冲击和振动

冲击和振动/2021./文章

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体积 2021. |文章ID. 5546809. | https://doi.org/10.1155/2021/5546809

兴杜,雪松金,郭塘赵,Zefeng Wen,Wei Li 轨道磨削诱导的高速铁路铁路波纹“,冲击和振动 卷。2021. 文章ID.5546809. 14. 页面 2021. https://doi.org/10.1155/2021/5546809

轨道磨削诱导的高速铁路铁路波纹

学术编辑:Traian Mazilu.
已收到 2021年1月11日
修改 2021年4月12日
公认 201年6月01日
发表 2021年6月11日

摘要

铁路波纹是一种常见的铁路缺陷,涉及多种和复杂的因素。轨道研磨也是最常用的方法来解决波纹。通过许多不规则性测试和三分之一八度频谱分析,研究了高速轨道轨道轨道波纹的特性和开发过程。使用力锤冲击方法测试研磨列车的振动传动特性。此后,使用模拟,确定研磨石的垂直振动行为的影响和液压系统的刚度。通过一系列现场测试和数值模拟,本研究揭示了轨道波纹和轨道研磨之间的明显相关性,并确认轨道研磨的技术操作与轨道表面上大约60mm的波长的规则研磨标记密切相关。磨石的自然振动(60 Hz的频率)的组合和不适当的操作程序可以加剧轨道表面上的研磨标记,从而形成轨道波纹的初始激发。尽管在轨道研磨后进行了大量的不规则测试,但是这些波长固定的研磨标记可能导致轨道波纹的形成和开发。还提供了改进高速轨道磨削技术的建议。

1.介绍

铁路波纹是全球铁路行业面临的最重要问题之一,它会影响各种类型的铁路。铁路波纹的形成和开发导致车辆和轨道结构中的激烈振动,噪音[1]、地面及建筑物震动[2],减少车辆和轨道的结构部位的使用寿命[3.]而且减少车辆乘坐舒适[4.]并且还影响车轮/轨动力动力[5.]。在某些情况下,严重的波纹导致总销毁车辆和轨道。瓦楞纸导致运输公司的维护和更换成本相当大。因此,了解瓦楞生产和生长的机制至关重要。已经观察到轨道波纹的现象超过100年。在认识到初始波纹形成机制方面取得了实质性进展,并开发了理论和实验方法[6.]。据轨道波纹的最先进的评论,研究专注于现场调查和实验室实验,以及理论和数值模型[3.]。

一些研究人员通过现场观测和实验研究了钢轨波纹的特性和产生原因。2002年,Sato等人[7.[详细讨论了日本铁路波纹的问题。2003年,Nielsen等人。[8.[调查的高频火车和轨道相互作用,以及沿着轨道磨损表面的切线幅度和大的半径曲线的不均匀性机制。2013年,李等人。[9.[COLOGNE紧固件的地铁切线和弯曲轨道的轨道的波纹机制调查,包括在网站上进行广泛的测量和数值分析。金等人。[3.从2010年开始的几个中国城市的地铁线路发生的调查导轨波纹。该调查包括导轨波纹特性的测量,分析和观察,产生波纹的地铁轨道的动态行为,以及瓦楞机构的分析。此外,他们讨论了轨道波纹形成的基本条件,并介绍了波纹特性与地铁轨道特性之间的详细关系。

此外,学者还提出了许多计算模型来了解铁路波纹形成和发展的机制。这些模型可以分为频域理论[10.-14.]波纹分析模型的非线性时域理论[15.-20.]。1986年,弗雷德里克[21.]提出了一种线性频率域的波纹理论。1996年,Hempelman和Knothe [22.]提出了一种预测短节距波磨的高级线性模型,该模型认为接触力学提供了一种抑制极短波长的波磨增长的接触滤波器。1997年,Igeland和Ilias [23.基于非线性高频车辆轨道相互作用的波纹生长预测模型提出了非线性接触力,非线性轮轨接触几何形状和高频轮轨相互作用的因素。2006年,文[24.]基于磨损机制提出了一种轨道波纹计算模型。该模型被认为是改进的Kalker的非赫兹滚动接触理论,轨道材料磨损模型以及半乘用车和弯曲轨道的垂直和横向耦合动力学的组合。这种波纹模型比以前报道的那些波纹模型更完整和复杂。

