獨立旋轉車輪輪軌接觸動力學性能研究

自20世紀20年代開始正式運營以來，車輪框架的結構類型是兩輛車的傳統模式，通過重疊和連接車輛軸。隨著鐵路客運的高速化、低地板城市軌道交通車輛的產生以及自動變軌距轉向架技術的發展,開始出現獨立旋轉車輪轉向架,在動力學性能以及結構方面與傳統輪對轉向架相比有著與生俱來的優勢。研究其動力學性能對鐵道機車車輛的發展有重要意義。1輪軌關系的秘密在鐵道機車車輛發展近一百年中,人們對其輪軌接觸關系的認識是不充分的。直到1967年,荷蘭人J.J.Kalker揭示了輪軌關系的秘密,預示現代輪軌黏著理論的問世。由于車輪和軌道都不是絕對的剛性體,因此其接觸不是點接觸而是面接觸。在這種接觸型式下,車輪在軌道上的運行狀態是滾動中帶有微小的滑動,輪軌之間產生對導向有影響的作用力,包括重力復原力和蠕滑力。(1)懸掛變形力影響下的重力復原力為了使車輛能夠順利通過曲線,車輪踏面必須要有一定的錐度。具有錐度的踏面與鋼軌接觸后,接觸面與水平方向形成一夾角δ,如圖1所示。這樣輪重Q相對于接觸面的夾角為δ。輪軌間法向力沿水平方向的分力就是重力復原力。在不考慮動載荷及一系懸掛變形力影響的情況下,左右兩車輪重力復原力Sl、Sr為:{Sl=QltanδlSr=Qrtanδr(1){Sl=QltanδlSr=Qrtanδr(1)重力復原力是由軌道的側向直接作用于車輪,在動力學研究中所需要的是左右兩側輪軌重力復原力的差值S。S=Sl-Sr=Q(tanδl-tanδr)(2)由式(2)可以看出重力復原力的差值是左右輪軌接觸角正切值之差的函數,其隨著接觸角差值的增大而增大,接觸角的差值又與輪對的橫移量、車輪踏面和鋼軌軌頭橫斷面的形狀有密切的關系。左右車輪重力復原力的合力對輪對的橫移具有一定的復原作用,尤其是對橫向復原能力差的獨立旋轉車輪來說尤為重要。理論研究和實際運用都表明設計合理的踏面錐度對獨立旋轉車輪橫向復位能力的提高有積極作用。(2)輪軌間的橫向工業模型材料車輪和軌道都是彈性的而非絕對剛性,在運動過程中輪軌的表面材料會出現相對運動,而且輪軌間存在著正壓力和切向力,使輪軌間產生切向變形,這樣在車輪沿著軌道運行時就產生了蠕滑現象。20世紀20年代F.Carter對輪軌間的蠕滑進行了深入研究,并提出了蠕滑率的明確定義,即為輪軌相對速度與車輪實際速度的比。ξ=v?vrv(3)ξ=v-vrv(3)式中v——車輪實際前進速度;vr——車輪純滾動前進速度。運行過程中車輪以角速度ω繞車軸中心轉動,沿軌道前進的速度為輪對的搖頭角速度φ′和橫移速度y′,設車輪的名義滾動圓半徑r0,踏面錐度λ,滾動圓橫向間距2b,如圖2所示。根據F.Carter蠕滑理論可得,左右車輪縱向蠕滑率ξlx、ξrx:???ξlx=r0ω?bφ′?(r0?λy)ωr0ω=λyr0?bφ′r0ωξrx=r0ω+bφ′?(r0+λy)ωr0ω=bφ′r0ω?λyr0{ξlx=r0ω-bφ′-(r0-λy)ωr0ω=λyr0-bφ′r0ωξrx=r0ω+bφ′-(r0+λy)ωr0ω=bφ′r0ω-λyr0左右車輪橫向蠕滑率ξly、ξry:???