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        輪重偏差對(duì)地鐵車輛曲線通過(guò)性能的影響*

        2021-11-19 09:23:30王振宏馬衛(wèi)華
        鐵道機(jī)車車輛 2021年5期
        關(guān)鍵詞:輪重載率輪軌

        王振宏,李 鐵,馬衛(wèi)華,王 波

        (1 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031;2 中車大連機(jī)車車輛有限公司, 遼寧大連 116022)

        輪重偏差是在車輛生產(chǎn)制造及裝配過(guò)程中由于零部件本身的力學(xué)參數(shù)誤差以及非對(duì)稱的布置、安裝等造成的車輛輪重分配不均勻的現(xiàn)象,新車在生產(chǎn)組裝完成后,各輪重往往存在一定的偏差。輪重偏差的存在會(huì)影響車輛輪軌間的相互作用力,進(jìn)而影響車輛牽引力及制動(dòng)力的發(fā)揮,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成輪對(duì)的空轉(zhuǎn)或滑行,并且容易引起車輪多邊形和軌道波浪形磨耗[1]。GB/T 14894-2005 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛組裝完成后的輪重做了如下規(guī)定:“每個(gè)車輪的實(shí)際輪重與該軸兩輪平均輪重之差不應(yīng)超過(guò)該軸兩輪平均輪重的±4%”[2]。

        楊振祥[3]分析了機(jī)車輪重偏差對(duì)機(jī)車使用性能和使用壽命的影響,指出輪重偏差過(guò)大會(huì)造成機(jī)車的空轉(zhuǎn)或打滑,并嚴(yán)重影響機(jī)車的制動(dòng)效果。沈志云[4]首先介紹了用線性蠕滑理論分析兩軸轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)態(tài)曲線通過(guò)性能,然后引入了非線性輪軌幾何關(guān)系及非線性蠕滑系數(shù),分析兩軸轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)態(tài)曲線通過(guò)性能,并在文中指出了輪重偏載系數(shù)對(duì)輪軌接觸狀態(tài)的影響。輪重偏差會(huì)影響左右車輪的輪軌接觸斑正壓力,金學(xué)松和薛弼一[5]應(yīng)用Kalker 三維彈性體非赫茲滾動(dòng)接觸理論分析了不同正壓力所對(duì)應(yīng)的蠕滑力值,并對(duì)不同的輪軌型面,編制了輪軌非赫茲滾動(dòng)接觸蠕滑率/力數(shù)表。李春明[6]等人從線路軸重限值以及車輛制動(dòng)性能要求等方面對(duì)地鐵車輛端車的軸重偏差進(jìn)行了研究,并提出了軸重偏差的最大允許值。崔培興[7]通過(guò)DK20型地鐵車輛的車輛輪重分布試驗(yàn),采用有限元和經(jīng)典力學(xué)方法找出了地鐵車輛輪重分布規(guī)律。計(jì)強(qiáng)等[8]針對(duì)貨車輪重偏差問(wèn)題,分析了輪重分配不均的原因,并設(shè)計(jì)了貨車車輛輪重檢測(cè)系統(tǒng),可以進(jìn)行輪重測(cè)量并提供輪重偏差調(diào)整方案。

        車輛通過(guò)曲線時(shí),由于線路狀態(tài)的多變,輪軌相互動(dòng)力作用比較復(fù)雜,動(dòng)力學(xué)性能相對(duì)較差,因此,曲線通過(guò)時(shí)的運(yùn)行安全性是車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)判的一個(gè)重要因素,包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等。輪重偏差的存在會(huì)改變輪軌間相互作用力,必然會(huì)影響車輛的曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能。因此,研究輪重偏差會(huì)對(duì)車輛通過(guò)曲線時(shí)的運(yùn)行安全性造成怎樣的影響是十分必要的。

        1 輪重偏差

        輪軌車輛依靠輪對(duì)與軌道之間的相互作用來(lái)牽引、制動(dòng)運(yùn)行,其相互接觸狀態(tài)是決定車輛運(yùn)行性能的重要因素。車輛的結(jié)構(gòu)與參數(shù)的任一變化都會(huì)反映到輪軌之間的相互作用,以各車輪的輪重為例,會(huì)影響各輪對(duì)的輪重分布。單轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)的受力簡(jiǎn)圖如圖1 所示,車輛通過(guò)車體→空簧→構(gòu)架→軸箱→輪對(duì)→鋼軌傳遞其垂向力,其中f1、f2、f3、f4分 別 為4 個(gè) 輪 對(duì) 的 輪 重,由 于 車 體 偏 心的原因,車體通過(guò)空簧傳遞給轉(zhuǎn)向架的力F1、F2的大小不一致,作用點(diǎn)不對(duì)稱;車體、轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)等部件的質(zhì)心偏移;空簧及軸箱彈簧的力學(xué)參數(shù)不一致,安裝點(diǎn)不在同一平面等都會(huì)造成輪重的分布不均。輪軌接觸簡(jiǎn)圖如圖2 所示,當(dāng)左右側(cè)輪對(duì)的輪重P1、P2相差過(guò)大時(shí),便會(huì)對(duì)車輛的輪軌接觸狀態(tài)造成影響,當(dāng)車輛在通過(guò)曲線時(shí),由于超高、線路曲率的變化,進(jìn)一步會(huì)對(duì)車輛的曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能造成影響。

