高速轮轨关系试验台的数字样机研究

赵 方,王成国

(中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京100081)

轮轨关系问题是轨道交通系统的基础性问题。轮轨关系试验台是研究轮轨关系问题的重要技术装备。轮轨关系试验台按照试验对象可分为整车试验台、转向架试验台、单轮对试验台、单车轮试验台。按照功能试验台可分为滚动试验台、振动试验台和滚动振动试验台。

根据高速铁路系统试验国家工程实验室的建设方案,开展全尺寸单轮对的高速轮轨关系滚动振动试验台的数字样机研究。

与其他类型轮轨关系试验台相比,单轮对轮轨关系滚动振动试验台具有以下优点:

(1)更专注于轮轨关系的几何接触、材料匹配、磨耗、蠕滑等专项研究;

(2)可以进行高速轮对的稳定性试验和脱轨试验等动力性能试验研究;

(3)试验功能比较全面,性价比高。

1 高速轮轨关系试验台的基本技术方案

全尺寸单轮对高速轮轨关系滚动振动试验台主要由以下几部分构成:

(1)轨道轮系统包括轨道轮、轨道轮轮轨测力装置、轨道轮外圈、轨道轮驱动电机、轨道轮传动装置、轨道轮制动盘、附件等组成。

(2)测试轮对系统包括测试轮对、导向梁和悬挂系统、轮对驱动电机、轮对传动装置、测试轮对与轮对传动装置连接装置、附件等组成。

(3)液压激振系统包括必要的液压源、阀、作动缸、控制元件及管路等,对测试轮对系统动态加载,模拟轨道-车辆在滚动振动情况下轮对运动状态。

(4)数据测量与控制系统实现试验数据的采集、处理、存储和控制。

(5)轮轨接触界面环境模拟系统用来模拟轮轨接触表面分别覆盖水、油脂、沙的情况,系统包括喷水、喷油、撒沙装置。

(6)龙门架为整个系统提供支撑,其高度可根据测试轮对直径的大小进行高度调节。

(7)电气系统为试验台提供适配电源,实现电机调速、起停、电制动反馈、机械运动控制和安全监控。系统包括电源装置、电机调速控制装置、接触器、中间继电器、电气柜等。

(8)故障应急处理系统可在试验台运行出现意外情况时,实现故障报警、紧急停机等功能。以保证试验台系统的人员安全和设备安全。

(9)其他辅助设施包括脱轨试验防护装置、地基盖板、通风系统、监视系统等。其总体结构框图见图1。

高速轮轨关系试验台的主要技术指标如下:

图1 试验台总体结构框图

最高运行速度:500 km/h;最大轴重:500 kN;横向载荷:-150～150 kN;轨距:1435 mm;垂向激振最高频率:15 Hz,最大振幅:±10 mm;横向激振最高频率:15 Hz,最大振幅:±10 mm;摇头激振最高频率:15 Hz,最大振幅:±6 mm。

2 高速轮轨关系试验台的数字样机

2.1 高速轮轨关系试验台机械部分CAD模型的建立

通过CATIA三维建模软件建立高速轮轨关系试验台的机械模型,在建模过程中对试验台进行了适当简化处理,试验台机械部分示意图分见图2～图4。

2.2 高速轮轨关系试验台机构运动模型的建立

通过MSC.SimDesigner软件将试验台CAD模型导出,然后再将其导入ADAMS/VIEW中加载约束,建立起机构运动模型,其主要约束如下:

(1)轨道轮电机与轨道轮之间采用Revolute Joint约束;

图2 试验台机械部分主视图

图3 试验台机械部分左视图

图4 试验台机械部分俯视图

(2)轨道轮与测试轮对之间采用Contact约束;

(3)轮对电机与测试轮对之间采用Revolute Joint约束;

(4)测试轮对与其左右两侧轴箱之间采用Revolute Joint约束;

(5)左右两侧轴箱与上方导向梁之间采用Translational Joint约束,采用Bushing模拟一系悬挂;

(6)导向梁、龙门架分别与各自一侧液压激振器采用Fixed连接,激振器之间采用Cylindrical Joint约束。

图5 试验台添加约束后

2.3 ADAMS/View中轮轨接触力计算模型的建立

在试验台机构运动模型中,轮轨接触力计算模型最为重要。

在ADAMS/View中,接触力计算方法有两种:一种是恢复系数法(Restitution);另一种是冲击函数法(Impact)。恢复系数法需要确定两个参数:惩罚函数(Penalty)和恢复系数(Restitution)。冲击函数法是根据Impact函数来计算两个构件之间的接触力,接触力由两部分组成:一个是由两个构件之间的相互切入而产生的弹性力,另一个是由相对速度而产生的阻尼力。

