铁路列车动态脱轨的安全性评估

铁路列车动态脱轨的安全性评估

1车辆运行安全标准的使用经过多年的理论分析和试验研究，制定了jnr模式的东京陆军车辆安全标准，并根据日本陆军标准进行了评估运营安全。1993年以来涉及到脱轨系数Y/Q,根据轮缘角度确定的极限值只允许在既有线的线路试验中使用。最近在高速线运行的新干线车辆上观察到大幅度的车轮负载波动,300km/h的速度下频率接近70Hz。初步认为这些波动是由于钢轨表面上小的垂向不平顺引起的,波长约1.2m。在既有线的钢轨接触点和有磨损的钢轨上也发现了这种情况。当车轮负载由于波动降低时,脱轨系数Y/Q有时会瞬间超过上述标准值。在这些条件下应研究铁道车辆的运行安全并找出合适的评估参数和评估标准,以及建立准确无误的评估方法,以确保安全。但同时在实用中不应将轮缘的非爬轨状态或其他的安全状态误认为是不安全状态。首先本文概述了安全标准的综合使用情况,接着对新干线上观察到的动态车轮偏载和轮对脱轨的计算机仿真结果,尤其是对运行在有磨损的钢轨上的情况进行了描述。本文还阐述了有关的安全标准、道岔运行试验取得的线路数据和脱轨因素。2脱轨系数和车轮摩擦列车运行在钢轨上时,作用在车轮踏面上的力可以分为如图1所示的3个部分。这里使用欧洲表示法。车轮载荷在日本用Q表示,而在美国用V表示;侧向力在日本用Y表示,而美国用L表示。为了评估铁道车辆的运行安全性,在线路试验中测量了轮轨接触力,并利用这些力计算了几个参数。现行使用的评估参数如下:(1)脱轨系数Y/Q;(2)轮重减载率ΔQ/Q0;(3)轮对Y/Q之和E|Y/Q|。Y、Q和Q0分别表示侧向力、车轮载荷和轮对静载荷的一半。E|Y/Q|是左右车轮Y/Q的绝对值之和,称为Weinstock标准。世界各国普遍将脱轨系数作为用于安全性评估的主要参数。轮重减载率和轮对Y/Q之和是辅助参数,只在美国使用。这些参数在理论上的极限值由下列等式求出。式中T——轮轨接触角;＿——轮轨摩擦系数。式中FY——作用在车轴质心的侧向力;W——轴重。下标L、R分别表示左右车轮,公式(2)为左轮轮缘爬轨的情况。公式(1)称为Nadal公式。当FY=0时,公式(2)称为Kunieda公式。从这些公式可以很明显地看出每个指数的极限值都受轮轨接触角T和摩擦系数＿的影响。摩擦系数＿同时随车轮冲角和轮轨之间的纵向蠕滑力的变化而变化。关于脱轨系数Y/Q,欧洲采用以步长为0.5m、总长为2m窗的滑行平均值,而其他国家使用最大的瞬间值。这个问题以后将讨论。3车轮轨道3.1安全标准的模拟结果3.1.1轮对动力学方程仿真模型是一个等速运行的刚性轮对。作用在轮对上的外力如图1所示。假设以下计算条件。(1)常载荷FZ、Fy作用在轮对质心;(2)绕y轴的My等于0,即轴承的摩擦阻力可以忽略,转动力矩为0;(3)轮对的摇头角jW为常数;(4)轨道的方向与x轴相同。这样得到下列运行方程。式中符号分别表示为:b——轮轨接触点和轮对中心的距离;r——轮轨接触点的车轮半径;mw——轮对质量;iwx、iwy——分别为绕x、y轴的惯性半径;下标L——左车轮;下标R——右车轮;下标1——车轮踏面接触点;下标2——轮缘接触点。作用在轮轨接触点上的作用力X、Y和Q可以划分为法向力和切向力。