高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)字樣機(jī)研究

趙 方,王成國(guó)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心,北京100081)

輪軌關(guān)系問(wèn)題是軌道交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)性問(wèn)題。輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)是研究輪軌關(guān)系問(wèn)題的重要技術(shù)裝備。輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)按照試驗(yàn)對(duì)象可分為整車(chē)試驗(yàn)臺(tái)、轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)臺(tái)、單輪對(duì)試驗(yàn)臺(tái)、單車(chē)輪試驗(yàn)臺(tái)。按照功能試驗(yàn)臺(tái)可分為滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。

根據(jù)高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案,開(kāi)展全尺寸單輪對(duì)的高速輪軌關(guān)系滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)字樣機(jī)研究。

與其他類(lèi)型輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)相比,單輪對(duì)輪軌關(guān)系滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)更專(zhuān)注于輪軌關(guān)系的幾何接觸、材料匹配、磨耗、蠕滑等專(zhuān)項(xiàng)研究;

(2)可以進(jìn)行高速輪對(duì)的穩(wěn)定性試驗(yàn)和脫軌試驗(yàn)等動(dòng)力性能試驗(yàn)研究;

(3)試驗(yàn)功能比較全面,性價(jià)比高。

1 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的基本技術(shù)方案

全尺寸單輪對(duì)高速輪軌關(guān)系滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)主要由以下幾部分構(gòu)成:

(1)軌道輪系統(tǒng)包括軌道輪、軌道輪輪軌測(cè)力裝置、軌道輪外圈、軌道輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軌道輪傳動(dòng)裝置、軌道輪制動(dòng)盤(pán)、附件等組成。

(2)測(cè)試輪對(duì)系統(tǒng)包括測(cè)試輪對(duì)、導(dǎo)向梁和懸掛系統(tǒng)、輪對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輪對(duì)傳動(dòng)裝置、測(cè)試輪對(duì)與輪對(duì)傳動(dòng)裝置連接裝置、附件等組成。

(3)液壓激振系統(tǒng)包括必要的液壓源、閥、作動(dòng)缸、控制元件及管路等,對(duì)測(cè)試輪對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載,模擬軌道-車(chē)輛在滾動(dòng)振動(dòng)情況下輪對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(4)數(shù)據(jù)測(cè)量與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和控制。

(5)輪軌接觸界面環(huán)境模擬系統(tǒng)用來(lái)模擬輪軌接觸表面分別覆蓋水、油脂、沙的情況,系統(tǒng)包括噴水、噴油、撒沙裝置。

(6)龍門(mén)架為整個(gè)系統(tǒng)提供支撐,其高度可根據(jù)測(cè)試輪對(duì)直徑的大小進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。

(7)電氣系統(tǒng)為試驗(yàn)臺(tái)提供適配電源,實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速、起停、電制動(dòng)反饋、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)控。系統(tǒng)包括電源裝置、電機(jī)調(diào)速控制裝置、接觸器、中間繼電器、電氣柜等。

(8)故障應(yīng)急處理系統(tǒng)可在試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行出現(xiàn)意外情況時(shí),實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、緊急停機(jī)等功能。以保證試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的人員安全和設(shè)備安全。

(9)其他輔助設(shè)施包括脫軌試驗(yàn)防護(hù)裝置、地基蓋板、通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)等。其總體結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

圖1 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)框圖

最高運(yùn)行速度:500 km/h;最大軸重:500 kN;橫向載荷:-150～150 kN;軌距:1435 mm;垂向激振最高頻率:15 Hz,最大振幅:±10 mm;橫向激振最高頻率:15 Hz,最大振幅:±10 mm;搖頭激振最高頻率:15 Hz,最大振幅:±6 mm。

2 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)字樣機(jī)

2.1 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分CAD模型的建立

通過(guò)CATIA三維建模軟件建立高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械模型,在建模過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化處理,試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分示意圖分見(jiàn)圖2～圖4。

2.2 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的建立

通過(guò)MSC.SimDesigner軟件將試驗(yàn)臺(tái)CAD模型導(dǎo)出,然后再將其導(dǎo)入ADAMS/VIEW中加載約束,建立起機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型,其主要約束如下:

