轮轨运动对车辆导向性能的影响

轮轨运动对车辆导向性能的影响

0高速列车自动变轨距转向架铁路车辆可以沿直线行驶，轻轻通过曲线，不需要手动控制。车轮接触产生的导向效应是由车轮接触引起的。因此，利用车轮接触进行自我导向是铁路车辆与其他交通工具的重要特征之一。自1825年铁路正式运营以来,机车车辆的轮对一直采用两车轮固定压装在一根车轴上的传统模式。这种模式的轮对具有较好的自导向性能,但会产生自激的蛇行运动。低速下轮对的蛇行运动有使轮对向轨道中心复原的作用,当车辆运行速度增大到一定值后将出现蛇行失稳现象,这将严重影响车辆的运行品质及安全性。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,独立旋转车轮以其动力学性能及结构方面的特点而得到广泛的运用和发展。西班牙Talgo是将独立旋转车轮技术应用于高速列车并投入实际运营的典范。纵观国内外低地板城轨车辆无一不采用独立旋转车轮,另外独立旋转车轮也便于实现自动变轨距。可见这一技术的应用前景是相当广阔的,也是当今铁道机车车辆领域研究的热点。但实际运用中发现独立旋转车轮直线上的对中性能较差、车轮偏磨严重,并且曲线上缺乏导向能力车辆经常发生脱轨事故。本文将从轮轨接触关系入手分析独立旋转车轮的导向机理。1传统车轮连接机制和导向机1.1重力原位力的影响为了使车辆能够顺利通过曲线,车轮踏面必须具有一定的锥度。锥形踏面与钢轨接触后,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N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:在动力学研究中起主要作用的是左右两侧重力复原力的合力S。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,其随接触角差值的增大而增大,接触角的差值又与车轮踏面和钢轨轨头横断面的形状有密切关系。重力复原力是由轨道的侧向直接作用于车轮,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。1.2蛇行失稳工况下轮轨间的隧道氧滑力模型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。随后Kalker又研究了蠕滑率与蠕滑力之间的关系。在车辆没有发生蛇行失稳,运行速度较低时,蠕滑率与蠕滑力呈线性关系。轮轨间的蠕滑力包括沿着轨道方向的纵向蠕滑力Fx、轨道平面内垂直轨道方向的横向蠕滑力Fy以及自旋蠕滑力Fz,如下式所示。由于自旋蠕滑十分微小,可忽略其影响,在后面不作讨论。式中:fij(i和j为1,2,3)为蠕滑系数,其值由下式确定。式中:a、b——接触椭圆的长轴、短轴;E——杨氏弹性模量;Cij——Kalker系数。1.3传统转向机的导向1.3.1轮对蛇行运动的能量的激发在动力学计算中轮对作为运动的刚体在空间中具有6个自由度,但由于车辆中悬挂定位装置的约束作用,实际运行中的轮对仅存在3个自由度,即绕车轴的转动、横移和摇头。如图2所示,车轮以角速度ω绕车轴中心转动,沿轨道前进的速度为v,并且存在摇头角速度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。根据F.Carter理论和Kalker线性理论可得轮轨间纵向、横向蠕滑率、蠕滑力。左右轮轨间的纵向蠕滑力Fxl、Fxr:左右轮轨间的横向蠕滑力Fyl、Fyr:根据轮对动平衡条件,可确定在蠕滑力、悬挂力、重力作用下轮对的运动方程:式中:M、C、K——惯量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;传统轮对的结构形式决定了其在运行中会产生自激的蛇行运动。