切向力是随滚动接触减小的蠕滑力。当车轮脱轨、轮缘接触钢轨时,必须考虑大蠕动引起的非线性蠕滑力。3.1.2安全极限的确定在准静态脱轨的情况下,轮缘在一点接触轨道,式(4)中的惯性力通过式(7)消除。这样,脱轨的临界状态可以通过求解非线性联立方程得出。图2描述了轮缘角为70°,车轮踏面斜率为1/40的新干线车轮的计算结果。图2中Y/Q曲线图中的虚线是从Nadal公式(1)得出的值,ΔQ/Q0曲线中的虚线是从式(2)中得出的值。非线性蠕滑力根据J.J.Kalker理论计算。从图2中可以看出:(1)脱轨系数Y/Q的极限值是冲角jW的一个函数,但Y/Q不受作用在轮对上的侧向力Fy的影响。但另一方面轮重减载率ΔQ/Q0在脱轨初期受Fy的影响很大;(2)当冲角jW变为0,不再有侧向蠕滑力时,Y/Q的极限值小于Y/Q=tanT。该值是当摩擦系数＿等于0时,从式(1)得出的。轮缘与钢轨接触面的旋转蠕滑减小了侧向力并导致车轮上升脱轨。在日本轮缘角为60°的既有车辆上,Y/Q的比值不应超过0.8,ΔQ/Q0不应大于0.6。准静态ΔQ/Q0的极限值由式(2)得出,式(2)采用TL=60°;TR=1/20;＿=0.2;Fy=0。因此ΔQ/Q0=0.6时对安全极限没有余地,其安全评估必须与Y/Q的评估同时进行。轮缘上的切向力也是冲角jW和纵向蠕滑力的函数。当车辆起动或制动时,纵向蠕滑力X增加,尽管还有很小的侧向蠕滑,但接触面的蠕滑力将饱和。图3描绘了Y/Q和X/Q的极限值关系的计算结果,表示对纵向蠕滑力的影响。当jW=10mrad,X/Q=0时,Y/Q值变为最小(图3)。但当X/Q的比值增大时,Y/Q的极限值变大。当X/Q大于0.6时,Y/Q是恒定的。X/Q的值可能达到0.8,该值是1/cosT与纵向力和法向力比值X/N的乘积。3.2走廊运行测试3.2.1静态轮重减载率试验进行线路试验是为了研究侧向通过8号道岔时脱轨事故的原因。8号道岔的结构如图4所示,有一个直的尖轨。试验条件如下:(1)车辆为211电动车组及167电动车组,轮缘角均为60°;(2)运行速度分别为5km/h、10km/h、15km/h、20km/h、25km/h5个速度级;(3)道岔为2种类型的辙叉8号用于岔线和主要线路;(4)运行方向为反向(图4);(5)静态轮重减载率K分别为1/1、1/1.7、1/2.5;根据以前做过相同试验可知,静态轮重减载率对轮缘爬轨有很大的影响。试验中当车辆运行在道岔的导向曲线上时,随着载荷逐渐减小,右车轮变为外轮。通过在轴箱悬挂中插入垫片,以及改变空气悬挂高度,对导向车轮的负载不平衡进行矫正。试验中测量了轮轨接触力X、Y和Q以及车轮踏面和轨道间的垂向位移。3.2.2静态轮重减载率k的影响试验车的轮对在尖轨末端前1m处开始爬轨(图4中*点所示)。图5描述了轮缘从爬轨开始到最大点车轮所经过的距离和车轮上升高度之间的关系。图6绘出了与图5中211电动车组相同的数据,其x、y轴转换为平均速度,它是由车轮的运行距离除以车轮上升的持续时间得出的。图6的曲线为采用一辆车模型通过8号道岔时的仿真结果。可得出如下结论:(1)车轮上升过程中的运行距离,取决于线路状况、车辆特性和静态轮重减载率K;(2)轮重减载率K越大,轮缘爬轨速度越快。