文章编号:100128360(2000)0420028206车辆2道岔系统横向振动特性研究任尊松, 翟婉明, 王其昌(西南交通大学列车与线路研究所,四川成都 610031)摘 要:就12号可动心轨式单开提速道岔,建立了较为详细的车辆2道岔空间耦合振动模型,在此基础上模拟计算了客、货车侧向过岔时车辆与道岔系统的横向振动特性。
结果表明,车辆侧向过岔将引起整个系统在横向上发生比较大的振动,尤其是在道岔转辙区和心轨区位置。
关键词:车辆;道岔;横向振动特性中图分类号:U213.6 文献标识码:AStudy on lateral dynam ic character istics of veh icle-turnout systemR EN Zun2song, ZHA IW an2m ing, W AN G Q i2chang(T rain&T rack R esearch Institute,Southw est J iao tong U niversity,Chengdu610031,Ch ina)Abstract:A i m ed at the N o.12speed2raised single2w ay tu rnou t,a com p rehen sive coup ling dynam ical m odel of the veh icle tu rnou t system has been estab lished in th is pap er.B ased on the m odel,the lateral dynam ical characteristics of the veh icle tu rnou t system s have been si m u lated.It’s show n that the in ten sive lateral vib rati on of the system s w ill em erge w h ile the veh icle p assing th rough the tu rnou t,especially at the s w itch and frog area of the tu rnou t zone.Keywords:veh icle;tu rnou t;lateral dynam ic characteristics 众所周知,道岔是铁路轨道的薄弱环节,是限制行车速度的最主要部位,对它实施动力学研究已成必然趋势。
文献[1,2]已经研究过道岔垂向方面的振动问题,并对辙叉垂向磨耗与冲击、道床与垫层刚度匹配、行车速度与垂向冲击响应峰值之间的关系等问题作了较为深入的探讨与分析;对于道岔横向振动问题,虽然文献[3]曾采用有限元法研究过道岔区的轮轨动力学问题,文献[4]也对道岔区轮轨横向力做了相应的测试与模拟工作,但是,到目前为止,有关这方面的研究仍然很少。
道岔横向方面的问题远比垂向复杂得多,如轮对冲击尖轨和护轨、道岔横向稳定性问题、侧向过岔问题等,都迫切需要对道岔横向振动特性作出相应的研究与分析,以期能从总体上改善道岔结构,减小轮 岔冲击与振动,提高车辆过岔速度,满足当今铁路快速运输的需要。
为此,本文主要针对60kg m钢轨12号提速道岔(混凝土岔枕)建立了车辆2道岔系统空间耦合振收稿日期:1999211209;修回日期:2000201220基金项目:霍英东教育基金;国家杰出青年科学基金(59525511);铁道部科技研究开发项目资助作者简介:任尊松(1969—),男,四川南部县人,博士研究生。
动模型,并在此基础上仿真计算了列车侧向过岔时车辆2道岔系统的横向振动特性。
1 道岔系统计算模型1.1 基本假设根据道岔轨线平面的实际情况,本模型采用7根Eu ler梁来模拟道岔各轨线。
虽然尖轨与辙叉叉心(或心轨)处存在变截面,但变截面长度较短且该部位在运行过程中截面较小处承载的轮轨力也较小,因而可用等截面Eu ler梁来近似代替,这种近似对简化计算大为有利而结果的精度不会有大的影响;依据各股钢轨两端边界的实际情况来设置各梁的边界条件:两根基本轨设置为两端简支梁,两根尖轨尖端到翼轨结束部分和护轨均采用两端自由梁来代替,长、短心轨及以后部分简化为一端自由另一端简支的梁;各岔枕在垂向上处理为两端自由的弹性地基梁而横向上视为质量块。
这样该模型充分地考虑了道岔的空间交叉特性,使其与车辆一起构成一个具有空间交叉梁特征的车辆2道岔耦合振动系统。
第22卷第4期铁 道 学 报V o l.22 N o.4 2000年8月JOU RNAL O F TH E CH I NA RA I LWA Y SOC IET Y A ugust 20001.2 轮轨接触几何关系在车辆2道岔系统中的应用为求得车辆与轨道(道岔)的横向振动,须计算轮轨接触几何参数。
只有考虑了轮轨接触几何关系,方能真实地反映车辆与轨道相互作用、相互影响的情形;轮轨接触几何关系是计算轮轨蠕滑关系与法向力的基础。
作者对于动态轮轨接触几何关系进行了详细研究并编制了通用程序。
在本模型中轮轨接触几何关系作为一个子程序而参与接触参数计算,并利用它较好地模拟了转辙区、护轨等处的轮轨接触情况,得到了车辆过岔时的各种轮轨接触参数以及轮轨冲击响应。
