（车辆工程专业论文）滚动振动试验台曲线通过试验方法研究.pdf

亘童窒望奎兰塑翌窒竺堂焦鲨皇篁堡l 摘要 新型机车车辆在投入运营之前需要对其各项动力学性能进行评定，现今 测试机车车辆动力学性能的方式主要有两种，一是在线路上进行测试，另一 种则是在滚动振动试验台上测试。滚动振动试验台因为具有经济、快捷、功 能强大等诸多优势，得到了全世界广泛的应用。但由于技术原因，绝大多数 滚动振动试验台不具备模拟机车车辆曲线通过的功能，西南交通大学牵引动 力国家重点实验室的滚动振动试验台即具备这一功能。但由于这项功能刚网 开放不久，其试验方法及准确性还有待考证，本文针对这一问题，对滚动振 动试验台模拟机车车辆睦线通过试验方法进行了研究。 滚动振动试验台与实际线路很明显的差别是其轮轨接触关系的差别，分 别为轮轮接触和轮轨接触。接触关系的不同，势必对机车车辆动力学性能产 生相应的影响，本文从轮轨接触关系及其对机车车辆动力学性能的影响方面 进行了计算分析，以解释滚动振动试验台模拟曲线通过试验中出现的与实际 线路上曲线通过的差异。 机车车辆通过曲线线路时主要有两个比较明显的特点，即超高不足和内 外轨长度差。滚动振动试验台通过调整一侧轨道轮高度来模拟超高不足，通 过调整内外轨道轮的转速来模拟内外轨长度差，从而实现曲线通过的模拟。 本文利用了多体动力学软件s i m p a c k 建立机车车辆分别在线路和滚动振动 试验台上运行模型，计算两种模型的动力学性能差异，讨论滚动振动试验台 曲线通过试验方法的准确可靠性。 经过计算分析，滚动振动试验台模拟曲线通过试验具有良好的准确性， 试验方法可行。 关键词：滚动振动试验台；曲线通过；试验方法；动力学性能： a b s t r a c t e v e r yn e wd e s i g n e dr a il w a yv e h i c l e ss h o u l db et e s t e db e f o r eb e i n gp u ti n t o p r a c t i c a lu s e n o w a d a y st h e r e a r et w om a i nm e t h o d st ot e s tv e h i c l e sd y n a m i c p e r t b r m a n c e o n ei sb u i l d i n gt e s tr a i l w a y ，t h eo t h e r i ss e tu pr o l l e rr i g b e c a u s e o fr o l l e rr i g se c o n o m y ，q u i c k ，p o w e r f u la n ds oo n ，r o l l e rr i gh a sb e e nu s e dm o r e a n dm o r ei nt h ew o r l d h o w e v e r , m o s to ft h e mc a n ts i m u l a t ec u r v e dr a i l w a y 。 a n dr o l l e rr i gi ns w j t u ( s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y ) j u s tc a nd oi t b e c a u s e t e s t i n gr a i l w a yv e h i c l e s c u r v e - n e g o t i a t ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo nr o l l e rr i g i sa n e wt e s tm e t h o d ，a n dm a n y a s p e c t sa b o u ti t n e e db er e s e a r c h e d t h i st h e s i sj u s t d ot h e j o bt or e s e a r c hh o w t os i m u l a t ec u r v e dr a i lb yr o l l e rr i ga n df i n do u tw h a t t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nr o l l e rr i gt e s ta n d p r a c t i c a lr a i lt e s t t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nw h e e l r a i lc o n t a c ta n dw h e e l r o l l e rc o n t a c tw i l l d e f i n i t e l yl e a dt o t h ed i f f e r e n c eo fv e h i c l e s d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h i st h e s i s c a l c