轮径差对车辆动态曲线通过的影响

王娜娜,罗世辉,马卫华

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川成都610031)

由于加工过程的误差和各种运行因素的影响,转向架4个车轮的名义直径存在着轮径差。不合理的轮径差不但可以造成轮缘偏磨,降低车轮的使用寿命,导致牵引电机负荷分配不均[1-5],而且还影响铁路车辆系统的平稳性和安全性。以上这些内容国内外许多学者已经进行了深入的研究,此外轮径差也影响着铁路车辆系统的动态曲线通过性,本文主要针对轮径差对动态曲线通过性的影响进行讨论。轮径差又分为很多种,如图1所示。参考文献[1-5]讨论了轮缘偏磨的原因和轮径差是如何造成轮缘偏磨以及轮径差是如何影响牵引电机负荷分配不均的;参考文献[6-7]研究了轮轨接触几何关系、车辆在运行过程中的动力学行为。

图1 轮径差的形式

1 轮对横移量的计算

如果轮对存在轮径差,为了保证左右车轮的走行距离相同,轮对中心就会偏离轨道中心线,而通过踏面斜度来调整左右车轮的滚动圆直径,那么轮对就会向轮径较小的一侧车轮偏移。我们可以通过以下方法计算其横向偏移距离[6-7]。当轮对中心离开对中位置向右移动一个量为yw时,则左右侧车轮的实际滚动圆半径分别为

令车轮踏面斜度是常数,根据以上关系可推导出具有轮径差的车轮轮对中心偏离轨道中心线的距离

进入曲线后的车辆要在以上偏移的基础上再次偏移,其偏移距离可用以下公式近似计算:

式中R为曲线半径,也就是轮对纯滚动时的转动半径;b为轮对两滚动圆之间的距离;yv为轮对横移量。

理想状态下,车辆是径向通过曲线的,转向架前后轮对存在轮径差时,就会影响车辆的径向曲线通过。存在轮径差的车辆在由直线段进入曲线的过程中yw、yv同时存在,只是方向不一致。为了具体分析轮径差的形式对曲线通过性的影响,下面以无轮径差的标准转向架与存在0.001 m和0.002 m轮径差的转向架在120 km/h速度下,由直线段进入曲线段为例,对其动力学仿真结果进行对比分析。一般情况下描述动态曲线的通过性能也就是对轮对横向力以及脱轨系数等物理量的计算。

2 仿真分析

2.1 模型的描述

(1)轨道模型

轨道是由一段直线、缓和曲线和圆曲线组成的线路,长度分别是 100、120、100 m。取外轨超高0.12 m,轨道半径为600 m。

(2)车辆模型参数

此仿真过程中用的是2B0系列车辆。转向架一系悬挂采用人字形橡胶弹簧,二系悬挂采用空气弹簧,每台转向架配置两台牵引电机,牵引电机的一端通过爪形轴承支于轮对上,另一端悬吊于构架横梁上。取一系纵向定位刚度为16.4 MN/m;一系横向定位刚度为5.95 MN/m;二系纵向定位刚度为130.5 kN/m;横向定位刚度为130.5 kN/m;轴箱弹簧横向阻尼系数3 kN◦s/m;中央弹簧横向阻尼系数15 kN◦s/m。轮对质量5 396 kg,转向架质量7 724 kg,车体质量62 970 kg,车轮的名义滚动圆半径为0.5 m,轮轨最大间隙的一半为0.009 5 m。

2.2 仿真结果的对比分析

(1)等值同相轮径差

由图2可以看出车辆通过动态曲线时,存在等值同相轮径差的车辆比标准轮对车辆的横向力和脱轨系数都大,而且两者都随着轮径差的增大逐渐增大。当转向架的前后轮对内侧车轮轮径大于外侧车轮轮径时,上面计算的yw、yv的方向一致,两部分的效果叠加起来,会产生很大的横向偏移,极容易导致外侧轮缘贴靠钢轨,产生较大的轮缘力造成钢轨磨损、轨距挤宽、轮缘垂直磨耗,导致轮轨的撞击。如果是小曲线还可能出现轮缘爬轨或线路外胀而导致脱轨,甚至造成车辆颠覆等重大事故。当转向架的前后轮对内侧车轮轮径小于外侧车轮轮径,yw、yv移动方向相反,此时会产生较大的横向冲击力和车体摇晃速度,导致横向加速度增大,产生噪声,严重影响乘坐舒适度。

(2)等值反相轮径差

由图3可以看出,与上述的等值同相轮径差情况相反。存在等值反相轮径差的车辆通过动态曲线时,其横向力和脱轨系数都随着轮径差的增大而减小。存在等值反相轮径差的车轮其前后轮对朝相反的方向移动,虽然在平直的轨道上会引起较大的横向力和横向位移,但是仿真结果表明在过曲线时,适当的等值反相轮径差是有利于车辆动态通过曲线的。

(3)前轮对轮径差

由图4可以看出,与等值反相轮径差一样,存在前轮对轮径差的车辆其动态通过曲线时的横向力和脱轨系数也是随着轮径差的增大逐渐减小。适当的前轮对轮径差也是有利于动态曲线通过的。此时只有前轮对的纯滚线不在轨道中心线上,横向运动源只有一个,不会引起较大的横向力和横向位移。

图2 等值同相轮径差的影响

图3 等值反相轮径差的影响

图4 前轮对轮径差的影响

(4)后轮对轮径差

由图5可以看出后轮对轮径差对车辆动态曲线通过的影响不明显,横向力和脱轨系数曲线变化规律几乎一致。此时只有后轮对的纯滚线不在轨道中心线上,同样也只有一个横向动力源,引起转向架的偏转角度较小。

3 结论

分析和仿真结果表明,不同种类轮径差对动态曲线通过的影响规律是不一样的,不是所有种类的轮径差都不利于车辆动态曲线通过。

(1)车辆的等值同相轮径差对动态曲线通过的影响最明显,随着其增大曲线通过变差,应尽量控制等值同相轮径差。

(2)等值反相轮径差和前轮对轮径差在一定范围内有利于动态曲线通过。随着轮径差的增大,车辆动态曲线通过时的横向力和脱轨系数都变小。

(3)后轮对轮径差对动态曲线通过的影响不明显。其过曲线时的横向力和脱轨系数图示曲线的规律基本是一致的。

图5 后轮对轮径差的影响

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