 41]。在1970年代,这种技术被成功地用于控制轮轨接触力和减少铁路穿在澳大利亚西部 42]。Tyfour [ 43]表明,起皱可以完全从变形层在其最早形成铁路进行磨削时的稳态磨损行为。

一起考虑,铁路起皱和磨削技术上所有先前的研究主要集中在铁路磨的积极作用来解决铁路起皱。我们所知,没有报告磨削的发展可能带来的负面影响铁路起皱。通过众多铁路起皱的不规则性测试和详细的分析,本研究探讨了在高速铁路起皱的特点和开发过程跟踪系统和显示之间存在明确的相关性铁路起皱和铁路研磨。

 2。现场调查在中国的高速铁路

在这项研究中,三个在中国高速铁路运营速度300 km / h 26岁检查网站的铁轨缺陷。轨道上的干硬后表面在几个网站用肉眼可见,如图 1。根据野外观察,三个部分(部分A、B和C)三个铁路选择进行分析,包括切和弯曲的部分(数据 1- - - - - - 3)。一节火车前往北京,曲线半径7000米在中国东部。部分B是一个切部分火车离开北京在中国西南。部分C描述列车前往北京和曲线半径10000米的中国。部分显示了铁路表面几个月后铁路磨削,而部分B和C显示铁路表面研磨后几天。

图片和粗糙度光谱铁路起皱的部分。

照片和粗糙度光谱部分B的铁路起皱。

照片和粗糙度光谱部分C的铁路起皱。

右边的面板数据 1- - - - - - 3显示铁路的1/3倍频程波长违规行为被电车起皱分析。铁路违规行为观察与波长的63和125毫米左右追踪一个节,分别。铁路的最大峰价值起皱是0.08毫米。中心波长,它包含一个主波长63毫米和中等波长的125毫米,表示干硬后的存在。粗糙度水平的主波长63毫米超过6 dB,粗糙度水平极限集的ISO 3095 - 2005。部分B是63毫米的主波长和波长的50 mm也被检测到。最大峰粗糙度值是0.06毫米;部分C,占据主导地位的波长的rails是50毫米左右。起皱的最大峰价值是0.05毫米。磨削治疗应用于三个铁路部分与相同类型的铁路磨床,和他们的三分之一倍频带谱与实际图片的结果一致。

调查显示,除了大量的切线跟踪部分,重要的铁路起皱的波长63毫米和50毫米(如图 2)也出现在切部分连接到多个弯曲部分的结尾,过渡弯曲的部分,和圆曲线部分,如图 4。这表明弯曲铁路部分进行磨削。

粗糙起皱的光谱高和低的rails弯曲的痕迹。

除了上述测试铁路部分经验丰富的磨削,nonground部分(D)部分检查比较地面和nonground跟踪领域的同侧磨的铁路边界区。图 5显示了测试结果和图 6显示了一个实际的照片。部分 D位于同一条直线,部分。

粗糙度光谱的比较在相同的铁路nonground和地面部分。

的照片与nonground部分和地面部分相同的铁路部分D。

结果表明,铁路干硬后与波长的63毫米和125毫米在场地上面积,而没有明显的nonground地区铁路起皱。以上的观察和测试结果表明存在不同程度的地面铁路起皱。起皱是始终以主导波长范围50 - 63 mm和100 - 125毫米。总之,铁路起皱被发现在地面部分而不是nonground部分。此外,相同波长的定期每隔60毫米划痕出现在铁路磨削后表面。这些部分使用相同类型的地面与96年磨床磨石头。

 3所示。导轨磨床的动态特性模拟

基于以上观察,地面轨面更容易受到比nonground铁路表面起皱。因此,rail-grinding技术和振动磨的特性和动态特性,检测分析了列车通过仿真测试。这有助于澄清磨削操作之间的关系和铁路发展起皱。

3.1。Rail-Grinding的分析过程

Rail-grinding技术使用研磨列车测试四个铁路部分(部分A, B, C, D)。磨削速度是12 - 13 km / h,磨削的磨削运动训练为活跃磨3400 - 3600转的转速。磨的铁路主要是通过接触的边缘磨石头与钢铁轨道,虽然沿着铁路的纵向方向,如图 7。