根据这些公布的研究,轨道波纹形成和开发是由包括固定钉扎的共振和轨道的谐振的因素引起的[24.-27.],扭转振动的螺纹[28.-30.],车辆的速度[[31.]、[32.]和紧固系统刚度[33.34.]。轨道和波纹形成与发展的结构特征与轨道不规的关系[35.],轨道几何缺陷[36.睡眠距离[31.37.38.]也表明了。最后一个因素[39.40.]是钢轨塑性变形的影响,作为一种可能的波纹增长饱和机制。

在一项研究中,发现轨道研磨是一种寻址铁路波纹,滚动接触疲劳和磨损的重要维护方法[41.]。20世纪70年代,该技术成功地控制了轮轨接触力并减少了西澳大利亚的铁路磨损[42.]。tyfour [43.]的研究结果表明,钢轨在稳态磨损行为开始时进行磨削,可在变形层形成初期完全去除波纹。

综上所述,以往对钢轨磨粒和磨粒技术的研究都集中在钢轨磨粒对解决钢轨磨粒的积极作用上。据我们所知,目前还没有关于磨碎对钢轨波纹发展可能产生负面影响的报道。本文通过大量的不平顺试验和对钢轨磨痕的详细分析,探讨了高速轨道系统中钢轨磨痕的特点和发展过程,揭示了钢轨磨痕与钢轨磨痕之间的明显关联。

2.中国高速铁路实地调查

在这项研究中,在轨道轨道缺陷的26个站点,在26个站点进行了300公里/小时的三种高速铁路线。在几个位点处的轨道轨道表面上的波纹与肉眼可见,如图所示1.根据现场观测,选取3条铁路线的3个断面(A、B、C)进行分析,包括切线断面和曲线断面(图)1-3.)。A部分是在北京旅行的列车,在华东地区拥有7000米的曲线半径。B部分是距离北京市北京市的火车的切线部分。C部分描述了向北京旅行的列车,在中国中部有10,000米的曲线半径。A节示出了轨道研磨后几个月的轨道表面,而B和C部分在研磨后几天显示轨道表面。

图中的右侧面板1-3.显示波罗利检测到的轨道不规则的三分之一八度倍频波长。分别在左右轨道中观察波长63和125mm的轨道不规则性。轨道波纹的最大峰值值为0.08mm。由主波长为63mm的中心波长和125mm的二次波长,表示存在波纹。主导波长为63mm的粗糙度水平超过6 dB,这是ISO 3095-2005设定的粗糙度水平限制。B部分中的主导波长为63mm,也检测到50mm的波长。最大峰 - 峰粗糙度值为0.06mm;在C部分中,左侧和右轨的主波长为50毫米。波纹的最大峰值值为0.05mm。将研磨处理应用于具有相同类型的轨道研磨机的三个轨道部分,并且它们的三分之一八度音频带光谱与来自实际图片的结果一致。

该研究表明,除了多个切线轨道部分外,波长为63mm和50mm的显着的导轨波纹(如图所示)2)也存在于连接到多个弯曲部分,过渡弯曲部分和圆形弯曲部分的端部的切线部分,如图所示4..这表明弯曲的轨道部分接受研磨。

除了经历研磨的上述测试轨道部分之外,检查非应对部分(部分D)以比较研磨边界区的轨道的同一侧的地面和非地轨道区域。数字5.显示测试结果和图6.展示一张真实的照片。部分D.位于与A部分相同的线上。

