輪徑差對(duì)車輛動(dòng)態(tài)曲線通過的影響

王娜娜,羅世輝,馬衛(wèi)華

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610031)

由于加工過程的誤差和各種運(yùn)行因素的影響,轉(zhuǎn)向架4個(gè)車輪的名義直徑存在著輪徑差。不合理的輪徑差不但可以造成輪緣偏磨,降低車輪的使用壽命,導(dǎo)致牽引電機(jī)負(fù)荷分配不均[1-5],而且還影響鐵路車輛系統(tǒng)的平穩(wěn)性和安全性。以上這些內(nèi)容國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究,此外輪徑差也影響著鐵路車輛系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)曲線通過性,本文主要針對(duì)輪徑差對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過性的影響進(jìn)行討論。輪徑差又分為很多種,如圖1所示。參考文獻(xiàn)[1-5]討論了輪緣偏磨的原因和輪徑差是如何造成輪緣偏磨以及輪徑差是如何影響牽引電機(jī)負(fù)荷分配不均的;參考文獻(xiàn)[6-7]研究了輪軌接觸幾何關(guān)系、車輛在運(yùn)行過程中的動(dòng)力學(xué)行為。

圖1 輪徑差的形式

1 輪對(duì)橫移量的計(jì)算

如果輪對(duì)存在輪徑差,為了保證左右車輪的走行距離相同,輪對(duì)中心就會(huì)偏離軌道中心線,而通過踏面斜度來調(diào)整左右車輪的滾動(dòng)圓直徑,那么輪對(duì)就會(huì)向輪徑較小的一側(cè)車輪偏移。我們可以通過以下方法計(jì)算其橫向偏移距離[6-7]。當(dāng)輪對(duì)中心離開對(duì)中位置向右移動(dòng)一個(gè)量為yw時(shí),則左右側(cè)車輪的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑分別為

令車輪踏面斜度是常數(shù),根據(jù)以上關(guān)系可推導(dǎo)出具有輪徑差的車輪輪對(duì)中心偏離軌道中心線的距離

進(jìn)入曲線后的車輛要在以上偏移的基礎(chǔ)上再次偏移,其偏移距離可用以下公式近似計(jì)算:

式中R為曲線半徑,也就是輪對(duì)純滾動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑;b為輪對(duì)兩滾動(dòng)圓之間的距離;yv為輪對(duì)橫移量。

理想狀態(tài)下,車輛是徑向通過曲線的,轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)存在輪徑差時(shí),就會(huì)影響車輛的徑向曲線通過。存在輪徑差的車輛在由直線段進(jìn)入曲線的過程中yw、yv同時(shí)存在,只是方向不一致。為了具體分析輪徑差的形式對(duì)曲線通過性的影響,下面以無輪徑差的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架與存在0.001 m和0.002 m輪徑差的轉(zhuǎn)向架在120 km/h速度下,由直線段進(jìn)入曲線段為例,對(duì)其動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。一般情況下描述動(dòng)態(tài)曲線的通過性能也就是對(duì)輪對(duì)橫向力以及脫軌系數(shù)等物理量的計(jì)算。

2 仿真分析

2.1 模型的描述

(1)軌道模型

軌道是由一段直線、緩和曲線和圓曲線組成的線路,長(zhǎng)度分別是 100、120、100 m。取外軌超高0.12 m,軌道半徑為600 m。

(2)車輛模型參數(shù)

此仿真過程中用的是2B0系列車輛。轉(zhuǎn)向架一系懸掛采用人字形橡膠彈簧,二系懸掛采用空氣彈簧,每臺(tái)轉(zhuǎn)向架配置兩臺(tái)牽引電機(jī),牽引電機(jī)的一端通過爪形軸承支于輪對(duì)上,另一端懸吊于構(gòu)架橫梁上。取一系縱向定位剛度為16.4 MN/m;一系橫向定位剛度為5.95 MN/m;二系縱向定位剛度為130.5 kN/m;橫向定位剛度為130.5 kN/m;軸箱彈簧橫向阻尼系數(shù)3 kN?s/m;中央彈簧橫向阻尼系數(shù)15 kN?s/m。輪對(duì)質(zhì)量5 396 kg,轉(zhuǎn)向架質(zhì)量7 724 kg,車體質(zhì)量62 970 kg,車輪的名義滾動(dòng)圓半徑為0.5 m,輪軌最大間隙的一半為0.009 5 m。

