独立旋转车轮轮轨接触动力学性能研究

独立旋转车轮轮轨接触动力学性能研究

自20世纪20年代开始正式运营以来，车轮框架的结构类型是两辆车的传统模式，通过重叠和连接车辆轴。随着铁路客运的高速化、低地板城市轨道交通车辆的产生以及自动变轨距转向架技术的发展,开始出现独立旋转车轮转向架,在动力学性能以及结构方面与传统轮对转向架相比有着与生俱来的优势。研究其动力学性能对铁道机车车辆的发展有重要意义。1轮轨关系的秘密在铁道机车车辆发展近一百年中,人们对其轮轨接触关系的认识是不充分的。直到1967年,荷兰人J.J.Kalker揭示了轮轨关系的秘密,预示现代轮轨黏着理论的问世。由于车轮和轨道都不是绝对的刚性体,因此其接触不是点接触而是面接触。在这种接触型式下,车轮在轨道上的运行状态是滚动中带有微小的滑动,轮轨之间产生对导向有影响的作用力,包括重力复原力和蠕滑力。(1)悬挂变形力影响下的重力复原力为了使车辆能够顺利通过曲线,车轮踏面必须要有一定的锥度。具有锥度的踏面与钢轨接触后,接触面与水平方向形成一夹角δ,如图1所示。这样轮重Q相对于接触面的夹角为δ。轮轨间法向力沿水平方向的分力就是重力复原力。在不考虑动载荷及一系悬挂变形力影响的情况下,左右两车轮重力复原力Sl、Sr为:{Sl=QltanδlSr=Qrtanδr(1){Sl=QltanδlSr=Qrtanδr(1)重力复原力是由轨道的侧向直接作用于车轮,在动力学研究中所需要的是左右两侧轮轨重力复原力的差值S。S=Sl-Sr=Q(tanδl-tanδr)(2)由式(2)可以看出重力复原力的差值是左右轮轨接触角正切值之差的函数,其随着接触角差值的增大而增大,接触角的差值又与轮对的横移量、车轮踏面和钢轨轨头横断面的形状有密切的关系。左右车轮重力复原力的合力对轮对的横移具有一定的复原作用,尤其是对横向复原能力差的独立旋转车轮来说尤为重要。理论研究和实际运用都表明设计合理的踏面锥度对独立旋转车轮横向复位能力的提高有积极作用。(2)轮轨间的横向工业模型材料车轮和轨道都是弹性的而非绝对刚性,在运动过程中轮轨的表面材料会出现相对运动,而且轮轨间存在着正压力和切向力,使轮轨间产生切向变形,这样在车轮沿着轨道运行时就产生了蠕滑现象。20世纪20年代F.Carter对轮轨间的蠕滑进行了深入研究,并提出了蠕滑率的明确定义,即为轮轨相对速度与车轮实际速度的比。ξ=v−vrv(3)ξ=v-vrv(3)式中v——车轮实际前进速度;vr——车轮纯滚动前进速度。运行过程中车轮以角速度ω绕车轴中心转动,沿轨道前进的速度为轮对的摇头角速度φ′和横移速度y′,设车轮的名义滚动圆半径r0,踏面锥度λ,滚动圆横向间距2b,如图2所示。根据F.Carter蠕滑理论可得,左右车轮纵向蠕滑率ξlx、ξrx:⎧⎩⎨ξlx=r0ω−bφ′−(r0−λy)ωr0ω=λyr0−bφ′r0ωξrx=r0ω+bφ′−(r0+λy)ωr0ω=bφ′r0ω−λyr0{ξlx=r0ω-bφ′-(r0-λy)ωr0ω=λyr0-bφ′r0ωξrx=r0ω+bφ′-(r0+λy)ωr0ω=bφ′r0ω-λyr0左右车轮横向蠕滑率ξly、ξry:⎧⎩⎨ξly=y′−r0ωφr0ω=y′r0ω−φξry=y′−r0ωφr0ω=y′r0ω−φ{ξly=y′-r0ωφr0ω=y′r0ω-φξry=y′-r0ωφr0ω=y′r0ω-φ左右车轮自旋蠕滑率ξlw、ξrw:⎧⎩⎨ξlw=φ′sinrl+ωsinrlr0ωξrw=φ′sinrr−ωsinrrr0ω{ξlw=φ′sinrl+ωsinrlr0ωξrw=φ′sinrr-ωsinrrr0ω根据Kalker的线性理论,在线性范围内蠕滑力的大小为蠕滑率与蠕滑系数的乘积。轮轨间的蠕滑力包括沿着轨道方向的纵向蠕滑力,轨道平面内垂直轨道方向的横向蠕滑力以及自旋蠕滑力,蠕滑力与蠕滑率的关系如下。⎧⎩⎨⎪⎪Fx=−f11ξxFy=−f22ξy−f23ξwMz=−f32ξy−f33ξw(4){Fx=-f11ξxFy=-f22ξy-f23ξwΜz=-f32ξy-f33ξw(4)式中fij(i、j=1,2,3)为蠕滑系数,其值由下式确定。⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪f11=EabC11f22=EabC22f23=E(ab)32C23f33=E(ab)2C33(5){f11=EabC11f22=EabC22f23=E(ab)32C23f33=E(ab)2C33(5)式中a、b为接触椭圆的长短轴;E为杨氏弹性模量;Cij为Kalker系数。左右轮轨间的纵向蠕滑力Flx、Frx:⎧⎩⎨Flx=−f11ξlx=f11(bφ′r0ω−λyr0)Frx=−f11ξrx=f11(λyr0−bφ′r0ω){Flx=-f11ξlx=f11(bφ′r0ω-λyr0)Frx=-f11ξrx=f11(λyr0-bφ′r0ω)左右轮轨间的横向蠕滑力Fly、Fry:Fly=Fry=−f22ξy=f22(φ−y′r0ω)Fly=Fry=-f22ξy=f22(φ-y′r0ω)由于自旋蠕滑力很微小,其基本不影响导向性能,故在此不作讨论。纵向蠕滑是传统轮对产生蛇行运动的根源,传统轮对转向架的临界速度取决于蛇行运动是否收敛。另外在直线运行时的蛇行运动有使轮对中心向轨道中心自动复原的作用,在车辆运行中产生横移时,左右车轮与轨道的接触圆半径发生变化,进而产生蛇行运动,如果蛇行运动是收敛的,最后轮对的中心将回到轨道的中心。在车辆通过曲线时左右车轮的纵向蠕滑力将绕轮对中心形成回转力矩,这一力矩有使轮对的轴线趋向于曲线径向的作用,从而减小了冲角,因此传统轮对具有自导向性能。在车辆通过曲线时需要一个持续作用的横向力平衡离心力,这个力是由轮轨间的横向蠕滑力和重力复原力共同提供的:P=Sl+2Fy−Sr(6)Ρ=Sl+2Fy-Sr(6)式中P为轮轨间横向力。横向蠕滑会造成车轮踏面切向磨耗,在设计中应尽可能的利用重力复原力来提供横向力。2独立旋转车轮轮对独立旋转车轮的基本原理是将两车轮通过轴承安装在车轴上,两车轮可相对车轴转动。其基本结构见图3所示。与传统轮对相比,其两侧车轮能以不同的角速度绕车轴旋转,轮轨的接触关系也与传统轮对有所不同。这种模式的轮对,轮轨系统间由于不存在纵向蠕滑,故独立旋转车轮不存在蛇行运动,这一特点很好地适应了高速车辆的要求。由于失去纵向蠕滑,独立旋转车轮直线上的对中性能比传统轮对差,当受到轨道不平顺的激扰轮对产生横移后,只能靠左右两车轮重力复原力的差值来复原。如果车轮踏面外形设计不当,重力复原力的复原作用就很有限,轮对中心很难回到轨道的中心。同时曲线上的导向性能也比传统转向架差,由于不存在纵向蠕滑力绕轮对中心形成的回转力矩,基本靠轮缘导向。曲线上冲角很大,轮缘磨耗严重,安全性差,容易发生脱轨事故。3动态模拟分析3.1弹簧和减振器连接在动力学计算中车体、转向架构架、轮对等各个部件应视为刚体。车辆系统是一个多刚体、多自由度的非线性振动系统,各刚体间通过弹簧、减振器连接在一起构成一个整体。计算模型如图4所示。为了研究方便,车体的前后两转向架分别为独立旋转车轮转向架和传统轮对转向架。独立旋转车轮转向架左右两车轮具有不同的点头自由,而传统轮对左右两车轮的点头自由度相同,因此该系统共有23个自由度。在动力学模型建立时对前后两转向架设置相同的悬挂参数。整车主要悬挂参数见表1。3.2线性动力学性能根据上述计算模型,应用动力学计算程序分别对传统轮对转向架和独立旋转车轮转向架进行动力学特性对比分析。(1)横向复合化能力图5为车辆在平直轨道(轮轨摩擦系数为0.2)上以80km/h、3mm初始横移量时两转向架前轮对的横移响应,其中车轮踏面为LMA磨耗型踏面,轨道为60kg/m钢轨。可以看出传统轮对产生蛇行运动并很快收敛,使轮对的中心回到了轨道的中心;独立旋转车轮则没有向轨道中心复原,而是偏向轨道一侧运行。由轮轨间作用力关系可知,它最终的平衡位置是重力复原力的差与轮轨间横向摩擦力平衡时的位置。独立旋转车轮的这一特点使得其在运行过程中产生横移后轮对中心不会回到轨道中心而是在其平衡位置滚动,从而造成车轮踏面磨耗不均匀,偏磨问题严重。轮轨间重力复原力差值与横向摩擦力的作用关系是决定独立旋转车轮横向复原能力的主要因素。降低轮轨间摩擦系数和增大两侧接触角的差可以提高独立旋转车轮的横向复原能力。