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        動(dòng)車組車體蛇行失穩(wěn)機(jī)理與影響因素試驗(yàn)研究*

        2021-05-21 01:54:02
        鐵道機(jī)車車輛 2021年2期
        關(guān)鍵詞:廓形踏面錐度

        孟 葳

        (中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所, 北京100081)

        動(dòng)車組服役以來,個(gè)別線路出現(xiàn)車體失穩(wěn)問題,表現(xiàn)為車體2 Hz 以內(nèi)的低頻晃動(dòng),也稱為車體蛇行或晃車。車體失穩(wěn)將導(dǎo)致乘客乘坐舒適度顯著降低,影響動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。

        車體失穩(wěn)的根本原因是車體固有頻率與輪軌激擾頻率發(fā)生了耦合,輪軌激擾能量傳遞至車體引起耦合振動(dòng)導(dǎo)致了車體失穩(wěn)晃動(dòng)現(xiàn)象[1-2]。不少學(xué)者對引起車體失穩(wěn)的因素進(jìn)行了研究,從車輛懸掛參數(shù)優(yōu)化[3-4]、線路激擾[5-6]、輪軌匹配等效錐度[7-8]等方面進(jìn)行了論證,同時(shí)提出了改善措施。

        某服役動(dòng)車組在城際線路出現(xiàn)較大范圍的動(dòng)車組車體失穩(wěn)晃車問題,同時(shí)車體失穩(wěn)出現(xiàn)了與以往不同的輪軌匹配特征:服役等效錐度隨著運(yùn)行里程呈降低的趨勢;鋼軌新打磨后部分區(qū)段出現(xiàn)明顯晃車;車輪踏面磨耗異常。針對動(dòng)車組輪軌等效錐度新趨勢引起的晃車問題,論文展開車體失穩(wěn)機(jī)理與影響因素的試驗(yàn)研究。主要試驗(yàn)工作包括:車輛振動(dòng)測試、輪軌型面測試與匹配等效錐度分析、旋修質(zhì)量分析、研磨子與車輪異常磨耗分析、線路軌道不平順與晃車關(guān)系分析、高級修與晃車關(guān)系測試等,最終通過試驗(yàn)研究提出控制措施。

        1 車體失穩(wěn)特征分析

        車體失穩(wěn)發(fā)生在個(gè)別線路區(qū)段,為了準(zhǔn)確定位晃車線路區(qū)段,對晃車動(dòng)車組運(yùn)營的多條城際線路進(jìn)行了添乘測試,測試平穩(wěn)性結(jié)果如圖1 所示。由圖可知:

        (1)添乘測試結(jié)果顯示城際線路3 的車體失穩(wěn)最為明顯;

        (2)車體失穩(wěn)特征為車體橫向振動(dòng)加速度存在周期性諧波,諧波頻率0.6~0.7 Hz,200 km/h 速度級的對應(yīng)波長約為80 m?;诬噷?dǎo)致車體橫向平穩(wěn)性上升,個(gè)別動(dòng)車組平穩(wěn)性超過2.5 限值標(biāo)準(zhǔn),乘坐舒適性顯著降低。

        2 車體失穩(wěn)原因分析

        根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)以及一些學(xué)者對晃車的研究,論文從軌道、車輛、輪軌匹配、軌道不平順等方面進(jìn)行了深入研究,分析車體失穩(wěn)原因。

        2.1 鋼軌廓形原因分析

        對城際線路3 處車體失穩(wěn)區(qū)段進(jìn)行了上線調(diào)研,實(shí)際鋼軌光帶照片如圖2 所示,實(shí)測廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比如圖3 所示,實(shí)測輪廓與標(biāo)準(zhǔn)踏面等效錐度對比如圖4 所示。分析發(fā)現(xiàn)調(diào)研區(qū)段鋼軌的典型特征是:直線區(qū)段鋼軌光帶存在突變,同一側(cè)鋼軌的光帶寬度在15~35 mm 范圍變化,同時(shí)鋼軌軌距角存在周期性側(cè)磨,側(cè)磨長度約80 m,車輛通過該區(qū)段的速度為200 km/h,側(cè)磨波長與0.7 Hz的晃車波長吻合。

