第29卷,第1期 中国铁道科学Vo l 29No 12008年1月 CH INA RAILWAY SCIEN CEJanuar y,2008文章编号:1001 4632(2008)01 0070 06曲线几何参数对货车转向架曲线通过性能的影响李亨利1,2,李 芾1,傅茂海1,黄运华1(1.西南交通大学机械工程学院,四川成都 610031; 2.中国北车集团四方车辆研究所,山东青岛 266031) 摘 要:利用SIM PA CK 仿真软件建立副构架径向转向架和交叉支撑转向架的动力学模型,并对其动力学性能进行仿真计算,分析比较曲线半径、超高等曲线几何参数对2种转向架曲线通过性能的影响。
结果表明:曲线半径和欠超高对径向转向架和交叉支撑转向架的脱轨系数、轮重减载率影响比较接近;曲线半径在400~1200m 范围内,自导向径向转向架能有效提高通过性能,明显降低轮对冲角,减缓轮轨磨耗;欠超高对2种转向架轮对冲角的影响近似成线性关系,且其影响程度仅和转向架本身属性相关,与曲线半径无关。
指出采用磨耗功率评价欠超高对曲线轮轨磨耗的影响更为合理,因为不仅能反映出磨耗与欠超高的关系,还能反映出曲线外轨超高设置不同时轮轨磨耗的变化特点,这与工程实际中减小外轨超高、设置欠超高有利于降低轮轨磨耗是一致的。
关键词:轨道参数;磨耗;曲线通过;径向转向架;交叉支撑转向架 中图分类号:U 272 331:U 270 11 文献标识码:A收稿日期:2006 01 26;修订日期:2007 05 07 基金项目:教育部创新团队发展计划资助(IRT 0452)作者简介:李亨利(1981 ),男,四川大竹人,硕士研究生。
近年来,为了提高货车的运营速度,国内先后研制了多种新型货车转向架,其中侧架交叉支撑转向架(如转K2、转K6)已得到普遍运用。
但我国既有铁路线路一般等级较低,曲线多,随着货车运行速度的不断提高,通过曲线时,轮轨间的作用力及磨耗也将随之增加,导致镟轮和换轨周期缩短。
轮轨间的磨耗不仅提高了运输成本,同时也加剧了对环境的污染。
径向转向架可在保证车辆运行稳定性的同时,减小轮对冲角和轮轨磨耗,因此,采用径向转向架是解决横向稳定性和曲线通过性能之间矛盾的有效措施之一。
以往径向转向架曲线通过性能的研究多集中在其本身的结构、悬挂参数等方面。
而曲线几何参数的变化作为转向架曲线通过的激励输入,深入研究其对径向转向架和常规转向架动力学性能的影响,对进一步分析研究径向转向架具有重要的意义。
1 转向架曲线通过数学模型描述车辆曲线通过的微分方程组通式为[M]{ x }+[G]{x , x }=[F c ](1)式中:[M ]{x }为惯性力矩阵;[G]{x , x }为悬挂力矩阵;[F c ]为外界激扰力矩阵。
径向转向架副构架交叉径向杆作用在轮对上的力可分解到纵向及横向,将其换算为作用于导向轮对及非导向轮对上的横向力和摇头力矩,代入传统轮对的动力学方程中,可得到与传统转向架形式相同的方程。
文献[1]给出的等效换算同样适用于对径向转向架和传统转向架的动力学方程的求解,其中主要的外界激扰为曲线半径、超高以及线路不平顺等。
由于重力刚度复原力、自旋蠕滑力、轮对滚动及自旋效应很小,欠超高可由下式确定。
h d =11 8v 2/R -h 0(2)式中:若h d >0为欠超高,h d <0为过超高;v 为速度;R 为曲线半径;h 0为预设超高。
为研究曲线半径、超高等曲线几何参数对转向架曲线通过性能的影响,本文利用Simpack 多刚体动力学软件对副构架自导向径向转向架和侧架交叉支撑转向架货车在时域内建立各自的横向和垂向耦合动力学模型,其自由度的选取和广义坐标见表1。