图6为车辆以80km/h,2mm初始横移量运行在平直的轨道上(轮轨间摩擦系数0.2),独立旋转车轮踏面分别采用等效锥度较低的LMA磨耗型踏面和等效锥度较高的LM磨耗型踏面时轮对横向复原能力的比较。可以看出在横移量一定的情况下,两侧车轮接触角差越大轮对的横向复原能力就越高。图7为车辆以80km/h,2mm初始横移量运行,轨道摩擦系数变化对独立旋转车轮横向复原能力的影响。图中曲线分别为轨道摩擦系数0.25、0.1、0.01时前轮对的横移量,可以看出随着轨道摩擦系数的降低独立旋转车轮的横向复原能力提高。尤其是当轨道摩擦系数为0.01时轨道已经相当光滑,此时可认为轮轨间基本不存在摩擦力,轮对在重力的作用下回到轨道中心,但这种情况在实际中是不会存在的。(2)横向模滑性能图8、9、10为车辆以80km/h的速度运行在美国Ⅴ级线路谱上的轮轨接触及磨耗。可以明显的反映出传统轮对和独立旋转车轮的动力学性能有很大差别。在直线上传统轮对与独立旋转车轮的横向蠕滑基本相同。但独立旋转车轮基本不存在纵向蠕滑,这样独立旋转车轮的磨耗就比传统轮对的磨耗低。3.3两种轮对的对比分析曲线通过性能是机车车辆动力学研究的重要内容之一,良好的曲线通过性能将大大减小轮轨间的磨耗及作用力,从而降低运营成本;反之,车辆曲线通过性能差,导向力不足,轮轨间将产生巨大的横向力,造成轮轨的严重磨耗,甚至发生脱轨事故。因此对独立旋转车轮曲线通过性能的研究是十分必要的。在动力学仿真计算中,设定车辆曲线通过速度60km/h,曲线半径300m、缓和曲线长度30m、曲线长度100m、超高100mm。仿真结果如图11至图14所示。从以上仿真结果可以看出独立旋转车轮转向架与传统轮对转向架在曲线上的动力学性能具有明显的差异,产生差异的原因主要是两种轮轨系统轮轨接触关系的不同。图11为传统轮对转向架与独立旋转车轮转向架通过曲线时导向轮对(前轮对)纵向蠕滑对比。从图中可以看出传统轮对通过曲线时内、外两侧车轮产生了明显的纵向蠕滑,并且纵向蠕滑的方向相反,这样在两侧车轮上产生了方向相反的纵向蠕滑力。其绕轮对中心形成回转力矩,这一力矩有使轮对趋向于曲线径向的作用,因此传统轮对转向架在曲线上具有一定的导向能力。而独立旋转车轮则基本上不存在纵向蠕滑,因此在曲线上的导向能力明显不足。这也就使两种转向架在曲线上的动力学性能有较大的差异。图12为两转向架通过曲线时,导向轮对冲角的对比。冲角是车辆通过曲线时轮对中心线与曲线径向的夹角,它是衡量车辆曲线通过性能的重要指标。冲角大反映出车辆的导向力不足,曲线通过性能差。从图中可以看出独立旋转车轮的冲角比传统轮对大得多,也反映出独立旋转车轮在曲线上的导向能力不如传统轮对,其曲线通过性能较差。图13为两种转向架前轮对横移量的比较。可以看出由于独立旋转车轮不存在绕轮对中心的回转力矩,因此冲角较大,导向力不足,从而造成其横移量比传统轮对大。众所周知,准轨的轨距为1435mm、轮对内侧距为1353mm、新轮轮缘厚度为32mm,则通过计算可知轮对最大横移量应为9mm。从图中可看出独立旋转车轮导向轮对的横移为9mm左右,此时轮缘已经贴靠在钢轨上,依靠轮缘力来导向。实际运用中发现独立旋转车轮的轮缘磨耗严重,并且经常发生小半径曲线上的脱轨事故,这都是由于其导向力不足造成的。图14为两种转向架导向轮对外侧车轮横向力的对比。由于传统轮对具有利用纵向蠕滑实现自导向的能力,因而横向力明显低于独立旋转车轮。横向力大对车辆运行安全性是不利的,同时对轨道的破坏也是很严重的。脱轨系数是由轮轨间垂向力和横向力的比值决定,在车辆运行中,如果横向力大的一侧受到轨道不平顺的激扰产生瞬时垂向减载将使脱轨系数升高,车辆的脱轨危险性增加。同时较大的横向力将使轨道产生横移,轨距变宽同样会增加车辆脱轨危险性。4独立旋转车轮轮速监测和轮对导向力独立旋转车轮在直线上缺乏对中性能,其横向的复原能力主要来自于两侧轮轨接触产生的重力复原力。理论研究表明,增大车轮踏面的等效锥度可提高独立旋转车轮的横向复原能力,但这种方法不能从根本上解决这一问题。应采用主动控制的方法对运行中的独立旋转车轮轮速进行实时监测,当两侧车轮转速变化时则说明轮对产生了横移进而采取相应的措施使其复原,直到两侧车轮的转速相同。在曲线上由于独