当轮对相对于轨道发生横移时,两侧车轮接触圆半径发生变化,一侧接触圆半径变大另一侧变小。由于两车轮的角速度始终相同,因此一侧车轮的线速度增大另一侧减小,使车轮相对钢轨发生滑动,轮轨间随之产生了蠕滑力。纵向蠕滑力绕轮对中心形成回转力矩,在纵向蠕滑力矩的作用下轮对产生了摇头运动。当轮对的摇头角速度降低到零时,摇头角达到最大值,此时横移量为零。由于横向蠕滑力与摇头角成正比,此时横向蠕滑力达到最大,在横向蠕滑力的作用下轮对将向轨道的另一侧移动,导致接触圆半径继续发生变化,这样周而复始地向前运动。对于传统轮对来说其横移和摇头运动均为正弦函数,相位相差1/4周期,这2种运动的耦合即称为蛇行运动。传统轮对的蛇行运动是一种自激振动,其必须受到某种能量的激发才会产生。在车辆系统中轮对不仅受到重力和蠕滑力的作用,还有悬挂定位装置的约束作用。由运动学定律不难得到重力产生的重力势能及弹簧的弹性势能是相互转换的,但总能量守恒。而阻尼只能不断消耗系统的能量,这样激发轮对产生蛇行运动的能量只能归因于轮轨间的蠕滑力。可以说轮轨间的蠕滑是传统轮对产生蛇行运动的根源。轮对蛇行运动的能量通过阻尼不断消耗,其振幅逐渐变小,最终收敛并回到轨道的中心,因此传统轮对在直线上具有自动对中的能力。车辆运行速度提高,轮对蛇行运动的能量也随之增大,当阻尼作用无法消耗蛇行运动的能量时,蛇行运动的幅值将逐渐增大,从而出现蛇行失稳现象。蛇行失稳将引起车辆簧上系统的剧烈振动,严重影响车辆的运行品质及舒适性,甚至危及行车安全造成车辆直线上的脱轨事故。1.3.2车轮横向稳定性分析众所周知,车辆在通过曲线时外侧轨道上车轮走行的距离要大于内侧轨道上车轮走行的距离。由于车轮踏面具有一定锥度,车辆通过曲线时在离心力的作用下轮对向外侧轨道横移,外侧车轮滚动圆半径增大,内侧车轮滚动圆半径减小,从而使外侧车轮的线速度大于内侧车轮的线速度。车轮踏面锥度增大有利于弥补内外两侧车轮线速度的差值,但根据Klingel理论可知蛇行运动的波长与车轮名义滚动圆半径成正比,与踏面锥度成反比。踏面锥度增大,轮对蛇行运动波长减小,容易蛇行失稳。因此为了保证车辆的横向稳定性,车轮踏面的锥度不宜过大。这样在曲线上两侧车轮线速度的差就不能完全弥补,而使轮轨之间产生相对滑动。轮轨间相对速度w及蠕滑力F如图3所示。由于外侧车轮的线速度低于其以纯滚动通过曲线时的线速度,外侧车轮相对于轨道向后滑动,内侧车轮的线速度高于其以纯滚动通过曲线时的线速度,内侧车轮相对轨道向前滑动。根据蠕滑理论将在轮轨间产生与相对速度反向的纵向蠕滑力。它们绕轮对中心形成回转力矩Fxl、Fxr,这一力矩可以使轮对轴线趋向于曲线的径向位置,具有减小冲角,提供导向的作用。但由于定位装置的约束轮对不能完全处于曲线的径向位置,降低一系悬挂系统的水平定位刚度有利于减小冲角,提高曲线通过性能。约束作用的降低导致轮对的横向稳定性也随之降低。因此对于传统轮对来说,直线上的横向稳定性与曲线通过性能之间是矛盾的。2解耦轮轨的动力学问题由于传统轮对两侧车轮转动耦合,在直线上运行时轮对不可避免地产生蛇行运动,在曲线上运行时,仅靠接触圆半径的变化不能完全弥补两侧车轮线速度差,因此轮轨间将产生较大的滑动,从而加剧了轮轨的磨耗并产生噪声。解决此问题的有效途径是将两侧车轮的转动解耦,使其能绕车轴独立转动。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。与传统轮对相比,其最大的特点是两侧车轮可绕车轴以不同的转速运动,轮对的摇头和横移运动不再耦合。因此独立旋转车轮不产生蛇行运动,具有较高的临界速度和较低的轮轨磨耗。2.1轮轨间摩擦模式独立旋转车轮轮轨间重力复原力产生的机理与传统轮对相同,它产生的重力刚度具有引导轮对向轨道中心复原的作用。由于传统轮对的摇头运动和横移运动是耦合的,因此其通过蛇行运动最终必然回到轨道中心。而独立旋转车轮则只能靠重力复原力实现横向复原,并且最终平衡位置由两侧车轮重力复原力的合力与轮轨间横向摩擦力共同决定。