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基于摩擦自激振动的钢轨波磨验证和理论研究

钢轨波磨问题是地铁线路常见的轮轨损伤问题之一，其带来的异常振动和噪声长期困扰地铁的平稳舒适运行，对其产生机理的研究有着重要的理论和应用价值。基于轮轨摩擦自激振动引起钢轨波磨的观点，建立由轮对-钢轨-轨枕道床组成的钢轨波磨有限元弹性振动预测模型，探究摩擦自激振动导致钢轨波磨的产生和演变的机理。根据ABAQUS有限元预测模型进行复特征值分析，轮轨系统的不稳定振动频率发生在80Hz、485Hz、654Hz、和853Hz附近，对应地铁线路的上产生的长波长波磨和多种短波长波磨。其主要不稳定频率主要为654Hz附近，对应地铁线路上波长约为30mm的短波波磨，其低频振动的频率f=80Hz导致的地铁线路钢轨波磨的波长约为260mm，与线路实测结果一致。研究表明随着摩擦系数的增大，轮轨系统在低频区域(即f=80Hz)对应的负等效阻尼比的绝对值越来越大。由摩擦自激振动理论可知，此时系统发生不稳定振动的可能性越来越大，即越容易发生钢轨波磨；随着实体单元扣件压力的减小，即扣件刚度的减小，轮轨系统在低频区域(即f=80Hz)对应的负等效阻尼比的绝对值越来越大，可知短波长波磨发生的可能性在增大，也解释了克隆蛋扣件易发生钢轨波磨的现象。