(1)軌道輪電機(jī)與軌道輪之間采用Revolute Joint約束;

圖2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分主視圖

圖3 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分左視圖

圖4 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分俯視圖

(2)軌道輪與測(cè)試輪對(duì)之間采用Contact約束;

(3)輪對(duì)電機(jī)與測(cè)試輪對(duì)之間采用Revolute Joint約束;

(4)測(cè)試輪對(duì)與其左右兩側(cè)軸箱之間采用Revolute Joint約束;

(5)左右兩側(cè)軸箱與上方導(dǎo)向梁之間采用Translational Joint約束,采用Bushing模擬一系懸掛;

(6)導(dǎo)向梁、龍門(mén)架分別與各自一側(cè)液壓激振器采用Fixed連接,激振器之間采用Cylindrical Joint約束。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)添加約束后

2.3 ADAMS/View中輪軌接觸力計(jì)算模型的建立

在試驗(yàn)臺(tái)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型中,輪軌接觸力計(jì)算模型最為重要。

在ADAMS/View中,接觸力計(jì)算方法有兩種:一種是恢復(fù)系數(shù)法(Restitution);另一種是沖擊函數(shù)法(Impact)?；謴?fù)系數(shù)法需要確定兩個(gè)參數(shù):懲罰函數(shù)(Penalty)和恢復(fù)系數(shù)(Restitution)。沖擊函數(shù)法是根據(jù)Impact函數(shù)來(lái)計(jì)算兩個(gè)構(gòu)件之間的接觸力,接觸力由兩部分組成:一個(gè)是由兩個(gè)構(gòu)件之間的相互切入而產(chǎn)生的彈性力,另一個(gè)是由相對(duì)速度而產(chǎn)生的阻尼力。

恢復(fù)系數(shù)模型是基于沖量理論的。如果能得到準(zhǔn)確的材料恢復(fù)系數(shù),而材料的剛度和阻尼系數(shù)不知道時(shí)以及對(duì)不連續(xù)型接觸問(wèn)題適合采用該模型。由于它基于沖量定律,其速度場(chǎng)是不連續(xù)的,從而加速度不能完全定義,接觸力也就不能完全定義。因此,如果要得到比較準(zhǔn)確的沖擊力,或者碰撞速度對(duì)接觸行為不起重要影響時(shí)(如連續(xù)型接觸問(wèn)題),此時(shí)就不適合采用恢復(fù)系數(shù)模型。

沖擊函數(shù)模型用位移、速度來(lái)定義接觸力,它可以用在連續(xù)型接觸和不連續(xù)型接觸兩種情況上;而且,剛度k與材料特性相關(guān)物理意義明確;當(dāng)剛度取值較大造成收斂困難時(shí),可以通過(guò)調(diào)整穿透深度來(lái)改善收斂,計(jì)算比較穩(wěn)定。所以計(jì)算沖擊力時(shí)要采用該模型。

ADAMS中沖擊函數(shù)模型用一個(gè)彈簧—阻尼模型來(lái)表示,沖擊力函數(shù)表示為:

采用Impact沖擊函數(shù)法來(lái)計(jì)算輪軌接觸力,各參數(shù)定義對(duì)話框如下:

(1)Contact Type:選擇接觸類(lèi)型。采用Solid to Solid類(lèi)型,然后再選取接觸構(gòu)件,見(jiàn)圖6。

圖6 接觸模型的定義

(2)Normal Force:確定接觸力計(jì)算方法。各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)圖7。

圖7 計(jì)算接觸力時(shí)需要定義的參數(shù)

(3)Friction Force:確定摩擦力計(jì)算方法。采用庫(kù)侖摩擦定律,各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)圖8。

圖8 摩擦力的計(jì)算參數(shù)

庫(kù)侖摩擦定律需要設(shè)定4個(gè)參數(shù):靜摩擦系數(shù)μs、摩擦系數(shù) μd、靜滑移速度vs、動(dòng)滑移速度vd。