结果表明,在地面面积中存在波长为63mm和125mm的导轨波纹,而在非地区没有轨道波纹。上述观察和测试结果表明在地面轨道上存在各种轨道波纹。这种波纹始终以50-63mm和100-125mm的范围的主导波长为特征。总之,在地面部分而不是在非应力部分上发现了轨道波纹。另外,在研磨后,在导轨表面上出现在60 mm间隔的相同常规划痕标记的波长。使用相同类型的研磨机采用相同类型的研磨结石研磨这些部分。

3.轨道研磨机的动态特性模拟

基于上述观察,地轨表面比非基轨表面更容易破裂。因此,通过仿真试验检查并分析了轨道研磨技术和磨削列车的振动性能和动力学行为。这有助于阐明磨削操作与铁路波纹开发之间的关系。

3.1.钢轨磨削工艺分析

在四个轨道部分(截面A,B,C和D)测试使用磨机的轨道研磨技术。研磨速度为12-13 km / h,磨削列车的研磨电机以3400-3600rpm的旋转速度设定为主动研磨。轨道的研磨主要通过磨石的接触边缘与钢轨道,沿着轨道的纵向移动,如图所示7.

当磨石有垂直(X-axis) runout时,刮痕间隔可以使用。

作为图8.由图可知,a段打磨后的钢轨表面出现了间隔约60 mm的规则划痕,这与式(1)。

该线条中有两种类型的高速乘用车,轴重13 T.17. T.,每天105双车辆,每年都经过7500万吨(MGT)。车辆运行速度为300 km / h。对于轨道,使用CRTS III轨道板和WJ-8紧固系统,并且紧固系统的垂直刚度为20-40kN / mm。轨道不规则性研究显示,由于先前的研磨引起的波长在60mm的波长下,即使在目前的研磨之后,在导轨表面上可以清楚地看出大约60mm波长的划痕标记(图9.)。在87TH.研磨后的一天,波长小于20毫米的粗糙度高于研磨前的粗糙度水平。在202年n日,粗糙度水平低于87TH.由于轮轨接触造成的磨损而导致的一天。然而,保留了波长为63mm的初始轨道波纹的特性。

3.2。轨道研磨机动态特征的仿真

为了进一步研究在大约60mm的波长的研磨引起的导轨波纹,使用用于轨道磨机的动态仿真模型来模拟施加到所研究的部分的轨道研磨程序。通过考虑磨石垂直振动对磨削列车的动态特性,通过考虑磨削振动的影响,在钢轨道表面上形成轨道磨削的原因。

模型(图10.)由UM动态分析软件建造,包括49个刚体:1个教练,2个转向架框架,4个轮子,8个轴箱,8个独立轮,2个研磨机,8个研磨机载体和16个研磨电机。轨道磨机的车轮轮廓称为LM,研磨机转向架中的独立轮廓被称为GW(图11.),轨道轮廓是CN 60.轮对的背对背距离为1353mm,其与独立轮的背靠背距离相同。动态仿真中的切向接触解决方案基于用快速算法实现的Kalker的简化理论,垂直接触解决方案基于赫兹理论。假设摩擦系数在0.3的值下恒定。求解时间步长为0.0001秒,具有用于直接集成非线性结构动态方程的公园解决方案算法。

磨轨车转向架与货车Y25转向架类似。在磨轨列车上,利用弹簧和摩擦板实现了减振,车体和转向架通过芯板连接。侧轴承也减少了振动。转向架各部件的结构弹性均被忽略。考虑所有的机械非线性特性(如主摩擦副、侧轴承和芯盘),所有的力单元都被建模为粘弹性力单元。

轨道研磨机是轨道磨机的芯部件。该轨道研磨机由四个独立轮引导并由研磨机框架(托架)支撑。在框架内部,有四个研磨机摇篮,每个研磨机侧面有两个偏转缸,以控制电动机的偏转角。配备两个吊装气缸,抬起并落入每个支架中的研磨电机。每个研磨机通过在框架的四个角处提升圆柱体连接到研磨列车体。结构如图所示12.

