高速动车组可变轨距轮对变轨力实验研究

郑志威, 董诗玉, 杜洪军, 王宇, 张彦吉

(中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062)

近年来,随着我国“一带一路”倡议的稳步推进和高速动车组的飞速发展,“丝绸之路”经济带经贸往来主要依托的就是铁路[1].为进一步推动我国与世界各国贸易和人员交往,针对跨国联运高速动车组的需求也越来越急迫.世界各国出于国家安全和地缘政治等因素的考虑,形成了多种不同轨距区域,中国陆上邻国中仅朝鲜与中国主要使用1 435 mm标准轨距[2],制约了不同轨距区域间的交通便利性.而推动轨距统一不仅经济成本较高,且会受到政治因素影响,推进阻力较大.因此,为加强与其他各国之间的贸易往来,适应“一带一路”沿线国家不同轨距线路需求,开发变轨距转向架动车组具有重要意义[3-5].

随着“一带一路”倡议的推动,我国在变轨距技术研究方面热情陡增[6],而国外主要是日韩和欧洲等国家在进行变轨距转向架研究,其中西班牙已经较为成熟地掌握了变轨距技术[7].

目前,国内针对变轨距技术的研究主要是进行了国外研究进展分析和计算机仿真等方面工作,真正进行试验研究的较少,尤其是关于变轨距轮对变轨力方面的试验研究暂时空白[8-12].而变轨力是关系到车辆能否顺利可靠变轨,且涉及到车辆自身和地面变轨装置安全性和可靠性的重要参数.为了得到轮对在变轨过程中所受变轨力大小及其变化规律,本文基于国家科技部立项的400 km/h速度跨国联运高速列车研发项目,搭建了适用于变轨距轮对的变轨距实验台,并进行了变轨距轮对的台架变轨试验研究.

1 实验台简介

本文通过搭建由控制及数据采集系统、液压作动器、轮对驱动系统、解锁/落锁装置和机械框架等组成的某型变轨距轮对(适用轨距为1 435 mm和1 520 mm)的实验台进行了变轨距轮对变轨试验研究.

控制及数据采集系统主要由两部分组成,一部分用于控制液压作动器并进行力传感器及位移传感器实时数据采集,另一部分用于轮对驱动控制系统及轮对转速传感器数据采集.

液压系统主要由6个液压作动器组成,通过液压管路与实验室的液压冷却中心连接.轮对轴箱上方垂向布置的两个轴箱加载液压作动器上连接有力传感器.横向布置的两个用于变轨的液压作动器和轴箱下方垂向布置的两个解锁/落锁液压作动器上,既连接有力传感器又有位移传感器.

轮对驱动系统由两个固定在电机滑台内的伺服电机和滑动导轨组成,电机通过驱动摩擦轮旋转并通过摩擦使与之接触并被夹紧的试验轮对旋转,电机滑台可在横向变轨液压作动器的作用下沿着实验台滑动导轨往复运动,从而实现变轨.无轮对时,实际测得电机滑台沿导轨往复运动的阻力较小(小于0.1 kN)可忽略不计.

解锁/落锁装置主要由两个垂向布置的液压作动器和滑动导轨组成,解锁液压作动器前端通过连接装置与实验轮对解锁杆连接.当轮对横向移动至解锁或落锁位置时,解锁作动器的伸缩即可实现轮对的解锁/落锁动作.

机械框架主要用于固定各液压作动器和滑动导轨等,同时还用于支撑整个轮对和实现轮对的定位等.

所搭建的试验平台主结构如图1所示.

图1 变轨距轮对实验台示意图

试验轮对通过轴箱及转臂节点与实验台连接和固定,试验过程中轴箱与实验台机械框架之间相对位置不发生改变.

该试验平台可实现在驱动轮对旋转的同时,可通过轴箱加载液压作动器对轴箱施加垂向载荷,对变轨距轮对解锁机构进行解锁/落锁动作,并驱动轮对进行变轨动作.变轨及解锁动作过程中,可通过位移传感器和力传感器实时采集力和位移数据.

