輪徑差對車輛動態曲線通過的影響

王娜娜,羅世輝,馬衛華

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室,四川成都610031)

由于加工過程的誤差和各種運行因素的影響,轉向架4個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,導致牽引電機負荷分配不均[1-5],而且還影響鐵路車輛系統的平穩性和安全性。以上這些內容國內外許多學者已經進行了深入的研究,此外輪徑差也影響著鐵路車輛系統的動態曲線通過性,本文主要針對輪徑差對動態曲線通過性的影響進行討論。輪徑差又分為很多種,如圖1所示。參考文獻[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負荷分配不均的;參考文獻[6-7]研究了輪軌接觸幾何關系、車輛在運行過程中的動力學行為。

圖1 輪徑差的形式

1 輪對橫移量的計算

如果輪對存在輪徑差,為了保證左右車輪的走行距離相同,輪對中心就會偏離軌道中心線,而通過踏面斜度來調整左右車輪的滾動圓直徑,那么輪對就會向輪徑較小的一側車輪偏移。我們可以通過以下方法計算其橫向偏移距離[6-7]。當輪對中心離開對中位置向右移動一個量為yw時,則左右側車輪的實際滾動圓半徑分別為

令車輪踏面斜度是常數,根據以上關系可推導出具有輪徑差的車輪輪對中心偏離軌道中心線的距離

進入曲線后的車輛要在以上偏移的基礎上再次偏移,其偏移距離可用以下公式近似計算:

式中R為曲線半徑,也就是輪對純滾動時的轉動半徑;b為輪對兩滾動圓之間的距離;yv為輪對橫移量。

理想狀態下,車輛是徑向通過曲線的,轉向架前后輪對存在輪徑差時,就會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入曲線的過程中yw、yv同時存在,只是方向不一致。為了具體分析輪徑差的形式對曲線通過性的影響,下面以無輪徑差的標準轉向架與存在0.001 m和0.002 m輪徑差的轉向架在120 km/h速度下,由直線段進入曲線段為例,對其動力學仿真結果進行對比分析。一般情況下描述動態曲線的通過性能也就是對輪對橫向力以及脫軌系數等物理量的計算。

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

此仿真過程中用的是2B0系列車輛。轉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,每臺轉向架配置兩臺牽引電機,牽引電機的一端通過爪形軸承支于輪對上,另一端懸吊于構架橫梁上。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3 kN?s/m;中央彈簧橫向阻尼系數15 kN?s/m。輪對質量5 396 kg,轉向架質量7 724 kg,車體質量62 970 kg,車輪的名義滾動圓半徑為0.5 m,輪軌最大間隙的一半為0.009 5 m。

2.2 仿真結果的對比分析

(1)等值同相輪徑差

由圖2可以看出車輛通過動態曲線時,存在等值同相輪徑差的車輛比標準輪對車輛的橫向力和脫軌系數都大,而且兩者都隨著輪徑差的增大逐漸增大。當轉向架的前后輪對內側車輪輪徑大于外側車輪輪徑時,上面計算的yw、yv的方向一致,兩部分的效果疊加起來,會產生很大的橫向偏移,極容易導致外側輪緣貼靠鋼軌,產生較大的輪緣力造成鋼軌磨損、軌距擠寬、輪緣垂直磨耗,導致輪軌的撞擊。如果是小曲線還可能出現輪緣爬軌或線路外脹而導致脫軌,甚至造成車輛顛覆等重大事故。當轉向架的前后輪對內側車輪輪徑小于外側車輪輪徑,yw、yv移動方向相反,此時會產生較大的橫向沖擊力和車體搖晃速度,導致橫向加速度增大,產生噪聲,嚴重影響乘坐舒適度。

(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態曲線時,其橫向力和脫軌系數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朝相反的方向移動,雖然在平直的軌道上會引起較大的橫向力和橫向位移,但是仿真結果表明在過曲線時,適當的等值反相輪徑差是有利于車輛動態通過曲線的。

(3)前輪對輪徑差

由圖4可以看出,與等值反相輪徑差一樣,存在前輪對輪徑差的車輛其動態通過曲線時的橫向力和脫軌系數也是隨著輪徑差的增大逐漸減小。適當的前輪對輪徑差也是有利于動態曲線通過的。此時只有前輪對的純滾線不在軌道中心線上,橫向運動源只有一個,不會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 前輪對輪徑差的影響

(4)后輪對輪徑差

由圖5可以看出后輪對輪徑差對車輛動態曲線通過的影響不明顯,橫向力和脫軌系數曲線變化規律幾乎一致。此時只有后輪對的純滾線不在軌道中心線上,同樣也只有一個橫向動力源,引起轉向架的偏轉角度較小。

3 結論

分析和仿真結果表明,不同種類輪徑差對動態曲線通過的影響規律是不一樣的,不是所有種類的輪徑差都不利于車輛動態曲線通過。

(1)車輛的等值同相輪徑差對動態曲線通過的影響最明顯,隨著其增大曲線通過變差,應盡量控制等值同相輪徑差。

(2)等值反相輪徑差和前輪對輪徑差在一定范圍內有利于動態曲線通過。隨著輪徑差的增大,車輛動態曲線通過時的橫向力和脫軌系數都變小。

(3)后輪對輪徑差對動態曲線通過的影響不明顯。其過曲線時的橫向力和脫軌系數圖示曲線的規律基本是一致的。

圖5 后輪對輪徑差的影響

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