与Nadal脱轨理论相似,轮轨间的摩擦力是引导车轮不断向轨道一侧运动的动力。当重力复原力的合力大于轮轨横向摩擦力时轮对向轨道中心复原,反之轮对继续向轨道一侧移动,当二者相等时轮对处于平衡位置。根据此关系进行简单推导不难得到式(6):从上式可以看出,若使独立旋转车轮产生较大的横向复原作用则必须采用变锥度踏面,并且锥度变化趋势为靠近轮缘处锥度变化率大,远离轮缘处锥度变化率小。这样轮对横移后由于重力复原力大于轮轨间横向摩擦力,轮对向轨道中心复原直至回到轨道中心,从而利用重力实现了自动对中作用。但这种做法仅在理论上具有可行性,工程实际中却很难实现。轮轨间摩擦系数受车辆运行速度、轮轨表面状态等诸多因素的影响很难确定;另外相关文献表明,我国轮轨摩擦系数为0.2~0.25(干燥轨面)和0.1~0.15(潮湿轨面)。可见若使独立旋转车轮实现对中,在任一横移位置处的锥度差不能小于0.5,当今应用于机车车辆的车轮踏面是无法达到如此大的锥度变化的。此外锥度增加轮轨接触斑面积减小,轮轨接触应力将大幅度增加。因此采用变锥度的锥形踏面仅能提供一定的复原能力,不能从根本上解决独立旋转车轮直线对中问题。2.2独立旋转车轮轮轨的横向氧滑力如前所述独立旋转车轮轮对的摇头和横移运动是不耦合的,并且其横移和摇头都将引起两侧车轮转速的改变,因此在计算中应对轮对的横移和摇头分别进行讨论,再将这2种运动线性叠加。设车辆以速度v向前运动,车轮转速为ω0,车轮踏面锥度为λ,车轮名义滚动圆半径为r0,滚动圆半径横向跨距为2b,其中v=r0ω0。当轮对只产生横移时如图4(a)所示。由于轮对前进速度不变则两侧车轮的转速将发生改变:当轮对只产生摇头时如图4(b)所示。其两侧车轮的转速也将发生改变,转速改变量如下式:根据叠加原理,当轮对同时存在横移和摇头时,左右两侧车轮的转速为根据F.Carter理论和Kalker线性理论可得轮轨间纵向、横向蠕滑率、蠕滑力。左右车轮纵向蠕滑率如下:左右车轮横向蠕滑率如下:左右轮轨间的纵向蠕滑力如下:左右轮轨间的横向蠕滑力如下:从上面对独立旋转车轮轮轨蠕滑率、蠕滑力的计算可以看出,独立旋转车轮的纵向蠕滑率并不为零,但其值是十分微小的。它与车轮踏面的锥度成正比,与车轮名义滚动圆半径成反比。当受到轨道不平顺的激励时轮对在运行中将产生摇头,横向蠕滑也随之产生,摇头角越大,横向蠕滑力也越大。由于独立旋转车轮自身不具有降低轮对摇头的作用,并且两侧车轮上的重力复原力绕轮对中心形成的回转力矩有强迫轮对摇头的作用,因此轮对将以一定的摇头角向前运行。由图4可看出,作用在两侧车轮上的横向蠕滑力沿x轴的分量与运行方向相反,是车辆运行的阻力,沿y轴的分量则使轮对在摇头的基础上发生横移。当其与重力复原力的合力平衡时轮对停止横移,并保持此状态继续向前运行。可见由于独立旋转车轮不存在蛇行运动,在运行过程中一旦轮对产生横移或摇头后很难再回到轨道的中心,其直线上的自动复原能力不如传统轮对。在通过曲线时,由微小的纵向蠕滑所产生的回转力矩对轮对的导向根本不会起到作用,导向力矩的降低使独立旋转车轮通过曲线时的冲角、横向力增大。冲角增大将引起轮对产生较大的横向蠕滑,使轮缘贴靠在钢轨上依靠轮缘力导向,这样就造成了轮缘的严重磨耗。横向力的增大对车辆运行安全性是不利的,同时也将对轨道造成严重破坏。根据Nadal脱轨理论,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,轨距变宽同样会使车辆脱轨危险性增加。故对于独立旋转车轮来说,其曲线导向能力不如传统轮对。3城市轨道交通车辆源地下风力机在车辆n由于两侧车轮转动解耦,基本消除了纵向蠕滑,因此独立旋转车轮在运行中不产生蛇行运动,具有很高的临界速度。这一特点克服了传统轮对横向稳定性随速度增加而降低的弊端,使其在高速列车领域具有广阔的应用前景