u l a t e dt h ed i f f e r e n c eo ft w oc o n t a c tm o d e l sa n dt o o ki ta sar e a s o no ft h e v e h i c l e s d y n a m i cp e r f o r m a n c e sd i f f e r e n c eb e t w e e nr a i lt e s ta n dr o l l e rr i gt e s t t h e r ea r eo b v i o u st w oc h a r a c t e r i s t i cw h e nv e h i c l e sp a s s i n gc u r v e d r a i l w a y , 0 n ei si n s u m c i e n tl i f to fo u t e rr a i l ，o n ei sd i f i e r e n c eo fo u t e ra n di d n e rr a i l s l e n g t h b yr e g u l a t i n g t h e h e i g h to fo u t e rr o l l e r t h ei n s u f f i c i e n tl i f tc o u l db e s i m u l a t e d b ya d j u s t i n gt h es p e e do f t w os i d e sr o l l e r st h ed i f f e r e n c eo f r a i ll e n g t h c o u l db es i m u l a t e d ，t o o t h i st h e s i su s e dd y n a m i cs o f t w a r es i m p a c kt ob u i l d t h et e s t e dv e h i c l e sd y n a m i cm o d eo nc u r v e dr a i lt e s ta n do nr o l l e rr i gt e s t t h e n c a l c u l a t e dt h ed y n a m i cp e r t o r m a n c eo fv e h i c l e sa n dd i s c u s s e dt h ev a l i d i t yo f t e s t w a y o nr o l l e rr i g a f t e rb e i n gc a l c u l a t e da n dr e s e a r c h e d ，r o l l e rr i gh a sb e e np r o v e dt ob ea a v a i l a b i l i t ye q u i p m e n t t ot e s tv e h i c l e sc u r v e - n e g o t i a t ed y n a m i c p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：r o l l e r r i 昏c u r v e n e g o t i a t e ，t e s tm e t h o d ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e 耍壹奎望盔兰墅主塑塞生兰堡垒窒 蔓! i 一_ _ 一 第1 章绪论 1 1 论文选题背景及意义 随着国民经济的发展，人民生活水平的不断提商，乘客对客运质量的要 求日益提高，方便、舒适、快捷、节省旅途时间的要求日益强烈。 由于公路和航空运输的快速发展，铁路运输面临十分严峻的挑战，表现 在客货运量的份额急剧下降。而铁路要与公路和航窄竞争并夺回失去的市场 和改善被动局面，就必须从提高运行速度、缩短旅行时间、增加旅客舒适性、 增加旅客列车的频率、合理规划运行图等方面着手。 要加快步伐提高我国铁路运输竞争能力，除了新建、改建更加先进的铁 路以及更加商效合理管理外，还要研制更新、性能更好的机车车辆。而任何 新研制的车辆在投入实际运营前都要经过试验测试包括动力学性能在内的各 项性能，以便于进一步改善优化其性能。当今测试车辆动力学性能方法大致 有两种：一种是在试验线路上对新车进行测试；另一种是在能够测试车辆动 力学性能的滚动振动试验台上进行测试。 相比试验线路，滚动振动试验台具有以下优势： 第一，可同时进行多项性能试验，试验周期短、成本低： 第二，有良好的重复性，可以排除随机偶然误蓑； 第三，可进行单因素对车辆动力学性能影响分析，便于理论研究： 第四，可进行极限工况下的试验，如超高速运行、蛇行失稳等； 第五，实时快速检测车辆运动信号。 尽管滚动振动试验台模拟铁路轨道与实际线路轨道不可避免地存在一定 的差异，但大量实践仍然证明在设计新型车辆和优化车辆部件、悬挂方面试 验台均十分有效。 大多数整车滚动振动试验台可以对多至四轴的车辆进行试验，而且只能 模拟车辆在直线轨道上运行，并测试其运行稳定性和舒适性等。