（车辆工程专业论文）运用机车轮径差与轮缘偏磨机理研究.pdf

中文摘要 摘要t 机车车轮轮缘的非正常磨耗导致过早镟轮一直是困扰机务段的一个重 大问题 轮缘偏磨是轮缘非正常磨耗的主要形式 本文在分析引起轮缘偏磨各种 原因的基础上 从轮轨几何接触理论和轮轨磨耗理论出发 根据机车运用部门提 供的轮对检修数据 利用计算机仿真方法深入研究了轮径差与轮缘偏磨的机理 为机务段通过改进轮对镟修工艺提高轮缘使用寿命提供了理论依据 本文首先利用动力学仿真软件a d a m s r a i l 中的轮轨接触模块分析了标准 j m 3 踏面不同轮径差情况下滚动半径与轮对横移量的关系 然后建立运用机车运 行动态模型 针对轻微偏磨j m 3 踏面 中度偏磨踏面和重度偏磨踏面在不同线路 工况下具有不同轮径差的情况进行仿真 分析轮对对中位置及磨耗指数的变化曲 线 结果表明 由轮径差 车轮踏面形状 线路情况共同决定的轮轨接触几何关 系对轮缘偏磨有重要影响 其中轮径差的影响最大 车轮踏面形状影响较小 轮 径差的存在导致轮对对中位置向轮径较小的一侧偏移 使得轮径较小一侧车轮轮 轨间隙减小 增加了轮缘贴靠钢轨内侧的机率 造成轮径较小一侧车轮轮缘磨耗 速度大于轮径较大一侧车轮 引起轮缘偏磨 轮径差越大 轮缘偏磨越严重 根据以上轮径差与轮缘偏磨机理研究结果 在保证轮对的脱轨安全性的情况 下以经济镟修为目标 协助机务段的工程师提出了调整轮径差提高轮缘使用寿命 的工艺方案 并应用于机务段的轮对镟修 运用效果证明 此方案取得了良好的 经济效益 是切实可行的 图2 8 幅 表1 2 个 参考文献3 7 篇 关键词 轮缘偏磨 轮缘寿命 动力学仿真 磨耗型踏面 镟修 工艺措施 分类号 u 2 6 0 1 1 a b s t r a c t a b s t r a c t i th a sb e e nd i s t u r b i n gl o c o m o t i v et e r m i n a l st h a tl a t h i n gw h e e l s e t s e a r l i e rf o ra b n o r m a lw e a ro fl o c o m o t i v ef l a n g e s f l a n g ep a r t i a lw e a ri st h em a i nf o r mo f a b n o r m a lw e a ro ff l a n g e s b a s e do nt h ea n a l y s i so fr e a s o n so ff l a n g ep a r t i a lw e a ra n d w h e e l r a i lg e o m e t r yc o n t a c tt h e o r y a n da c c o r i n gt ot h er e p a i rd a t a b a s eo fl o c o m o t i v e m e c h a n i s mo fw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c ea n df l a n g ep a r t i a lw e a ri sr e s e a r c h e db yt h i s p a p e r a n di ti st h et h e o r e t i c a lb a s i so fl o c o m o t i v et e r m i n a l sf o rr a i s i n gt h el i f e t i m eo f f l a n g et h r o u g hl a t h i n gt e c h n i q u e s t h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns o r w e a ro fa d a m s r a i li su s e df o ra n a l y s i n gt h e r e l a t i o nb e t w e e nr o l l i n gr a d i u sa n dw h e e l s e tl a t e r a ld i s p l a c e m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no f n e wj m 3t r e a d t h e nt h ed y n a m i cm o d e lo fs e r v i c e a b l el o c o m o t i v ei sb u i l t u n d e r d i f f e r e n tl i n ec o n d i t i o n s s l i g h tp a r t i a lw e a rj m 3t r e a d m o d e r a t ep a r t i a lw e a ra n ds e v e r e p a r t i a lw e a rj m 3t r e a di ss i m u l a t e db yd i f f e r e n tw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 1 1 1 ef i n a l l o c a t i o no fw h e e l s e t sa n dw e a ri n d e xa r ea n a l y z e d t h er e s u l ti s w h e e ld i a m e t e r d i f f e r e n c e p r o f i l eo ft r e a da n dl i n ec o n d i t i o na l li n f l u e n c ef l a n g ep a r t i a lw e a r b u tw h e e l d i a m e t e rd i f f e r e n c ei st h em o s ti m p o r t a n tr e a s o na n dp r o f i l eo ft r e a di sl e s si m p o r t a n t t h ee x i s t a n c eo fw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c ei st h er e a s o nf o rw h e e l s