2 实验方法

2.1 实验条件与主要参数

为模拟轮对实际载荷,通过轴箱加载液压作动器在两侧轴箱上分别施加大小为70 kN方向竖直向下的压力.按照车辆通过地面变轨装置的速度,试验过程中轮对旋转的速度相当于车辆5 km/h的行进速度.

为保障设备和人员安全,执行变轨和解锁/落锁动作的液压作动器需分别设置大小为±30 kN和±15 kN的停机保护,若作用力超过上述限值,则液压系统自动停机.

2.2 实验过程

轮对轴箱底部支撑板由实验台机械框架支撑,车轮处于悬空状态,轴箱转臂节点与实验台机械框架通过螺栓固定连接,车轮两侧夹在电机滑台上的锥形摩擦滚轮之间,如图1所示.

轮对安装完成后,按照2.1所述对轴箱进行加载,之后控制解锁作动器使轮对两侧解锁杆完全解锁,此时轮对两侧的车轮在轴向均处于自由状.然后,开启轮对驱动系统使轮对按照2.1所述速度旋转.轮对旋转平稳后,控制变轨作动器使其推动滑台沿导轨运动,从而使车轮沿轮对车轴轴向移动,也即实现其变轨动作.变至另一轨距时,变轨作动器停止运动,此时控制解锁作动器使轮对两侧解锁杆完全落锁,此时车轮沿轴向的位置被锁定,至此完成一次完整的变轨过程.上述过程可往复进行.

试验过程中可同步记录各作动器的反馈的力和位移信号.

3 实验结果与讨论

3.1 变轨力变化过程分析

按照变轨过程中是否需要车辆自身提供动力源划分,变轨距转向架主要分为有源和无源模式,目前,由于设计和成本等方面原因,世界各国主要为无源模式.本文研究的是无源变轨距转向架轮对,也即车轮是在外力的挤压作用下被迫沿着车轴产生横向移动.

图2为轮对稳定旋转状态下,车轮在实验台变轨作动器的作用下,三次连续变轨过程中轮对左右两侧车轮沿轴向变轨动作时受到的变轨阻力(以下简称“变轨力”)和位移的关系.其中,ZF为左侧车轮变轨力,YF为右侧车轮变轨力.图2的纵坐标为变轨力,横坐标为位移,轮对标准轨状态(对应轨距为1 435 mm)时位移为0 mm,宽轨(对应轨距为1 520 mm)时位移为42.5 mm.

图2 变轨力曲线图

根据图2,左右两侧车轮在轮对旋转的状态下(转速相当于车辆行进速度为5 km/h),其变轨运动过程中受到的最大变轨力大小均在±8 kN的范围内.随着变轨动作的开始,变轨力的大小迅速增大,并在变轨动作过程中基本保持稳定.

该实验中发现右侧车轮变轨力略小于左侧车轮变轨力,其中由宽轨状态变至标准轨状态时,右侧车轮变轨力的大小比左侧小1～ 2 kN,而由标准轨变至宽轨状态时右侧比左侧小约0.5 kN.在针对同批次其他轮对的变轨试验中,发现存在右侧车轮变轨力略大于左侧车轮变轨力的情况.分析认为这主要与轮对相对滑动部分的表面加工质量和装配质量等有关.

在地面变轨过程中,轮对由地面变轨装置的支撑轨通过轮对轴箱转臂底部的支撑板支撑,此时车轮处于悬空状态.在实验台上进行变轨试验时,轮对的支撑由实验台机械框架支撑,也使得车轮处于悬空状态.因此,理想状态下,在变轨过程中车轮的变轨力为克服车轮沿车轴横向移动时其自身重力作用下的摩擦力即可,其计算公式为：

F=∑(μi∑Gj)

(1)

其中，μ为摩擦因数,G为车轮及滑移衬套等的自身重力.

车轮、滑移衬套及其上附属的轴承、密封件、防尘挡圈、螺栓、摩擦板、内花键等质量合计约为500 kg,各摩擦副接触面主要为铝合金-钢,钢-钢接触,根据机械设计手册查询上述摩擦副无润滑状态下的滑动摩擦因数μ为0.15 ～ 0.3.为简化计算,取μ= 0.3,则可得理想状态下变轨力约为1.5 kN.而根据图2可知,实际所测得变轨力(大小为4 ～ 7 kN)明显大于理想状态下的计算值,这说明实际变轨力除了克服车轮自身重力作用下的摩擦力之外还有其他阻力.