        圖1 動(dòng)車組車體失穩(wěn)的振動(dòng)特征

        測試分析直線區(qū)段14 個(gè)鋼軌廓形發(fā)現(xiàn):軌頂(橫坐標(biāo)0~15 mm)范圍有11 個(gè)廓形出現(xiàn)負(fù)偏差,即低于打磨廓形60N,占比79%。軌頂負(fù)偏差將使得輪軌接觸區(qū)域向軌頂集中,降低了輪軌匹配等效錐度;同時(shí)僅2 個(gè)廓形在±25 mm 范圍偏差未超過0.2 mm 的打磨限值,鋼軌廓形存在打磨不到位現(xiàn)象。將實(shí)測廓形與標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面外形匹配,等效錐度結(jié)果顯示僅2 處大于設(shè)計(jì)值(與60N 匹配),占比14%。調(diào)研區(qū)段輪軌匹配等效錐度偏低容易引起車體失穩(wěn)[1,7]。

        綜上所述,鋼軌打磨不到位導(dǎo)致輪軌匹配等效錐度過低是動(dòng)車組晃車的主要激發(fā)因素,鋼軌交替?zhèn)饶ピ黾恿嘶诬嚢l(fā)生幾率。

        圖2 光帶交替變化

        2.2 車輪踏面原因分析

        (1)服役等效錐度降低問題

        對不同旋后運(yùn)行里程的同型號動(dòng)車組進(jìn)行了踏面測試并計(jì)算等效錐度,結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。不同旋后運(yùn)行里程等效錐度分布如圖5 所示。根據(jù)圖表可知:新旋修或服役動(dòng)車組存在等效錐度偏低的現(xiàn)象,平均值小于0.033(設(shè)計(jì)值0.04);6 列服役??;最大磨耗區(qū)域在踏面90~110 mm 區(qū)域,磨耗區(qū)域相對滾動(dòng)圓70 mm 已經(jīng)偏離超過20 mm(輪軌橫移量最大約為15 mm),非實(shí)際輪軌接觸區(qū)域。

        2.3 研磨子作用分析

        動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架安裝了研磨子(也稱為踏面清掃動(dòng)車組等效錐度隨著旋后運(yùn)行里程增加總體呈負(fù)增長趨勢。

        (2)車輪踏面異常磨耗

        等效錐度降低的動(dòng)車組車輪踏面存在異常磨耗現(xiàn)象,旋后運(yùn)行12 萬km 的動(dòng)車組車輪踏面測試結(jié)果如圖6 所示,其中圖6(a)為實(shí)測踏面與標(biāo)準(zhǔn)踏面在滾動(dòng)圓區(qū)域?qū)Ρ葓D,圖6(b)為輪軌接觸特性,圖6(c)為實(shí)測踏面照片。該服役車輪踏面存在2 個(gè)特征:接觸區(qū)域集中在65~80 mm,滾動(dòng)圓70 mm 處踏面斜率小于標(biāo)準(zhǔn)外形,匹配等效錐度偏裝置),研磨子具有提高輪軌黏著系數(shù)的作用,對抑制車輪接觸疲勞、預(yù)防踏面等效錐度上升過快有良好作用。

        圖3 實(shí)測廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比

        圖4 實(shí)測廓形與標(biāo)準(zhǔn)踏面等效錐度對比

        表1 車體失穩(wěn)動(dòng)車組踏面錐度測量結(jié)果

        圖5 不同服役里程等效錐度統(tǒng)計(jì)

        圖6 車體失穩(wěn)動(dòng)車組車輪踏面外形與接觸特性

        上節(jié)發(fā)現(xiàn)等效錐度隨運(yùn)行里程呈降低趨勢,為了驗(yàn)證研磨子作用對等效錐度的影響,選取一列動(dòng)車組對3 車廂的研磨子進(jìn)行了切除,并跟蹤動(dòng)車組車輪運(yùn)用等效錐度的演變規(guī)律,結(jié)果如圖7 所示。研究發(fā)現(xiàn):

