轮轨之间蠕滑力测试及分析

轮轨之间蠕滑力测试及分析

1滚动轴承研究正在进行中，现代交通技术公司的“智能自动车辆开发”研究项目已经完成。研究的目的是设计一种智能车辆,该车辆能检测自身的运行条件,并独立控制两轮转速而使轮对自动通过线路,原理和设计工作即将结束。为了验证这种结构设计,必须在实际线路或滚动试验台上对轮对进行运行试验。虽然最终还是要在实际线路上进行鉴定,但由于使用限制和测试的难度,目前不适宜在实际线路上进行研究。运输安全和公害研究院装有一台实尺寸滚动试验台,可模拟曲线情况,适合本研究。由于现有滚动试验台是用于实尺寸试验,所以,如果研究用滚动试验台,则需用装有独立旋转车轮和具有实际尺寸的控制系统转向架构架进行试验,实际控制系统的转向架构架尺寸较大,而且在研究过程中,需要变换车轮踏面形状、悬挂系统的结构和控制原理,这些是研究过程中必不可少的,但这不仅需要时间而且也需要经费。为了加快研究进程,降低研究的复杂程度,按1∶5的比例制作了只有一个轴的滚动试验台。蠕滑力特性对车辆的模拟结果和控制系统有很大影响,所以在研究和开发智能车辆前,就要了解各种接触情况下轮轨之间蠕滑力的特性。研究过程中选用了接触面很干净和施加液态磨擦调节剂(HPF)两种情况,前者的蠕滑力具有负特性,后者具有正蠕滑力的特性。本文介绍了按比例缩小的滚动试验台的设计原理和结构,讨论了该设施的测定系统和蠕滑特性的测试结果。2测试设备2.1轨道轮的转子图1为按比例缩小的滚动试验台的主要部件。把2台轨道轮装置单独装在试验台基座上,每个轨道轮都由矢量控制的内装减速率为8的行星减速齿轮组的交流感应电机驱动。减速齿轮组有提高轨道轮转速精度的优点,并可使轨道轮一侧的驱动力矩加大。最高转速为312.5r/min,精度误差为0.03125r/min。轨道轮一侧的驱动力矩为700N·m。可根据模拟的线路情况单独调节电动机转速或两电机同步进行。当从轮对一侧驱动时,安装在轨道轮一端的电机也可作为发电机吸收能量。由于滚动试验台的尺寸比例为1∶5,所以,轨距、轨道等都按相应比例缩小。这里模拟的轨距是标准轨距,轨道采用50kg钢轨,图2所示轨底坡角为1/40,这与日本最常用的垫板倾角一样。轨道轮的直径为860mm。在试验台上可产生14m/s的最大转速,这相当于实际线路上的250km/h。试验台的基座可在底座上手动绕立轴转动。由于转向架固定在底座上,所以试验台基座的旋转会使轮轨之间产生冲角。实际试验时,试验台基座的最大旋转角为2°。把冲角和转速差结合起来就可模拟不同曲线半径时的曲线情况。2.2种轮对的设计为简化影响参数,设计了单一的轮对和单一的转向架模型。为研究而设计了3个轮对,这3个轮对的踏面外形不同,车轮装配技术也不同。第一种是锥形构造、刚性装配的轮对(图3),采用完全按比例缩小的日本最常用的轮对,比较试验台试验结果和实际运用情况,来检验这种按比例缩小的系统是否与实际情况一致;第二种车轮外形是螺旋构造、刚性装配的轮对。这种外形像螺旋构造的车轮可消除横向及纵向蠕滑力的影响,用以进行蠕滑试验;第三种是锥形踏面、独立旋转车轮的轮对。设计这种轮对是用于最终研究。用柔性连接器直接把直流步进电机连接到轮轴的两端。2台电机可单独转动也可同步转动。单独控制电机以便在将来的研究中控制轮对的转动。而在蠕滑特性试验中没有用轮对一端的驱动电机。装在底座上的车体只能做垂向振动,可通过弹簧加载。如果需要,车体负载可用测力传感器监测并可装偏心机构。设计偏心机构是使轮对产生车轮荷载差。线性轴承将转向架构架与车体纵向和横向连接,并用弹簧将转向架构架装在底座上,以起二系悬挂的作用。轮对与转向架构架用一系悬挂或刚性连接。在蠕滑特性试验中,转向架构架刚性装在车体上,轮对与转向架构架用硬悬挂连接。结果,轮对很难沿底座横向或纵向移动来控制蠕滑率。2.3轮轨之间的接触力和冲滑率的测量在智能主动车轮的开发研究中,需要了解车轮本身的运行状态。即除车体负载外,还要对轮轨之间的接触力、位移等进行实时检测。由于按比例缩小的车轮和轮轨之间按比例缩小的接触力很小,所以难以像实尺寸试验中通过测定车轮接触力来得到轮轨力。而开发一种测试轨道轮接触力来得到轮轨力的方法。图4为专门设计的轨道轮示意图。轨道轮的刚性轮缘和刚性轮毂用专门设计的轮辐连接,将应变片置于轮辐内。用测定轮辐应变得方法来测定了轮轨之间的垂向力(Q)和横向力(Y)。