日本改善轮轨间粘结的新技术

日本改善轮轨间粘结的新技术

增粘材料的实用化基础试验在以前的文献中，报告了轮压结构维修技术的实际应用、概念和效果，并报告了“增加粘性材料的实用化原材料试验”。因增粘材料在运营车辆轮轨间有效地进行了摩擦控制,故本文继续报道其控制效果及增粘材料喷射装置的概况。1车辆轮缘间加大磨耗,产生义务主体地铁是城市交通设施。由于其所处的地段,必然面临许多小半径曲线,小半径曲线上在横向作用力下会出现安全问题。另外,由于横向力增大会导致钢轨肩部和车轮轮缘间增大磨耗,发出刺耳的轮轨碾压声,并造成钢轨波状磨耗、车轮滑行等现象。这不仅对周围环境造成噪声污染,而且会加大维修成本。作为解决措施,是将车辆转向架轴箱支承刚度弹性化(即将前后、左右刚度最佳化)、减小固定轴距、踏面形状最佳化等。另外,还可对地面上小半径曲线段的内轨头顶面涂油。但是,历来在力学上难以同时满足一些相反条件,如提高车辆在轨道上的直行稳定性和曲线通过性能,所以实施以上2种措施都有难度。1.1段内强度曲线一般,城市铁道在郊外多为直线区间,城市中心多为曲线区间。为此,假如考虑郊外的高速运行,就不能将前后支承刚度极端弹性化。另外,轮对利用作用于车轮/钢轨接触点的纵向蠕滑力进行自动导向,但其力(自导向力)即使最大,也不能超过轮重和摩擦因数积的摩擦力。由于上述原因,前后轮对采用5kN/mm/box左右的支承刚度,在小半径曲线上,用这个自导向力控制轮对的旋转极限,不然就容易产生冲角,从而无法降低横向蠕滑力。1.2固定轴和电机的装配普通的转向架考虑了郊外的高速运行。另外,在电动车辆转向架上,由于固定轴和电机的装配,所以不能最大限度地缩短固定轴距。作为解决措施,近年研究试制了1轴转向架的方案,不过,目前除了全新线路,而其他线路不能大胆采纳。1.3后轴纵向园林自导向力受限制车轮踏面形状是影响曲线上轮对产生自导向力的重要因素。特别是踏面斜度在曲线上运行中发生的左右轮径差就直接和自导向力有关。左右轮径差越大(踏面斜度越大),这个自导向力也越大,轮对就能更适应通过小半径曲线段。迄今,在京都高速交通内部,已采用了各种踏面形状车轮(加大等效踏面斜度),能在曲线段确保左右轮径差,但能够吸收轮径差的曲线极限也只在R=250m左右,超过这一极限,轮对的自导向力就受到限制。随着冲角的增大,横向蠕滑力(横向力)就增大。但是,如果要在更小半径曲线上通过,就要使这个踏面斜度不能太大,否则,就会损害直行稳定性。另外,这在另一转向架内,由于前进方向后侧的轮对(后轴)基本不靠近外轨而处在中心位置平衡运行,所以后轴不能尽可能获得所需轮径差,因此会产生大的纵向蠕滑力。该力会产生将前轴压向外轨侧方向的力矩,进而增大横向力。这样,由于后轴纵向蠕滑力的增大导致横向力增加。这在现行的转向架结构上靠改进踏面形状是不能解决问题的。一般为了减小小半径曲线上的纵向、横向蠕滑力而采用对内轨头轨面涂油的方法,但是,这个方法因有过分降低摩擦因数的倾向,由于滑行、空转容易导致踏面损伤,所以不能积极推广。针对这个后轴的纵向蠕滑力问题,可以在力学上妥善解决。这就是将后轴的纵向蠕滑力视为零,采用了后轴独立旋转车轮的自导向转向架的方案,但是,假如考虑到现存车辆转向架的数量,实际的应用就有问题。因此,要使车辆顺利通过R<200m的小半径曲线,就必须评审传统的技术应用限界,大力开展技术创新。2增粘材料喷射装置历来,为了防止轮缘噪声和车轮/钢轨的磨损而在小半径曲线段地面设置了钢轨涂油器,向外轨侧钢轨肩部涂油;为了防止轮轨辗压噪声和钢轨波状磨耗而对内轨头顶部涂油。但是,由于有上述车轮滑行问题,所以不能在所有的小半径曲线上积极推广使用。增粘材料的增粘效果理应受到关注,但在选择用地面设备还是用车上装置向钢轨供给增粘材料时,当然应考虑在现场能随机应变处理突发事件的车上装置。因此,研究了在车上用喷嘴向钢轨喷射雾状增粘材料的方法。另外,在使用地面设备时,由于作业设备散布在全线路各处,增加了维护作业的负担。假如用车上装置,还可能在特定场所(车库)补充增粘材料,这也是一大优点。2.1车上喷射装置车上喷射增粘材料的效果与曲线或运行速度无关,只与能否准确喷射到钢轨头顶部有关。因此,从转向架后轴在曲线内大体处在轨道中位运行的实际情况考虑,决定用安装在列车前进方向头车后部转向架的排障器横臂上的喷嘴来喷射增粘材料,从而实现可靠的钢轨头顶部涂敷。