        (1)研磨子作用的車等效錐度隨著運(yùn)行里程的增加有略微降低的趨勢;其中旋后運(yùn)行2.8 萬km時(shí),等效錐度相比旋后降低,此后隨著運(yùn)行里程進(jìn)一步增加等效錐度降低不明顯。

        (2)動(dòng)車組3 車廂在旋后運(yùn)行1.5 萬km 切除研磨子,當(dāng)運(yùn)行2.8 萬km 等效錐度相比旋后初始值降低;此后等效錐度隨運(yùn)行里程增加而快速增加;當(dāng)運(yùn)行至12.3 萬km,3 車廂等效錐度平均值達(dá)到0.15。切除研磨子后等效錐度快速增加,10 萬km等效錐度增加了0.11,在旋修末期可能引起轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)問題。

        圖7 不同車廂等效錐度隨運(yùn)行里程變化趨勢

        綜上所述,研磨子作用抑制了等效錐度的增加。由于研磨子起到增黏、抑制車輪接觸疲勞、控制車輪多邊形的作用,不能切除研磨子,可以研究優(yōu)化研磨子作用方式,改善等效錐度負(fù)增長的趨勢。

        2.4 旋修質(zhì)量影響分析

        旋修初期車體失穩(wěn)與旋修質(zhì)量也存在密切關(guān)系。調(diào)研發(fā)現(xiàn)旋床旋修薄輪緣外形后等效錐度低于設(shè)計(jì)值,原因是旋修程序采用歐洲標(biāo)準(zhǔn),薄輪緣外形旋后等效錐度低。2019 年11 月依據(jù)[2019]100 號文《動(dòng)車組車輪輪緣踏面外形暫行技術(shù)條件》對旋床的旋修程序進(jìn)行了升級。旋床升級后,現(xiàn)場測試顯示旋修等效錐度由0.025 增加至0.039,達(dá)到了提高旋修初始等效錐度的目的,對比結(jié)果如圖8 所示。

        圖8 旋床升級前后旋修等效錐度對比

        2.5 其他影響因素分析

        (1)等效錐度總體趨勢分析

        對全路2018~2019 年以來該型號動(dòng)車組旋修前的等效錐度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):旋修前等效錐度偏低的現(xiàn)象普遍存在,部分路局旋修前平均等效錐度在0.05 內(nèi),但是其他路局未發(fā)生頻繁車體失穩(wěn)的問題,僅在個(gè)別線路區(qū)段偶有出現(xiàn)。旋修前等效錐度統(tǒng)計(jì)可知:車體失穩(wěn)與運(yùn)行線路的鋼軌狀態(tài)密切相關(guān),實(shí)際鋼軌廓形與實(shí)際車輪踏面匹配等效錐度低容易引起車體失穩(wěn)現(xiàn)象。

        (2)軌道不平順影響分析

        為了分析城際線路3 部分區(qū)段車體失穩(wěn)與軌道不平順相關(guān)性,利用高速綜合檢測列車檢測了失穩(wěn)區(qū)段的軌道不平順數(shù)據(jù)。其中長波高低和長波軌向通道檢測波長范圍為1.5~120 m,圖9 為軌道不平順的PSD 曲線。通過波形對比得到如下結(jié)論:失穩(wěn)線路區(qū)段的軌道幾何幅值較小,且基本沒有變化;長波軌向和車體橫向加速度不存在明顯周期性成分;但局部區(qū)段長波軌道、高低存在周期性成分,波長約為80 m。軌道不平順對車體失穩(wěn)是激擾因素之一,但測試城際線路的80 m 波長激擾不突出,應(yīng)不是車體失穩(wěn)的主要因素。

        (3)動(dòng)車組懸掛參數(shù)影響分析

        利用高級修對部分動(dòng)車組進(jìn)行了懸掛參數(shù)檢查,結(jié)果顯示所有懸掛參數(shù)均在檢修標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。懸掛參數(shù)不是引起車體失穩(wěn)的主要原因。