        圖1 轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)受力簡(jiǎn)圖

        圖2 輪軌接觸簡(jiǎn)圖

        基于蠕滑力導(dǎo)向,對(duì)在常曲率曲線上的車輛穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析,可得左右輪對(duì)的蠕滑力變化為式(3)[9]:

        式 中:γ1為 縱 向 蠕 滑 率;γ2為 橫 向 蠕 滑 率;Tx為 縱向蠕滑力;Ty為橫向蠕滑力;q=ΔN/N0為輪重偏載系數(shù);f11、f22為蠕滑系數(shù);ψ為搖頭角位移;λ為等效錐度;r0為名義滾動(dòng)圓半徑;y*為輪對(duì)的相對(duì)橫向位移;f110、f220為正壓力為N0時(shí)的蠕滑系數(shù)。

        可以看出,當(dāng)輪重負(fù)載變化時(shí),左右輪對(duì)的蠕滑系數(shù)及蠕滑率也會(huì)隨之變化,在較輕的輪重一側(cè),其縱向蠕滑率會(huì)增加,而較重的輪重側(cè),其縱向蠕滑率會(huì)減小,直到其蠕滑力大小相等方向相反,而左右車輪的橫向蠕滑力則大小不相同,當(dāng)左右側(cè)輪對(duì)的輪重相差過(guò)大時(shí),會(huì)影響車輛的曲線通過(guò)性能。

        車輛運(yùn)行時(shí)車輪與鋼軌之間的豎向動(dòng)載荷為式(4)[10]:

        式 中:P0為 靜 輪 重 載 荷;P0α為 動(dòng) 輪 載 增 量;P0β為偏輪載增量;α為速度系數(shù),由經(jīng)驗(yàn)公式確定;β為偏載系數(shù),由曲線通過(guò)時(shí)軌道未被平衡超高確定。因此,車輛在通過(guò)曲線時(shí),輪重偏差及欠、過(guò)超高同時(shí)對(duì)輪軌豎向動(dòng)力作用產(chǎn)生影響。當(dāng)車輛在通過(guò)曲線時(shí),由于超高、線路曲率的變化,會(huì)進(jìn)一步使左右輪對(duì)的輪重偏載更為嚴(yán)重,對(duì)車輛的曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能造成影響。

        2 仿真模型

        選取某型地鐵車輛為仿真對(duì)象,采用SIM?PACK 軟件根據(jù)車輛特點(diǎn)建立其多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖3 所示,其動(dòng)力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。該地鐵車輛由車體、2 個(gè)構(gòu)架、4 個(gè)輪對(duì)組成。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由側(cè)梁、橫梁、縱向輔助梁組焊而成;轉(zhuǎn)向架一系采用轉(zhuǎn)臂式定位方式,輪對(duì)的縱向和橫向定位剛度主要由轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點(diǎn)提供,輪對(duì)的垂向定位剛度由位于軸箱正上方的螺旋鋼彈簧提供;每臺(tái)轉(zhuǎn)向架二系懸掛由2 個(gè)空氣彈簧、1 個(gè)橫向減振器和2 個(gè)垂向減振器、以及橫向止擋等組成;驅(qū)動(dòng)電機(jī)不作為獨(dú)立的剛體,而是將其質(zhì)量分別歸入構(gòu)架和輪對(duì)質(zhì)量。

        圖3 SIMPACK 車輛模型

        表1 動(dòng)力學(xué)模型主要參數(shù)表

        采用LM 磨耗型踏面與60 kg/m 鋼軌匹配的輪軌接觸幾何關(guān)系。曲線線路設(shè)置為直線—緩和曲線—圓曲線—緩和曲線—直線相連接而成。參考地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[11]中緩和曲線設(shè)計(jì)規(guī)定,緩和曲線長(zhǎng)度取50 m,圓曲線半徑取150 m,外軌超高取0.12 m。當(dāng)車輛以80 km/h 的速度通過(guò)曲線,此時(shí)欠超高值為22 mm。