恢复系数模型是基于冲量理论的。如果能得到准确的材料恢复系数,而材料的刚度和阻尼系数不知道时以及对不连续型接触问题适合采用该模型。由于它基于冲量定律,其速度场是不连续的,从而加速度不能完全定义,接触力也就不能完全定义。因此,如果要得到比较准确的冲击力,或者碰撞速度对接触行为不起重要影响时(如连续型接触问题),此时就不适合采用恢复系数模型。

冲击函数模型用位移、速度来定义接触力,它可以用在连续型接触和不连续型接触两种情况上;而且,刚度k与材料特性相关物理意义明确;当刚度取值较大造成收敛困难时,可以通过调整穿透深度来改善收敛,计算比较稳定。所以计算冲击力时要采用该模型。

ADAMS中冲击函数模型用一个弹簧—阻尼模型来表示,冲击力函数表示为:

采用Impact冲击函数法来计算轮轨接触力,各参数定义对话框如下:

(1)Contact Type:选择接触类型。采用Solid to Solid类型,然后再选取接触构件,见图6。

图6 接触模型的定义

(2)Normal Force:确定接触力计算方法。各项参数见图7。

图7 计算接触力时需要定义的参数

(3)Friction Force:确定摩擦力计算方法。采用库仑摩擦定律,各项参数见图8。

图8 摩擦力的计算参数

库仑摩擦定律需要设定4个参数:静摩擦系数μs、摩擦系数 μd、静滑移速度vs、动滑移速度vd。

Bochet根据Poiree在里昂铁路上车辆沿钢轨滑动的制动试验数据(试验时轮轨滑动速度高达22 m/s)得出轮轨动摩擦系数与相对滑动速度的经验公式:

式中μd为动摩擦系数;μs为静摩擦系数;vh为滑动速度。

对于非常干燥的钢轨μs=0.45,对于潮湿钢轨 μs=0.25。图9和图10分别为 μs取上述两值时摩擦系数与滑动速度的关系曲线。

图9 干燥状态

图10 潮湿状态

3 应用数字样机进行高速轮轨黏着性能的数字试验

3.1 轮轨黏着的数字试验方案

轮轨黏着数字试验方案如下:将轮对置于中央位置,在导向梁上施加垂向方向的力,以模拟轴重。轨道轮采用加速度控制方式,由零逐渐加速至试验速度(参见图11第1阶段)。等到达试验速度、系统稳定后(参见图11第2阶段),由轮对电机对测试轮对施加一力矩作为驱动力矩,该驱动力矩采用函数控制,从零开始逐渐加大,从而使轮轨间产生黏着力,直至达到黏着极限。此时,轮轨间黏着力达到最大值,即轮轨Contact X方向接触力达到最大值(参见图11第3阶段)。此时若再加大驱动力矩,则轮轨间黏着条件将被破坏,黏着力反而降低(参见图11第4阶段)。

图11 轮轨黏着性能的数字试验

3.2 轮轨黏着数字试验

试验工况参数如下:车轮直径860 mm,LMA踏面外形,轴重14 t,轨道轮外圈采用 CHN60钢轨廓形,轨距1 435 mm,轨道轮直径3 m,试验速度 350 km/h,不考虑轨底坡。

Contact接触法向力参数取值参见图7,摩擦系数采用图9所示干燥状态下动摩擦系数与滑动速度关系曲线。仿真试验结果见图11。

3.3 轮对驱动电机功率大小的选取

在进行黏着试验,特别是进行干燥、清洁轮轨表面状态下的黏着试验时,由于轮轨间的黏着系数较高,产生的轮轨黏着力会很大,因此轮对驱动电机的特性能否满足试验要求,必须进行深入的分析。

在无变速传动装置,不考虑机械损失的前提下,有

在电机功率为定值(6 000 kW)的情况下,轴重、速度和黏着系数之间有如下关系,见图12。表1为轮轨黏着计算与试验结果对比。

图12 轴重、速度和黏着系数关系

表1 轮轨黏着计算与试验结果对比

4 结束语

(1)数字样机已经成为现代科学的重要研究方法。高速轮轨关系试验台的数字样机为轮轨关系试验台的建设方案选择提供技术支持,为关键技术参数的优化提供论证手段。

(2)通过数字样机进行高速轮轨黏着试验,分析了试验台黏着试验方案的可行性。并通过轮轨黏着数字仿真试验与理论计算的相互印证,为试验台轮对电机的选型提供了参考依据。

(3)目前的数字样机轮轨接触力模型还比较简单,需要进一步改进和完善。

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