牵引工况下轮轨接触蠕滑力的研究

牵引工况下轮轨接触蠕滑力的研究

随着技术的发展，大型机车的线路能力达到9000千瓦，轴重增加到25吨。大的功率储备,高的黏着重量,使机车的牵引力明显提高［１］。现在我国铁路线大都采用混编,同一线路同时供重载货运和快速客运同时运行。为了满足铁路运输的需要,要求机车在较短的时间内启动并达到要求的运行速度,同时机车经常处于坡道上,这对机车的黏着水平,提出了更高的要求。在轮轨接触界面摩擦系数急速下降时,大的牵引力常常会引起车轮打滑,损坏钢轨和车轮［２］。文献研究了牵引力对轮对稳定性的影响,发现当轮对上作用有牵引力时,轮轨的蠕滑状态会改变,进而引起轮对稳定性的改变。文献研究发现,在牵引工况下,导向轮对的导向力矩随着牵引力的增加而逐渐减小。为了改善牵引力对轮对导向能力的影响,提出了一些改进意见和措施,改善效果最好的就是采用径向转向架,能够大范围的减小机车通过曲线时的轮轨冲角,降低车轮的导向力［８－１２］。为了深入了解牵引力对机车不同工况下的影响规律,本文根据线性蠕滑理论的基本原理,推导了轮轨蠕滑率和蠕滑力的公式,根据蠕滑率与蠕滑力的非线性关系对线性蠕滑力进行修正,得到实际的蠕滑力,同时结合磨耗型踏面的强非线性轮轨接触几何关系,深入探讨牵引力对轮轨蠕滑力的影响规律,为机车设计、运用和维修提供必要的理论参考。1轮轨重塑压缩能力轮对在曲线上的受力示意图,如图1所示。轮对的横向位移y定义为轮对几何中心相对于轨道中心线的横向偏移量,正方向指向曲线内轨方向,轮对的摇头角ψ定义为轮对轴线相对于该处曲线径向方向的夹角,正方向为图示顺时针方向。轮对上作用有轮轨接触界面产生的纵向蠕滑力T１ｌ（ｒ）、横向蠕滑力T２ｌ（ｒ）、自旋蠕滑力M３ｌ（ｒ）及法向力Nｌ（ｒ）,未平衡离心力Fａｑ,一系悬挂力Fｘｌ（ｒ）、Fｙｌ（ｒ）、Fｚｌ（ｒ）,重力W。根据Kalker线性蠕滑理论,轮轨界面的蠕滑力为［13-14]式中:r0为名义滚动圆半径;2l0为轮轨接触点横向跨距;R为曲线半径;V为车轮前进速度;δl(r)为轮轨接触角;f11为纵向蠕滑系数;f22为横向蠕滑系数;f33为自旋蠕滑系数;f23为自旋横向蠕滑系数;q为轮重减载率。在稳态情况下,以平衡速度通过曲线,则有,上述蠕滑力公式可简化为线性蠕滑理论只适用于小蠕滑的情况,对于大蠕滑工况下,蠕滑力与蠕滑率表现出非线性特征,需要对线性蠕滑力进行修正,这里采用缩减系数k,实际的蠕滑力为T′ｉｌ=kｌTｉｌ,M′３ｌ=kｌM３ｌ;T′ｉｒ=kｒTｉｒ,M′３ｒ=kｒM３ｒ。其中i=1,2。传统机车转向架一系定位刚度在满足稳定性的前提下,同时要承担传递牵引力的任务,通常轮对的纵向定位刚度比较大,同一转向架内的轮对之间几乎保持平行,这种结构限制了轮对自导向能力的发挥,当机车通过曲线时,轮对与曲线线路之间会产生冲角,如图2所示。从式(9)、式(10)可以看出,由于轮轨之间冲角和接触角的存在,轮轨接触面上产生横向蠕滑率,进而产生横向蠕滑力。但是轮轨接触面上总的蠕滑率和蠕滑力满足一定的限制条件,根据Kalker理论和大量的试验数据,轮轨蠕滑率和蠕滑力之间满足如图3所示的关系［１５］。在小蠕滑时,蠕滑率和蠕滑力近似成线性关系,当出现大蠕滑时,蠕滑率和蠕滑力成非线性关系。