论文关于城轨车辆均衡试验的探讨.docVIP

关于城轨车辆均衡试验的探讨北京交通大学机电学院 高纯友内容提要：本文主要对城轨车辆进行均衡试验的探讨关键词：均衡试验，轮重减载率一、前言在城市轨道交通行业快速发展的今天，对车辆的安全性要求是越来越全面，执行的标准越来越国际化。提高车辆的安全性固然重要，但制定的考核指标是否就是越高越好呢？对于车辆的安全性要求，在中华人民共和国国家标准GB5599-85：铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范中，对铁道车辆的安全性有非常明确的要求，及各项要求的评定指标等，可谓比较详细、明确。但是在近几年的城市轨道项目招标要求中，增加了一项新的要求转向架均衡试验。转向架均衡试验的前提条件是：空车、平直道、空气弹簧处于充气状态。工况、评定指标为：1 当将车辆一个转向架的一个车轮抬高50mm，其它各车轮的轮重减载不超过30%。2 当将车辆一个转向架的一个车轮抬高63.5mm，其它各车轮不能脱离钢轨。从试验的内容，可以看出该试验主要考核的内容是：校核车辆通过扭曲线路的能力。关于车辆的轮重减载率能达到什么指标，与车辆的悬挂系统参数有直接关系。具体车辆在扭曲轨道上的轮重减载量，可以通过理论计算进行分析，了解不同的悬挂参数，得到不同的轮重减载率。下面以一组常用车型数据进行计算分析。二、分析一系弹簧垂向刚度与均衡试验条件下的轮重减载率间的关系假设车辆处于空车载荷状态下、停放在平直线路上，转向架上每一个一系弹簧和二系弹簧的垂向刚度均相等，车体中心不偏移，车体和构架为刚体，则最大轮重减载量发生在导向轮对靠外侧的车轮上，其值的表达式（参考日本资料）为：Q=K0+4K 1(1-2)/2/(8b0)式中：1/ K=（4K1b12）-1+（2K2b22）-11/ K1=（2K1b22）-10=(1+2)/2-(3+4)/21=(d1-d2)/2b1；2=(d3-d4)/2b1；3=(d5-d6)/2b1；4=(d7-d8)/2b1；Q静态平均轮重。Q车轮的轮重减载量。K1一系每轴箱垂向刚度。K2每转向架每侧二系垂向刚度。b0滚动圆间距之半。b1， b2一、二系弹簧横向间距之半。d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8车轮的垂向位移。已知参数见下表1所示： 表1参数名称参数值参数名称参数值K11.6MN/md2，d3，d4，d5，d6，d7，d80mmK20.45 MN/mMc车重量（AW0）36tb00.75mMc车重量（AW2）36+13.8tb10.965mMc车重量（AW3）36+17.4tb20.925m车辆定距12600mmd150mm固定轴距2200mm计算得出：（二系空气弹簧正常工作）K=0.6829106 Nm/radK 1=2.9799106 Nm/rad1=(50-0)/(20.965)=50/(20.965)0=(1+2)/2-(3+4)/2=1/21-2=1Q=K0+4K 1(1-2)/2/(8b0)=0.682910650 10-3/(20.965)/2+42.979910650 10-3/(20.965)/2 /(80.75) =27200N=2.72tQ/Q=2.72/(36/4/2)=60.4%30% 不满足有关均衡试验的要求。下面表2中的数据为实际试验过程中，所采集的数据和结果。从试验的测试结果可以看出：当将车辆一个转向架的一个车轮抬高50mm，其它各车轮的轮重减载最大已经达到62.8%；当将车辆一个转向架的一个车轮抬高63.5mm，其它各车轮没有脱离钢轨。说明该转向架的性能只满足了均衡试验的第2项要求。表2 均衡试验实测数据2位车轮抬高量1位轮重变化（kg）3位轮重变化（kg）4位轮重变化（kg）初始零点4582448443844470399040424528505249105mm46904616460649384432444240804614454410mm44264220431252344860475837864158422815mm41223920408055705194503834403822395020mm38343624376658885532539231163492361025mm36103384343061525806577628403208325230mm33403130321064566102601425302926304035mm30922864295067126390629022722618278040mm28602622274069406438651220422392257045mm25502290247071566918677218282118232050mm23402070223473107082699616861950210455mm21381840189674627265721615401778181660mm18281588161476367430742414361602167263.5mm15541438143276567572755613981468152450mm时轮重减载率%48.953.84962.861.457.1为了满足均衡试验要求，需要对转向架的一系悬挂的垂向刚度进行调整，根据Q/Q30%，在转向架其他参数不变的前提下，反向求得一系悬挂的刚度值为：K10.758 MN/m。