铁路列车轮轨间相互作用力和安全参数的研究

铁路列车轮轨间相互作用力和安全参数的研究

近年来，中国进行了一系列加快测试，取得了巨大成功。1998年6月,又在京广线许昌至小商桥间的营业线上成功地进行了高速试验,创造了时速240km的新记录。在这些试验中,防脱轨性能是列车运行安全性监测的首要项目,只有在防脱轨性能得到保证的前提下,才能逐步地提速。几年来,货物列车多次出现脱轨事故,为此,我们在营业线上进行了大型脱轨试验,用测力轮对测量了轮轨间的相互作用力,给出了脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等安全参数。如何评定这些参数,以保证防脱轨性能是一个非常重要的课题。1抗脱轨性能评价参数1.1脱轨系数1.1.1轮缘角t/p轮轨间的作用力如图1所示。用单个车轮的最大横向力Q与垂直力P的比值Q/P作为衡量车轮轮缘爬轨引起脱轨的程度(最初由Nadal提出,于1908年发表,其后为世界各国铁路部门所采用),Nadal方程是由轮轨接触点上力平衡关系推导出来的。如果法向力和切向力2个分力的合力能支撑起车轮的垂直载荷,则有可能引起脱轨。根据图1轮轨接触点上力系的情况,设车轮的轮缘角为T,则可在垂向和横向建立平衡方程:Nadal方程给出的Q/P的极限值为Q/P的大小仅仅是轮缘角T和轮轨间摩擦系数＿的函数。Q/P值随轮缘角T和摩擦系数＿变化的规律如图2所示。Nadal方程只有当纵向蠕滑力为零时才成立。实际上,车轮在运行过程中轮轨间总是存在冲角,如图3所示。这时轮轨间不但存在横向蠕滑,也存在纵向蠕滑。纵向和横向分力都不可能超过＿N,这意味着Q/P的实际值要比Nadal方程得到的要大,所以,如果用Nadal值作为单个车轮防脱轨性能评定的判据,则偏于安全。图4是纵向力T与垂向力P之比对脱轨系数Q/P的影响。研究结果表明,脱轨系数Q/P除受轮轨接触角、摩擦系数影响外,还受到冲角的影响。这起因于轮轨间横向和纵向蠕滑力的饱和特性:在有纵向切线力作用时,由于纵向的滑动,接触面内的蠕滑力基本饱和,横向蠕滑力变小,Q/P的限度值变大。这可以用来作为解释机车不易脱轨的理由。车轮爬轨时的脱轨系数Q/P值,随着车轮轮缘的爬起,轮轴侧滚角的增大,逐渐加大,达到极大值后,又随轮缘前端接触角减小的影响而逐渐减小。在接触角减小的范围内,轮缘失去了其防止脱轨的功能,所以,从车轮轮缘爬轨开始到极大值之前来评定防脱轨性能是有效的。1.1.2未接触的q/p特征曲线如图5所示,在小或负冲角的情况下,Nadal方程的Q/P值比实际的要小。在轨道安全性的研究中,Weinstock清楚地了解到Nadal判据的保守性,他希望在出现小的或负的冲角情况下也能找到更实际的评定标准,因而提出了新的轮缘爬轨标准。该标准不仅考虑了一个车轮的Q/P值,而且同时也考虑了车轴另一侧轮缘未接触的车轮的Q/P值;它还给出了轮缘未接触的Q/P特征曲线,此曲线与轮缘接触的特征曲线相似,二者的差值为＿+Nadal值。这里,轮缘未接触的车轮对合理评定防脱轨性能提供了有用的信息。第一,轮缘未接触的车轮的Q/P值是冲角和纵向蠕滑率的函数;第二,因为轮缘接触的纵向蠕滑率和轮缘未接触的纵向蠕滑率密切相关,所以,可以利用轮缘未接触的车轮的Q/P值对Nadal判据中的明显不足之处进行修正。Weinstock提出用轴两端车轮的Q/P绝对值之和作为评定标准。一根轴的Q/P值不应超过Nadal值与摩擦系数之和。通过推导,可得到Weinstock判据图6为不同轮缘角与摩擦系数时的Weinstock判据。图7给出了Weinstock的判据曲线,它也是轮缘角和摩擦系数的函数。为了进行比较,图中也给出了Nadal判据曲线。由该图可知,摩擦系数对Weinstock评定标准的影响比Nadal评定标准要小。特别是摩擦系数较大时,这一点更明显。这种性质非常重要,因为在轨道检测中很难精确地知道摩擦系数。对于小冲角和负冲角工况,Weinstock评定标准显得更符合实际,其值明显比Nadal评定值要大。在所有冲角范围内,一根轴的Q/P值与Weinstock评定标准更接近。1.1.3冲角引起的轨距扩上述2种评定标准都是针对轮轨力引起车轮轮缘爬轨造成脱轨而制定的;最大的转向架一侧的Q/P判据则是针对轨距扩大或钢轨翻转造成脱轨而提出的。图8为轨距扩大车轮脱轨机理图。轨距扩大主要是由于冲角引起的横向力的作用。典型的轮缘贴靠钢轨的情况如图9所示。接触点上作用着垂向力P和横向力Q,h代表钢轨的高度,d代表由钢轨根部外侧点作垂线与轮轨接触根部间的距离。对轨角支点的翻转力矩为在翻转力矩为零时为了确立钢轨的翻转标准,首先要考虑的是邻近车轮间钢轨的扭转刚度,相应地还要考虑到转向架一侧车轮的综合效应。相邻转向架之间,由于固定装置和扭转刚度的存在,在钢轨翻转时被视为不产生变形。于是,所谓的Q/P值指的是转向架一侧车轮上作用的总的横向力和总的垂向力的比值。