当轮轨之间存在牵引力时,这里假定惰行工况下机车通过曲线时,某轮对上由蠕滑导向产生的蠕滑力为T１,对应的蠕滑率为v１,牵引力引起的蠕滑率为vＴ,在内外轮相同的蠕滑率差值下,导向力矩由2Tl０减小到(T３-T２)l０。2整车动力学模型为了分析机车曲线通过时的轮轨接触特征,本文建立采用C０-C０轴式的DF8B型机车动力学模型,模型包括1个车体,2个构架,6个轮对,6个驱动单元,整车动力学模型如图4所示。轮轨摩擦系数设为0.35,这就限制了黏着系数的范围为0~0.35,轮轨力采用FASTSIM程序计算。线路设置为:曲线半径300m,外轨超高120mm,顺坡率1‰,缓和曲线长度120m。为了了解曲线通过时轮轨接触的动态过程,没有考虑轨道不平顺的影响。2.1磨耗型踏面接触参数的影响机车模型选用JM3磨耗型踏面与Rail60轨接触配合,几何关系如图5所示。从图5可以看出,采用磨耗型踏面接触,当轮对向一侧横移时,外侧车轮滚动圆半径增加的速率比内侧减小的速率快很多,如轮轨横移7mm时,外侧滚动圆半径增加2.75mm,而内侧只减小了0.5mm,这时对应的外侧车轮的接触角为0.225rad,而内侧车轮仅为0.025rad,接触参数与轮对的横移量成强的非线性关系。2.2移量和轮轨冲角以平衡速度惰行通过300m半径曲线,根据曲线半径与平衡速度的关系式,此时速度为55.2km/h。轮对横移量和轮轨冲角的时间历程如图6、图7所示。轮对横移量在曲线上达到最大值,为8mm。从图5的轮轨接触几何关系可以看出,这时外侧车轮轮缘与钢轨接触,车轮的滚动半径和接触角急剧增加。轮轨冲角也在曲线上达到最大值,为10mrad。根据蠕滑力的计算公式可知,大的冲角将会引起大的横向蠕滑率,进而引起大的横向蠕滑力。2.3轮轨冲角的影响以平衡速度惰行通过300m曲线半径时,蠕滑率和蠕滑力的计算结果如图8~图12所示。从图8和图9可以看出,纵向蠕滑率和蠕滑力在进出缓和曲线时出现波动,在曲线上保持恒定。在300m半径曲线上,JM3磨耗型踏面对应的纯滚线与轨道中心线的距离为6.25mm,当轮对贴靠外轨时,外侧车轮相对于纯滚线,半径增加3.5mm,而内侧车轮减小2.5mm。根据式(1)、式(2)或式(7)、式(8)可以得出,内外侧的纵向蠕滑率和蠕滑力大小几乎相等,方向相反,提供有助于导向的蠕滑力矩。从图10和图11可以看出,横向蠕滑力随着轮轨冲角的增加逐渐增大,在曲线上时达到最大值,外侧车轮的横向蠕滑力大于内侧车轮。根据式(3)、式(4)或者式(9)、式(10)可以得出,这是因为当轮对向外侧横移时,外侧轮轨接触角大于内侧,进而引起横向蠕滑力的不同。对比曲线段横向蠕滑力和纵向蠕滑力的大小可以看出,惰行通过300m半径曲线时,横向蠕滑力远大于纵向蠕滑力,外侧车轮横向蠕滑力与纵向蠕滑力的比值为4.15,内侧为3.04,也就是说对于传统转向架轮轨冲角对曲线通过的影响很大,减小轮轨冲角对改善机车曲线通过性能至关重要。从图12可以看出,由于轮轨之间摩擦系数设置为0.35,这就限制了总的黏着系数在0~0.35之间,考虑到数值计算的误差,内外侧的轮轨黏着系数在曲线上都达到了饱和。