（载运工具运用工程专业论文）城市轨道交通制动模式对车轮踏面非正常磨耗影响的研究.pdf

铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：脚 日期：芝唧年7 月彳日 关于学位论文使用授权说明 本人了解铁道科学研究院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据有关规定，送 交学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者魏糨沲翩虢 日期：口7 年口旷月乡日 铁道科学研究院硕士学位论文 详细摘要 1 、引言 轨道车辆车轮踏面非j f 常磨耗对列车运行危害很大，必须避 免发生。针对南京地铁运营初期出现的车轮踏面非正常磨耗十分 严重的实情，结合其它城市轨道交通运营情况，研究制动模式对 踏面非正常磨耗的影响。 城市轨道交通车轮踏面非正常磨耗是一个复杂的综合性问 题，本文着重从制动模式、防滑控制方面对车轮踏面非正常磨耗 进行针对性的研究。通过调查、分析，重点测试和测量轮对、轨 道和闸瓦的性能参数；对紧急制动模式下的车轮踏面温度场进行 数值模拟分析；研究防滑控制与踏面非f 常磨耗的关系。 城市轨道交通站距较短，制动频繁，空气制动系统不断摩擦 做功，部分乘务员的误操作( 频繁使用快速制动) 也使得制动系 统工作条件更加恶化。频繁制动产生巨大的热负荷在车轮踏面产 生很大的温度梯度，导致产生热应力和热裂纹。列车在常用制动、 快速制动和紧急制动模式下车轮踏面的温度场状况与其寿命紧密 相关。当车轮与闸瓦摩擦产生的温度升高时，车轮和闸瓦材料的 性能也会发生变化，从而影响制动系统的性能。因此，如何准确 预测车轮踏面温度分布将有助于开展关于材料金相组织变化、新 型材料研发和减轻车轮踏面非正常磨耗等问题的研究。 2 、城市轨道交通车轮踏面非正常磨耗概况及成因分析 车辆沿轨道运行时，轮轨起着关键的作用。车轮在沿钢轨滚 动的过程中，不仅承受较大的载荷，而且还起到列车的牵引、制 动和导向等重要作用。闸瓦一车轮踏面一钢轨之间摩擦副的复杂 铁道科学研究院硕士学位论文 关系决定了轮轨关系的复杂，也导致轮轨非正常磨耗问题的复杂 性。踏面与闸瓦的摩擦属于滑动摩擦，摩擦副是两种不同的材料， 摩擦副的压力由制动系统施加，摩擦率随车速变化而变化，摩擦 副的硬度随车轮的速度在一定范围变化，轮轨的滚动接触会使踏 面$ 1 j n 轨的硬度加大，而制动的磨损又会使踏面及铡轨的硬度有 所降低。 通过对南京地铁以下几个方面进行了重点分析，包括： ( 1 ) 车轮踏面的材质成分分析及不同区域的硬度测试； ( 2 ) 铡轨材料成分分析及硬度测量： ( 3 ) 闸瓦材料的测试分析； ( 4 ) 线路钢轨表面的硬度测试； ( 5 ) 踏面外形的测量和分析； ( 6 ) 钢轨外形的测量和分析。 根据轮轨磨耗机理，闸瓦压力是引起车轮踏面磨耗的主要因 素，闸瓦压力越大，踏面磨耗就越快；闸瓦表面硬度是影响踏面 磨耗的重要因素，即闸瓦硬度越大，踏面磨耗就越快；轮轨表面 硬度不匹配，钢轨表面硬度大于踏面硬度，也将加快踏面磨耗； 此外，闸瓦摩擦系数大，也会加快踏面磨耗。根据实际调研和检 测分析初步得出以下结论： ( 1 ) 排除钢轨踏面硬度的影响因素。对南京地铁线路上5 0 0 米半径曲线处的外轨表面硬度为h b 2 8 7 3 5 4 ，内轨表面硬度为 h b 2 9 7 3 4 1 。实测拖车踏面硬度平均值为h b 3 1 8 3 7 9 ，实测拖车 新踏面硬度平均值为h b 3 2 8 3 4 8 。测试数据表明，钢轨与车轮表 面硬度在正常范围内，铡轨硬度与车轮硬度比约为1 ：1 1 l _ 2 ， 比较合理。因此，钢轨表面硬度不会引起拖车车轮踏面异常磨耗。 铁道科学研究院硕士学位论文 ( 2 ) 与列车制动关系极为密切。实地调查发现，在折返线 和车站的停车端约6 0 米长范围内左右股钢轨普遍出现不同程度 的擦伤和剥离掉块，最大损伤面积1 5 m m 。、深约5 m m ，钢轨出现损 伤均为列车制动区段，钢轨的损伤与车轮的损伤紧密联系，它的 损伤进一步加剧了车轮踏面的损伤，因此车轮踏面非正常磨耗与 车辆在制动区段的列车制动有关。城轨车辆制动系统普遍应用由 电制动和空气制动组成。根据车辆技术规格书规定，在整个运行 速度范围内，应充分利用电制动，电制动力应能单独满足常用制 动的要求，运行速度低于电制动i 瞄界消失点速度时，由空气制动 力进行补充。调查发现，车轮踏面异常磨耗只发生在拖车，动车 车轮踏面尚无这种异常磨耗。 3 、城市轨道交通制动系统分析 3 、1 城市轨道交通制动系统 城市轨道列车基本采用动力分散动车组的形式，有比较强的 再生制动( 动力制动) 能力这种制动方式没有机械磨损，制动 力大，效率高，可以实现列车动能的回收，因此优先利用。在动 力制动力不足时用空气制动给予补充，空气制动系统主要由风源 系统、控制系统和执行装置三个主要部分组成。其中控制系统是 制动系统的核心，主要由带有防滑控制的制动微机控制单元 ( e b c u ) 、制动控制单元( b c u ) 和空气控制屏等组成。制动控制 系统基本结构如下图1 所示。 