在仿真模型中,通过固定连接安装在磨削车框架上的完全独立对中的导向轮。框架和车身通过升降缸和牵引杆连接,具有考虑刚度和阻尼元件的设计。在固定支架的角度之后,通过刚度和阻尼元件连接偏转缸和车架。

考虑到实际条件,研磨机马达的升降机构设计成具有标准六边形结构,其中研磨机托架和电动机安装在相对侧上。该设计通过吊装充气气缸的操作允许电动机的上下运动,该气缸充当刚度和阻尼元件。通过接触元件接触导轨表面的研磨机可以施加在磨石上施加动态力以在实际的轨道研磨过程中模拟切割力。

在典型的液压系统中,液压油通常被认为是不可压缩的绝对刚性的体;因此,由其轻负载和慢动作系统压缩引起的影响通常可以忽略不计。然而,在动态高负载条件下或在快速作用的伺服系统中,液压系统的刚度通常是系统性能的限制因素。因此,这应该在未来的研究中考虑。研磨车中的液压系统是动态高负载伺服液压系统,其应考虑刚度的效果。

为了确定研磨车控制系统的液压刚度,有必要考虑气缸和液压伺服阀之间的气缸和管道中的液压油的体积[44.]。因此,使用了以下等式: 在哪里 是液压刚性, 是液压油体积弹性模量, 是液压缸左侧和右侧的液压油体积, 是液压缸左侧和右侧的活塞区域,以及 管道中的液压油容积分别连接到圆柱左侧和右侧。

对于两侧面积不同的液压缸,如果两侧液压缸的面积和液压油体积比不是特别大,则假定最小刚度发生在冲程的中点。

随后,将计算的刚度结合到模拟模型中。为了研究轨道上磨石的研磨过程,使用白噪声激发模拟它们的相互作用。类似地,为了确定导轨表面上的研磨性能,使用相同的方法来模拟研磨机轮和轨道轨道之间的相互作用。

计算了研磨电机的垂直振动频谱,如图所示13..可以看出,宽带激励在研磨电机的垂直方向上导致53-57 Hz的振动频率。在11-13 km / h的速度下,这种频率的振动可能导致导轨表面上具有60 mm波长的研磨标记。

接下来,在固定偏转角的不同速度条件下确定偏转缸刚度对磨机垂直振动频率的影响。数字14.显示振动频率和波长之间的关系曲线,当研磨速度从3到15km / h增加时,偏转缸的刚度在1×10的范围内6.2 × 108. N/m. It can be seen that the vibration frequency varied with the stiffness of the deflection cylinder, thereby leading to different vibration wavelengths. When the stiffness was lower than 7 × 107. N/m, the grinding operation easily caused cracks with a wavelength of 60 mm on the rail surface.

4.车辆和轨道振动特性的测试和验证

4.1。轨道研磨机的振动频率响应试验

为了验证动态建模和仿真结果并进一步确定研磨系统的振动响应,在研磨列车的研磨单元上进行力锤测试(图15.)。基于输入激励与特定频率的输出响应之间的关系获得系统的频率响应函数(FRF)。FRF反映系统的输入和输出之间的关系,是系统的重要频域特性参数,可用于识别模态参数。

可以通过向结构施加激发来测量结构的FRF。力锤和振动表测试是两种常见的激励方法。该研究中使用了前者,因为它是快速方便的,使用力锤(模型8206-002,B&K Co.)和12通道数据采集系统(B&K Co.)。

锤子用于在实际操作期间可能会激发的研磨单元内的位置,该位置被设定为兴奋点和激发源。在这项研究中,选择了六个激发点(导轮,框架的末端,框架的中点,在框架的长度的1/4处,车身的连接点和地面)(图16.)。选择导叶作为激发点以在磨石和轨道轨道接触时检测轨道表面不规则的干扰下地面的垂直响应。

选择框架和车身之间的连接点作为激发点,以通过在不同频率下通过车身的振动来测试地面上的垂直效果。选择框架的结束,框架的中点,以及框架的长度的1/4处的点,以检查框架的自振动对地面垂直振动的影响。此外,该选择考虑了轨道 - 表面的不规则性和研磨操作在磨石在研磨过程中接触轨道轨道时磨石的垂直振动。