说明只有一系悬挂的垂向刚度在不大于0.758 MN/m的条件下，才能使得车辆的轮重减载率满足均衡试验的要求。目前城轨车辆转向架采用的悬挂方式大多为：一系悬挂为橡胶弹簧；二系悬挂为空气弹簧。橡胶弹簧的结构形式见图1所示。图1 橡胶弹簧的结构图这种结构形式的轴箱弹簧广泛地应用于多个城市的轨道交通车辆上，它的优点是：结构简单，体积小，重量轻，组装、拆卸简便，可以实现三向刚度；它的缺点是：垂向刚度受胶料硬度、粘接强度的影响，每轴箱垂向刚度最低只能达到1.0MN/m，无法降的更低，距离目标刚度值有一定的差距。说明转向架一系悬挂采用橡胶弹簧的结构，在理论上就不能满足均衡试验的要求。三、线路最大扭曲条件下的轮重减载率计算车辆的悬挂参数由于在理论上就不能满足均衡试验的要求，通过从轨道线路的扭曲量方面出发，是否能找出解决问题的办法？既然是校核车辆通过扭曲线路的能力，是否可以用线路的最大扭曲量作为输入参数，核算一下车辆的轮重减载情况？关于轨道扭曲的容许限度问题，我国尚未有正式的规定，暂时只能参考国外的经验，下面以欧洲铁路的要求进行分析。图2 欧洲铁路所采用的轨道扭曲的限度图2所示的是欧洲铁路关于轨道扭曲的容许限度。图中的曲线1和2来源于UIC ORE B55委员会的工作报告；曲线3是根据有关数据绘制而成。曲线3实际上可用下面的公式来表示：glim=20/(2a)+3.33glim6.67式中 glim轨道扭曲容许限度（）； 2a转向架轴距或车辆定距（m）。公式中第一式的右部包含着两项：第一项为数值为20mm的一个钢轨接头下沉量的影响；第二项为数值等于1/300即3.33的轨道扭曲。从图2可见，曲线1、2和3都由一段水平的直线和一段曲线组成。曲线段相互平行，说明曲线1和2也考虑了20mm的接头下沉量。不过曲线1和2只分别考虑了1/333和1/660的轨道扭曲。另外，曲线1、2和3对glim的最大值的规定也有些不同，但差别不大，都在67的范围内。下面就以最大的轨道扭曲量为7对车辆轮重的减载率进行核算。对于固定轴距为2200mm的转向架，对应于7的轨道扭曲，可以核算出导向轮相对其他车轮的垂向抬高量为15.4mm（2200*7）。将d1=15.4mm作为输入条件，核算出导向轮的轮重减载量为：Q=K0+4K 1(1-2)/2/(8b0)=0.6829106(15.4-0) 10-3/(20.965)/2+42.9799106(15.4-0) 10-3/(20.965)/2 /(80.75) =9154.4N=0.915tQ/Q=0.915/(36/4/2)=20.3%30% 在二系悬挂空气弹簧正常工作的条件下，用最大线路扭曲核算轮重减载率，也不能说明问题。四、结论车辆的安全性固然重要，性能指标要求是越高越好，但对一些参数的要求过高，会给车辆的设计带来很大的困难。如果是第三轨受流的鼓形车，受到的影响会更大。一系悬挂垂向刚度的降低，首先会引起车辆一系悬挂部分的空重车挠度变化量增大，引起车辆的侧滚角度的增大，随之会引起车辆的动态包络线的变化，进而会造成车辆外形轮廓的缩小。对城轨车辆的轮重减载率要求，在国内几个城市的城轨车辆招标书中要求都不一样，有要求进行均衡试验的，评定指标也不一样，还有不要求的。详细数据见下表3。序号项目名称一系悬挂形式均衡试验评定指标轮重减载要求备注1深圳地铁一号线金属橡胶弹簧不得超过70%扭曲试验2广州地铁二号线金属橡胶弹簧无按照GB5599执行轮重减载率不得超过55%3广州地铁三号线无轮重减载试验4天津滨海快速轨道钢圆簧不得超过60%按照GB5599执行5武汉轻轨一号线金属橡胶弹簧不得超过60%按照GB5599执行不做考核6北京地铁八通线金属橡胶弹簧要求做，指标不明确按照GB5599执行7北京地铁五号线金属橡胶弹簧无按照GB5599执行综合以上的分析，一方面认为通过均衡试验来校核车辆的通过扭曲线路能力是必要的；另一方面认为调整放宽评定标准也是必要的。建议将均衡试验和GB5599-85：铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范综合考虑。均衡试验考核静态的轮重减载率，GB5599-85：铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范测试动态的轮重减载率。并且均衡试验的评定标准更改如下：1. 当