铁道科学研究院硕士学位论文 tc a rmmc a r 口巫口 掣 i 型卜_i 型广_ 上j 一- j 一上 上上、厂l e 一匕_ _ 芷一七一二一l l l 图1 制动控制系统基本结构 3 2 城市轨道交通制动模式 ( 1 ) 常用制动 在常用制动模式下，电制动和空气( 摩擦) 制动一般都处于 激活状态，以便于电制动和空气制动之间平滑转换。常用制动时， 第一优先再生制动，这取决于接触网线路吸收能力，即与网压高 低有关，第二优先电阻制动，承担不能再生的那部分制动电流， 第三优先拖车踏面制动。常用制动时须提供防滑保护和冲击限制 功能。 ( 2 ) 快速制动 快速制动和紧急制动的制动率相同。快速制动时列车安全回 路不中断。当主控手柄移位至“0 ”位或“牵引”位可缓解快速制 动。快速制动时，制动管理器控制牵引制动系统在列车上合理地 分配电制动和空气制动，优先采用电制动，使列车动能仍然能最 大限度的转换为电能。以电空制动作为补充，同时具有防滑保护 和冲击限制功能。 ( 3 ) 紧急制动 目前运营的地铁车辆紧急制动减速度都在1 2 m s2 以上，全 4 铁道科学研究院硕上学位论文 部由空气制动执行。紧急制动命令不可逆，一经施加，不能撤除， 直至列车停车。 紧急制动可由以下系统触发：警惕按钮；a t p 系统；l i o v 控 制电源失电；司机台上紧急按钮按下；紧急制动回路失电；列车 超速：车钩断钩等。紧急制动一经触发，列车安全回路中断。触 发信号同时传输给列车控制单元和牵引控制单元，牵引控制单元 中断牵引系统工作。紧急制动过程中列车滑动防护和冲击保护功 能失效。 ( 4 ) 停放制动 车辆断电停放时，制动缸压力会因管路漏泄，在无j 玉力补充 的情况下，逐步下降到零，使车辆失去制动力。列车停放制动采 用弹簧力来产生制动作用，其大小不随时间变化，可满足列车较 长时间停放。它采用“停放制动缸充气，停放制动缓解；停放制 动缸排气，停放制动施加”的模式。采用每节车单独控制。另外， 为了使列车在无气状态下也能缓解，停放制动还有手动缓解功能。 停放制动应满足在a w 3 负载时停放在4 0 的坡道上。 ( 5 ) 保压制动 保压制动是为防止列车在停车前的冲动，使列车平稳停车， 通过e b c u 内部设定的程序来控制。 4 、制动模式与车轮踏面非正常磨耗关系 首先对不同编组列车制动过程进行了分析，然后结合目前城 轨车辆采用的整体碾铡车轮结构特点，应用a n s y s 有限元软件对 车辆在紧急制动模式下的温度场进行数值模拟分析，通过对紧急 制动时车轮踏面温度场的分析明确快速制动、常用制动模式下， 车轮踏面的温度场情况，并分析可能产生的金相组织变化和热损 铁道科学研究院硕士学位论文 伤情况，为解决车轮踏面非正常磨耗和“微量滑行”现象提供依 据。 4 、1 计算模型及参数的确定 车轮从结构上来说是轴对称，制动过程中，车轮每转一周， 周向上热流的输入和热量的耗散变化较小，满足轴对称。所以采 用1 4 结构建模，数值模拟紧急制动下车轮的温度和应力场。 制动条件取为：制动闸瓦压力( 紧急制动) 为4 5 t ，制动距 离( 纯空气紧急制动) 约为2 0 6 m ，摩擦系数约o 2 5 ，初始温度取为 2 0 时车轮物理参数见表1 。 表4 4 车轮材料力学及热物理参数 材料密度 热膨胀弹性模 比热 热传对流换热 系数 泊松熔 导率系数 名称k g m 3比j k g l o 。6 m p aw m w m 2 c l 6 07 8 0 0 1 0 3 o 32 0 5 e 54 7 05 11 0 4 、2 仿真结果分析 当列车在初速度8 0 k m h 时实施紧急制动，从开始到制动结束 ( 整个制动持续时间约为1 8 s ) ，最高温度始终出现在踏面上，随 着制动过程的进行，热量逐渐传递到轮辋的深层，前阶段踏面温度 不断上升，后阶段温度逐步下降，踏面上最高温度为3 1 0 ，出 现在制动开始后9 s 时刻。 5 、防滑控制与车轮踏面非正常磨耗的关系 在列车运行时，牵引力与制动力的施加都必须满足黏着条件， 否则就会导致列车滑行。列车一旦发生滑行现象，将极大的破坏 正常的轮轨接触关系，甚至导致脱轨事故的发生。目前，铁路列 车普遍安装了防滑器，然而调查发现：安装有防滑器的列车甚至 铁道科学研究院硕士学位论文 发生了更严重的车轮踏砸擦伤和剥离等现象。铁路客车车轮踏面 大量出现“小面积擦伤”和剥离与使用盘形制动和防滑器性能有 关，即盘形制动不能有效去除踏面已的“小面积擦伤”，防滑器不 能及时地防止短时间的滑行。 通过分析了铁路客车与城轨车辆踏面擦伤的基本特点，引出 对制动过程轮轨黏着分析，讨论防滑控制系统动作的条件，蠕滑 理论研究表明：轮轨间的粘着力是列车运行的最终动力，是制动 力施加的基础。通过对最大临界黏着点的分析，提出将列车冲动 作为滑行检测判据。防滑控制系统在列车高速与低速运行时具有 不同的特点：在高速运行时，电制动转矩大小是引起滑行的基本 因素；在低速运行时，踏面制动压力是产生滑行的主要因素。由 此确定制动力的分配原则：黏着系数利用的最优化；电制动力使 用的最合理化。 6 、结论 通过从南京地铁初期运营近三个月中所出现的车轮踏面非f 常磨耗现状出发，并结合其他城市轨道交通运营中所出现的情况， 对车轮踏面非正常磨耗产生的相关因素和解决方式进行了调查和 分析，主要得出以下结论： l 、如若排除轮轨踏面硬度匹配不合理因素，则闸瓦压力过大 是产生车轮踏面非正常磨耗的主要原因，特别是当拖车踏面闸瓦 压力过大时，更容易出现较严重的车轮踏面非正常磨耗；制动模式 对车轮踏面非正常磨耗有重要的影响。 