模型的自由度总计64个,其中独立的自由度数为56个。
在模型中充分考虑轮轨接触几何非线性,蠕滑关系非线性,车体和转向架上下心盘与旁承的摩擦,减振器与侧架的摩擦,以及各种间隙产生的悬挂非线性。
表1 模型自由度和广义坐标刚体名称伸缩横移沉浮侧滚点头摇头备注车体X c Y c Z c c c c 侧架X f i Y f i Z f i f i f i f i i =1~4轮对X w jY w jZ *w j*w jw jw j j =1~4摇枕 b kk =1~2轴箱a mm =1~8 注:*为非独立的自由度为方便比较,径向转向架和侧架交叉支撑转向架除轮对定位刚度和簧下质量有区别外,其他参数均取相同值。
轮轨配合为LM 型磨耗形踏面和60kg !m-1钢轨。
直线性能计算时,得到径向转向架和交叉支撑转向架空车的蛇行失稳速度分别为162和150km !h -1。
在保证稳定性的基础上,重点研究其曲线通过性能。
为不失一般性,在研究磨耗特性时仅进行重车工况的分析研究。
2 曲线半径对转向架曲线通过性能的影响曲线半径是曲线轨道形态变化的主要标志,对车辆的曲线通过性能有决定性的影响。
车辆以70km !h -1速度通过外轨超高80m m 、缓和曲线长75m 、圆曲线长300m 的曲线轨道时,各项动力学指标随曲线半径变化的计算结果,如图1所示。
图1(a)所示为转向架的导向和非导向轮对的冲角变化情况。
由图可见,径向转向架导向轮对的冲角远小于交叉支撑转向架,且随曲线半径变化缓慢,一直处于较低的水平。
因副构架径向杆可将图1 曲线半径对转向架曲线通过性能的影响71第1期 曲线几何参数对货车转向架曲线通过性能的影响导向轮对的摇头反向传递给非导向轮对,使非导向轮对的径向能力也得到提高,在一定的曲线半径范围内,非导向轮对的冲角亦相应降低。
曲线半径大于1200m时,交叉支撑转向架和径向转向架轮对冲角相差不大,具有相近的径向能力。
而当半径小于400m时,径向转向架非导向轮对的冲角开始急剧增大,甚至超过交叉支撑转向架,这也表明了自导向径向转向架导向能力的局限性,其在半径800m左右时具有较好的导向性能,而当半径小于400m时导向性能较差,此时欲提高转向架的导向性能,需采用迫导向转向架。
图1(b)是导向和非导向轮对的横移量随半径变化的曲线。
轮对在离心力作用下均有靠向外轨的趋势,由于径向转向架的副构架交叉径向杆对轮对的横向约束,导向和非导向轮对的同相横移(y1+y2)/2和反相横移(y1-y2)/2均较小,表明径向转向架更靠近纯滚线,而且更接近纯滚线的切线方向(y1,y2分别为导向和非导向轮对的横移)。
曲线半径为400m时,径向转向架导向轮对横移仅为4 8m m,而交叉支撑转向架导向轮对横移已达8m m,加之此时较大的冲角,交叉支撑转向架轮缘开始接触钢轨形成较剧烈的轮轨侧磨。
另一方面,径向转向架非导向轮对横移一直比交叉支撑转向架大。
非导向轮对对外轨的横移大将会对导向轮对外侧轮轨接触点产生力矩,使转向架处于自由位甚至外移位,从而减小导向轮对的冲角;同时也加大了非导向轮对的滚动圆半径差,较好地起到降低磨耗的作用。
图1(c)表明,曲线半径为400m以上时,径向转向架导向轮对和交叉支撑转向架导向轮对的轮轨横向力基本相等,非导向轮对则由于横移增大导致接触角增大,轮轨横向力比交叉支撑转向架有所降低。