但由于实际 线路中存在许多曲线部分，而在这些曲线线路上车辆运行性能好坏也十分重 要，所以仅仅模拟车辆在直线线路上运行是不够的，其试验结果不能涵盖所 有线路条件_ f 车辆动力学性能，为了能够全面地模拟实际线路、得到更全画 的车辆性能数据，有必要考虑利用滚动振动试验台模拟车辆曲线通过。 曲线通过是车辆动力学性能中的个重要方丽，具有良好曲线通过性能 的车辆在曲线上运行时轮轨相互作用力，j 、磨耗小，从而减少了机车的牵引 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 力、节约了能耗，同时减低了线路维修工作量，使行车更加安全。利用滚动 振动试验台模拟车辆曲线通过具有十分重大的工程应用价值和理论研究意 义，它使得试验台可以模拟各种实际线路情况，全面地测试车辆在实际线路 上运行性能，为开发新型车辆以及研究车辆曲线通过理论提供试验依据。尽 管大量实践已经证明滚动振动试验台能够比较接近真实地再现车辆在直线线 路卜运行，但利用滚动振动试验台模拟车辆曲线通过仍需要理论研究，计算 分析试验方法及试验结果的准确有效性。利用滚动振动试验台模拟机车车辆 曲线通过是一个崭新的课题，国内外大多数试验台没有模拟曲线通过的能力， 在国内外本方向亦没有很深入的研究报告，因此具有较强的创新意义。 1 2 滚动振动试验台发展历程简介 滚动试验台最早应用于测试蒸汽机车性能，早在1 9 0 4 年应用于s w i n d o n w o r k so f g r e a tw e s t e r nr a i l w a y ，如图卜1 所示。 图i - 1 用于测试蒸汽机车性能的最早之一的滚动试验台 该试验台滚动轮可以移动，这样通过调节，使每个驱动车轮位于滚动轮 的正上方。在保持引擎静止的条件f 逐渐加大机车速度，同时通过安装在滚 轮上的制动装置测试机车在不同速度下的牵引力。试验中，导向轮不规则运 动表现得很激烈，而且随着速度的提高运动变得更为剧烈 2 1 ，这种现象为以 后试验台应用于模拟轨道研究机车车辆性能奠定了基础。 1 9 2 0 年，c a r t e r 应用比例模型模拟车辆在轨道上运行并测试其动力学性 一 要塞窒望查兰受圭受室兰兰堡垒窒 兰! 重一_ _ _ _ 一 能，率先开始了铁道车辆动力学研究，为轮轨接触理论及机车车辆优化设计 做出了很大的贡献。 1 9 3 5 年，日本学者m u s h a s h i 进行了类似于滚动试验台的比例模型试验 3 1 。1 9 5 2 年，日本铁道技术研究所学者m a t s u d a i r a 对1 1 0 和l 5 比例模型 滚动台及车辆进行试验，如图卜2 所示，发现了对轮对施加弹性约束的意义 4 1 。随后他继续设计两轴车辆悬挂系统，1 9 6 0 年利用整车滚动试验台对已设 计的转向架进行了测试f 5 1 。 图卜2 日本铁道技术研究所l 5 比例模型滚动试验台 1 9 6 2 年英国铁道研究部开展研究计划对铁道车辆动力学进行基础理论 研究，建立了l j 比例模型的滚动台和相似轮轨几何外形试验轨道，并于t 9 6 3 至】9 6 4 年建立了两轴整车滚动试验台以支持理论研究，以及论证现有比例滚 动试验台的不稳定性。为了在理沧上确定车辆稳定性界限【6 j ，在该试验台上 进行了大量两轴车辆横向稳定性试验。1 9 6 9 年一个四轴滚动试验台建成，用 于发展高速列车，但后来被一条专用2 5 公里的试验线路取代。 1 9 5 0 年美国c & o b & o 铁路公司也在l 1 0 比例模型滚动试验台上对新 的轻型客车进行了试验“l 。1 9 7 9 年至1 9 8 2 年普林斯顿大学s w e e t 等学者对比 例车辆及轨道模型进行了研究心j ，他们利用试验台研究了当时在美国广泛运 用的三大件货车的脱轨力学机理。提出了比例模型需要注意根据力的相似性 原理缩小作用力，其中包括惯性力、重力、弹簧刚度、蠕滑及干摩擦等等。 上世纪6 0 年代，利用滚动试验台优化转向架结构( 仅以临界速度的高低 为依据) ，随后进步研制出滚动振动相结合的整车试验台，这种试验台在功 一 亘堕窒鎏盔堂塑主堡塞竺堂垡堡塞 簋! 基 能上主要作为轨道模拟器，且可在滚动轮上加入激励以模拟实际线路上存在 的不平顺，故称之为滚动振动试验台。 德国较早在r w t ha a c h e n 进行了比例滚动试验台配合比例车辆模型的 研究，其他的滚动试验台如1 9 8 4 年在d l r1 9 1 9 8 5 年在i n r e t s ”、1 9 9 2 年在曼彻斯特城大学 “。2 1 陆续建成。1 9 7 0 年由于高速列车的潜在发展前景， 德国部署计划研究轮轨作用机理，根据这项计划于1 9 7 7 年在慕尼黑d e u t s c h e b a h n a g 建成了整车滚动振动试验台。 1 9 7 8 年美国科罗拉多滚动试验台又称为滚动动力学装置，可以使汽车或 机车运行在全速或者全功率下，并可在车轮上施加振动以模拟实际线路条件。 为了可以测试更先进的车辆，例如磁悬浮车辆，该试验台可以对车辆进行速 度高达4 8 0 k m h 的试验，该滚动动力学装置的早期试验中主要对车辆运行参 数进行确认”“。 