分析认为车轮变轨时外力仅作用在车轮一侧的底部,而车轮与车轴之间为间隙配合,使车轮相对车轴发生相对偏转影响了车轮和车轴间的配合关系[13].而且车轮及滑移衬套与车轴配合区域的轴向距离较长,使得外力作用在车轮一侧的底部时,车轮及滑移衬套与车轴之间产生挤压,从而导致摩擦阻力大于车轮自身重力作用下的摩擦力,如图3所示.

图3 外力作用下车轮及滑移衬套偏转示意图

3.2 变轨力重复性分析

图4(a)、4(b)分别为上述三次连续变轨运动过程中左侧变轨力与变轨位移的关系和右侧变轨力与变轨位移的关系.由图3和图4初步可知左侧和右侧变轨力在6个变轨动作中变轨力的大小基本保持稳定和一致.

(b) 右变轨力图4 两种变轨力曲线图

图5(a)、5(b)分别为左右变轨力在各个变轨动作过程中变轨力的方差及其变化趋势图,图中的虚线为通过最小二乘法拟合得到的方差变化趋势线.图中的数据点记为(xi,yi),xi为变轨动作序号,yi为该动作序号对应的变轨力方差大小.图中可以看出,变轨力方差呈减小趋势,分析认为这主要是由于经过多次变轨后,轮对各接触面的表面质量得到改善,使得各变轨动作过程更加平稳,从而表现出变轨力方差减小的现象.

(a) 左变轨力

(b) 右变轨力图5 两种变轨力方差变化趋势

令y=kx+b为通过最小二乘法拟合得到的方差变化趋势线表达式，则该趋势线表达式中的参数和相关系数R的平方值可通过如下计算过程获得:

(2)

(3)

(4)

式中，Yi为xi对应点的趋势线上计算所得的方差值.

3.3 变轨力与速度的关系

为研究变轨力大小与速度之间的关系,其他条件不变, 仅 车 轮 旋 转 对 应 的 速度为0 ～ 15 km/h.

表1为变轨试验所测的不同速度下的变轨力.

表1 不同速度下的变轨力

在不开启轮对驱动系统时即轮对不旋转状态时(速度为0 km/h)进行变轨,发现车轮卡滞,两侧变轨力迅速增大直至触发2.1节所述的停机保护机制.分析认为,这与前述3.1节实测变轨力大于理想状态变轨力的原因类似. 车轮不旋转时, 由于车轮及滑移衬套与车轴间的挤压,导致变轨力较大甚至产生卡滞.而车轮处于旋转状态时,车轮绕车轴转动从而使其与车轴间的相对偏转角度在0°附近波动,故其在旋转状态下的变轨阻力较小.

为研究车轮旋转状态下,变轨力大小与速度的关系,分别在相当于车辆行进速度为5,10和15 km/h的条件下进行变轨试验,发现变轨力大小无明显增大或减小现象.

综合上述试验结果,轮对在不旋转状态下会发生卡滞导致无法进行变轨,而轮对处于旋转状态时,若行进速度的大于等于5 km/h则变轨速度对变轨力无明显影响.

4 结论

(1)通过台架试验,实际测得某型高速动车组变轨距轮对变轨过程中变轨力与位移之间的关系,发现变轨动作开始后变轨力迅速增大,并在变轨过程中基本保持稳定;

(2)轮对两侧车轮变轨力的大小在±8 kN的范围内;

(3)车轮变轨力除了克服车轮自身重力作用下的摩擦阻力之外,还需克服车轮及滑移衬套相对车轴偏转挤压导致的摩擦阻力;

(4)车轮变轨力大小的差异主要与轮对相对滑动部分的表面加工质量和装配质量等有关;

(5)经过多次变轨后,轮对各接触面的表面质量得到改善,变轨力的波动有减小的趋势,变轨过程更加平稳;

(6)在轮对不旋转时进行变轨动作,会出现车轮卡滞,变轨力迅速增大的现象;

(7)轮对处于旋转状态时,若其旋转速度相对于行进速度大于等于5 km/h,则变轨速度对变轨力无明显影响.