ξly=y′?r0ωφr0ω=y′r0ω?φξry=y′?r0ωφr0ω=y′r0ω?φ{ξly=y′-r0ωφr0ω=y′r0ω-φξry=y′-r0ωφr0ω=y′r0ω-φ左右車輪自旋蠕滑率ξlw、ξrw:???ξlw=φ′sinrl+ωsinrlr0ωξrw=φ′sinrr?ωsinrrr0ω{ξlw=φ′sinrl+ωsinrlr0ωξrw=φ′sinrr-ωsinrrr0ω根據Kalker的線性理論,在線性范圍內蠕滑力的大小為蠕滑率與蠕滑系數的乘積。輪軌間的蠕滑力包括沿著軌道方向的縱向蠕滑力,軌道平面內垂直軌道方向的橫向蠕滑力以及自旋蠕滑力,蠕滑力與蠕滑率的關系如下。?????Fx=?f11ξxFy=?f22ξy?f23ξwMz=?f32ξy?f33ξw(4){Fx=-f11ξxFy=-f22ξy-f23ξwΜz=-f32ξy-f33ξw(4)式中fij(i、j=1,2,3)為蠕滑系數,其值由下式確定。???????????f11=EabC11f22=EabC22f23=E(ab)32C23f33=E(ab)2C33(5){f11=EabC11f22=EabC22f23=E(ab)32C23f33=E(ab)2C33(5)式中a、b為接觸橢圓的長短軸;E為楊氏彈性模量;Cij為Kalker系數。左右輪軌間的縱向蠕滑力Flx、Frx:???Flx=?f11ξlx=f11(bφ′r0ω?λyr0)Frx=?f11ξrx=f11(λyr0?bφ′r0ω){Flx=-f11ξlx=f11(bφ′r0ω-λyr0)Frx=-f11ξrx=f11(λyr0-bφ′r0ω)左右輪軌間的橫向蠕滑力Fly、Fry:Fly=Fry=?f22ξy=f22(φ?y′r0ω)Fly=Fry=-f22ξy=f22(φ-y′r0ω)由于自旋蠕滑力很微小,其基本不影響導向性能,故在此不作討論?？v向蠕滑是傳統輪對產生蛇行運動的根源,傳統輪對轉向架的臨界速度取決于蛇行運動是否收斂。另外在直線運行時的蛇行運動有使輪對中心向軌道中心自動復原的作用,在車輛運行中產生橫移時,左右車輪與軌道的接觸圓半徑發生變化,進而產生蛇行運動,如果蛇行運動是收斂的,最后輪對的中心將回到軌道的中心。在車輛通過曲線時左右車輪的縱向蠕滑力將繞輪對中心形成回轉力矩,這一力矩有使輪對的軸線趨向于曲線徑向的作用,從而減小了沖角,因此傳統輪對具有自導向性能。在車輛通過曲線時需要一個持續作用的橫向力平衡離心力,這個力是由輪軌間的橫向蠕滑力和重力復原力共同提供的:P=Sl+2Fy?Sr(6)Ρ=Sl+2Fy-Sr(6)式中P為輪軌間橫向力。橫向蠕滑會造成車輪踏面切向磨耗,在設計中應盡可能的利用重力復原力來提供橫向力。2獨立旋轉車輪輪對獨立旋轉車輪的基本原理是將兩車輪通過軸承安裝在車軸上,兩車輪可相對車軸轉動。其基本結構見圖3所示。與傳統輪對相比,其兩側車輪能以不同的角速度繞車軸旋轉,輪軌的接觸關系也與傳統輪對有所不同。這種模式的輪對,輪軌系統間由于不存在縱向蠕滑,故獨立旋轉車輪不存在蛇行運動,這一特點很好地適應了高速車輛的要求。