图卜3 中国成都牵引动力国家重点实验室滚动振动试验台 我国从j 9 8 8 年开始，在西南交通大学牵引动力国家重点实验室正式批准 建造滚动振动整车模拟试验台，并于19 9 3 年初步落成，1 9 9 5 年起正式承担机 车车辆整车滚动振动试验，如图1 。一3 所示。我国的滚动振动试验台与德国慕 尼黑滚动振动试验台有很多相似之处，而经过不断的完善改造，至今已成为 世界上试验功能最丰富的滚动振动试验台之一。最近，我国滚动振动试验台 经过改造，可以进行多至六轴机车车辆试验，同时可以模拟机车车辆曲线通 过，这为全面测试机车车辆动力学性能和理论研究提供了试验条件，使我国 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 在高速机车车辆研制中的试验能力达到了国际领先水平。此外，在我国青岛 四方所、株洲电力机车厂都有相关滚动振动试验台设备。 整车滚动振动试验台及比例滚动台模型都已被证明了是测试车辆动力学 性能强有力的工具，不仅在研究轨道动力学方面，而且在确认模型、预测动 力学行为以及丌发新型铁道车辆方面都可以得到运用。 1 。3 国外著名滚动振动试验台简介 从原理上讲各个滚动振动试验台区别并不大，只在一些特殊应用和设计 细节上有所不同。 1 3 1 慕尼黑滚动振动试验台 1 9 7 0 年由于高速列车的发展德国实旋了轮轨研究计划，将车辆一轨道动 力学和轮轨系统结合考虑。1 9 7 7 年，慕尼黑滚动振动试验台作为轨道模拟器 在实验室条件下进行试验，如图卜4 所示。 该滚动振动试验台用旋转的轨道轮代替无限长的轨道，轨道轮由电液伺 服液压激振器驱动，并在几个自由度上可以施加激振。试验台可以测试车辆 图卜4 慕尼黑整车滚动振动试验台 系统处于不同动力学条件下和不同的轨道几何参数下的动力学性能，该试验 台具有一般试验台共同的特点： 可定制和重复试验条件； 有选择性的参数研究； 实时得到试验数据； 试验周期短。 根据现有实际应用，滚动振动试验台功能主要包括： 作为轨道模拟器测试车辆运行稳定性和舒适性； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 优化设计； 各空间自由度上刚体振动分析； 模态分柝； 由于安全因素，轨道上无法进行的试验例如临界速度、疲劳试验等； - 动态系统测试： 货车装载技术及载荷行为试验； 驱动及制动试验： 论证理论设计步骤及轮轨作用数学模型。 最初该试验台主要用于验证理论模型，随后越来越多地将之作为轨道模 拟器应用于速度最高可至5 0 0 k m h 的车辆动力学性能测试试验。现今该滚动 振动试验台主要用于商业测试，可以适用于国内或国际各种规格不同的车辆， 例如应用于i c e 系列客车的研究，如图卜5 所示。 图1 5 慕尼黑滚动振动试验台正在对i c e 列车试验 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 2 日本东京滚动振动试验台 该试验台隶属于日本铁道技术研究所( r t r i ) ，最初的试验台于1 9 5 7 年 完成，并在数项研究发展计划中发挥了重要作用，比如新干线列车的高速转 向架开发、货车脱轨研究等，并在该领域国际交流合作方面也作出了重要贡 献。3 0 年后由于未来铁道车辆发展的需要该试验台被更新，新的试验台于 1 9 8 9 年底投入使用，该试验台最高可进行速度达5 0 0 k m h 的试验。特别地， 该试验台可以对每个轨道轮施加横向、垂向及纵向的激振。 1 3 3 美国科罗拉多滚动振动试验台 该轨道动力学实验室隶属于美国交通部联邦铁路局( f r a ) ，作为研究轨 道动力学的试验工具而设立。该试验台基于一套滚动动力学装置( r d u ) ， 包括驱动电机、调速轮和轨道轮。该试验台可以对无动力装置车辆如货车、 客车等进行试验，还可以对自带动力装置车辆试验如机车等进行试验。试验 台最高速度可达2 3 0 k m h ，并由标准组件组成，可以适用于各种不同尺寸的 车辆。 每个试验车辆车轮安放于轨道轮上，每对轨道轮安装在同一根轴e 并由 之带动。车辆轮对和轨道轮对滚动接触即模拟出车辆在轨道上运行。轨道轮 可以模拟车辆在没有横向或垂向的不平顺直线轨道上运行，也可以模拟在 定半径的曲线轨道上运行，利用调速轮试验台还可以模拟车辆加速或制动的 阻力。 试验台可以支持多至四轴转向架的机车车辆试验，六轴或八轴机车车辆 则可以利用辅助设备试验。此外，试验台装有两台电液伺服液压激振器，对 转向架一侧施加横向恒作用力或横向激扰，作用在转向架- 倾, j 上的每对力可 以为“推一推”或者“推一拉”组合作用方式。配合高灵敏度的位移测量设 备和一套电脑，就组成了非常精确、多功能的试验测试装置，可以将试验车 辆的动力学响应进行采集、处理并将数据加以保存。 1 3 4 加拿大渥太华滚动振动试验台 加拿大渥太华国家研究委员会的滚动振动试验台被称为曲线轨道模拟 器。两对轨道轮装于一个可变形框架内，在模拟曲线轨道试验中转向架被安 置于轨道轮上端，两根轴可以调节，产生摇头角。该试验台曾被用于优化轮 对和转向架设计，而现在由于铁道车辆研究重点的转移该装置已拆除。 1 ，4 滚动振动试验台模拟曲线通过原理 一 亘妻奎堡查兰塑圭堑塞竺堂垡鲨窒 蔓! 