偏载对转臂定位转向架运行安全性的影响研究

偏载对转臂定位转向架运行安全性的影响研究

由于各种原因，车辆的偏离通常是不可避免的。偏载对车辆的动力学性能会产生较大的影响,关于偏载对行车安全性和车轮偏磨的影响已有文章进行了一些定性的分析,但针对不同形式的偏载对行车安全性的影响规律目前还没有人进行过深入研究。本文以高速客车常用的转臂定位转向架为对象,重点研究不同形式的偏载对行车安全性的影响规律,以便为高速列车的设计和维修提供理论参考。1转臂定位转向架车辆偏载主要有2种基本形式:一是纵向偏载,如图1(a)左图所示,车体的重心只在x方向发生变化;二是横向偏载,如图1(a)右图所示,车体的重心只在y方向发生变化。而实际上偏载车体的重心相对于几何中心可能既存在纵向也存在横向偏移,偏载车体重心变化范围如图1(a)的阴影区所示,而各种形式的偏载都可以分解成纵向偏载和横向偏载这2种最基本的偏载形式。依据文献可知,横向蠕滑力Tyi和纵向蠕滑力形成的偏转力矩MTzi的近似计算公式如下。式中:i=1,2,分别代表转向架的前后轮对;f11和f22分别为轮轨纵向和横向蠕滑系数;λ为车轮踏面等效锥度;b为左右轮轨接触点间距之半;r0为车轮标称滚动圆半径;ywi为轮对横移量;Χwi为轮对摇头角。从式(1)和式(2)可知,轮对受到的横向蠕滑力Tyi主要取决于轮对的摇头角Χwi,并且横向蠕滑力Tyi的方向和轮对摇头角Χwi的方向是相同的;轮对受到的纵向蠕滑力形成的偏转力矩MTzi主要取决于轮对的横向位移ywi,并且MTzi的方向与轮对横向位移ywi的方向相反。转臂定位转向架示意图如图1(c)所示。转臂定位转向架的特点是转臂的一端与车轴铰接(可以自由转动),另一端通过橡胶节点与构架连接,转臂与构架的连接点一般高于与车轴的铰接点(为了在欠超高的状态下顺利通过曲线)。当构架受到的垂向载荷增大时,构架就会下沉,通过定位转臂将转向架前后轮对撑开;当构架受到的垂向载荷减小时,构架就会上浮,通过定位转臂将转向架前后轮对拉近;当构架一侧受到的垂向载荷增大而另一侧受到的垂向载荷减小时,构架就会侧滚,通过定位转臂使转向架前后轮对呈正“八”字形或反“八”字形展开。图1(b)右图是车体横向偏载对转臂定位转向架运动状态的影响。本文以车体重心偏向左侧为例来进行分析,这样构架左侧的垂向载荷将增加而右侧的垂向载荷将减小,因此构架会侧滚并通过定位转臂使转向架前后轮对呈反“八”字形展开。在图1所示的坐标系中,转向架前轮对的偏转角为正,后轮对的偏转角为负。根据公式(1)可知,转向架前轮对将产生正的横向蠕滑力Ty1,后轮对将产生负的横向蠕滑力Ty2,此时转向架受到的前后轮对的横向蠕滑力的合力虽然为零,但合力矩不为零,转向架在力偶的作用下会偏转,迫使转向架前轮对的初始安装偏转角进一步加大,这将会大大恶化车辆系统的行车安全性。图1(b)左图是车体纵向偏载对转臂定位转向架运动状态的影响。车体纵向偏载只会使得前后转向架发生上浮或下沉运动,而不会发生侧滚运动。在定位转臂的作用下,转向架前后轮对只会发生相对伸缩运动而不会发生相对偏转运动,这对行车安全性影响不会太大。2车辆横向偏载的影响以某高速客车在直线上运行为例,轨道谱采用德国低干扰谱,在车辆运行速度为300km·h-1时对该高速客车进行仿真分析,考察偏载对行车安全性的影响。车辆纵向偏载和横向偏载对转臂定位转向架轮对冲角的影响如图2所示。从图2(a)可以看出,当车体重心的纵坐标相对于几何中心从-5m逐渐变化到5m时,车辆4个轮对的冲角(均值)几乎都为零,这说明车辆纵向偏载不会使转向架前后轮对产生附加冲角。从图2(b)可以看出,当车体重心的横坐标相对于几何中心从-0.5m逐渐变化到0.5m时,1位轮对和3位轮对的冲角(均值)从-0.00055rad逐渐增加到0.00055rad,而2位轮对和4位轮对的冲角(均值)从0.0005rad逐渐减小到-0.0005rad,这说明车辆横向偏载使转向架前后轮对产生了方向相反的附加冲角(也就是所谓的“八”字形)。这和前面的理论推断是吻合的。下面选择车辆前转向架的前轮对和后转向架的后轮对(也即1位轮对和4位轮对)分析偏载对轮轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率等安全性指标的影响。车辆偏载对轮轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率的影响如图3—图6所示。通过对各图的对比分析可见:车辆纵向偏载对轮轴横向力的影响较小,而车辆横向偏载对轮轴横向力的影响较大;车辆横向偏载对轮轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率的影响规律基本一致;而当车体重心的横坐标从-0.5m逐渐变化到0.5m时,1位轮对和4位轮对的轮轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率都是先逐渐减小,然后又逐渐增大;当车辆横向偏载量趋于零时,1位轮对和4位轮对的轮轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率均同时处于各自的最小值;横向偏载量的绝对值越大,车辆系统的各项安全性指标越差。综合分析图3—图6还可发现,车辆纵向偏载对轮轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率的影响规律有一些差异。当车体重心的纵坐标从-5m逐渐变化到5m(1位轮对的轴重会逐渐增大,而4位轮对的轴重会逐渐减小)时:1位轮对的轮轴横向力和轮轨横向力逐渐增大,而脱轨系数和轮重减载率却逐渐减小;4位轮对的轮轴横向力和轮轨横向力逐渐减小,而脱轨系数和轮重减载率逐渐增大。因此,只有当车辆纵向偏载趋于零时,车辆系统的整体安全性才最高。车辆偏载对行车安全性的影响规律归纳如下:随着偏载的增大,车辆运行安全性指标逐渐变差;不同偏载形式对行车安全性的影响程度不同,纵向偏载对车辆的行车安全性影响较小而横向偏载对车辆的行车安全性影响较大,主要原因是因为车辆的纵向偏载对转向架前后轮对的冲角影响较小,而车辆横向偏载会引起转向架前后轮对产生较大的附加冲角。3偏载形式的影响(1)所有偏载都会影响车辆的