由于失去縱向蠕滑,獨立旋轉車輪直線上的對中性能比傳統輪對差,當受到軌道不平順的激擾輪對產生橫移后,只能靠左右兩車輪重力復原力的差值來復原。如果車輪踏面外形設計不當,重力復原力的復原作用就很有限,輪對中心很難回到軌道的中心。同時曲線上的導向性能也比傳統轉向架差,由于不存在縱向蠕滑力繞輪對中心形成的回轉力矩,基本靠輪緣導向。曲線上沖角很大,輪緣磨耗嚴重,安全性差,容易發生脫軌事故。3動態模擬分析3.1彈簧和減振器連接在動力學計算中車體、轉向架構架、輪對等各個部件應視為剛體。車輛系統是一個多剛體、多自由度的非線性振動系統,各剛體間通過彈簧、減振器連接在一起構成一個整體。計算模型如圖4所示。為了研究方便,車體的前后兩轉向架分別為獨立旋轉車輪轉向架和傳統輪對轉向架。獨立旋轉車輪轉向架左右兩車輪具有不同的點頭自由,而傳統輪對左右兩車輪的點頭自由度相同,因此該系統共有23個自由度。在動力學模型建立時對前后兩轉向架設置相同的懸掛參數。整車主要懸掛參數見表1。3.2線性動力學性能根據上述計算模型,應用動力學計算程序分別對傳統輪對轉向架和獨立旋轉車輪轉向架進行動力學特性對比分析。(1)橫向復合化能力圖5為車輛在平直軌道(輪軌摩擦系數為0.2)上以80km/h、3mm初始橫移量時兩轉向架前輪對的橫移響應,其中車輪踏面為LMA磨耗型踏面,軌道為60kg/m鋼軌。可以看出傳統輪對產生蛇行運動并很快收斂,使輪對的中心回到了軌道的中心;獨立旋轉車輪則沒有向軌道中心復原,而是偏向軌道一側運行。由輪軌間作用力關系可知,它最終的平衡位置是重力復原力的差與輪軌間橫向摩擦力平衡時的位置。獨立旋轉車輪的這一特點使得其在運行過程中產生橫移后輪對中心不會回到軌道中心而是在其平衡位置滾動,從而造成車輪踏面磨耗不均勻,偏磨問題嚴重。輪軌間重力復原力差值與橫向摩擦力的作用關系是決定獨立旋轉車輪橫向復原能力的主要因素。降低輪軌間摩擦系數和增大兩側接觸角的差可以提高獨立旋轉車輪的橫向復原能力。圖6為車輛以80km/h,2mm初始橫移量運行在平直的軌道上(輪軌間摩擦系數0.2),獨立旋轉車輪踏面分別采用等效錐度較低的LMA磨耗型踏面和等效錐度較高的LM磨耗型踏面時輪對橫向復原能力的比較?？梢钥闯鲈跈M移量一定的情況下,兩側車輪接觸角差越大輪對的橫向復原能力就越高。圖7為車輛以80km/h,2mm初始橫移量運行,軌道摩擦系數變化對獨立旋轉車輪橫向復原能力的影響。圖中曲線分別為軌道摩擦系數0.25、0.1、0.01時前輪對的橫移量,可以看出隨著軌道摩擦系數的降低獨立旋轉車輪的橫向復原能力提高。尤其是當軌道摩擦系數為0.01時軌道已經相當光滑,此時可認為輪軌間基本不存在摩擦力,輪對在重力的作用下回到軌道中心,但這種情況在實際中是不會存在的。(2)橫向?；阅軋D8、9、10為車輛以80km/h的速度運行在美國Ⅴ級線路譜上的輪軌接觸及磨耗?？梢悦黠@的反映出傳統輪對和獨立旋轉車輪的動力學性能有很大差別。在直線上傳統輪對與獨立旋轉車輪的橫向蠕滑基本相同。但獨立旋轉車輪基本不存在縱向蠕滑,這樣獨立旋轉車輪的磨耗就比傳統輪對的磨耗低。