2 、建立了紧急制动模式下车轮踏面有限元模型，确定紧急制 动时车轮踏面输入模型及对流散热模型，提出用热辐射率折算成 对流换热系数的新方法，简化散热边界条件。利用a n s y s 有限元 铁道科学研究院硕上学位论文 软件对车轮踏面在紧急制动情况下的温度场进行数值模拟计算， 计算结果表明紧急制动模式对车轮踏面非正常磨耗的影响甚小， 从而进一步证明列车在常用制动与快速制动模式下的空气制动是 产生车轮踏面非正常磨耗的主要原因。 3 、“微量滑行”现象的产生与车辆采用在常用制动和快速制 动模式下需要补充的空气制动力在动车与拖车车轮踏面分配不合 理有关，频繁的“微量滑行”现象是导致车轮踏面非正常磨耗的 直接原因。 4 、防滑控制系统在列车高速与低速运行时具有不同的特点： 在高速运行时，电制动转矩大小是引起滑行的基本因素；在低速 运行时，踏面制动压力是产生滑行的主要因素。由此确定制动力 的分配原则：黏着系数利用的最优化：电制动力使用的最合理化。 竺堕型兰婴塑堕堕圭兰垡丝苎 li n t r o d u c t i o n d e t a i l e ds u m m a r y w h e e l s e tt r c a da b n o r m a lw e a ro fu r b a nm a s st r a n s i t 1 sa s i g n i f i c a n ts p o i lt ot r a i no p e r a t i o na n di fi ti sn e g l e c t e d ，i tm a y c a u s e w h e e l r a i lc o n t r a c ts u r f a c es p a l l i n g ，r a i lc o r r u g a t i o n sa n dp a r t i c a l w e a ra n ds oo n ，w h i c hm a k e sd y n a m i cb e h a v i o ro fv e h i c l e sw o r s e ， d e c r e a s e sr i d i n gc o m f o r t ，a n di n c r e a s e st h em a i n t e n a n c ea c t i v i t i e s a n dt h eo p e r a t i o ne x p e n s e s w h e e l s e tt r e a da b n o r m a lw e a ro fu r b a nm a s s t r a n s i ti sa c o m p l e xg l o b a li s s u e s ，t h i sp a p e rh i g h l i g h t s t h et a r g e t e dr e s e a r c h f r o mt h eb r a k i n gm o d e ，a n t i s k i dc o n t r o lo ft h ew h e e l s e tt r e a d a b n o r m a lw e a r t h r o u g hi n v e s t i g a t i o n ，a n a l y s i s ，f o c u so nt e s t i n ga n d m e a s u r i n gw h e e l ，o r b i ta n db r a k ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ；o nt h e e m e r g e n c yb r a k em o d eo ft h ew h e e lt r e a ds u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ；s t u d y o na n t i s k i dc o n t r o la n d n o n t r e a dw e a rn o r m a lr e l a t i o n s u m ts t a t i o ni ss h o r t e lf r e q u e n tb r a k i n g ，a i rf r i c t i o nb r a k i n g s y s t e mc o n s t a n t l ya c t i n g ，m i s o p e r a t i o np a r to ft h ef l i g h ta t t e n d a n t s ( f r e q u e n tu s eo fr a p i db r a k i n g ) a l s om a k e sb r a k i n gs y s t e m sw o r k i n g c o n d i t i o n sd e t e r i o r a t ef u r t h er f r e q u e n tb r a k i n gg e