夏 如图1 - 6 所示，滚动振动试验台以同钢轨轨头型面的轨道轮的滚动来代 替轨道，并通过控制轨道轮横向和垂向激振来模拟线路轨道不平顺，同时可 以调节左右轨道轮速度。其中，在轨道轮运 动六个自由度中，沿y 轴、z 轴方向的移动 和绕y 轴方向的转动可以实时控制，绕x 轴、 z 轴的转动在试验前按要求预先设置好。其 中y ，z 轴方向的移动是通过两台电液伺服液 压激振器实现动态控制轴方向的转动由直 流可控电机驱动。 车辆在通过曲线时，车体离心力与曲线 线路没置超高产生的分力往往不能完全平 衡。当速度较大时，车体离心力大于超高分 力称之为超高不足或欠超高，此时轮对及车 图1 6 轨道轮示意图 1 轨道轮；2 车轮 体向外侧移动。因为试验台为定置试验台，即轮对转动与滚动的轨道轮相配 合而车体不动，所以无法实现车辆通过曲线时产生的离心力。但可以通过调 整一侧轨道轮垂向位置来使车辆向外倾斜，并使车体重力分力等同于离心力 与超高产生重力分力的合力，这样就可以模拟车辆在通过曲线时产生的离心 力而随之出现的超高不足现象( 图1 7 ) 。曲线线路内外轨长度不同，外轨长 于内轨，试验台通过调整内外侧轨道轮滚动速度差，使内侧车轮速度小于外 侧车轮速度，这样就可以模拟皓线线路内外侧轨道长度不等。 1 车辆通过实际曲线线路 2 滚动振动试验台模拟车辆曲线通过超高不足 图1 7 滚动振动试验台模拟车辆曲线通过超高不足 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 5 论文研究内容、目标及方法 本文主要目的是研究滚动振动试验台模拟车辆曲线通过的方法以及试验 结果与实际曲线线路车辆运行之间的差异，理论研究论证试验台曲线通过模 拟方法的准确性、可行性。本文从滚动振动试验台上轮轮接触关系与实际线 路上轮轨接触关系差异着手，分析接触关系的差异对车辆系统动力学性能产 生的影响：然后利用多体动力学软件s 1 m p a c k 建立机车车辆动力学模型， 计算车辆在实际曲线线路上和在滚动振动试验台上的动力学性能，得出试验 台上模拟曲线通过的准确可靠性和分析与实际结果产生差异的原因等。 本文的工作主要有： 1 分析滚动振动试验台曲线通过试验方法； 2 分析轮轮接触关系与轮轨接触关系的差异以及其它试验环境的差异； 3 计算机上模拟实际线路上车辆曲线通过行为： 4 计算机模拟滚动振动试验台上车辆曲线通过行为； 5 分析试验台上与实际线路上运行车辆动力学性能差异及其原因。 。堕童壅堕盔堂塑主塑塞生堂垡笙窒 蔓! 里垂 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ 。_ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ 。_ _ _ - _ 。1 。一 第二章轮轨、轮轮接触几何关系 滚动振动试验台利用有限半径的同钢轨型面的轨道轮代替无限长的平直 轨道，但由于轨道轮纵向曲率的影响，轨道轮与车轮间的接触几何关系( 轮 轮接触关系) 与实际轨道与车轮间的接触几何关系( 轮轨接触关系) 有所不 同，从而导致轮对重力特性、接触力学特性出现差异f 【4 。“，这些差异将使滚 动振动试验台上车辆动力学试验与实际线路之间出现偏差“。特别地，当滚 动振动试验台模拟车辆曲线通过时，接触关系方面的差异对整个车辆系统动 力学性能的影响可能会变得更加明显。因此，有必要研究轮轮接触关系和轮 轨接触关系之间的差异，及其对车辆系统动力学性能的影响，得出滚动振动 试验台曲线通过与实际线路曲线通过的偏差，分析导致出现偏差的原因并对 曲线通过模拟试验方法作进一步地探讨。国内外学者在轮轨接触机理方面已 经作了大量深入的研究，其中具有代表性的是h e r t z 接触理论1 1 9 及k a l k e r 滚 动接触理论【2 ”“j ，本章将以之为基础计算分析轮轨、轮轮接触几何关系。 2 1 轮轨接触几何参数和接触状态 2 1 1 轮轨接触几何参数 车辆沿轨道运行时，为了避免车轮轮缘与钢轨侧面经常接触和便于机车 车辆通过曲线，左右车轮的轮缘外侧距离小于轨距，因此轮对可以相对轨道 作横向位移和摇头角位移。在不同的横向位移和摇头角位移的条件下，左右 轮轨之间的接触参数也相应出现变化，对车辆运行中动力学性能影响比较大 的轮轨接触几何参数如下，如图2 - 1 所示| _ 1 9 】。 ( 1 ) 左轮和右轮实际滚动半径f l ，砌，由于轮对是个刚体，轮对绕 其中心线转动时，各部分的转速是一致的，车轮滚动半径大在同样的转角下 行走的距离长。同一轮对左右车轮滚动半径差越大，左右车轮滚动时的行走 距离差就越大，此外，车轮滚动半径的大小也会影响轮轨接触应力。 ( 2 ) 左轮和右轮在轮轨接触点处的踏面曲率半径p w r ，p w 。 ( 3 ) 左轨和右轨在轮轨接触点处的轨头截面曲率半径p 月，p 月月，轮轨 接触点出的曲率半径大小将会影响轮轨实际接触斑的大小、形状和轮轨的接 触应力。 ( 4 ) 左轮和右轮与左轨和右轨在接触点出的接触角以，西，即轮轨接 触点处的轮轨公切面与轮对中心线之间的夹角，轮轨接触角的大小影响轮轨 之间的法向力和切向力在垂向和水平方向分量的大小。 要童窑逼盔堂塑主塑室皇堂垡鲨窒基! ! 