四軸鋼軌打磨小車曲線通過(guò)性能研究

杜成義，黃運(yùn)華，劉啟靈，賈一平

(1．西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2．株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 軌道工程機(jī)械事業(yè)部，湖南 株洲 412007)

0 引言

鐵路運(yùn)輸在我國(guó)的交通運(yùn)輸體系中占有重要的位置，軌道是鐵路運(yùn)輸重要的基礎(chǔ)設(shè)施，而鋼軌是軌道系統(tǒng)重要的組成部分。鋼軌在使用階段很可能發(fā)生如裂紋和磨耗等損傷，這種損傷使輪軌接觸惡化，輪軌作用力加大，嚴(yán)重影響列車的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性[1-4]。鋼軌打磨技術(shù)的出現(xiàn)有效地改善了鋼軌磨損帶來(lái)的危害，顯著地減緩了鋼軌性能惡化的速度，因此近幾年對(duì)鋼軌打磨設(shè)備的研制成為鐵路領(lǐng)域重要的研究課題[5-7]。鋼軌打磨車在非作業(yè)工況時(shí)，打磨小車被懸掛在鋼軌打磨車車體下部，打磨小車輪對(duì)不與軌道接觸；鋼軌打磨車處于作業(yè)工況時(shí)，打磨小車通過(guò)相關(guān)機(jī)構(gòu)被放置在鋼軌上，并跟隨鋼軌打磨車緩慢運(yùn)行。鋼軌打磨車在曲線上作業(yè)時(shí)，其通過(guò)速度一般低于曲線設(shè)計(jì)速度，故鋼軌打磨車處于過(guò)超高狀態(tài)通過(guò)曲線。鋼軌打磨車在不同軌道半徑和超高的曲線上進(jìn)行打磨作業(yè)時(shí)，位于鋼軌打磨車下部的打磨小車能夠順利地通過(guò)小半徑曲線是確保鋼軌打磨質(zhì)量的重要先決條件[8]，因而研究打磨小車小半徑曲線通過(guò)的安全性有著重要的意義。

1 鋼軌打磨車及打磨小車模型

鋼軌打磨車分為打磨車主體和打磨小車。鋼軌打磨車主體主要由車體和兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架組成；打磨小車主要由輪對(duì)、搖籃、承載鞍和打磨單元等組成。鋼軌打磨車處于作業(yè)工況時(shí)，打磨小車被放置在鋼軌上，通過(guò)牽引桿與打磨車車體相連接，傳遞縱向力。打磨小車示意圖如圖1所示。

利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立鋼軌打磨車動(dòng)力學(xué)模型，牽引拉桿通過(guò)剛性球鉸連接打磨小車車架和打磨車車體底架，牽引拉桿和球鉸之間有1個(gè)軸向位移自由度和繞z軸和y軸的旋轉(zhuǎn)自由度。打磨小車之間也通過(guò)剛性球鉸連接，兩小車之間具有繞z軸和y軸的旋轉(zhuǎn)自由度。打磨小車車輪踏面類型為L(zhǎng)M型，鋼軌為60 kg/m型面，軸箱定位方式為導(dǎo)框式，軸箱與打磨小車車架為剛性接觸，在縱向單側(cè)留有2 mm間隙，橫向單側(cè)留有5 mm間隙，二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力在動(dòng)力學(xué)模型中用100號(hào)力元處理。在動(dòng)力學(xué)模型中引入輪軌接觸幾何關(guān)系和輪軌蠕滑力等非線性因素[9-10]。建立的鋼軌打磨車動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

圖1 打磨小車示意圖

圖2 鋼軌打磨車動(dòng)力學(xué)模型

2 計(jì)算與分析

評(píng)價(jià)打磨小車曲線通過(guò)安全性的指標(biāo)有輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力和輪重減載率等。本文所研究的打磨小車的1號(hào)小車和3號(hào)小車通過(guò)球鉸鉸接在2號(hào)小車上，故1位輪對(duì)和4位輪對(duì)車輪的靜載荷與2位輪對(duì)和3位輪對(duì)車輪的靜載荷不同，車輪靜載荷分別為：Pst1=Pst4=24.191 kN，Pst2=Pst3=17.421 kN。

根據(jù)GB/T17426—1998和GB/T5599—1985規(guī)定，各安全性評(píng)價(jià)允許限度如表1、表2和表3所示。

表1 輪軌橫向力允許限度

表2 輪軸橫向力允許限度

2.1 通過(guò)速度的影響

根據(jù)我國(guó)鐵路的實(shí)際情況，在模型中設(shè)定半徑為300 m、外軌超高為120 mm的小半徑曲線。由于打磨車的作業(yè)速度為2 km/h～16 km/h，因此計(jì)算打磨車在2 km/h、4 km/h、6 km/h、8 km/h、10 km/h、12 km/h、14 km/h和16 km/h速度等級(jí)下以過(guò)超高的狀態(tài)通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的軌道時(shí)，打磨小車1位輪對(duì)和2位輪對(duì)的曲線通過(guò)性能。打磨小車以不同速度通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的300 m小半徑曲線時(shí)各項(xiàng)安全性指標(biāo)如圖3所示。