为了从应变中找出接触力的实际值,用精密测力传感器校核了接触力和应变输出的关系。用装在电机和轨道轮之间的高精密扭矩测量仪测定了轨道轮的驱动力矩。通过驱动力矩计算得到轮轨之间的纵向接触力(F)。轮轨之间的冲角通过采用与运营线路测试用的类似激光间隙传感器测试法来测量,该方法可靠性很高。一个轴箱前后各装有一条连接到轨道轮的安装臂,该安装臂与轮对在横向固结,没有横向相对位移。把激光间隙传感器装在安装臂的一端(图5),由于轮对在中位转动而轴箱与车轮有固定初始间距,测定了轴箱和轨道轮之间的间距。和轮对的中位相比,如果从激光传感器测定的间隙变化为L1和L2,激光束的间距为В,轮对精确横向位移为y,则可计算轮轨之间的冲角ϕ和横向蠕滑率γy。y=12(L1+L2)ϕ=atan(L1−L2)Bγy=L1−L2By=12(L1+L2)ϕ=atan(L1-L2)Bγy=L1-L2B在轨道轮和轮轴各驱动电机的端部安装有旋转编码器。安装在电机上的旋转编码器的分辨率为8192ppr,而安装在轮轴上的旋转编码器的分辨率则为2000ppr。从轨道轮半径可计算轮轨之间的纵向蠕滑率,而从旋转编码器可测定轨道轮和轮对的转动。所有这些数据都记录在数据记录器里,同时输入计算机。试验完毕,就可立即绘出蠕滑力的特性。3滑动性能试验的结果3.1横向压缩试验在蠕滑特性测试中,只驱动轨道轮。由于蠕滑特性测定用的轮对为刚性结构,所以,2个轨道轮的转速差引起轮轨之间的纵向蠕滑。轨道轮的转速差与曲线半径有关。蠕滑测试中模拟的最小曲线半径为15m,这相当于实际线路的75m,这造成各轮1.5%的最大纵向蠕滑率。轮轨之间的横向蠕滑是由试验台的转动而产生的。试验台的最大转动角为0.6°,这造成1.2%的最大横向蠕滑率。轨道轮的运行速度为10km/h,这相当于实际线路的50km/h。为找出车轮负载对蠕滑特性的影响,在试验中各转向架分别施加了500N和1000N的负载。除了研究非常干净的接触情况外,还选用液态摩擦调节剂(HPF)作为又一种接触情况,该调节剂由加拿大公司生产,据说在实际运用中有正的蠕滑特性,对降低接触噪声、减少钢轨褶皱等都是有效的。要使轮轨间产生非常洁净的接触情况,首先要用300号砂纸打磨车轮和轨道外形,然后用丙酮清洗。用丙酮清洗表面后,立即进行清洁情况测试。由于把滚动试验台安装在大型实验室内,所以不用控制温度和湿度。在施加HPF的试验中,在轨道轮上用刷子刷一层很薄的HPF。HPF干燥后再进行试验。每次试验都要在轨道轮上刷一层HPF。为了消除曲线和车轮转动方向(因系统制造不对称而引起的)的影响,在横向蠕滑试验中,把试验台基座的+0.6°的旋转角变为-0.6°;在纵向蠕滑试验中,把模拟的曲线半径从+75m变为-75m。在加大和减小这些参数的过程中进行试验。3.2负氧滑特性的特性图6为在1000N的负载时测试的纵向蠕滑力的特性。图6(a)为接触表面干净情况下的测试结果;图6(b)则为施加HPF情况下的测试结果。在接触表面干净的情况下,蠕滑力与蠕滑率是成比例增加的,直至线性时蠕滑率达到0.3%,非线性时达到0.7%。蠕滑率大于0.7%时,蠕滑力随着蠕滑率的上升而稍有增加。这就是我们所说的“负蠕滑力的特性”。F/Q的最大值约为0.46,并被视为表面干净接触情况下的轨道轮和车轮之间的摩擦系数。在施加HPF的情况下,蠕滑力随着蠕滑率的上升而增加,直至蠕滑率达到1.2%也没有出现负蠕滑力的特性。蠕滑率达到1.2%时,F/Q的值约为0.16。图7为在1000N的负载时,测定的横向蠕滑力的特性。图7(a)为表面干净的接触情况下的测试结果;图7(b)则为施加HPF情况下的测试结果。在表面干净的接触情况下,蠕滑特性与纵向蠕滑特性有一些差别。蠕滑率小时,横向蠕滑特性为“负”。Y/Q的最大值也小于F/Q值。而在施加HPF情况下,蠕滑力随着蠕滑率的上升而增加,即使蠕滑率达到1.3%也没有出现负蠕滑特性。蠕滑率达1.3%时,Y/Q的值约为0.21。在纵向和横向蠕滑率变化中,也检测了HPF的耐久性。蠕滑率越小,意味着曲线半径大,耐久时间更长。如果蠕滑率相同,则纵向蠕滑状态时的耐久时间,要比在横向蠕滑状态时的耐久时间更长。4纵向模流轮对重塑规则动态模式分析为了进行“智能主动车轮”的开发研究而按的比例制作了滚动试验台模型。用一些特殊技术就可精确测试车轮和轨道轮之间的接触力和蠕滑率。用滚动试验台模型和按比例缩小的轮对,测试了各种接触情况下的轨道轮和