里l _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ 一一一 ( 5 ) 轮对侧滚角九，轮对侧滚角会引起转向架和车体的侧滚。 ( 6 ) 轮对中心上下位移z ，该量的变化会引起转向架和车体的垂向位 移。 1 上一 二= 霉习秽 r e 二# 一 影然扣 r n 岬m f l 图2 - 1 轮轨接触几何参数 2 1 2 轮轨接触状态 车轮与钢轨之间的接触状态有两种，即一一点接触和两点接触，如图2 - 2 所示，轮对相对轨道的横移和摇头角位移不大时，般出现车轮踏面与钢轨 顶面相接触，一般为“一点接触”；当轮对相对轨道的横移和摇头角位移超过 一定范围时，可能引起车轮踏面和轮缘同时与钢轨顶面和侧面接触，即为“两 点接触”。一般说来，当轮对相对轨道有足够横移量时，轮对摇头角越大，轮 轨闻出现两点接触的可能性也越大。 l 厂一l 尸弋一 、一f 17 i 1 ( a ) 点接触( b ) 两点接触 图2 2 轮轨一点接触与两点接触 当轮对相对轨道只有横移而无摇头角位移时，轮轨间的接触点处于通过 轮对中心线的铅垂平面内；但当轮对相对轨道有摇头角位移时，即使轮轨之 间仍保持踏面一点接触的情况，轮轨接触点也不再位于通过轮对中心线的铅 垂平面内，此时接触点与铅垂平面之间有一段距离，称为接触点超前量( 或 落后量) 。如图2 3 所示，接触点超前量对车轮爬轨有较大影响。 要塞塞鎏查堂塑主塑塞圭堂堡笙塞 蔓! ! 要 车轮沿钢轨运行时，轮轨接触点不断变化，车轮踏面与钢轨顶面的接触 点是车轮瞬时转动中心。从宏观来看，轮轨之间似乎没有相对滑动，在有两 点接触的情况下，车轮轮缘与钢轨侧面的接触点也不断发生变化。由于车轮 绕瞬时转动中心转动，因此轮缘与钢轨 侧面之间在接触点处将会出现相对滑 动，造成轮缘与钢轨侧面的磨耗，而且 轮缘接触点离踏面接触点的垂向距离越 大，则摩擦越严重。因此，在轮轨型面 没计时应尽量避免两点接触并尽可能减 小两个接触点之间的垂向距离以减少轮 轨磨耗。 由于车轮和钢轨的弹性不大，接近 刚体，而且在正常条件下轮轨始终保持 接触，轮轨之间的相对运动除纵向位移 外还有横向位移和摇头角位移。轮轨接 触几何参数与轮对在钢轨上的纵向位置 无关，这些参数实际上是轮对相对轨道 的横移和摇头角的函数。 犍l彦 、j ， l 五 z 图23 轮轨接触点超前 2 2 轮轮接触几何参数和接触状态 滚动振动试验台利用同型面轨道轮模拟平直钢轨，车轮仍然与钢轨型面 接触，所阱接触参数及接触状态与上述相同，不再赘述。 2 3 轮轨接触几何关系计算原理 国内外众多学者对机车车辆轮轨接触几何关系进行过深入研究，对于轮 轨接触的三维空间问题，研究方法分两类：一是将接触条件作一定的假设和 简化，推出接触关系的近似解析解( 2 。但由于其应用范围只能为最简单的轮 轨型面，如锥形踏面或单段圆弧组成的踏面，距离比较准确地计算复杂轮轨 型面接触关系较远；另一类是用数学方法模拟轮轨外形，数值求解轮轨接触 关系的方法比较有效，而且适用于实际应用复杂轮轨型面，包括磨耗过后不 规则的轮轨型面。因此，数值方法求解轮轨接触几何关系被广泛运用，比较 典型的方法有迹线法【2 ”，以及轮轨面剖切法1 2 “，本章利用以上方法计算任意 轮轨外形的接触几何关系。 堕南窑望盔兰璧主堡塞竺兰竺笙塞 蔓! ! 夏 - _ _ _ _ _ l - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ - _ 。- - _ - - - 。_ 。一 一 轮轨轮廓外形很多，有的可以用简单解析式表示其形状，有些则不能。 例如磨损后的轮轨轮廓形状只能通过测量所得的表面各点的坐标柬表示，而 任何轮轨外形都可以用一系列离散的坐标点来表示，即使是用表达式描述的 轮轨外形也可以转化为一组离散的坐标，然后再用数学方法找出一条拟合曲 线来代表轮轨外形。这种方法尤其适用于无法用表达式表示的轮轨外形和直 接测量所得的轮轨外形，有了轮轨外形的拟合曲线可以很方便地求出轮对横 移及摇头位移时轮轨上任意点的坐标。 已知轮轨上任意点的坐标之后，便可根据下列几何条件假设求出轮轨接 触点的位置： ( 1 ) 轮和轨均接近刚体，车轮表面上任意点均不能嵌入钢轨内部； ( 2 )同一轮对的左轮与左轨、右轮与右轨同时接触； ( 3 ) 车轮上的接触点与钢轨上的接触点应具有相同的空间位置； ( 4 ) 轮轨接触点处，车轮与钢轨具有公切面。 2 3 1 轮轨外形的拟合曲线 过轮对中心线作一垂向平面切割车轮，车轮外轮廓与切割面的交线称为 车轮的主轮廓线，用实测或计算可求得车轮主轮廓线上各点的坐标值，过车 轮踏面上各点可以确定一根样条函数来拟合车轮踏面的轮廓线。如果同一轮 对左右车轮的直径和形状不同，也可分别用不同的样条函数来拟合左右车轮 踏面。作一垂直于轨道中心线的乎面切割钢轨，钢轨轮廓与切割面的交线为 钢轨轮廓线；同理，可以用两条不同的样条函数来拟合左右钢轨轨头的形状。 只要把代表轮轨外形的离散坐标点安排得足够密集，样条函数中所给的边界 条件足够接近实际情况，则由样条函数拟合的轮轨外形就越精确。已知轮轨 的拟合曲线后，则可以用样条插值的方法求得轮轨上任意点的坐标位置。 2 3 2 确定轮轨接触点的基本原理 假定轮对和钢轨都是剐体，由于轨道对轮对的约束，轮对相对轨道有两 个自由度( 不包括轮对在轨道上的纵向平移) 。