2.2 仿真結(jié)果的對(duì)比分析

(1)等值同相輪徑差

由圖2可以看出車輛通過動(dòng)態(tài)曲線時(shí),存在等值同相輪徑差的車輛比標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)車輛的橫向力和脫軌系數(shù)都大,而且兩者都隨著輪徑差的增大逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)向架的前后輪對(duì)內(nèi)側(cè)車輪輪徑大于外側(cè)車輪輪徑時(shí),上面計(jì)算的yw、yv的方向一致,兩部分的效果疊加起來,會(huì)產(chǎn)生很大的橫向偏移,極容易導(dǎo)致外側(cè)輪緣貼靠鋼軌,產(chǎn)生較大的輪緣力造成鋼軌磨損、軌距擠寬、輪緣垂直磨耗,導(dǎo)致輪軌的撞擊。如果是小曲線還可能出現(xiàn)輪緣爬軌或線路外脹而導(dǎo)致脫軌,甚至造成車輛顛覆等重大事故。當(dāng)轉(zhuǎn)向架的前后輪對(duì)內(nèi)側(cè)車輪輪徑小于外側(cè)車輪輪徑,yw、yv移動(dòng)方向相反,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的橫向沖擊力和車體搖晃速度,導(dǎo)致橫向加速度增大,產(chǎn)生噪聲,嚴(yán)重影響乘坐舒適度。

(2)等值反相輪徑差

由圖3可以看出,與上述的等值同相輪徑差情況相反。存在等值反相輪徑差的車輛通過動(dòng)態(tài)曲線時(shí),其橫向力和脫軌系數(shù)都隨著輪徑差的增大而減小。存在等值反相輪徑差的車輪其前后輪對(duì)朝相反的方向移動(dòng),雖然在平直的軌道上會(huì)引起較大的橫向力和橫向位移,但是仿真結(jié)果表明在過曲線時(shí),適當(dāng)?shù)牡戎捣聪噍啅讲钍怯欣谲囕v動(dòng)態(tài)通過曲線的。

(3)前輪對(duì)輪徑差

由圖4可以看出,與等值反相輪徑差一樣,存在前輪對(duì)輪徑差的車輛其動(dòng)態(tài)通過曲線時(shí)的橫向力和脫軌系數(shù)也是隨著輪徑差的增大逐漸減小。適當(dāng)?shù)那拜唽?duì)輪徑差也是有利于動(dòng)態(tài)曲線通過的。此時(shí)只有前輪對(duì)的純滾線不在軌道中心線上,橫向運(yùn)動(dòng)源只有一個(gè),不會(huì)引起較大的橫向力和橫向位移。

圖2 等值同相輪徑差的影響

圖3 等值反相輪徑差的影響

圖4 前輪對(duì)輪徑差的影響

(4)后輪對(duì)輪徑差

由圖5可以看出后輪對(duì)輪徑差對(duì)車輛動(dòng)態(tài)曲線通過的影響不明顯,橫向力和脫軌系數(shù)曲線變化規(guī)律幾乎一致。此時(shí)只有后輪對(duì)的純滾線不在軌道中心線上,同樣也只有一個(gè)橫向動(dòng)力源,引起轉(zhuǎn)向架的偏轉(zhuǎn)角度較小。

3 結(jié)論

分析和仿真結(jié)果表明,不同種類輪徑差對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過的影響規(guī)律是不一樣的,不是所有種類的輪徑差都不利于車輛動(dòng)態(tài)曲線通過。

(1)車輛的等值同相輪徑差對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過的影響最明顯,隨著其增大曲線通過變差,應(yīng)盡量控制等值同相輪徑差。

(2)等值反相輪徑差和前輪對(duì)輪徑差在一定范圍內(nèi)有利于動(dòng)態(tài)曲線通過。隨著輪徑差的增大,車輛動(dòng)態(tài)曲線通過時(shí)的橫向力和脫軌系數(shù)都變小。

(3)后輪對(duì)輪徑差對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過的影響不明顯。其過曲線時(shí)的橫向力和脫軌系數(shù)圖示曲線的規(guī)律基本是一致的。

圖5 后輪對(duì)輪徑差的影響

[1] 張 洪.準(zhǔn)高速客車轉(zhuǎn)向架輪緣磨耗原因及改進(jìn)措施[J].鐵道車輛,2000,(5):54-58.

[2] 肖彥君,吳茂杉.交流傳動(dòng)城軌動(dòng)車輪徑允差問題的探討[J].鐵道機(jī)車車輛,2004,(2):64-70.

[3] ILLINGWORTHR,POLLARD M G.The use of steering axle suspengsions to reduce wheel and rail wear in curves[J].ImechE,1982,115-119.

[4] M.L.Nagulka.Crving Performance of Rail Passenger Vchicles.PH.D,Thesis,M.I.T.1983,204-206.

[5] D.E.Newland.Steering a Flexible Railway Trucke on Curved Track.Journal of Engineering for Industry VOL.91,1969,10-14.

[6] 王福天.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(第2版),[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1994:43-48.

[7] POWELL A J,WICKENS A H.Active guidance of railway vehicles using traction motor torgue control[J].VSD,1996,14-18.