磨石磨机制的原理图。

当研磨石有一个垂直的( x设在)跳动,间隔可以计算使用。 (1) λ = v f = 12 ∼ 13 × 1000年 / 3.6 3400年 ∼ 3600年 / 60 = 56 − 64年 毫米。

如图 8显示,常规划痕每隔大约60毫米后出现在铁表面磨这节是一致的计算结果从方程( 1)。

铁路研磨后磨痕。

有两种类型的高速客运车辆的一个部分,与轴的重量13 t和17 t,每天105对车辆通过,7500万总吨(管理)每年通过。车辆运行速度是300公里/小时。的跟踪、crt三世轨道板和WJ-8紧固系统被使用,和紧固系统的垂直刚度是20 - 40 kN /毫米。铁路不规则调查表明,由于先前grinding-caused起皱是波长的60毫米,划痕的波长大约60毫米可以清楚地看到在钢轨表面即使目前研磨(图 9)。在87th天磨后,波长小于20毫米的粗糙度水平高于磨削。在202nd天,粗糙度水平低于87年th天由于磨损引起的轮轨接触。然而,最初的铁路起皱的特征波长的63毫米被保留。

制波纹铁磨后离开了铁路的发展。

 3.2。铁路磨床动态特性的仿真

进一步调查grinding-caused铁路起皱的波长大约60毫米,rail-grinding程序应用于研究部分模拟使用rail-grinding列车的动态仿真模型。磨铁的形成的原因造成普通钢轨道表面的划痕进行了分析通过考虑垂直振动的影响的磨石磨列车的动态特性。

模型(图 10)使用嗯动态分析软件,包括49个刚体:1教练,2转向架框架,4个车轮,8轴盒,8个独立车轮,2磨床妖怪,8磨床车厢,16磨削汽车。车轮的rail-grinding火车叫做LM,在磨床地位不独立轮转向架称为GW(图 11),钢轨断面是CN 60。轮副的连续的距离是1353毫米,这是一样的连续的独立车轮的距离。切向接触解决方案的动态模拟是基于石灰的简化理论FASTSIM算法实现,和垂直解决方案是基于赫兹接触理论。摩擦系数被假定为常数的值为0.3。解决时间步长为0.0001 s和公园的解决方案直接集成算法的非线性结构动力学方程。

多体模型rail-grinding火车。

铁路磨床砂轮的状况。

rail-grinding车转向架的类似于日元的货车转向架。减少振动实现使用弹簧和摩擦板,和身体和妖怪有关的核心板rail-grinding的火车。侧轴承也减少了振动。所有的转向架的结构弹性组件被忽视。所有元素建模为粘弹性力量元素,考虑所有机械非线性特征(如主要摩擦副、轴承,和核心磁盘)。

铁路磨床的核心组件rail-grinding火车。这个铁路磨床是由四个独立的轮子和支持磨床帧(运输)。在框架内,有四个磨床摇篮,每个气缸有两个偏转两边来控制电动机的偏转角。两个提升气缸提升和下降的磨削运动在每一个摇篮。研磨机连接到磨火车的身体都是由升降气缸在框架的四个角落。结构如图 12。

多体模型的铁路磨床(1)铁路磨床砂轮。(2)铁路磨床转向架。(3)磨床马车。(4)磨床电动机提升机制。(5)磨机马达。(6)牵引杆。(7)起重磨床发动机的气缸。(8)Grinder-carriage偏转的汽缸。(9)铁路磨床转向架千斤顶。

在仿真模型中,指导车轮组装在完全独立的对被安装在磨车架通过固定连接。车架和车身通过升降气缸和牵引杆连接的设计考虑刚度和阻尼的元素。摇篮的角度固定后,偏转缸与车架连接刚度和阻尼元素。

考虑实际情况,磨床的起重机构电动机设计有一个标准的六角结构、磨床的摇篮和电机安装在两端。这种设计允许电动机通过上下运动的操作起重气动缸作为刚度和阻尼元素。磨床电机通过接触,接触轨面元素可以对研磨石动力模拟实际rail-grinding过程中切削力。

在典型的液压系统,液压油通常被认为是一个绝对刚体,不可压缩;因此,在轻载压缩造成的影响和缓慢的系统通常可以忽略不计。然而,在分别动态条件下或在快速伺服系统中,液压系统的刚度通常是系统性能的限制因素。因此,在未来的研究应考虑。磨车的液压系统是一个动态的高负载伺服液压系统,应考虑刚度的影响。