加速度传感器用于检测框架的末端和沿垂直,横向和纵向的磨石的响应。数字17.显示不同激励下磨石的垂直响应。磨石响应于磨削车架和磨石的垂直敲击,在50-60Hz的主要频率下垂直振动,并且当引导轮和螺杆之间的显着频率为约48Hz和70Hz的显着频率汽车框架和身体分别被击倒。该结果与由磨削车引起的研磨痕迹的频率一致。

4.2.轨道振动频响试验

参考Sageghi教授的研究[45.],轨道结构参数对轨道几何不平顺有一定影响。为了明确振动频率与轨道共振频率之间的关系,采用锤击冲击法研究了波纹断面上轨道的加速度频率响应。此处引用顾先生博士论文A部分的测试结果,如图所示18.19.[46.]。

数字18.19.描绘轨道支撑卧式的垂直加速度传递函数,当卧式上方的轨道段和轨道跨度中间的轨道垂直敲打时,卧式横跨卧式和钢轨段的垂直加速度传递函数。

如图所示18.那when the excitation was applied to the segment above the fastener (i.e., 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, Figure19.shows that when the excitation was applied to the middle of the track span (i.e., 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.

在现场测试期间观察到的导轨波纹的主导波长为50-65mm,100-125mm。通过波纹导轨的平均火车速度为270 km / h。相应地,通过波纹轨道的列车的频率如下:

轨道的垂直固定固定谐振频率和波纹轨道上的火波长波长为50-65mm的波纹导轨上的1150-1500 Hz的传递频率是相似的,这可能导致共振。这与现场观察一致,其中轨道在1150-1270Hz的频率范围内显示垂直弯曲振动。换句话说,垂直弯曲振动的频率范围类似于波纹轨道上1150-1500 Hz的通过频率,具有50-65mm的主要波纹波长。

因此,通过频率与轨道的垂直钉扎齐频频率相当,表明具有50-65mm的特征波长的轨道波纹的开发与垂直弯曲共振有关(主要是垂直固定钉扎谐振有关)赛道。另外,该轨道(700-820Hz)的垂直谐振的频率范围类似于轨道波纹的600-750Hz的通过频率,其二次波长为125-160mm。这表明具有次级波长为100-125mm的轨道波纹与轨道的700-820Hz共振有关。

综上所述,轨道结构振动特性中钢轨波纹显著波长与轨道结构竖向钉钉共振有关,钢轨波纹次波长与轨道板竖向共振有关[46.]。因此,当磨削标记激发的车轮和轨道的频率与轨道的钉扎频率一致时,可能发生轨道波纹。数字9.显示在相同的测试部分中开发波纹的过程。

5。结论

本研究调查了研磨操作过程与轨道波纹的开发之间的关系,通过使用现场测量来表征轨道波纹,仿真模型来分析轨道磨机的动态特性,并强制锤击测试进一步检查振动特性研磨系统。主要结论和建议如下:(1)现场调查显示,磨削火车以约12-13 km / h的速度运行的研磨操作很容易导致波长在导轨上的常规磨损标记;(2)使用磨具的动态仿真模型和不同振动点的力锤试验,本研究表明,研磨列车的操作会在60Hz的频率下引起地面的振动;(3)通过改变研磨速度,可以通过改变磨削速度来改变具有液压系统刚度的条件的研磨机和研磨标记的间隔;(4)当由磨削标记激发的车轮和轨道的频率与轨道的钉扎频率一致时,可能发生轨道波纹。

鉴于研磨操作和磨机的自然振动特性的效果,经常研磨标记可以触发轨道轨道的固定钉扎谐振频率,从而加速轨道波纹的形成和开发[47.]。建议根据轨道上列车的行驶速度调节磨削速度,以在导轨表面上产生某些不规则性,从而避免由轨道的固定钉谐振引起的风险。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

中国自然科学基金(授予第52002343号)的国家自然科学基金以及中国四川省科技计划(2019YFH0053)。

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