随着城市轨道交通的快速发展,地铁线路钢轨波磨现象较为普遍,其不仅加剧轮轨间相互作用,导致车辆轨道系统振动噪声过大,影响乘坐舒适性,更与列车运行安全息息相关。因此,研究地铁钢轨波磨的产生原因及影响因素具有重大现实意义。本文基于地铁减振轨道结构,建立刚柔耦合车辆-轨道系统动力学模型以及弹塑性轮轨接触模型,对轨道结构振动特性和钢轨磨耗特征进行深入研究,分析并获得形成钢轨波磨的可能因素,为波磨机理的系统研究提供参考。研究内容及主要结论如下:1.针对不同地铁线路减振轨道类型,分别建立钢弹簧浮置板轨道和梯形轨枕轨道结构的三维实体有限元模型,结合弹性化处理方法,通过动力学仿真计算得出各部件响应特征。在无激励和美国五级谱轨道激励两种工况下,分析减振轨道的振动特性,并与现场实测数据进行对比,从而验证计算模型的正确性和可用性,为后续探讨轨道结构振动特性与钢轨波磨的相互关系提供模型基础。2.研究了扣件刚度、轨下减振装置尺寸、枕下减振装置刚度以及安装间距变化对钢弹簧浮置板和梯形轨枕轨道结构振动频率和轨枕模态振型变化的影响情况。结果表明:增加扣件刚度,内外侧钢轨和轨下减振装置峰值点频率增大,调节扣件垂向刚度可以有效地控制轨道结构中高频区段振动频率;而钢弹簧和减振垫垂向刚度的增加使得轨道整体振动频率在较小的频率变化范围内有所增大。此外,改变轨道参数对与其相近的各结构振动频率影响较大,而对距其较远结构的振动频率影响相对较小。结合线路和轨道结构参数变化,对轨道振动特性和钢轨磨耗进行分析,为后续钢轨波磨相关研究做铺垫。3.结合有限元和动力学软件进行联合仿真,建立完整的刚柔耦合车辆-轨道系统动力学模型,比较了普通轨道、钢弹簧浮置板轨道以及梯形轨枕轨道结构中钢轨和轨下减振装置状态变量的频域特征,研究轨道结构振动特性与钢轨波磨之间关系。分析得出,内侧钢轨分别与浮置板和梯形轨枕出现较为明显的共振现象,主要表现为特定频率下内外侧钢轨和轨下减振装置(浮置板或梯形轨枕)一起相对于道床做不同阶数的垂向弯曲振动以及同侧反对称振动,同时还伴随不等距的纵向拉伸。此外,曲线超高引起的偏载作用使得内侧轮重起到了约束作用,轨道结构振动频率降低导致轨道整体出现多种形式的耦合弯曲振型,加大了轨道系统弯曲振动的复杂程度。4.基于轮轨接触理论,采用轮轨作用力和磨耗指数等评价指标探索钢轨波磨产生原因。首先,两种减振轨道结构轮轨间作用力以及磨耗指数的峰值点距离间隔均呈现出一种固定波长循环或多种波长交替变换的钢轨磨耗特征,具有明显的周期性变化特点。其次,针对地铁小半径曲线均出现钢轨波磨现象的实际问题,探讨了曲线条件和轨道激励对钢轨磨耗特征的影响程度。结果显示:小半径曲线线路(R300m)钢轨纵向方向上的不均匀磨耗主要与曲线半径特征有关,与常规量值范围的轨道激励随机特征无关,而曲线半径相对较大线路钢轨纵向方向上的不均匀磨耗主要与轨道激励随机特征有关。最后,通过对轮轨接触应力分布进行求解,发现沿钢轨纵向不同特殊位置处轮轨接触应力均超过钢轨材料的屈服极限,波动的峰值应力易导致轨面出现塑性变形压痕。5.通过对比相同曲线条件下减振轨道和普通整体轨道的轨道结构振动特性以及磨耗特征的差异,进一步论证钢轨波磨产生原因。研究结果表明:在振动特性方面,普通整体轨道与减振轨道在共振频段内存在明显差异;在磨耗特征方面,两种类型减振轨道钢轨磨耗指数存在固定峰值点间隔距离,表现出周期性变化特点,而普通轨道没有呈现明显的规律性特征,不具备固定波长钢轨波磨的产生条件。此外,仿真计算结果与现场试验测得波长分布范围接近,验证了仿真模型和计算结果的合理性。