        當(dāng)車輛前進(jìn)方向右側(cè)輪重大于左側(cè)輪重時(shí),設(shè)其輪重偏差為正;當(dāng)左側(cè)輪重大于右側(cè)輪重時(shí),設(shè)其輪重偏差為負(fù)。設(shè)置第1 位、2 位輪對(duì)的同軸輪重偏差相同,從-10%增加到10%。第3 位、4 位輪對(duì)的同軸輪重偏差始終設(shè)置為0%。

        3 模型仿真計(jì)算和分析

        3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        GB 5599-85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[12]對(duì)車輛的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)提出了以下要求。

        對(duì)脫軌系數(shù)的限制值規(guī)定為式(5)、式(6):

        式中:ΔP為輪重減載量;Pˉ為平均輪重;P2非爬軌側(cè)車輪作用于鋼軌上的垂直力。

        3.2 緩和曲線外軌疊加三角坑激勵(lì)

        根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)BS EN 14363-2005《軌道交通—鐵路車輛運(yùn)行特性的驗(yàn)收試驗(yàn)—運(yùn)行性能試驗(yàn)和穩(wěn)定性試驗(yàn)》[13]的B.3 項(xiàng)可知,在出圓曲線的緩和曲線段外軌設(shè)置三角坑激勵(lì),可以模擬車輛過(guò)曲線時(shí)的最不利情況。因此分析存在不同輪重偏差情況的車輛在通過(guò)疊加三角坑激勵(lì)的曲線段時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能變化。三角坑激勵(lì)的深度設(shè)置為20 mm,半跨距為6 m。

        3.2.1 脫軌系數(shù)

        不同輪重偏差的地鐵車輛通過(guò)R300 m 半徑曲線時(shí),第1 位、2 位輪對(duì)的脫軌系數(shù)最大值變化情況如圖4 所示??梢钥闯鲈谌强蛹?lì)下,當(dāng)?shù)?位、2 位輪對(duì)的輪重偏差從-10%增加到10%時(shí),導(dǎo)向車軸的左側(cè)輪對(duì)的脫軌系數(shù)呈現(xiàn)依次增大的現(xiàn)象,其他位輪對(duì)的脫軌系數(shù)則基本不變。

        圖4 脫軌系數(shù)

        當(dāng)不存在輪重偏差,即輪重偏差設(shè)置為0%時(shí),導(dǎo)向車軸左側(cè)輪對(duì)的脫軌系數(shù)為0.79,當(dāng)輪重偏差從0% 增加到10% 時(shí),脫軌系數(shù)則增加到1.11,增加了40.5%。當(dāng)輪重偏差從0%負(fù)向增加到-10%時(shí),脫軌系數(shù)則減小到0.58。

        車輛以80 km/h 的速度通過(guò)R300 m 半徑曲線時(shí),導(dǎo)向車軸的右側(cè)輪對(duì)增載,左側(cè)輪對(duì)減載。當(dāng)導(dǎo)向車軸的輪重偏差設(shè)置為從0% 正向增加到10%時(shí),加劇了導(dǎo)向車軸在通過(guò)曲線時(shí)的左、右側(cè)輪對(duì)偏載,因此脫軌系數(shù)隨之增加。當(dāng)導(dǎo)向車軸的輪重偏差從0%負(fù)向增加到-10%時(shí),相當(dāng)于緩解了導(dǎo)向車軸在通過(guò)曲線時(shí)的左、右側(cè)輪對(duì)偏載,因此脫軌系數(shù)隨之減小。

        3.2.2 輪重減載率

        不同輪重偏差的地鐵車輛通過(guò)R300 m 半徑曲線時(shí),第1 位、2 位輪對(duì)的輪重減載率最大值變化情況如圖5 所示??梢钥闯觯?dāng)不存在輪重偏差時(shí),第1 位、2 位輪對(duì)的輪重減載率分別為0.55 和0.27。當(dāng)輪重偏差從0%增加到10%時(shí),第1 位輪對(duì)的輪重減載率持續(xù)增大,第2 位輪對(duì)的輪重減載率則先減小后增大。當(dāng)輪重偏差從0%負(fù)向增加到-10%時(shí),第1 位輪對(duì)的輪重減載率持續(xù)減小,第2 位輪對(duì)的輪重減載率則持續(xù)增大。

        圖5 輪重減載率

        當(dāng)?shù)? 位輪對(duì)的輪重偏差從0% 增加到10%時(shí),其輪重減載率增大了18.3%,超過(guò)了輪重減載率第一限度值0.65。當(dāng)?shù)? 位輪對(duì)的輪重偏差增加到6%時(shí),輪重減載率值超過(guò)了輪重減載率第二限度值0.60。

