鐵路工程車輛橫向失穩(wěn)動力學特征分析

陳政南,張?zhí)鞁?張樹鵬

(中國鐵道科學研究院 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重后果。

工程車輛由于種類多、結構復雜、機構布置差別大等原因,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、總結失穩(wěn)產(chǎn)生的原因,進而改進車輛設計。

1 研究對象

選取了近年進行動力學性能型式試驗時發(fā)生橫向動力學性能異常的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,分別標記為A、B、C車,其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車輛基本技術參數(shù)

2 橫向蛇行失穩(wěn)的試驗判定標準

各國動力學性能試驗對機車車輛橫向失穩(wěn)的判斷沒有統(tǒng)一的標準。美國FRA的車輛安全評價標準采用轉向架橫向加速度在0～10 Hz內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,標準差不超過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),習慣上借鑒歐洲鐵路試驗經(jīng)驗,依據(jù)當構架加速度在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(與轉向架構架設計相適應)時,判定轉向架橫向失穩(wěn)。

3 橫向異常車輛的動力學性能特征分析

A、B、C 3種工程車動力學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《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的要求進行分析。而構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 車體和構架橫向加速度分析

分析車體和構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)性指標隨速度變化如圖1。A、B兩車轉向架構架在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)性指標的要求。對應的構架橫向加速度在此時也同樣迅速增大,如圖2所示。

圖2 構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車構架實時波形圖顯示,構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架振動周期比較接近。

該速度下車體和構架橫向加速度振動波形主頻如圖5所示,車體和構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,對應波長11～12 m。

圖4 構架橫向加速度波形圖

圖5 橫向失穩(wěn)速度下車體和構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異常時的特征,此時輪軌橫向力也呈現(xiàn)相近的特點。

當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,當出現(xiàn)比較嚴重的橫向失穩(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,左右側輪緣會依次有規(guī)律撞擊鋼軌,導致左右側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車橫向動力學異常時,車輪轉動的主頻分別是13.7,10.8,13.6 Hz,對應的蛇行頻率分別為3,2.6,3.2 Hz,各階主頻分別被調制到如圖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,和橫向力有關的動力學指標脫軌系數(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異常共性

工程車輛運行速度高到一定程度后,車體和構架橫向出現(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,車體和構架周期基本接近,對應波長為11～12 m,平穩(wěn)性指標超過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)。

調查表明失穩(wěn)的原因,一是旁承預壓縮量不夠,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,導致車體和轉向架間回轉阻力矩不足而發(fā)生橫向失穩(wěn);改進后,橫向動力學性能正常。

5 結論

可以通過構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。

對于焊接構架式轉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。

[1] 嚴雋耄,傅茂海.車輛工程(第三版)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[2] 任尊松.車輛系統(tǒng)動力學[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[3] 中國鐵道科學研究院.環(huán)行線貨物列車直線段脫軌試驗報告[R].2000年 TY字第 1408號.

[4] 王新銳,曲金娟,曾宇清.應用振動能量法分析25 t軸重低動力作用貨車轉向架橫向抗蛇行穩(wěn)定性[J].鐵道機車車輛,2002,(6):1-5.