鐵路工程車輛橫向失穩(wěn)動力學(xué)特征分析

陳政南,張?zhí)鞁?張樹鵬

(中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所,北京100081)

因輪對踏面存在錐度,軌道車輛有發(fā)生蛇行的傾向。較大幅值的蛇行可稱為橫向失穩(wěn),此時車輛橫向振動加劇、運行平穩(wěn)性降低、形成較大的輪軸橫向力,容易造成車輛脫軌及線路永久變形等嚴(yán)重后果。

工程車輛由于種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機構(gòu)布置差別大等原因,車輛參數(shù)配置難度高,配置不合理時容易出現(xiàn)橫向失穩(wěn)。明確該類車輛失穩(wěn)時的動力學(xué)特征,有利于及時分辨車輛蛇行的程度以確保安全;也有利于查找、總結(jié)失穩(wěn)產(chǎn)生的原因,進而改進車輛設(shè)計。

1 研究對象

選取了近年進行動力學(xué)性能型式試驗時發(fā)生橫向動力學(xué)性能異常的3輛鐵路工程車作為研究對象,它們均用于線路施工和維護,分別標(biāo)記為A、B、C車,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車輛基本技術(shù)參數(shù)

2 橫向蛇行失穩(wěn)的試驗判定標(biāo)準(zhǔn)

各國動力學(xué)性能試驗對機車車輛橫向失穩(wěn)的判斷沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。美國FRA的車輛安全評價標(biāo)準(zhǔn)采用轉(zhuǎn)向架橫向加速度在0～10 Hz內(nèi)2 s滑動窗的加速度有效值大于3.92 m/s2來識別車輛的蛇行失穩(wěn)。美國AAR M-1001中對空車在直道上蛇行運動橫向穩(wěn)定性提出了車體橫向加速度在15 Hz濾波情況下最大的峰峰值不超過14.71 m/s2,標(biāo)準(zhǔn)差不超過1.28 m/s2的要求。

澳大利亞對鐵路貨車空車橫向失穩(wěn)定義為在 10 Hz濾波的情況下,橫向加速度至少持續(xù)超過5 s正弦振蕩,橫向加速度平均值大于3.43 m/s2,最大橫向加速度超過4.91 m/s2。

我國動力學(xué)性能試驗規(guī)范中沒有對橫向失穩(wěn)提出具體判定依據(jù),習(xí)慣上借鑒歐洲鐵路試驗經(jīng)驗,依據(jù)當(dāng)構(gòu)架加速度在10 Hz濾波、峰值有連續(xù)振動6次以上達到或超過極限值8～10 m/s2(與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計相適應(yīng))時,判定轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)。

3 橫向異常車輛的動力學(xué)性能特征分析

A、B、C 3種工程車動力學(xué)型式試驗輪軌力采用間斷式測力輪對進行測量。輪軌力和車體振動加速度試驗數(shù)據(jù)按照GB∕T 5599-1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的要求進行分析。而構(gòu)架振動加速度參照車體加速度的處理方法,但采用10 Hz濾波。

3.1 車體和構(gòu)架橫向加速度分析

分析車體和構(gòu)架橫向振動加速度是研究蛇行運動最直接的方法,通過對加速度時域和頻域分析可以揭示車輛橫向失穩(wěn)的特征。在40 Hz濾波下計算得到A、B、C 3車車體橫向加速度值及平穩(wěn)性指標(biāo)隨速度變化如圖1。A、B兩車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在10 Hz濾波下計算得到的橫向加速度隨速度變化如圖2。

圖1 車體橫向加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)散點圖

圖1散點圖數(shù)據(jù)顯示,隨著速度提高至發(fā)生橫向動力學(xué)異常時車體加速度幅值迅速增大,超過規(guī)范對橫向加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)的要求。對應(yīng)的構(gòu)架橫向加速度在此時也同樣迅速增大,如圖2所示。

圖2 構(gòu)架橫向加速度散點圖

圖3 車體橫向加速度波形圖

A、B、C 3車發(fā)生橫向動力學(xué)性能異常時,車體橫向振動加速度呈現(xiàn)周期性等幅振蕩,在40 Hz濾波下振幅約為5,6,10 m/s2,如圖3所示。而圖4 A、B車構(gòu)架實時波形圖顯示,構(gòu)架橫向加速度也呈現(xiàn)和車體一樣的周期性等幅振蕩特征,在10 Hz濾波下振幅在5 m/s2左右。從圖中還可以看出車體和構(gòu)架振動周期比較接近。

該速度下車體和構(gòu)架橫向加速度振動波形主頻如圖5所示,車體和構(gòu)架橫向主頻基本接近。A、B、C 3車車體橫向主頻基本在2.5～3.5 Hz間,對應(yīng)波長11～12 m。