3牵引对客车曲线通过时轮轨接触的影响机车惰行通过曲线与常规的车辆通过曲线时的动力学规律基本一致,但是机车通常要提供一定大小的牵引力或者制动力,这里选用轴重为25t的DF8B型机车,仅分析牵引力对机车曲线通过时轮轨接触的影响。3.1引力对轮对内外侧轮纵向氧滑力的影响机车以平衡速度通过300m半径曲线,计算不同大小牵引力对轮轨接触蠕滑状态的影响,计算结果如图13、图14所示。从图13可以看出,随着牵引力的增加,导向轮对内外侧的纵向蠕滑力差值逐渐减小,当黏着系数接近静摩擦系数时,差值达到最小。对于导向轮对,内侧车轮的纵向蠕滑力随着牵引力的增加,方向由与轮对前进方向相反变成与轮对前进方向相同。由此可见,牵引力的增加可以改变导向轮对内侧轮纵向蠕滑力的方向,与图3一致。内外侧车轮的横向蠕滑力随着牵引力的增加,逐渐下降,这是因为横向蠕滑力变化主要受到轮轨接触总蠕滑力饱和的约束,当轮轨接触界面的总蠕滑力达到饱和时,纵向蠕滑力增大,横向蠕滑力减小,反之,纵向蠕滑力减小,横向蠕滑力增大。从计算结果可以看出,即使牵引力达到黏着系数的极限,横向蠕滑力仍然较大,也就是说,传统转向架机车通过曲线时,轮对自导向能力受到一系摇头约束的限制,轮轨之间存在较大冲角,产生横向蠕滑力,占用了轮轨接触总蠕滑力的一部分。相对直线工况,导致能提供的最大纵向蠕滑力减小,这就是曲线黏降的原因。传统机车转向架在通过小半径曲线过程中,可以参照图5的轮轨接触几何关系。从图14可以看出,外侧车轮的轮轨接触位置已经在轮缘根部。轮轨接触界面总蠕滑力处于饱和状态时,随着牵引力的增加,横向蠕滑力逐渐减小,轮对逐渐向轨道中心移动,但是变化量较小,轮轨接触位置仍然处于轮缘根部附近。3.2不同曲线半径下的横向模滑力机车以平衡速度通过不同半径的曲线,每个轮对上作用有黏着系数为0.24的牵引力,计算结果如图15~图18所示。从图15和图16可以看出,在牵引工况下外侧车轮总蠕滑力几乎不随曲线半径的变化而变化,总蠕滑力总是处于饱和状态,纵向蠕滑力随着曲线半径的增加而增大,而横向蠕滑力在曲线半径小于等于600m时,随着曲线半径的增加而缓慢增大,当曲线半径超过600m以后,横向蠕滑力随着曲线半径的增大而缓慢减小。这是由于传统转向架机车通过曲线时,导向轮对贴靠外轨,对于外侧车轮上由于牵引力和导向引起的纵向蠕滑力方向相同,同时在冲角引起的横向蠕滑力共同作用下,外侧车轮轮轨接触界面总蠕滑力较容易处于饱和状态。而内侧车轮随着半径的增加,总的蠕滑率逐渐下降,导致纵向和横向蠕滑力均略有下降,尤其当曲线半径大于600m以后,总的黏着系数迅速下降。从图17可以看出,随着曲线半径的增大,导向轮对冲角逐渐减小,其中冲角在曲线半径从200~400m之间变化速率比较大。从图18可以看出,随着曲线半径的增大,轮对逐渐向轨道中心线移动,但是即使轨道半径达到1200m,轮轨接触点仍处于轮缘根部附近。4重力作用下的导向轮对(1)机车车轮采用磨耗型踏面,轮轨接触几何界面与轮对横移量表现出强烈的非线性关系,随着轮对的横移,能够快速增加内外侧轮轨差和轮轨接触角差,有利于导向。(2)传统机车转向架,由于一系定位刚度同时要满足传递牵引力或者制动力的要求,定位刚度通常比较大,限制了轮对自导向能力的发挥。当机车通过曲线时,轮轨之间形成较大的冲角,引起较大的横向蠕滑力,导致纵向能提供的最大牵引力减小,引起曲线黏