当轮重减载率K达到1/2.5时,从图4中的*点起开始运行1m或1.5m的过程中试验车将脱轨;(3)当车辆以低于25km/h的速度通过道岔时,K=1/1.5与K=1/1轮缘爬轨的平均速度大致相同。由于轮对静载荷不平衡,使车辆产生一个绕x轴的侧滚力矩,并使非轮缘轮轨接触点的侧向力增大,引起车轮上升脱轨。结果证明,静态轮重减载率K必须在1.5以内才能确保其运行安全。为了研究车轮负载不平衡对不平顺钢轨上运行的稳定性和安全性的影响,对以最大速度350km/h的新干线车辆进行了计算机仿真。结果表明,车轮负载不平衡对运行稳定性影响很小,当K小于1.5时,对线路的不平顺的影响没有问题。可以通过转向架组件的维修和调整来控制静态轮重减载率K的值。图7示出了利用运行试验数据计算的、用于安全评估的一些参数,并与上升的距离作比较。车轮上升高度在6mm内,所有的参数都随车轮上升的高度而增大。仅从这些试验数据得出的参数极限值如下。(1)脱轨系数Y/Q小于1.1;(2)2m窗内的Y/Q滑行平均值(Y/Q)smv小于0.8;(4)Y/Q的持续时间t0小于0.15s。Y/Q的持续时间即Y/Q的值超过0.8的持续时间。通过有曲线的道岔时,由于轮对的冲角jW大,轮对Y/Q之和作为Weinstock标准不能显示其特征。如果以0.8作为Y/Q的极限值,2m窗的滑行平均值比瞬时值更有实际意义。道岔上脱轨的主要因素是车轮负载不平衡、轮轨间的摩擦系数、车体质量和簧下质量。4动态录制4.1轨系数及轴箱垂向加速度的时间历程图8为以340km/h速度运行的新干线车辆的线路试验数据。图8是用新近研制的仪器测量的侧向力Y、车轮负载Q、脱轨系数Y/Q及轴箱垂向加速度的时间历程图。利用这种仪器可以精确测出小于100Hz的轮轨接触力。在这种情况下,高频率(与轴箱垂向加速度有关)下的轮对负载波动引起轮对载荷减小,并导致Y/Q值瞬时达到1.5。众所周知,当车辆高速运行在有不平顺的钢轨上时经常会遇到这种情况。这项研究的主要目的是在上述现象出现时评估运行安全性,并制定其评估方法。4.2车轮动态脱轨模拟仿真模型与图1中所示的轮对大致相同。为了表示出车轮的跳动,钢轨模型采用具有垂向和侧向弹性悬挂和阻尼支撑的模型(图9)。4.2.1车轮负载波动的仿真结果图10表示当一个恒定侧向力Fy=50kN作用在车轴质心,绕x轴的侧滚力矩Mx逐渐增大时的仿真结果。图10(a)是没有车轮负载波动的情况,图10(b)是由于钢轨表面垂向不平顺引起50Hz车轮负载波动的情况。仿真结果显示:(1)当车轮开始爬轨时,侧滚力矩Mx的振幅与垂向不平顺几乎无关;(2)车轮负载波动脱轨初期的Y/Q临界值与无波动准静态脱轨的Y/Q临界值大致相同;(3)车轮开始上升后的Y/Q值随上升的距离逐渐加大,因为轮轨接触角T也在增加;(4)当轮缘上升的高度超过约10mm时,轮缘失去了抵制脱轨的作用力。然后即使Y/Q值降低,但轮缘还在继续上升。由于50Hz波动下车轮负载减小的持续时间小于0.01s,开始爬轨的车轮立即被增大的车轮负载抵消,不容易脱轨。4.2.2y/q超高次运行时为了得到更多有关惯性力作用的动态脱轨数据,进行了大量的脱轨仿真试验。车轮以恒定的冲角与轨道相撞,并在运行期间跳上正弦波形状的轨道。