        圖9 失穩(wěn)區(qū)段高低和軌向頻譜圖

        3 車體失穩(wěn)機(jī)理分析

        (1)車體失穩(wěn)機(jī)理分析

        通過大量的現(xiàn)場調(diào)研與測試發(fā)現(xiàn)車體失穩(wěn)的主要原因是輪軌匹配異常即等效錐度偏低。在服役動(dòng)車組懸掛參數(shù)未變的情況下,新打磨的城際線路車體失穩(wěn)問題凸顯,鋼軌打磨不到位導(dǎo)致等效錐度偏低誘發(fā)了動(dòng)車組晃車,為主要因素;另一方面研磨子抑制了等效錐度的增加,導(dǎo)致車體失穩(wěn)在旋修周期內(nèi)持續(xù)發(fā)生,沒有隨著車輪運(yùn)用而消失。

        (2)服役過程中等效錐度負(fù)增長原因

        我國動(dòng)車組車輪在運(yùn)用過程中在踏面滾動(dòng)圓70 mm 附近容易形成凹磨[9],研磨子可以減小踏面凹磨深度,防止等效錐度快速增大導(dǎo)致構(gòu)架失穩(wěn)。但是該型號動(dòng)車組由于存在車體失穩(wěn),旋修初期,車輪踏面接觸區(qū)域擴(kuò)大,滾動(dòng)圓65~80 mm 區(qū)域磨耗均勻,等效錐度增加緩慢,在滾動(dòng)圓處也未形成凹磨。再加上接觸區(qū)域存在表面硬化,研磨子作用下非接觸區(qū)域踏面外側(cè)的磨耗效果得到凸顯,導(dǎo)致等效錐度隨運(yùn)行里程增加呈負(fù)增長趨勢。

        (3)其他因素對車體失穩(wěn)影響

        動(dòng)車組高級修、懸掛參數(shù)對車體失穩(wěn)和等效錐度負(fù)增長的影響不明顯;軌道不平順對車體失穩(wěn)存在加劇作用,但車體晃動(dòng)的波長與軌道不平順的主要波長相關(guān)性不強(qiáng),不是主要因素;車輪旋修方式優(yōu)化后由旋修引起的等效錐度偏低得到了控制。

        4 結(jié)論與建議

        針對某路局出現(xiàn)的持續(xù)車體失穩(wěn)現(xiàn)象,通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析,建議采取以下措施進(jìn)行控制:

        (1)鋼軌打磨偏差調(diào)整

        鋼軌標(biāo)準(zhǔn)打磨廓形與LMA 踏面匹配等效錐度偏?。?.031),當(dāng)鋼軌經(jīng)過打磨,等效錐度容易低于晃車的經(jīng)驗(yàn)限值0.028。建議鋼軌打磨以60N 或60D 為目標(biāo)廓形時(shí),按照上偏差打磨,保證打磨后的鋼軌廓形在橫坐標(biāo)-5~15 mm 范圍內(nèi),型面曲線在標(biāo)準(zhǔn)TB60 軌和60N 軌之間,使得輪軌接觸的范圍更寬。

        (2)提升車輪旋修質(zhì)量

        通過旋床旋修程序升級,提高了薄輪緣踏面的旋修等效錐度,新旋修踏面等效錐度平均值從0.025 提升到0.039,增加56%。旋后動(dòng)車組晃車問題得到改善。動(dòng)車組旋修后的踏面應(yīng)檢查等效錐度值,對旋后等效錐度幅值小于0.03 的輪對進(jìn)行二次旋修。

        (3)研磨子作用建議

        研磨子的主要作用是增黏、抑制踏面疲勞、控制車輪多邊形,但研磨子對等效錐度的增加也存在抑制作用。切除研磨子對車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、車輪疲勞存在較大風(fēng)險(xiǎn),不宜采用。建議優(yōu)化研磨子作用方式,通過研磨子作用壓力、作用時(shí)間的優(yōu)化降低研磨子對等效錐度的抑制作用。

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