在研究轮轨接触几何关系时， 以轮对相对轨道中心线的横移和摇头角作为轮对运动的广义坐标，即轮轨接 触几何各项参数是轮对横移及摇头的函数。 在一般情况下，即考虑轮对的摇头角和横移时，轮轨接触几何关系是一 个空间问题，如果不考虑轮对的摇头角，则轮轨接触几何关系在平面内变化， 所以是平面问题，亦即轮轨接触几何关系的各项参数是轮对横移的函数。 轮对无摇头角时轮轨接触点的位置可以利用下面几何条件求出： ( 1 ) 轨接触点处轮和轨的垂向距离为零，非接触点处轮轨表面的垂向 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 距离大于零； ( 2 ) 轨接触点处轮轨的轮廓线具有相同的斜率，即具有公切线。 第一、第二条件等效，可以根据第一个条件确定轮轨的接触点，然后用第二 个条件进行验证其正确性。 在过轮对中心线的垂向平面内作固定坐标系y o z ，坐标原点在过轨道中 心线的垂向平面内，横坐标吵与轨道平面平行，垂向轴o z 向f 为正，如图 2 - 4 所示。另外，以轮对中心07 为原点作活动坐标系y7 口7z7 ，0 7 y7 轴 与轮对中心线一致，0 7 z7 轴垂直轮对中心线向下。活动坐标系y 7 07 = 7 与 轮对一起运动。为了便于说明，将轮对相对轨道向上平移一段距离历，左右 车轮踏面的主轮廓线既、和左右钢轨轮廓线耽、麟分别用四根 样条函数表示。 由于把轮对向上平移后，上述求轮轨接触点的条件应变更为： ( 1 ) 左右轮轨在接触点处的垂向距离为最小： ( 2 ) 两者的垂向距离相等； 如果找到这两点的位置，则轮对向下平移直至与轨面相接触，则所找到的两 点就定是左右轮轨的接触点。 设车轮处于某一横移后的位置，分别对左、右轮轨每隔一段微小水平距 离，计算轮轨之间的垂向距离，找出左右轮轨之间的最小垂向距离分别为 4 z ”、a z r “m ，并记录这两处所在的位置为y 。、y m 。作为可能的轮轨接 触点位置，这个过程称为扫描过程。 如果a z l = a z r 一，则轮对向下平移后，左右车轮同时与左右钢轨相接 触，因此儿、y r 。即为左右轮轨真正的接触点。 如果a z l a z r 一，则轮对向下平移时两点不同时与钢轨接触，其中一 点接触后轮对还要绕纵向轴旋转个角度后才能与另一根钢轨接触。因此， y l m ”y r 不是真正的接触点位嚣，所以要调整轮对的侧滚角，使之满足轮 轨之间的接触条件。 如果。” 业胁。，可预先把轮对逆时针旋转一个角度v y ：a z r l n i n - - 瓴r a i n( 2 一 ) ，”。m 一少洲。 轮对旋转y 角度后，重复上述过程，即在新的轮对位置上重新检查左右 轮轨之间的垂向最小距离是否相等，在数值计算中，要求这两隔距离达到绝 对相等f 分困难，往往只能要求其差值小于规定误差 一一 亘壹窒塑盔兰塑主塑窒竺兰垡鲨皇 篁! ! 蔓 - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - - - _ _ - _ _ _ 一。一 i z r 。a z h 。i ( 38 ) m ：= 一六：v ，一庐j 式中，办，为蠕滑系数( 其中疋j 劫2 ) ，由式( 3 - 9 ) 确定。 式( 3 - 9 ) 中，a 、b 为接触椭圆长短轴，可以根据公式( 36 ) 求得； 为杨氏摸量；岛为k a l k e r 系数，可按不同的a b 比值由h o b b s 所汇编的表格 奄得。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 i l = e a b c l l、 2 = e a b c 2 3i 3 ( 3 9 ) 、厶= e ( a b ) 2 c 2 3l 氏= e ( a b ) 2 c 3 3j 3 2 2 轮轨、轮轮接触斑特性分析 轮对相对于轨道或轨道轮横移和摇头时，轮轨接触斑会因车轮踏面和轨 面曲面几何形状的不同而产生很大的差异。接触斑位置的不同，除直接影响 到上文提到的重力特性外，接触斑本身的形状和尺寸还会导致轮轨蠕滑特性 的变化，轮轨间的蠕滑特性是轮轨作用系统的一个独特而重要的影响因素。 ? 扩- - - 籼- 姨科i 穗 f i 鲈。；腓 【 点 f ，e ； _ 上f 謦 4 麓矿 蠼 耀r r 日。 hh斗同 r l上：f f i 霸 卜 t njii 娥 纛嬲一孵俄馨蝴i霆辫鬻黪瑶蓐m m ， ( a ) l m 踏面接触斑 ( b ) t b 踏面接触斑 图3 7 轮轨接触区 车轮路面和轨道或轮道轮的主轮廓线由数段圆弧或直线组成，在轮对横 移和摇头过程中轮轨接触斑就可能位于不同的踏面和轨道圆弧( 广义地说， 直线为r 2 。的圆弧) 组合上。由弹性体接触理论，因轮轨各自的两个主剖面 半径的变化，接触斑的几何形状和尺寸也随之变化，相应的蠕滑系数也将改 变c 如图3 - 7 、表( 3 一【) 、( 3 2 ) 所示为l m 形踏面和t b 踏面的接触斑位置 区域和接触斑特性，表中a 、占、c 、分别代表不同的圆弧组合区，接触斑 特性包括： 爿接触斑滚动方向椭圆半轴长( m m ) ； b 接触斑横向椭圆半轴长( m m ) ； 卜接触斑椭圆计算面积( m m 2 ) ； 一，按k a l k e r 线性理论计算的纵向蠕滑系数。 