Bochet根據(jù)Poiree在里昂鐵路上車(chē)輛沿鋼軌滑動(dòng)的制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(試驗(yàn)時(shí)輪軌滑動(dòng)速度高達(dá)22 m/s)得出輪軌動(dòng)摩擦系數(shù)與相對(duì)滑動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中μd為動(dòng)摩擦系數(shù);μs為靜摩擦系數(shù);vh為滑動(dòng)速度。

對(duì)于非常干燥的鋼軌μs=0.45,對(duì)于潮濕鋼軌 μs=0.25。圖9和圖10分別為 μs取上述兩值時(shí)摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系曲線。

圖9 干燥狀態(tài)

圖10 潮濕狀態(tài)

3 應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行高速輪軌黏著性能的數(shù)字試驗(yàn)

3.1 輪軌黏著的數(shù)字試驗(yàn)方案

輪軌黏著數(shù)字試驗(yàn)方案如下:將輪對(duì)置于中央位置,在導(dǎo)向梁上施加垂向方向的力,以模擬軸重。軌道輪采用加速度控制方式,由零逐漸加速至試驗(yàn)速度(參見(jiàn)圖11第1階段)。等到達(dá)試驗(yàn)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定后(參見(jiàn)圖11第2階段),由輪對(duì)電機(jī)對(duì)測(cè)試輪對(duì)施加一力矩作為驅(qū)動(dòng)力矩,該驅(qū)動(dòng)力矩采用函數(shù)控制,從零開(kāi)始逐漸加大,從而使輪軌間產(chǎn)生黏著力,直至達(dá)到黏著極限。此時(shí),輪軌間黏著力達(dá)到最大值,即輪軌Contact X方向接觸力達(dá)到最大值(參見(jiàn)圖11第3階段)。此時(shí)若再加大驅(qū)動(dòng)力矩,則輪軌間黏著條件將被破壞,黏著力反而降低(參見(jiàn)圖11第4階段)。

圖11 輪軌黏著性能的數(shù)字試驗(yàn)

3.2 輪軌黏著數(shù)字試驗(yàn)

試驗(yàn)工況參數(shù)如下:車(chē)輪直徑860 mm,LMA踏面外形,軸重14 t,軌道輪外圈采用 CHN60鋼軌廓形,軌距1 435 mm,軌道輪直徑3 m,試驗(yàn)速度 350 km/h,不考慮軌底坡。

Contact接觸法向力參數(shù)取值參見(jiàn)圖7,摩擦系數(shù)采用圖9所示干燥狀態(tài)下動(dòng)摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度關(guān)系曲線。仿真試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

3.3 輪對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率大小的選取

在進(jìn)行黏著試驗(yàn),特別是進(jìn)行干燥、清潔輪軌表面狀態(tài)下的黏著試驗(yàn)時(shí),由于輪軌間的黏著系數(shù)較高,產(chǎn)生的輪軌黏著力會(huì)很大,因此輪對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性能否滿足試驗(yàn)要求,必須進(jìn)行深入的分析。

在無(wú)變速傳動(dòng)裝置,不考慮機(jī)械損失的前提下,有

在電機(jī)功率為定值(6 000 kW)的情況下,軸重、速度和黏著系數(shù)之間有如下關(guān)系,見(jiàn)圖12。表1為輪軌黏著計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

圖12 軸重、速度和黏著系數(shù)關(guān)系

表1 輪軌黏著計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)數(shù)字樣機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)的重要研究方法。高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)字樣機(jī)為輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)方案選擇提供技術(shù)支持,為關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化提供論證手段。

(2)通過(guò)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行高速輪軌黏著試驗(yàn),分析了試驗(yàn)臺(tái)黏著試驗(yàn)方案的可行性。并通過(guò)輪軌黏著數(shù)字仿真試驗(yàn)與理論計(jì)算的相互印證,為試驗(yàn)臺(tái)輪對(duì)電機(jī)的選型提供了參考依據(jù)。

(3)目前的數(shù)字樣機(jī)輪軌接觸力模型還比較簡(jiǎn)單,需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

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