圖4 構(gòu)架橫向加速度波形圖

圖5 橫向失穩(wěn)速度下車體和構(gòu)架橫向加速度頻譜圖

3.2 輪軌(軸)橫向力分析

通過分析橫向振動加速度特性比較直觀地反映車輛橫向動力學(xué)異常時的特征,此時輪軌橫向力也呈現(xiàn)相近的特點。

當(dāng)車輛在平直的軌道上運行,輪對踏面存在錐度,橫擺和搖頭蛇行運動不可避免,隨著速度的提高,橫向蛇行運動越來越明顯,當(dāng)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的橫向失穩(wěn)時,輪軸橫向力值會迅速增大,即使降低速度大值也會持續(xù)一段時間,3輛發(fā)生橫向動力學(xué)性能異常的工程車輛均具有該特征,如圖6所示。

軸重越大,輪軸橫向力增大越明顯,圖中A、B車變化就較C車明顯。車輛發(fā)生蛇行失穩(wěn)時,除了輪軸橫向力迅速增大以外,左右側(cè)輪緣會依次有規(guī)律撞擊鋼軌,導(dǎo)致左右側(cè)輪軌橫向力分別有規(guī)律地變大和減小,蛇行越激烈變化越明顯,3輛發(fā)生橫向動力學(xué)性能異常的工程車輛均具有該特征,如圖7所示。此時,左右側(cè)輪緣依次撞擊鋼軌的頻率和車輛橫向振動的頻率相吻合。

圖6 輪軸橫向力散點圖

圖7 橫向蛇行失穩(wěn)時左右輪軌橫向力波形圖

輪軌橫向力可以看成是隨輪對轉(zhuǎn)動的余弦函數(shù)和輪對的蛇行運動的卷積,A車、B車、C車橫向動力學(xué)異常時,車輪轉(zhuǎn)動的主頻分別是13.7,10.8,13.6 Hz,對應(yīng)的蛇行頻率分別為3,2.6,3.2 Hz,各階主頻分別被調(diào)制到如圖8所示。

圖8 車輛橫向失穩(wěn)速度下的輪軌橫向力頻譜圖

由于發(fā)生橫向失穩(wěn)時輪緣碰撞鋼軌,輪軌橫向力增大,和橫向力有關(guān)的動力學(xué)指標(biāo)脫軌系數(shù)也會增大,但增加的幅度會有所差別,蛇行越激烈增大越明顯,但脫軌系數(shù)不一定會超過限度值,如圖9所示?？梢酝ㄟ^輪軌(軸)橫向力出現(xiàn)的特征來確認車輛橫向失穩(wěn)。

圖9 車輛脫軌系數(shù)散點圖

3.3 輪軌垂向力分析

車輛在橫向失穩(wěn)時,車體有一定程度的側(cè)滾,體現(xiàn)在輪軌垂向力上是左右輪對的交替增減載。A車、B車和C車發(fā)生橫向動力學(xué)異常時垂向力波形如圖10所示,具有典型的失穩(wěn)特征。此時對于輪重減載率,車輛軸重較大、重心越高增大越明顯,如圖11所示。

可見,車輛出現(xiàn)橫向失穩(wěn)時,還可以通過輪軌垂向力大小變化規(guī)律及輪重減載率等特征來輔助分析是否蛇行失穩(wěn)。

圖10 車輛橫向失穩(wěn)時左右輪對垂向力波形圖

圖11 車輛輪重減載率散點圖

4 工程車輛橫向動力學(xué)異常共性

工程車輛運行速度高到一定程度后,車體和構(gòu)架橫向出現(xiàn)激烈的周期性等幅振動,振幅迅速增大并超過5 m/s2,主頻在2.5～3.5 Hz,車體和構(gòu)架周期基本接近,對應(yīng)波長為11～12 m,平穩(wěn)性指標(biāo)超過5.0。此時,輪軌(軸)橫向力迅速增大,左右輪緣依次有規(guī)律撞擊鋼軌,頻率和構(gòu)架橫向主頻相吻合,脫軌系數(shù)增大;左右輪軌垂向力大小發(fā)生交替變化;具有橫向失穩(wěn)的特征,可以判斷為橫向失穩(wěn)。

調(diào)查表明失穩(wěn)的原因,一是旁承預(yù)壓縮量不夠,二是旁承與車體的接觸面不經(jīng)意涂抹油漆而造成摩擦系數(shù)偏小,導(dǎo)致車體和轉(zhuǎn)向架間回轉(zhuǎn)阻力矩不足而發(fā)生橫向失穩(wěn);改進后,橫向動力學(xué)性能正常。

5 結(jié)論

可以通過構(gòu)架和車體的橫向振動加速度來快速評判車輛是否橫向失穩(wěn),還可以通過輪軌(軸)橫向力和垂向力出現(xiàn)的特征來輔助判斷。

對于焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架的工程車輛橫向失穩(wěn)評判,我國慣例采用8～10 m/s2的幅值過大,建議采用構(gòu)架橫向加速度10 Hz濾波后,連續(xù)峰值5 m/s2來進行橫向失穩(wěn)評判,在反映車輛失穩(wěn)特征的前提下保證安全。

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