一一 要塞窒亟盔兰塑主壁窒皇兰焦笙塞 篁! 兰夏 _ _ _ _ - _ _ 一_ _ - _ - _ - _ _ _ - _ l _ _ - _ - _ _ _ _ _ 一 表3 - 1 锥形踏面接触斑特性 区轮轨圆弧轮轨接触 轮轮接触 域r w r r 爿占sf h 爿曰sf q 彳3 0 04 8 6 2 6 0 8 49 2 9 39 7 5 l5 2 3 5 4 8 9 98 0 5 69 0 5 9 b8 0 2 4 4 37 2 8 05 5 8 65 2 8 02 6 7 7 5 8 5 84 9 2 74 8 0 3 c1 8 131 8 3 27 7 2 34 4 4 64 1 0 02 0 1 9 6 2 4 93 9 6 53 7 3 4 1 d1 3 o 7 0 11 4 9 33 2 8 82 9 5 10 9 3 48 3 5 22 4 5 02 2 1 4 e一4 81 3 0 6 2 61 4 6 12 8 7 62 5 8 00 7 3 41 1 0 72 5 ，5 l2 2 9 4 表32 磨耗型踏面接触斑特性 区轮轨圆弧轮轨接触轮轮接触 域r w r r 爿bs f l l 爿口s f | i 爿2 2 0 r 8 02 0 7 l7 5 3 84 9 0 44 5 6 02 2 7 66 0 8 74 3 5 346 l 口5 0 08 02 6 7 87 1 3 46 0 0 35 7 3 92 9 3 75 79 5 2 7 759 8 c5 0 03 0 07 6 5 85 2 1 6 1 气气 15 2 7 38 1 9 64 o () 41 0 4 61 4 2 4 3 d5 0 08 02 6 7 87 ，1 3 46 0 0 35 7 3 92 9 3 75 7 1 95 2 7 75 1 9 8 l o o8 05 6 2 15 8 0 71 0 2 。61 1 】9 56 0 7 34 5 6 5 8 7 0 8】0 3 3 4 f1 0 01 30 ，7 8 31 4 0 73 4 6 03 1 0 8 1 0 5 57 _ 3 6 72 4 4 22 26 g1 41 33 7 6 96 5 4 87 7 5 27 7 3 04 1 0 15 2 0 5 6 7 0 67 0 2 3 h1 81 3o 5 8 11 3 0 52 3 8 22 1 3 8 0 5 7 51 2 8 12 3 1 22 0 7 5 分析图3 7 可以看到轮轨和轮轮工况、l m 形踏面和t b 踏面相互之间接 触几何特性的一些不同点，图中实线为轮轨接触工况，虚线为轮轮接触工况。 ( 1 ) 如图3 7 ( a ) 所示l m 踏面的接触区变化，摇头角妒- 0 。时，轮 对从左向右横移时，接触斑从a 区循序渐进地到达h 区，每个区域都有一定 宽度。从，一区至日区，包括了车轮踏面和轨道型面圆弧所有的可能组合，因 此这种有序的渐变表明轮轨接触始终是一点接触而不存在导致轮轨剧烈磨耗 的两点接触的状态。 当摇头角妒从零开始增大后，轮轨接触关系逐渐有所变化。r = 1 0 0 m m 的踏面过渡圆弧与r = 1 3 r n m 的轨面端部小圆接触的f 区和r = 14 m m 的踏面 根部小圆与轨面端部小圆接触g 区逐渐缩小，在y = 2 。左右g 区消失，这 是开始出现两点接触的临界摇头角。随着妒的继续增加，则会出现间距越来 越大的两点接触a 在= 4 。左右时f 区消失，轮对横移过程中，接触点会 从踏面和轨道型面的过渡圆弧直接跳跃式进入轮缘，出现更大间距的两点接 触。 与轮轨接触几何关系相比，虚线表示的轮轮接触几何关系稍有所不同， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 3 页 _ _ l - - _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ l _ - _ _ _ _ _ l - _ - - _ - 一一一 主要表现为接触区前移，接触几何关系的变化趋势二者是相似的。 在车辆处于正常运行状态时，y 一般不会超过2 。，所咀l m 踏面的设 计就轮轨接触几何关系的角度来看是完全合理的。 ( 2 ) t b 踏面的接触区变化如图3 7 ( b ) 所示。在轮对横移过程中， 绝大多数轮轨接触点位于踏面直线段和r = 3 0 0 m m 的轨面顶部的a 区。不仅 如此，接触区在踏面上的分布尚有不太宽的分布带，而轨面上却集中于顶部 非常狭小的区域内。这样的集中磨耗很难保持踏面的原始外形，很快会局部 磨平或出现凹坑。 与l m 踏面不同，即使在摇头角妒= 0 。时，当轮对横移至8 6 r a m 时， 接触点就越过踏面直线段与轨面r = 8 0 m m 的过汉圆弧段配合的口区，而跳 跃进入o 。一1 3 的c 区。换言之，在横移y = 8 6 m m 时轮轨发生大间距的两点 接触。当= 1 7 。时c 区消失。这样当横移y = 9 0 m m 时，两个接触点中 一个在踏面直线上，另一点在倾角为6 8 。的轮缘直线段上，两点接触间距进 一步加大，当矿= 2 4 。时