1.2脱轨系数小,容易导致脱轨危险对于车轮防脱轨性能来讲,只研究脱轨系数还不够,这是因为有的时候,轮重P较小,如果这时横向力Q也小,受到横向力测量误差的影响就大,这样求得的脱轨系数就不能很好地反映车轮防脱轨性能。实际上,由于这时轮重较小,冲角稍许变化就会产生较大的横向力,潜在着脱轨危险。因此,必须对轮重的减载量予以限制,这就是评定防脱轨性能的另一项重要指标——轮重减载率ΔP/-P(式中,ΔP为轮重的减载量,-P为左右平均静轮重)。脱轨系数由Nadal公式求得,只考虑在脱轨车轮上力的平衡即可,但轮重减载率就必须考虑一个轮对的左右两个车轮力的平衡。根据理论计算结果,轮重减载率也是冲角的函数。1.3路横向力限界值对由轮对作用于线路的最大横向力加以限制是为了降低因横向力引起护板移动所造成的危险。线路横向力限界值是法国SNCF通过货车脱轨试验结果获得的,对于一个轮对横向力的限界值研究的工作由Prud’home完成,他给出了一个轮对横向力限界值公式:式中:Q——一个轮对的横向力;P——轴重,kN。实际的应用中都给出了一个0.85的安全系数,即1.4过限度值的整治对防脱轨性能试验数据的处理分为2种情况。第1种是试验中为提高速度提供依据,要求对数据进行实时处理,速报试验结果,确认线路上超过限度值的处所,让工务部门进行线路检查并按标准进行整治。第2种是试验后对数据进行详细的分析整理。在这种情况下,按直线、曲线、道岔等线路工况进行整理,并给出:(1)脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力与速度的关系;(2)脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力的频度分布;(3)轨道条件对脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力造成的差异;(4)脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力与轨道不平顺的关系。2评价脱轨性能的方法和指标2.1脱轨系数限界值如图10所示,车轮脱轨系数与横向力作用时间t有关。当t≥0.05s时,被认为是车轮轮缘爬轨引起的脱轨,其限界值为0.8;当t<0.05s时,被认为是车轮轮缘冲击钢轨引起的脱轨,脱轨系数限界值应满足以下条件:式中:t——横向力作用时间。随着列车的高速化,钢轨表面的波浪磨耗造成了轮重的高频变动。这种现象在发生地点造成了短时间大的轮重减载,以致出现了较大的脱轨系数,但车轮的悬浮量很少(根据理论计算,不超过1mm),并无脱轨危险。在这种情况下,用脱轨系数的作用时间来评定防脱轨性能,通过理论计算,以15ms作为限界值,如图11所示。图12所示为脱轨系数作用时间与速度的关系,脱轨系数作用时间在50km/h～200km/h速度范围内随着速度的增加而减少,200km/h以上则基本不变,但随着载荷(轮重)的增加而减少。2.2轴的分离系数对于一根轴的脱轨系数,目前国际上没有统一标准。1993年美国在X2000和ICE高速列车动力学性能试验中采用的标准是1.0。2.3缺乏统一标准对于转向架一侧车轮的脱轨系数,目前国际上没有统一标准。1993年美国在X2000和ICE高速列车动力学性能试验中采用的标准是0.5。2.4车轮重量减载率限制值2.4.1准静态车轮重量降低率用于评价在缓和曲线上轨道扭曲,圆曲线上超高不足或过剩等场合车轮较长时间产生的轮重减载,减载率不得大于0.6。2.4.2第三,优点建议通过钢板接头等场合冲击下,由于轮对上作用着横向力,有必要对轮重减载率加以限制。但是,从实际运行试验的测量结果来看,轮缘接触钢轨时产生横向力的车轮,其轮重也会加大,相反,轮重减少的车轮,轮缘一般不贴靠钢轨;此外,通过钢轨接头等场合产生冲击引起的轮重减载率,由于时间很短,不会有脱轨危险。根据这样的观点,限界值规定不得大于0.8(日本)或0.9(美国),即瞬间动态轮重最小值不小于静轮重的0.2或0.1倍。由轮重和轴箱振动加速度波形判断,超过上述限度值的时间约在0.01s以下,不会影响安全。3系统运行安全性分析在1998年6月的高速试验中,用测力轮对测量了轮轨间的相互作用力。由于机车车轮结构上的原因只能采用间断测量法,所以,前述的某些指标不能给出,只能给出单个车轮的脱轨系数、轮重减载率以及轮轴横向力(有一定误差)等参数,并对列车运行安全性进行了评定。附表列出了机车运行安全性的测试结果。由附表所列的数据可知,所有安全监测参数的测试结果均在安全标准限度值以内。其中各参数的最大值为:脱轨系数0.66(200km/h时);轮重减载率0.49(180km/h时);轮轴横向力65.1kN(170km/h时)。值得注意的是,这些最大值都不发生在最大试验速度下。本次试验前对SS8型0001#电力机车的动力学性能进行了计算,虽然计算结果与试验结果有较大差异,但所反映的规律相近,脱轨系数与轮轴横向力最大值都发生在设计的最大速度200km/h附近。所以机车的悬挂结构与参数有待进一步研究。4