确定磨的液压刚度汽车控制系统,有必要考虑液压油的体积在汽缸和气缸之间的管道和液压伺服阀 44]。因此,使用以下方程: (2) C T = E ⋅ 一个 1 2 V l 1 + V l 2 + 一个 2 2 V l 2 + V 正确的 , 在哪里 C T 液压刚度, E 液压油体积弹性模量, V 左 和 V 正确的 液压油量在液压缸的左右,分别 一个 1 和 一个 2 活塞方面左右的液压缸,分别和 V l 1 和 V l 2 液压油量在管道连接到汽缸的左右,分别。

对液压缸和双方不同的地区,如果双方的面积和液压油体积比的液压缸不是很大,最小刚度假定发生在中风的中点。

随后,计算刚度是纳入仿真模型。探讨磨削铁路上的磨石的过程,他们的交互是模拟使用白噪声激励。同样,确定轨道表面的磨削性能,同样的方法被用来模拟磨床车轮和轨道之间的相互作用。

垂直振动频谱的磨削运动计算,如图 13。可以看出,宽带激励导致的振动频率53-57赫兹在垂直磨削运动的方向。在11 - 13公里/小时的速度,在这些频率的振动会引起磨痕的波长轨面60毫米。

垂直振动频谱白噪声激励下的运动。

接下来,偏转汽缸的刚度的影响磨削汽车垂直振动频率的确定在不同速度条件下在一个固定的偏转角。图 14显示振动频率和波长之间的关系曲线时,磨削速度从3增加到15公里/小时,和刚度挠度气缸1×10的范围62×108N / m。可以看出,挠度的振动频率随刚度的气缸,从而导致不同的振动波长。刚度时低于7×107N / m,磨削操作容易引起裂缝的波长轨面60毫米。

磨削裂纹的长度在不同刚度的水平偏转缸和不同的磨削速度。

 4所示。测试和验证的车辆和轨道振动特性 4.1。导轨磨床的振动频率特性测试

验证动态建模与仿真结果和进一步确定磨削系统的振动响应,力锤测试进行磨削的磨削装置训练(图 15)。系统的频率特性函数(降维)获得了基于输入激励和输出响应之间的关系在特定频率。了结构,它反映了系统的输入和输出之间的关系,是一个重要的频域特征参数的系统,可以用来识别模态参数。

现场振动测试的rail-grinding火车。

结构的误差也可以测量通过应用激励结构。力锤和振动台试验是两种常见的激励方法。前者是利用在这项研究中,因为它是快速和方便,使用力锤(型号8206 - 002 B & K Co .)和12-channel数据采集系统(B & K有限公司)。

锤子是用于研磨单元内的位置,可能是兴奋在实际操作过程中,设置为兴奋的点和激励的来源。在这项研究中,六个兴奋的点(导向轮,框架,框架的中点,点帧的长度的1/4,车辆的连接点的身体,和地面)被选中(图 16)。导向轮被选为一个兴奋的点来检测地面的垂直响应的干扰下轨面不规则当磨刀石和铁轨接触。

兴奋的点不同组件的铁路磨床。

帧之间的连接点和车身被选为一个兴奋的点测试影响地面垂直振动的车身在不同的频率。结束的框架,框架的中点,点帧的长度的1/4选择检查帧的影响对地面的垂直振动的自振。此外,这个选择考虑轨面违规行为的影响和对地面的垂直振动磨削操作石头当磨刀石磨期间接触轨道。

加速度传感器用于检测反应结束时沿着垂直框架和磨刀石,横向和纵向方向。图 17显示垂直磨刀石在不同荷载下的响应。磨石垂直振实的主导频率的范围50 - 60 Hz的垂直敲磨车架和磨刀石,在重要的频率大约48赫兹和70赫兹导向轮和车架之间的连接点和身体被撞,分别。这个结果是一致的频率磨削是磨削汽车造成的。

导轨磨床的加速度频率响应不同的组件。(一)激动人心的grinder转向架。(b)激动人心的轮子。(c)激动人心的磨石。(d)令人兴奋的汽车的联合身体和磨床转向架。

