铁路工程车辆横向失稳动力学特征分析

陈政南,张天婴,张树鹏

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

因轮对踏面存在锥度,轨道车辆有发生蛇行的倾向。较大幅值的蛇行可称为横向失稳,此时车辆横向振动加剧、运行平稳性降低、形成较大的轮轴横向力,容易造成车辆脱轨及线路永久变形等严重后果。

工程车辆由于种类多、结构复杂、机构布置差别大等原因,车辆参数配置难度高,配置不合理时容易出现横向失稳。明确该类车辆失稳时的动力学特征,有利于及时分辨车辆蛇行的程度以确保安全;也有利于查找、总结失稳产生的原因,进而改进车辆设计。

1 研究对象

选取了近年进行动力学性能型式试验时发生横向动力学性能异常的3辆铁路工程车作为研究对象,它们均用于线路施工和维护,分别标记为A、B、C车,其主要技术参数如表1所示。

表1 试验车辆基本技术参数

2 横向蛇行失稳的试验判定标准

各国动力学性能试验对机车车辆横向失稳的判断没有统一的标准。美国FRA的车辆安全评价标准采用转向架横向加速度在0～10 Hz内2 s滑动窗的加速度有效值大于3.92 m/s2来识别车辆的蛇行失稳。美国AAR M-1001中对空车在直道上蛇行运动横向稳定性提出了车体横向加速度在15 Hz滤波情况下最大的峰峰值不超过14.71 m/s2,标准差不超过1.28 m/s2的要求。

澳大利亚对铁路货车空车横向失稳定义为在 10 Hz滤波的情况下,横向加速度至少持续超过5 s正弦振荡,横向加速度平均值大于3.43 m/s2,最大横向加速度超过4.91 m/s2。

我国动力学性能试验规范中没有对横向失稳提出具体判定依据,习惯上借鉴欧洲铁路试验经验,依据当构架加速度在10 Hz滤波、峰值有连续振动6次以上达到或超过极限值8～10 m/s2(与转向架构架设计相适应)时,判定转向架横向失稳。

3 横向异常车辆的动力学性能特征分析

A、B、C 3种工程车动力学型式试验轮轨力采用间断式测力轮对进行测量。轮轨力和车体振动加速度试验数据按照GB∕T 5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的要求进行分析。而构架振动加速度参照车体加速度的处理方法,但采用10 Hz滤波。

3.1 车体和构架横向加速度分析

分析车体和构架横向振动加速度是研究蛇行运动最直接的方法,通过对加速度时域和频域分析可以揭示车辆横向失稳的特征。在40 Hz滤波下计算得到A、B、C 3车车体横向加速度值及平稳性指标随速度变化如图1。A、B两车转向架构架在10 Hz滤波下计算得到的横向加速度随速度变化如图2。

图1 车体横向加速度及平稳性指标散点图

图1散点图数据显示,随着速度提高至发生横向动力学异常时车体加速度幅值迅速增大,超过规范对横向加速度及平稳性指标的要求。对应的构架横向加速度在此时也同样迅速增大,如图2所示。

图2 构架横向加速度散点图

图3 车体横向加速度波形图

A、B、C 3车发生横向动力学性能异常时,车体横向振动加速度呈现周期性等幅振荡,在40 Hz滤波下振幅约为5,6,10 m/s2,如图3所示。而图4 A、B车构架实时波形图显示,构架横向加速度也呈现和车体一样的周期性等幅振荡特征,在10 Hz滤波下振幅在5 m/s2左右。从图中还可以看出车体和构架振动周期比较接近。

该速度下车体和构架横向加速度振动波形主频如图5所示,车体和构架横向主频基本接近。A、B、C 3车车体横向主频基本在2.5～3.5 Hz间,对应波长11～12 m。

图4 构架横向加速度波形图

图5 横向失稳速度下车体和构架横向加速度频谱图

3.2 轮轨(轴)横向力分析

通过分析横向振动加速度特性比较直观地反映车辆横向动力学异常时的特征,此时轮轨横向力也呈现相近的特点。

当车辆在平直的轨道上运行,轮对踏面存在锥度,横摆和摇头蛇行运动不可避免,随着速度的提高,横向蛇行运动越来越明显,当出现比较严重的横向失稳时,轮轴横向力值会迅速增大,即使降低速度大值也会持续一段时间,3辆发生横向动力学性能异常的工程车辆均具有该特征,如图6所示。

轴重越大,轮轴横向力增大越明显,图中A、B车变化就较C车明显。车辆发生蛇行失稳时,除了轮轴横向力迅速增大以外,左右侧轮缘会依次有规律撞击钢轨,导致左右侧轮轨横向力分别有规律地变大和减小,蛇行越激烈变化越明显,3辆发生横向动力学性能异常的工程车辆均具有该特征,如图7所示。此时,左右侧轮缘依次撞击钢轨的频率和车辆横向振动的频率相吻合。

图6 轮轴横向力散点图

图7 横向蛇行失稳时左右轮轨横向力波形图

轮轨横向力可以看成是随轮对转动的余弦函数和轮对的蛇行运动的卷积,A车、B车、C车横向动力学异常时,车轮转动的主频分别是13.7,10.8,13.6 Hz,对应的蛇行频率分别为3,2.6,3.2 Hz,各阶主频分别被调制到如图8所示。

图8 车辆横向失稳速度下的轮轨横向力频谱图

由于发生横向失稳时轮缘碰撞钢轨,轮轨横向力增大,和横向力有关的动力学指标脱轨系数也会增大,但增加的幅度会有所差别,蛇行越激烈增大越明显,但脱轨系数不一定会超过限度值,如图9所示。可以通过轮轨(轴)横向力出现的特征来确认车辆横向失稳。

图9 车辆脱轨系数散点图

3.3 轮轨垂向力分析

车辆在横向失稳时,车体有一定程度的侧滚,体现在轮轨垂向力上是左右轮对的交替增减载。A车、B车和C车发生横向动力学异常时垂向力波形如图10所示,具有典型的失稳特征。此时对于轮重减载率,车辆轴重较大、重心越高增大越明显,如图11所示。

可见,车辆出现横向失稳时,还可以通过轮轨垂向力大小变化规律及轮重减载率等特征来辅助分析是否蛇行失稳。

图10 车辆横向失稳时左右轮对垂向力波形图

图11 车辆轮重减载率散点图

4 工程车辆横向动力学异常共性

工程车辆运行速度高到一定程度后,车体和构架横向出现激烈的周期性等幅振动,振幅迅速增大并超过5 m/s2,主频在2.5～3.5 Hz,车体和构架周期基本接近,对应波长为11～12 m,平稳性指标超过5.0。此时,轮轨(轴)横向力迅速增大,左右轮缘依次有规律撞击钢轨,频率和构架横向主频相吻合,脱轨系数增大;左右轮轨垂向力大小发生交替变化;具有横向失稳的特征,可以判断为横向失稳。

调查表明失稳的原因,一是旁承预压缩量不够,二是旁承与车体的接触面不经意涂抹油漆而造成摩擦系数偏小,导致车体和转向架间回转阻力矩不足而发生横向失稳;改进后,横向动力学性能正常。

5 结论

可以通过构架和车体的横向振动加速度来快速评判车辆是否横向失稳,还可以通过轮轨(轴)横向力和垂向力出现的特征来辅助判断。

对于焊接构架式转向架的工程车辆横向失稳评判,我国惯例采用8～10 m/s2的幅值过大,建议采用构架横向加速度10 Hz滤波后,连续峰值5 m/s2来进行横向失稳评判,在反映车辆失稳特征的前提下保证安全。

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