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        形位誤差對三大件式轉(zhuǎn)向架曲線通過性能影響分析*

        2022-05-14 06:08:24隋順琦高賢波
        鐵道機車車輛 2022年2期
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)向架

        王 萌,隋順琦,高賢波,凌 亮

        (1 神華鐵路裝備有限責(zé)任公司,北京 100120;2 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,成都 610031)

        三大件轉(zhuǎn)向架通過交叉支撐裝置側(cè)架彈性固定,使轉(zhuǎn)向架保持正位狀態(tài)。在車輛實際運用過程中側(cè)架導(dǎo)框的中心會發(fā)生偏轉(zhuǎn)進而導(dǎo)致輪對的定位中心偏差,這種偏差稱為形位誤差。目前,關(guān)于形位誤差對三大件轉(zhuǎn)向架曲線通過性能影響的研究相對較少。文獻[1]研究了獨立輪對安裝偏差對輪緣磨耗及輪軌橫向力的影響規(guī)律。文獻[2]基于現(xiàn)場試驗研究表明車軸不平行度對車輛運行阻力及車輪磨耗的影響。池茂儒[1-2]研究了形位誤差狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架的運動狀態(tài)和受力以及形位誤差對行車安全性、穩(wěn)定性的影響,并根據(jù)輪對偏角對穩(wěn)定性的影響將其劃分為易穩(wěn)定區(qū)、欠穩(wěn)定區(qū)和亞穩(wěn)定區(qū)。沈鋼[3-4]分析了直線線路條件下形位誤差對三大件轉(zhuǎn)向架運行特性的影響,提出了正位偏差的測量方法。王衛(wèi)東[5]分析了鐵道車輛轉(zhuǎn)向架裝配誤差對鐵道車輛運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和輪軌動作用力的影響。丁軍君[6]分析了初始安裝偏轉(zhuǎn)角、輪徑差對車輪磨耗的影響。文獻[7]研究軸距誤差對車輛動力學(xué)性能的影響,并指出廣深線試驗中轉(zhuǎn)臂式軸箱定位方式導(dǎo)致輪對偏磨。文中采用某型貨車進行動力學(xué)計算,分析不同形位誤差對三大件轉(zhuǎn)向架曲線通過性能的影響。

        1 形位誤差常見形式

        車輛實際運營過程中,形位誤差的表現(xiàn)形式雖然各不相同,如圖1所示,但基本都可由圖1的4種典型形式組合得到。圖1(a)~(d)依次為:前輪對偏轉(zhuǎn)、后輪對偏轉(zhuǎn)、前后輪對同向偏轉(zhuǎn)、前后輪對反向偏轉(zhuǎn)。

        圖1 形位誤差種類

        2 仿真分析

        2.1 車輛動力學(xué)模型

        基于SIMPACK多體動力學(xué)軟件建立某型貨車動力學(xué)模型,如圖2所示。車輛及線路設(shè)置見表1,車輪踏面為LM型踏面,軌道為60 kg/m鋼軌,線路為400 m半徑曲線,為分析形位誤差對車輛曲線通過性能影響,線路未施加不平順。車輛前轉(zhuǎn)向架設(shè)置形位誤差,計算不同形位誤差下車輛以不同的速度惰行通過曲線,分析前轉(zhuǎn)向架曲線通過性能指標(biāo)最大值隨速度、形位誤差動態(tài)演變特性。

        表1 車輛及線路設(shè)置

        圖2 貨車動力學(xué)模型

        2.2 仿真結(jié)果分析

        2.2.1形位誤差與線路方向相對關(guān)系

        為分析曲線線路條件下線路方向與形位誤差偏轉(zhuǎn)方向相對關(guān)系對車輛動力學(xué)性能影響,以前輪對偏轉(zhuǎn)為例,計算對稱工況條件下車輛動力響應(yīng),工況設(shè)置見表2。

        表2 工況設(shè)置

        對稱工況下一位輪對輪軌垂向力、橫向力時程曲線如圖3、圖4所示,對比可知,對稱條件下2種工況的輪軌力完全一致。轉(zhuǎn)向架前輪對偏轉(zhuǎn)0.3°通過右曲線時,右輪輪軌力與前輪對偏轉(zhuǎn)-0.3°通過左曲線時的左輪輪軌力一致,左輪反之。因此對稱條件下可視為同一工況,后續(xù)計算中以右曲線為例。

        圖3 輪軌垂向力

        圖4 輪軌橫向力

        2.2.2形位誤差對曲線通過性能影響

        (1)前輪對偏轉(zhuǎn)

        對于前輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差,一位輪對偏轉(zhuǎn)由-0.4°~0.4°。形位誤差為負表示一位輪對逆時針偏轉(zhuǎn),形位誤差為正表示一位輪對順時針偏轉(zhuǎn)。

        前輪對偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下,曲線通過性能指標(biāo)隨速度、偏角變化如圖5所示。由圖5可知,脫軌系數(shù)、輪軌橫向力隨速度變化相對較?。灰晃惠唽槙r針偏轉(zhuǎn)0.1°時脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力3項指標(biāo)達到最小,一位輪對順時針偏轉(zhuǎn)0°~0.1°范圍內(nèi)輪軸橫向力達到最小,隨偏轉(zhuǎn)角進一步增大或減小4項指標(biāo)均有不同程度增加。車輛運行速度超過70 km/h、前輪對偏轉(zhuǎn)達到0.2°,輪重減載率、輪軸橫向力分別隨速度和偏轉(zhuǎn)角的增大而顯著增加。

        圖5 前輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差對曲線通過性能指標(biāo)影響

        當(dāng)三大件式轉(zhuǎn)向架存在前輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差,一位輪對順時針偏轉(zhuǎn)0.1°通過右曲線時脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力更小,更有利于曲線通過。