        3.2.3 輪軌力

        不同輪重偏差的地鐵車輛通過(guò)R300 m 半徑曲線時(shí),第1 位、2 位輪對(duì)的輪軌橫向力和輪軸橫向力變化情況如圖6、圖7 所示。

        從圖6 可以看出,第1 位輪對(duì)的左右側(cè)輪軌橫向力呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。當(dāng)輪重偏差從0%增加到10%時(shí),輪軌橫向力隨之增加;當(dāng)輪重偏差從0% 負(fù)向增加到-10% 時(shí),輪軌橫向力隨之減小。第2 位輪對(duì)的左右側(cè)輪軌橫向力呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。從圖7 可以看出,輪重偏差對(duì)車輛輪軸橫向力基本沒(méi)有影響。

        圖6 輪軌橫向力

        圖7 輪軸橫向力

        3.3 隨機(jī)軌道不平順激勵(lì)

        上一節(jié)分析了在三角坑激勵(lì)下,存在不同輪重偏差的車輛通過(guò)曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能。此節(jié)繼續(xù)分析不同輪重偏差車輛在隨機(jī)軌道不平順激勵(lì)下的曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能,檢驗(yàn)其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,可為車輛組裝出廠及維修時(shí)的輪重偏差控制提供一定的參考意義。從圖4、圖5 可以看出,當(dāng)輪重偏差從0%增加到10%時(shí),第1 位輪對(duì)左側(cè)車輪的脫軌系數(shù)和第1 位輪對(duì)的輪重減載率都隨之增大;當(dāng)輪重偏差從0%負(fù)向增加到-10%時(shí),2項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)都隨之減小。且由于導(dǎo)向輪對(duì)即第1 位輪對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響較大,因此只分析輪重偏差從0%增加到10%,對(duì)第1 位輪對(duì)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的影響。軌道不平順選擇美國(guó)軌道五級(jí)譜。

        各動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)在隨機(jī)軌道不平順激勵(lì)下隨輪重偏差的變化情況如圖8 所示,輪重偏差對(duì)曲線通過(guò)性能的影響,見(jiàn)表2??梢钥闯觯弘S著輪重偏差從0%增加到10%時(shí),各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)都隨之增大。其中輪軌橫向力的增長(zhǎng)幅度較小,當(dāng)輪重偏差為10% 時(shí),輪軌橫向力增加了9.95%。脫軌系數(shù)以及輪重減載率的增值較大,當(dāng)輪重偏差達(dá)到10% 時(shí),脫軌系數(shù)最大值為1.02,增大了23%,輪重減載率最大值為0.62,增大了55%,且都已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。所以當(dāng)輪重偏差過(guò)大時(shí),會(huì)影響車輛的運(yùn)行安全性,造成車輛脫軌。

        表2 輪重偏差對(duì)曲線通過(guò)性能的影響

        圖8 隨機(jī)軌道不平順激勵(lì)時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能

        4 結(jié) 論

        對(duì)具有不同輪重偏差的車輛在曲線上的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析,可以得到以下結(jié)論:

        (1)在緩和曲線外軌疊加三角坑激勵(lì)下,當(dāng)輪重偏差從-10% 增加到10% 時(shí),導(dǎo)向車軸左側(cè)輪對(duì)的脫軌系數(shù)依次增大,其他位輪對(duì)的脫軌系數(shù)則基本不變;第1 位輪對(duì)的輪重減載率及輪軌橫向力也隨之增大,輪重偏差對(duì)輪軸橫向力基本沒(méi)有影響。

        (2)在隨機(jī)軌道不平順激勵(lì)下,當(dāng)輪重偏差增大至10%時(shí),輪軌橫向力增長(zhǎng)了9.95%,輪重偏差對(duì)輪軌橫向力的影響較小;對(duì)脫軌系數(shù)和輪重減載率的影響較大,當(dāng)輪重偏差增大至10%時(shí),脫軌系數(shù)最大值增大了82.14%,輪重減載率最大值增大了55%,且超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求,會(huì)造成車輛脫軌,按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輪重偏差進(jìn)行控制,可以滿足車輛的曲線通過(guò)安全性。

        行車安全是鐵路和軌道交通的必備條件,且車輛在通過(guò)曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能較差,若輪重偏差較大則會(huì)使輪軌接觸狀態(tài)更加惡化,對(duì)線路及車輛結(jié)構(gòu)造成不利的影響。因此,在車輛組裝完成出廠前,應(yīng)對(duì)車輛的輪重偏差進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

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