1.3 车轮踏面选择车轮踏面外形对轮轨横向力和轮对横移量有很大的影响,尤其表现在车辆动态通过小半径曲线的时候。
若车轮踏面为锥形,那么在小半径曲线通过时(如12号单开道岔侧向通过),导曲线上将不可避免地出现轮缘贴靠现象,使得轮对和钢轨均受到数值很大的横向推力,这对车辆与轨道的横向稳定性是很不利的。
然而采用磨耗型踏面却能使轮对和钢轨所受的横向推力相对较小,即使新轮为锥形踏面,它在运行过程中也将因磨耗而很快趋于磨耗型外形。
基于磨耗型踏面良好的轮轨接触、磨耗以及曲线通过性能,作者拟用磨耗型踏面(LM )作为计算轮轨接触几何关系的型面,这样更能真实地反映车辆通过道岔时作用于轮对与道岔的横向力值以及相关动力响应。
1.4 车辆2道岔系统计算模型对于整个道岔系统建立了如图1(a )所示的道岔空间交叉梁模型。
系统坐标的选取采用右手定则,车辆前进方向为坐标纵向正向,外轨方向为横向正向。
轨号1、2分别代表两根直、曲基本轨,轨号3、4则代表了曲、直尖轨及以后部分(至70号岔枕处),轨号5、6分别表示长、短心轨及以后部分。
轨号7则表示侧股护轨。
在1号岔枕前、81号(直向)和87号(侧向)岔枕后均再取50根轨枕间距参与计算。
图1(b )和图1(c )分别是道岔平面在第10号、58号岔枕处的剖视图,从这两图上可以清楚地看到转辙区和心轨区各根轨线在这两根岔枕上的分布情况。
由于车辆在通过道岔时作用于各根钢轨的轮轨力个数有可能发生变化:最多时与车辆轴数一致,最少时可以没有任何轮轨力,因而同一根钢轨所受的轮轨力个数在车辆过岔过程中为变化值,其变化范围为0～4,且每根轨线在垂、横向上有统一的振动形式。
在整组道岔岔枕中,各岔枕长短不一(第75、76号岔枕长度达到了4.8m ),且道岔平面上存在多根轨线,使得道碴沿岔枕长度方向一般呈均匀分布;本模型将其处理成如图1(d )所示的垂向上是置于弹性基础上的自由梁而横向为质量块的振动模型。
道碴及路基对岔枕在垂图1 道岔系统分析模型92第4期车辆2道岔系统横向振动特性研究 向上的影响视为作用于岔枕下的均布弹簧和阻尼;F rsv i 为作用于岔枕上的垂向轨枕支反力,i 的取值范围为2～7,它与联接于该岔枕上的钢轨数目基本一致。
F rsh j 为作用于岔枕上的扣件横向力,j 的取值在轨与轨之间横向为密贴形式以及存在顶铁、间隔铁的地方与i 的取值不完全一致,其变化范围为2～5;F sbhL ,R 则是道床左右侧对岔枕的横向作用力。
至于道岔结构中的其它部件如顶铁、间隔铁、铁垫板、钢岔枕等的处理方式、转辙区与心轨区轮轨力的分配、各根钢轨和岔枕的振动方程以及道岔区各种动力不平顺形式的推导等,可参见文献[5]。
本模型对车辆系统的处理也比较完整,对于客车模型,车体和轮对考虑了横移、沉浮、侧滚、点头和摇头,构架则包含了它们的所有6个自由度,这样客车的自由度共有37个;对于货车模型,车体和轮对同样考虑了横移、沉浮、侧滚、点头和摇头,侧架则考虑了横移、沉浮和点头以及整个构架的摇头和菱形变形,所以货车共有41个自由度,需要补充的是货车模型考虑了轴箱横向间隙。
2 车辆侧向过岔时系统横向动力响应运用以上模型分别计算了客、货车侧逆向过岔时的动力响应(客车车型为准高速客车,货车车型为常规C 62货车。
道岔钢轨轨型为60kg m ;速度v =50km h ),车辆2道岔系统的有关参数可参见文献[5]。
2.1 客车过岔振动响应由于道岔在横向上固有的结构特性,使得侧向通过时车辆对尖轨和护轨产生横向冲击,引起量值较大的瞬时横向力和横向振动加速度;不设置缓和曲线和超高,又使得车辆各构件在横向上出现较大的横向位移。
图2和图3分别是车辆侧向过岔时第1位轮对的图2 1位轮对横向轮轨力横向和垂向轮轨力变化情况。
从这两图中可以看出,轮对冲击尖轨和护轨都将引起较大的轮轨横向冲击力,但峰值都未超过相关动力学安全性评判标准;当轮对处于导曲线上时,轮轨力的大小基本保持不变;而当车体完全驶离道岔区后,垂向、横向的轮轨力也将处于非常平稳的状态。
图4为车辆通过整个道岔过程中车体(前转向架心盘处)的横向加速度响应(横坐标为第1位轮对通过道岔的纵向距离,下同)。
从该图中可以看出,在车体和轮对进入和驶离圆曲线时,车体都会产生较大的横向加速度响应,而后者表现得尤其明显,达到了1.83m s 2。
图3 1位轮对垂向轮轨力图4 客车车体横向加速度图5、图6分别为轮对质心和车体质心的横移响图5 轮对横移图6 车体横移03 铁 道 学 报第22卷应。
从图5中可以发现在转辙器部位因发生横向冲击,轮对将向内轨方向移动,但在导曲线作用下,又很快地移向外轨并达到横移的最大值,且在圆曲线上基本维持该值而不发生大的变化;当进入护轨轮缘槽后,由于护轨的横向冲击作用,使得轮对横移量在很短的距离内减小到零位置附近,从而使得轮对外侧轮缘根部离开心轨顶面。
对于车体而言,由于车辆定距较大,只有当车体完全进入圆曲线后,其质心横移量才达到最大值。
这些数值较大的横移量均是由于道岔圆曲线所引起的。
图7是侧向过岔时利用N adal 公式得到的车辆第1位轮对外侧脱轨系数变化情况。
不难发现在整个道岔区内,尖轨前端处的脱轨系数最大(0.71,持续时间为0.06s 的值为0.54)。
图7 轮对脱轨系数2.2 货车过岔振动响应图8为第1位轮对所受的轮轨横向力,该图与文献[4]的测试与模拟结果吻合得比较好。