表3 脫軌系數(shù)和輪重減載率評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

圖3 曲線通過(guò)安全性指標(biāo)

從圖3中可以得出：打磨小車以不同的速度等級(jí)通過(guò)300 m的曲線時(shí)，各安全性指標(biāo)均符合GB/T17426-1998和GB/T5599—1985所規(guī)定的允許限度；打磨小車以過(guò)超高的狀態(tài)通過(guò)曲線時(shí)，右側(cè)車輪的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)相較于左側(cè)車輪大很多；速度高于4 km/h時(shí)，2位輪對(duì)的輪重減載率相對(duì)于1位輪對(duì)較大；小車以2 km/h的速度等級(jí)通過(guò)曲線時(shí)，各項(xiàng)安全性指標(biāo)較??；小車以4 km/h～16 km/h的速度通過(guò)曲線時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均趨于穩(wěn)定，且通過(guò)速度對(duì)曲線通過(guò)性能影響不顯著。

2.2 曲線參數(shù)的影響

本文所研究的打磨小車4條輪對(duì)的靜載重不盡相同，小車以過(guò)超高的狀態(tài)通過(guò)曲線時(shí)各輪對(duì)的受力狀態(tài)均有較大差異，考慮到打磨小車對(duì)不同曲線的適應(yīng)性，有必要研究曲線參數(shù)對(duì)打磨小車各輪對(duì)曲線通過(guò)性能的影響。為了留有一定的安全余量，打磨小車以16 km/h的最高作業(yè)速度通過(guò)不同超高值和不同曲率的小半徑曲線時(shí)，計(jì)算所得的各輪對(duì)安全性指標(biāo)如圖4～圖7所示。

圖4 輪軌橫向力

圖5 脫軌系數(shù)

從圖4中可以看出：曲線半徑越大，輪軌橫向力越??；超高值越大，輪軌橫向力越大；曲線半徑值和外軌超高值對(duì)輪軌橫向力影響程度相當(dāng)；在同一曲線工況下，4條輪對(duì)輪軌橫向力差異不顯著。

從圖5中可以看出：曲線半徑越大，脫軌系數(shù)越小；超高值越大，脫軌系數(shù)越大；超高值對(duì)脫軌系數(shù)的影響比曲線半徑值更為顯著；曲線參數(shù)對(duì)2位輪對(duì)和3位輪對(duì)的脫軌系數(shù)相較于1位輪對(duì)和4位輪對(duì)而言影響顯著；同種線路條件下，2位導(dǎo)向輪對(duì)的脫軌系數(shù)略大于3位輪對(duì)脫軌系數(shù)；在同一線路條件下，1位輪對(duì)和4位輪對(duì)的脫軌系數(shù)小于2位輪對(duì)和3位輪對(duì)的原因在于4條輪對(duì)輪軌橫向力大小相當(dāng)，而1位輪對(duì)和4位輪對(duì)所承受的重量較大，故脫軌系數(shù)較小。

圖6 輪軸橫向力

圖7 輪重減載率

由圖6中可以看出：曲線半徑越大，各輪對(duì)輪軸橫向力越小；超高值越大輪軸橫向力越大，且超高值對(duì)各輪對(duì)輪軸橫向力影響更為顯著；在同一曲線工況下，4條輪對(duì)輪軸橫向力差異不顯著。

由圖7中可以看出：超高值越大，輪重減載率越大；曲線參數(shù)對(duì)2位輪對(duì)和3位輪對(duì)輪重減載率影響顯著，超高值對(duì)輪重減載率的影響比曲線半徑值更為顯著；1位輪對(duì)和4位輪對(duì)輪重減載率在多數(shù)曲線工況下趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)打磨小車曲線通過(guò)性能的計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

(1) 各曲線工況下的安全性指標(biāo)均符合GB/T17426—1998和GB/T5599—1985所規(guī)定的允許限度。

(2) 同一曲線工況下，打磨小車作業(yè)速度為4 km/h～16 km/h時(shí)，通過(guò)速度對(duì)曲線通過(guò)性能影響不顯著，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)趨于穩(wěn)定。

(3) 打磨小車以16 km/h的最高作業(yè)速度通過(guò)不同參數(shù)的曲線時(shí)，外軌超高值對(duì)各輪對(duì)的安全性指標(biāo)影響更為顯著；1位輪對(duì)和4位輪對(duì)與2位輪對(duì)和3位輪對(duì)的脫軌系數(shù)和輪重減載率有較大的差異，曲線參數(shù)對(duì)2位輪對(duì)和3位輪對(duì)的脫軌系數(shù)和輪重減載率的影響更為顯著；在同一曲線工況下4條輪對(duì)的輪軌橫向力、輪軸橫向力差別不大。

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