n e r a t e d 打e m e n d o u s h e a tl o a do nt h ew h e e lt r e a dg r e a tt e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，r e s u l t i n gi n t h e r m a ls t r e s sa n dt h e r m a lc r a c k i n g w h e e lt r e a dt e m p e r a t u r e sm a r k e t c o n d i t i o n so ft r a i ns e r v i c eb r a k e ，r a p i db r a k ea n de m e r g e n c yb r a k e q 铁道科学研究院顾十学位论文 m o d ec l o s e l yr e l a t e dt ot h e i r l i f e ，w h e e l sa n db r a k em a t e r i a l p r o p e r t i e sw i l la l s oc h a n g ew h e nt h ew h e e la n dt h eb r a k es h o e f r i c t i o nt e m p e r a t u r er i s e s ，t h u sa f f e c t i n gb r a k i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，h o wt oa c c u r a t e l yf o r e c a s tw h e e lt r e a ds u r f a c et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nw i l lc o n t r i b u t et ot h em i c r o s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a l c h a n g e s ，n e wm a t e r i a l s r e s e a r c ha n dr e d u c et h ew h e e lt r e a dw e a r , a n do t h e rw h e e l s e tt r e a da b n o r m a lw e a ri s s u e s 2u m t - w h e e l s e tt r e a 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i c i t y i ne l e c t r o - p n e u m a t i cb r a k i n ga sas u p p l e m e n t ，w i t ht h e l3 铁道科学研究院硕十学位论文 i m p a c to fa n t i s k i dp r o t e c t i o na n d l i m i tf u n c t i o n s ( 3 ) e m e r g e n c yb r a k e t h ec u r r e n to p e r a t o rm t re m e r g e n c yb r a k i n gd e c e l e r a t i o ni n 1 2 m s 2a b o v e ，a l la i rb r a k ei m p l e m e n t a t i o n t h ee m e r g e n c yb r a k e o r d e ri r r e v e r s i b l e ，b ye x e r t i n gan o tr e m o v e d ，u n t i lt h et r a i n ss t o p ， t h ee m e r g e n c yb r a k es y s t e mc o u l dt r i g g e rt h ef o l l o w i n g ：a l e r t b u t t o n ；a t ps y s t e m ；11 0 vp o w e rs u p p l yc o n t r o l l o s te l e c t r i c i t y ； d r i v e r sp l a t f o r me m e r g e n c yb u t t o np r e s s ；t h ee m e r g e n c yb r a k ec i r c u i t l o s tp o w e r ；s p e e d i n gt r a i n ；h o o k sa n do t h e rb r o k e nc o u p l e r a f t e ra n e m e r g e n c yb r a k et r i g g e r , t h et r a 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