        (2)后輪對偏轉(zhuǎn)

        對于后輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差,二位輪對偏轉(zhuǎn)由-0.4°~0.4°。形位誤差為負表示二位輪對逆時針偏轉(zhuǎn),形位誤差為正表示二位輪對順時針偏轉(zhuǎn)。

        后輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差下,曲線通過性能指標(biāo)隨速度、形位誤差變化如圖6所示。由圖6可知,后輪對逆時針偏轉(zhuǎn)0.1°~0.2°(-0.1°~-0.2°)范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對較小且隨速度先減小后增大。后輪對順時針偏轉(zhuǎn)超過0.2°、運行速度達到60 km/h時,脫軌系數(shù)、輪軌橫向力分別隨速度、偏轉(zhuǎn)角的增大而顯著增加。后輪對逆時針偏轉(zhuǎn)時,輪重減載率變化相對較?。缓筝唽槙r針偏轉(zhuǎn)0.3°時,輪軸橫向力達到最小。

        圖6 后輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差對曲線通過性能指標(biāo)影響

        當(dāng)三大件式轉(zhuǎn)向架存在后輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差,二位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力更小,二位輪對順時針偏轉(zhuǎn)0.3°時,輪軸橫向力更小。

        (3)前后輪對同向偏轉(zhuǎn)

        對于前后輪對同向偏轉(zhuǎn)形位誤差,一、二位輪對偏轉(zhuǎn)由-0.4°~0.4°。形位誤差為負表示一、二位輪對逆時針偏轉(zhuǎn);形位誤差為正表示一、二位輪對順時針偏轉(zhuǎn)。

        前后輪對同向偏轉(zhuǎn)形位誤差下,曲線通過性能指標(biāo)隨速度、形位誤差變化如圖7所示。由圖7可知,前后輪對逆時針偏轉(zhuǎn)0.15°至順時針偏轉(zhuǎn)0.3°(-0.15°~0.3°)范 圍 內(nèi) 脫 軌 系 數(shù)、輪 軌 橫 向 力相對較小且隨速度增大先減小后增大。前后輪對順時針偏轉(zhuǎn)0.1°~0.2°范圍內(nèi)輪重減載率、輪軸橫向力相對較小。前后輪對逆時針偏轉(zhuǎn)超過0.15°、運行速度達到60 km/h時,脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力分別隨速度、偏轉(zhuǎn)角的增大而顯著增加。

        圖7 前后輪對同向偏轉(zhuǎn)形位誤差對曲線通過性能指標(biāo)影響

        當(dāng)三大件式轉(zhuǎn)向架存在前后輪對同向偏轉(zhuǎn)形位誤差,前后輪對順時針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時,脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪重減載率、輪軸橫向力相對更小,更有利于曲線通過。

        (4)前后輪對反向偏轉(zhuǎn)

        對于前后輪對反向偏轉(zhuǎn)形位誤差,一、二位輪對偏轉(zhuǎn)由-0.4°~0.4°。形位誤差為負表示一位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)、二位輪對順時針偏轉(zhuǎn);形位誤差為正表示一位輪對順時針偏轉(zhuǎn)、二位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)。

        前后輪對反向偏轉(zhuǎn)形位誤差下,曲線通過性能指標(biāo)隨速度、形位誤差變化如圖8所示。由圖8可知,前后輪對反向偏轉(zhuǎn)0°~0.1°范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對較小,隨偏轉(zhuǎn)角增大而增大。前后輪對反向偏轉(zhuǎn)-0.1°~0.1°范圍內(nèi)輪重減載率相對較小。一位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)、二位輪對順時針偏轉(zhuǎn)(即前后輪對反向偏轉(zhuǎn)角小于0)狀態(tài)下通過曲線時輪重減載率對速度、偏轉(zhuǎn)角變化更敏感。一位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)、二位輪對順時針偏轉(zhuǎn)時,輪軸橫向力相對較小,前后輪對反向偏轉(zhuǎn)角-0.25°通過曲線時,輪軸橫向力達到最小。

        圖8 前后輪對反向偏轉(zhuǎn)形位誤差對曲線通過性能指標(biāo)影響

        當(dāng)三大件式轉(zhuǎn)向架存在前后輪對反向偏轉(zhuǎn)形位誤差,前后輪對反向偏轉(zhuǎn)0°~0.1°范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對較??;一位輪對順時針偏轉(zhuǎn)、二位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時,輪重減載率相對更小;一位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)、二位輪對順時針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時,輪軸橫向力相對更小。

        3 結(jié)論

        文中分析了不同種類形位誤差的分布方式對三大件式轉(zhuǎn)向架動態(tài)曲線通過的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下:

        (1)形位誤差分布方式對三大件式轉(zhuǎn)向架曲線通過性能有較大影響,不同種類形位誤差對動態(tài)曲線通過的影響規(guī)律有所不同。

        (2)對于前輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差,一位輪對順時針偏轉(zhuǎn)0.1°通過右曲線時,脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力更小,更有利于曲線通過。

        (3)對于后輪對偏轉(zhuǎn)形位誤差,二位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時,脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力更小,二位輪對順時針偏轉(zhuǎn)0.3°時,輪軸橫向力更小。

        (4)對于前后輪對同向偏轉(zhuǎn)形位誤差,前后輪對順時針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時,脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪重減載率、輪軸橫向力相對更小,更有利于曲線通過。

        (5)對于前后輪對反向偏轉(zhuǎn)形位誤差,前后輪對反向偏轉(zhuǎn)0°~0.1°范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對較??;一位輪對順時針偏轉(zhuǎn)、二位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時,輪重減載率相對更小,一位輪對逆時針偏轉(zhuǎn)、二位輪對順時針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時,輪軸橫向力相對更小。

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