小半径曲线上虽最大横向力相差无几,但径向转向架的导向轮对横向力相对较小。
曲线半径减小,重力刚度复原力由于轮对横移急剧增加而变化较大,半径350m时的交叉支撑转向架导向轮对横移达8 7m m,横向蠕滑力由于摇头角快速增大而变化明显,使轮轨横向力的变化也较剧烈。
2种转向架的磨耗指数(轮轨横向力与轮对冲角的乘积)均随曲线半径的增大而减小,如图1(d)所示,且导向轮对磨耗相对严重,但径向转向架可适当降低导向轮对和非导向轮对磨耗的比率约15%,取得使各轮对较为均匀磨耗的效果。
曲线半径在1200m以上时,2种转向架的磨耗差别较小;半径小于400m时,两者都急剧增大,但径向转向架仍比交叉支撑转向架小。
曲线半径为400m时,径向转向架磨耗指数约为交叉支撑转向架的45%;半径为1200m时,约为交叉支撑转向架的70%。
径向转向架降低轮轨磨耗的原因在于轮轨接触状况的改善,图1(e)示出了导向轮对轮轨接触点偏离轮对轴线铅垂面的纵向距离(超前量),在小半径曲线上可近似表征轮轨接触超前量的变化趋势!x。
径向转向架在整个计算范围内接触点超前量都很小,且变化不明显,交叉支撑转向架在小半径曲线上超前量则大得多,且变化剧烈。
超前量的降低可减轻轮缘接触点的滑动,降低轮轨的侧面磨耗。
蠕滑关系方面,径向转向架可很大程度上降低轮轨滑动,其导向轮对的纵向、横向蠕滑率都明显低于传统交叉支撑转向架,如图1(f)所示,蠕滑力也有同样的结论。
对非导向轮对转向架,虽因轮对横移较交叉支撑转向架大,纵向蠕滑力亦较大,但综合冲角减小和合成蠕滑率降低等因素,其磨耗也大幅度下降。
径向转向架导向轮对的纵向蠕滑力比交叉支撑转向架小,导向力矩相应也较小,但却能得到更优良的径向能力。
这固然与一系定位刚度较小有关,同时在小半径曲线上,导向轮对和非导向轮对的摇头角一般是反向的,而非导向轮对由于向外轨横移而产生和导向轮对方向一致的导向力矩,该力矩有阻止非导向轮对趋于径向的作用。
径向转向架由于副构架交叉径向杆的存在,一方面可适当抵消非导向轮对导向力矩阻碍其向后摇头趋于径向的作用,另一方面又将非导向轮对的导向力矩传递给导向轮对,从而增强了导向轮对的径向能力。
可见径向装置可协调导向轮对和非导向轮对的导向,使整个转向架的径向能力得到提高。
3 欠超高对径向转向架曲线通过性能的影响欠超高是影响车辆曲线通过性能的主要因素之一。
由于轮轨间的相互作用力相当复杂,欠超高对不同模式转向架的影响有很大的区别,图2是在600m曲线上2种转向架导向和非导向轮对冲角随欠超高变化的曲线图,由图2可见,导向轮对及非导向轮对的冲角和欠超高均成线性关系。
为了深入研究冲角与欠超高的线性关系,取不同的曲线半径计算,将导向轮对冲角∀和欠超高72中 国 铁 道 科 学 第29卷h d 的关系拟合成式(3)的形式,其系数列于表2。
∀=A +Bh d (3)式中:A 为曲线半径的函数,描述曲线半径相同且车辆以平衡速度通过时的冲角值大小;B 为冲角与欠超高的线性关系式的斜率。
图2 轮对冲角与欠超高的关系表2 冲角与欠超高线性方程系数转向架类型曲线半径/m A /(10-3rad)B/(10-3rad !m m -1)径向转向架4006008000 31880 25930 1862-0 00349-0 00349-0 00348交叉支撑转向架4006008001 22800 56830 3901-0 00669-0 00669-0 00669从表2可知,如果车辆条件相同,当欠超高为0时,则导向轮对冲角随曲线半径的减小而增大,并随欠超高增大而减小。