 4.2。振动频率特性测试的追踪

指Sageghi教授的研究( 45),轨道结构参数对轨道几何不规则性有一定的影响。阐明振动频率之间的关系和跟踪谐振频率,频率响应加速度跟踪的起皱部分研究方法使用锤击的影响。测试结果在部分顾先生的博士论文引用,如图 18和 19( 46]。

垂直加速度传递函数应用于垂直激励时跟踪段上方的卧铺。

垂直加速度传递函数,当一个垂直激励应用于轨道段中间的跨度的卧铺。

数据 18和 19描绘的垂直加速度传递函数托卧铺和钢铁轨道区段上面和中间的卧铺跨越当卧铺当上面的轨道段轨道中间的轨道跨度是垂直敲门,分别。

如图 18激发时,应用于紧固件上方的部分(即。,when the wheel run through the top of the fastener), the track segment above the fastener showed relatively more sensitive frequency ranges of 130–150 Hz, 810 Hz, 1000 Hz, and 1150–1270 Hz. Similarly, Figure 19激发时显示应用到轨道中间的跨度(即。,when the wheel was running through the middle of a track span), the part of the track in the middle of the span had relatively more sensitive frequency ranges of 130–150 Hz, 700–820 Hz, 920 Hz, and 1000–1050 Hz.

主导现场测试过程中观察到波长的铁路起皱是50 - 65 mm和100 - 125毫米。列车平均速度通过波纹铁路270公里/小时。相应地,列车通过波纹轨的频率如下: (3) f 1 = v λ = 270年 × 1000年 / 3.6 50 ∼ 65年 = 1150年 − 1500年 赫兹 , f 2 = v λ = 270年 × 1000年 / 3.6 One hundred. ∼ 125年 = 600年 − 750年 赫兹 。

的垂直pinned-pinned共振频率跟踪和列车的经过1150 - 1500赫兹的频率与波长主要起皱波纹轨50 - 65毫米的相似,这可能导致共振。这是符合现场观察,追踪显示垂直弯曲振动主要是在1150 - 1270赫兹的频率范围。换句话说,垂直弯曲振动的频率范围是类似于1150 - 1500赫兹的频率传递列车在瓦楞铁主要起皱的波长50 - 65毫米。

因此,通过频率与垂直pinned-pinned共振频率,表明铁路的发展起皱的特征波长50 - 65毫米与垂直弯曲共振(主要是垂直pinned-pinned共振)的轨道。此外,这个轨道的垂直共振的频率范围(700 - 820赫兹)类似于600 - 750赫兹的频率传递铁路起皱的二次波长125 - 160毫米。这表明铁路起皱的产生二次波长为100 - 125毫米与700 - 820赫兹谐振的轨道。

总之,重要的波长铁路起皱与垂直pinned-pinned共振在轨道结构的振动特性,和二次波长的铁路起皱是相互关联的轨道板的垂直共振( 46]。因此,当车轮的频率和铁路兴奋的研磨马克的pinned-pinned频率是一致的铁路、铁路可能发生起皱。图 9显示了起皱的发展过程在同一测试部分。

 5。结论

这项研究调查了磨削操作过程之间的关系和铁路起皱的发展利用现场测量描述铁路起皱,仿真模型分析rail-grinding列车的动态特性,并迫使锤测试进一步检查磨削系统的振动特性。主要的结论和建议如下:

现场调查表明,磨削操作与磨削列车运行的速度大约12 - 13 km / h很容易导致常规穿标志的波长大约60毫米轨面;

使用研磨列车的动态仿真模型在不同的振动和力锤测试点,这项研究表明研磨火车的操作会引起地面振动60赫兹的频率;

磨床液压系统刚度的条件和磨痕的间隔可以改变通过改变磨削速度;

当车轮的频率和铁路兴奋的研磨马克的pinned-pinned频率是一致的铁路、铁路可能发生起皱。

鉴于磨削操作的影响和自然振动研磨列车的特点,常规磨削痕迹可以触发pinned-pinned铁轨的共振频率,从而加速铁路起皱的形成和发展 47]。建议调整磨削速度钢轨表面产生某些违规行为根据铁路上的列车旅行速度,从而避免造成的风险pinned-pinned共振的轨道。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号52002343)和中国的四川省科技计划(批准号2019 yfh0053)。

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