3.3兩種輪對的對比分析曲線通過性能是機車車輛動力學研究的重要內容之一,良好的曲線通過性能將大大減小輪軌間的磨耗及作用力,從而降低運營成本;反之,車輛曲線通過性能差,導向力不足,輪軌間將產生巨大的橫向力,造成輪軌的嚴重磨耗,甚至發生脫軌事故。因此對獨立旋轉車輪曲線通過性能的研究是十分必要的。在動力學仿真計算中,設定車輛曲線通過速度60km/h,曲線半徑300m、緩和曲線長度30m、曲線長度100m、超高100mm。仿真結果如圖11至圖14所示。從以上仿真結果可以看出獨立旋轉車輪轉向架與傳統輪對轉向架在曲線上的動力學性能具有明顯的差異,產生差異的原因主要是兩種輪軌系統輪軌接觸關系的不同。圖11為傳統輪對轉向架與獨立旋轉車輪轉向架通過曲線時導向輪對(前輪對)縱向蠕滑對比。從圖中可以看出傳統輪對通過曲線時內、外兩側車輪產生了明顯的縱向蠕滑,并且縱向蠕滑的方向相反,這樣在兩側車輪上產生了方向相反的縱向蠕滑力。其繞輪對中心形成回轉力矩,這一力矩有使輪對趨向于曲線徑向的作用,因此傳統輪對轉向架在曲線上具有一定的導向能力。而獨立旋轉車輪則基本上不存在縱向蠕滑,因此在曲線上的導向能力明顯不足。這也就使兩種轉向架在曲線上的動力學性能有較大的差異。圖12為兩轉向架通過曲線時,導向輪對沖角的對比。沖角是車輛通過曲線時輪對中心線與曲線徑向的夾角,它是衡量車輛曲線通過性能的重要指標。沖角大反映出車輛的導向力不足,曲線通過性能差。從圖中可以看出獨立旋轉車輪的沖角比傳統輪對大得多,也反映出獨立旋轉車輪在曲線上的導向能力不如傳統輪對,其曲線通過性能較差。圖13為兩種轉向架前輪對橫移量的比較。可以看出由于獨立旋轉車輪不存在繞輪對中心的回轉力矩,因此沖角較大,導向力不足,從而造成其橫移量比傳統輪對大。眾所周知,準軌的軌距為1435mm、輪對內側距為1353mm、新輪輪緣厚度為32mm,則通過計算可知輪對最大橫移量應為9mm。從圖中可看出獨立旋轉車輪導向輪對的橫移為9mm左右,此時輪緣已經貼靠在鋼軌上,依靠輪緣力來導向。實際運用中發現獨立旋轉車輪的輪緣磨耗嚴重,并且經常發生小半徑曲線上的脫軌事故,這都是由于其導向力不足造成的。圖14為兩種轉向架導向輪對外側車輪橫向力的對比。由于傳統輪對具有利用縱向蠕滑實現自導向的能力,因而橫向力明顯低于獨立旋轉車輪。橫向力大對車輛運行安全性是不利的,同時對軌道的破壞也是很嚴重的。脫軌系數是由輪軌間垂向力和橫向力的比值決定,在車輛運行中,如果橫向力大的一側受到軌道不平順的激擾產生瞬時垂向減載將使脫軌系數升高,車輛的脫軌危險性增加。同時較大的橫向力將使軌道產生橫移,軌距變寬同樣會增加車輛脫軌危險性。4獨立旋轉車輪輪速監測和輪對導向力獨立旋轉車輪在直線上缺乏對中性能,其橫向的復原能力主要來自于兩側輪軌接觸產生的重力復原力。理論研究表明,增大車輪踏面的等效錐度可提高獨立旋轉車輪的橫向復原能力,但這種方法不能從根本上解決這一問題。應采用主動控制的方法對運行中的獨立旋轉車輪輪速進行實時監測,當兩側車輪轉速變化時則說明輪對產生了橫移進而采取相應的措施使其復原,直到兩側車輪的轉速相同。在曲線上由于獨