由于该增粘材料处于干燥且为非常薄(5mm)的涂敷状态,所以能用2圆柱滚动接触试验机确认其增粘效果。之后,假定列车通行间隔时间短,在下一列车运行时则进行雾状喷射。另外,喷射地点的识别(开始、停止、左右)通过配置在钢轨间的小型发射机应答器执行。图1为增粘材料喷射装置的部件图。装置由增粘材料控制机构(FMC)、增粘材料供料装置(FMS)和喷射用喷嘴组成。增粘材料控制机构如果由发射机应答器接收喷射信号,则启动增粘材料供给装置内的排出泵和压缩空气供给电磁阀进而由喷嘴喷射雾状增粘材料。另外,速度信息的输入和运行速度无关,针对钢轨具体情况采用一定的喷射量,而且,由于降雨时摩擦因数本来就低,所以不必进行摩擦调整,这时通过车辆接触雨刷的联动操作,停止执行增粘材料喷射。3现车测试车库3.1试验转向架的导向力试验现车试验时采用了能测定纵向蠕滑力的特殊转向架。该试验转向架的轮对在通常的PQ轴上装备盘式制动器(安装在轴上),在车轴上装有测定轴扭转应力用的应变片,制动时它能评价车轮/钢轨切向力。为了测定蠕滑率,在试验转向架和其比较用转向架的同一车辆上安装着没有制动作用的转向架,通过高精度测定(9000脉冲/转)试验转向架和与之比较用转向架的车轮回转脉冲,确定试验转向架的蠕滑率。为此,就有可能评价实体水平微量蠕滑区域中的蠕滑特性。为了便于简化处理该试验转向架的车轮/钢轨蠕滑率,使用了圆筒踏面。为了避开车轮轮缘接触,在转向架构架和轮对之间安装了轮对导向用油压作动器(见图2)。3.2声、轮重、横向作用力在确定上述纵向蠕滑力、蠕滑率的测定效果和增粘材料的增粘效果的同时也对噪声、轮重、横向作用力进行测定。试验在车库内的连续弯道的R=80的S形曲线上进行,向车上喷射增粘材料进行了实际性能评价。试验还着眼于直线段的纵向蠕滑特性,对曲线上的轮轨辗压噪声、横向力、后轴切向力进行了评价。3.2.1比增粘材料hpf图3为车轮/钢轨的纵向蠕滑特性在各边界条件下(干燥、洒水、涂油及喷洒KELTRACKTMHPF增粘材料)的实测结果。在干燥、洒水、涂油条件下,仅在比增粘材料(HPF)低的蠕滑率区域进行测定,但这是由于受测定方法的制约,为了控制制动力,进而测定当时的蠕滑率,一旦车轮达到宏观滑行,就不能采集大于该制动力的数据。对此,增粘材料在较大的蠕滑率范围内产生增粘效果,在现车试验中结论也被再次确认了。3.2.2材料之前的结果图4为在喷射增粘材料前后,测定车辆通过曲线时车地板下噪声结果。在喷射增粘材料之前,像1/3倍频程频率分析确认的那样,相当于轮轨辗压声的较高频声压强度增加,在喷射增粘材料后,这些声音消失,这从听觉上也得到了确认。这个声压强度的降低值约20dB(A),从而确认了增粘材料的降噪效果。3.2.3喷射增粘材料的波形状况图5为喷射增粘材料前后横向力、垂向力的波形状况。喷射增粘材料后,横向力约减少一半。另外,表1为这时的脱轨系数,伴随着横向力的减小,脱轨系数也降低。3.2.4增粘材料的力学性能表2为喷射增粘材料前后在通过曲线时的后轴切向力和切向力系数。正如表中所示,在喷射增粘材料后,切向力和切向力系数都减半。这个后轴切向力的降低,可认为受前轴横向力降低的影响很大。4无人数据收集根据上述现车试验表明喷射增粘材料并不影响运营,因其具有预期效果,所以在运营车辆上搭载增粘材料喷射装置进行寿命试验。为了确认喷射增粘材料的效果,在喷射区间地面上安装测定Q/P应变仪、噪声计、钢轨横向振动加速度计进行了无人数据收集。图6、图7为从始发到停车的各车辆转向架前头轴的测定值。图6为在改善粘着前列车全天候的各种状态。图7为在改善粘着后,列车全天候的各种状态。2图的横轴表示编组列车通过辆数,纵轴表示各测定项目。喷射增粘材料后,内轨的Q/P值减半,随之,外轨的Q/P也减半。另外,成为轮轨辗压噪声源的内轨侧钢轨的横向振动加速度通过改善粘着而大幅度降低,运行也趋于稳定。声压强度大约也降低10dB。5长期试验研究为了提高列车在小半径曲线段的通过性能,开展了自车上向内侧钢轨头顶部喷射增粘材料、实现车轮/钢轨摩擦控制的研究。现在已通过理论分析,利用2圆柱滚动接触试验机、1∶10比例模型运行装置进行了现车试验,并继续在营业线上利用无人测定方式进行着长期观察,用以查明装置的耐久性、钢轨的性状变化等。这些研究在东京大学生产技术