不同轮对静载荷、运行速度、轮对冲角、摩擦系数和轮缘高度的新干线轮对的计算结果表明:(1)当车轮不跳跃时,爬轨距离与Y/Q持续超过极限值的时间有关。Y/Q的持续时间越长,车轮爬轨越高;(2)当车轮由于侧向冲力跳跃时,车轮载荷Q立刻变为0,Y/Q变得不稳定。车轮跳跃的高度与侧向力脉冲幅度有关。但是,Y/Q的最大值和车轮跳跃前Y/Q超过极限值的持续时间与车轮上升的高度无关,车轮上升的高度是轮缘爬轨和跳轨的总和;(3)如果车轮载荷由于跳跃连续为0的持续时间和跳跃前Y/Q超过极限值的时间相加,它们的时间之和与车轮上升的高度有关。图11为一个仿真计算示例。这种情况下Y/Q的极限值设定为1.0,Y/Q的持续时间包括车轮载荷为0的时间,即车轮空载的条件定义为Y/Q超过了极限值。从不同计算数据的计算结果得出当Y/Q的持续时间小于或等于0.015s时,车轮上升的高度小于1mm。在实际严格的运行条件下从轮缘开始上升到脱轨的时间大于0.03s。这就说明作为动态脱轨安全评估的一个标准,下列假设是可行的。(1)当新干线车轮轮缘角为70°时,Y/Q的极限值设置为1.0;(2)如果Y/Q超过1.0的持续时间等于或小于0.015s,认为车辆是安全的,不会脱轨;(3)Y/Q的持续时间包括车轮负载Q等于0的时间。在既有线上的车辆,轮缘角为60°,同一标准要求将Y/Q的极限值设置为0.8。这点是通过用相当于轮对03大小模型进行多次计算机仿真和实验确认的。图12为采用03大小模型做实验时测量的数据。为确保高速线上运行的安全性,无论在新干线还是既有线上都将Y/Q的极限值设置为0.8,这一新的安全标准在日本已经被有意识地使用了6年,至今该安全评估还没有出现过问题。4.2.3有效持续时间的确定人们发现Y/Q的瞬间较大值不会引起车轮脱轨。事实证明Y/Q的高频波动和车轮载荷可以被忽略,即通过低通滤波器的Y/Q值更适合于实际安全评估。欧洲使用的Y/Q滑行平均值基本与这种过滤意义上是相同的。关键是这个距离窗或时间窗是否合适。当在道岔上发生车轮爬轨事故时,如前所述采用2m距离窗的Y/Q滑行平均值可以用作评估。但是不知道当车辆高速运行和动态脱轨时是否可以用相同的评估方法。为研究这个问题,在下列条件下进行了仿真,虽然此要求较严,但在实际操作中是可行的。(1)静态轮重减载率ΔQ/Q0=0.4～0.5;(2)作用在轮对上的侧向力Fy=W×0.3～0.4,W表示轴重;(3)最大冲角jW=20mrad;(4)车轮静载Q0=39kN～78kN。车轮开始爬轨时,Y/Q的值随着上升的距离逐渐增大,但车轮上升高于某一距离时Y/Q值开始减小。只有当Y/Q值增大时,车轮轮缘才具有抵抗脱轨的能力,因此研究这一过程的时间,并称为有效持续时间。其仿真结果如图13所示。可见有效持续时间在运行速度低于约150km/h时与之成正比,但当超过150km/h时趋于稳定。事实证明,采用Y/Q持续时间的标准假设对于高速运行的安全评估是正确的。但是,应该想到如果过滤的Y/Q值适合于脱轨评估,则采用的应该是时间窗而不是运行距离窗。作为标准,从现在起必须收集大量的线路试验数据,以确定窗的具体长度。5y/q极限值的确定多次线路道岔运行试验表明,轮重减载率K对于保证脱轨安全非常重要,K应该小于1.5。脱轨系数Y/Q通常用于