e tl a t e r a l d i s p l a c e m e n tt o w a r d st h es m a l l e rw h e e l a n d i tm a k e st h ed i s t a n c eb e t w e e nw h e e la n d r a i ls h o r ta n dt h ep o s s i b i l i t yo fw h e e l r a i lc o n t a c ti n c r e a s e d t h e nt h es m a l lw h e e l b e c o m e ss e v e r ew e a r 1 1 1 eb i g g e rw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c ei s m o r es e r i o u st h ef l a n g e p a r t i a lw e a r i s o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c ea n df l a n g e p a r t i a lw e a ro fs e v i c e a b l el o c o m o t i v e t h et e c h n i q u ew h i c hc a nr a i s et h el i f e t i m eo f f l a n g et h r o u g ha d j u s t i n gw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c ei sp u tf o r w a r dw i t ht h eh e l po f e n g i n e e r s a n di nt h et e c h n i q u e s e v e r a lc o n d i t i o n sa r et h o u g h t f o re x a m p l e t h ea c t u a l c o n d i t i o no fl o c o m o t i v et e r m i n a l d e r a i l m e n ts a f e t y a n de c o n o m i c a ll a t h i n g a f t e ri ti s u s e db yl o c o m o t i v et e r m i n a l al o to fe c o n o m i cb e n e f i t sa r ea c h i e v e d i tp r o v e sf e a s i b l e f i g u r e s 2 8 t a b l e s 1 2 r e f e r e n c e s 3 7 k e y w o r d s f l a n g ep a r t i a lw e a r l i f e t i m eo ff l a n g e d y n a m i cs i m u l a t i o n w o r nt r e a d l a t h i n g t e c h n i c a lm e a s u r e c i a s s n o i j 2 6 0 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 碾闶月治 签字日期 m g 年 月乃日 导师签名 撕捅洋 签字日期 w 年 月 归 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 狠朗治签字日期 劲彦年 月 弓日 致谢 本论文的工作是在我的导师柳拥军副教授的悉心指导下完成的 柳拥军副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两 年来柳拥军老师对我的关心和指导 在实验室工作及撰写论文期间 刘晓芳博士对我论文中的研究工作给予了热 情帮助 对我论文的撰写提出了许多宝贵的意见 在此向她表示衷心的感谢 王 刚师兄对我的a d a m s 建模给予了热心指导 在此向师兄表达我的感激之情 本论文中用到的机车轮缘磨耗后的各种数据以及经济效果分析来自于唐山机 务段 工艺方案的制定也是协助唐山机务段的工程师来完成的 感谢唐山机务段 工程技术人员对我的研究给予的热心帮助和支持 另外也感谢我的家人 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 1 绪论 随着旅客运输快速化 高速化 货物运输重载化 快捷化 铁路运输己跨入 了崭新时代 运输组织型式的巨大变化给机车运用和维护带来了深远的影响 随 着机车设计 制造 检修和保养水平的提高 车轮轮缘的过快磨耗导致过早镟修 已成为机车检修过程中的一个重大问题 机车车轮轮缘的非正常磨耗其危害是显著的 一方面在机车中修修程以外频 繁镟轮 检修停时增加 在严重影响机车运用效率的同时也造成机车车轮轮缘使 用寿命的大大缩短 不得不在厂修 中修修程以外更换轮箍 使运输成本大大增 加 造成极大的浪费 另一方面 机车车轮轮缘的非正常磨耗 也造成钢轨的磨 耗加快 钢轨的使用寿命缩短 更换新的钢轨会迸一步加剧新轨和机车轮缘的磨 耗 如此恶性循环 造成更大的损失 大量跟踪和调查表明 轮缘偏磨是机车车轮轮缘非正常磨耗的最主要形式 进一步的调查和统计则显示 偏磨基本上只发生一侧车轮上 另一侧则往往不产 生轮缘偏磨 并且通常情况下 产生轮缘偏磨的车轮半径要小于不产生偏磨的车 轮 这说明 同一轮对上两车轮的轮径差与轮缘偏磨之间存在着密切的关系 摸 清这种内在的关系和规律是解决此类轮缘非正常磨耗故障的关键 1 1轮缘磨耗的原因分析 人类自有铁路运输的历史以来 对轮轨间的相互磨耗研究始终就没有停止过 无论在理论还是在实践方面都积累了丰富的经验 轮缘磨耗 1 是轮对 机车车辆构 造 钢轨形状 路基状态 载荷及运行速度等诸多复杂因素共同作用的结果 很 难一一列举 影响轮缘磨耗的原因是多方面的 偏磨是机车车轮轮缘非正常磨耗的最主要 表现形式 即同一轮对的 n 轮缘磨耗严重 另一侧轮缘磨耗较小 在正常运用 的条件下 机车修程后随着走行公里数的增加 一般在8 万公里左右 就会出现 轮缘偏磨 如果不及时纠正 其发展速度呈不断加快趋势 引起轮缘偏磨的主要原因f 2 3 有 1 线路状况原因 当机车运行在弯道多 坡度大的线路时 发生偏磨的概率较大 当机车在固 定曲线运行 曲线超高与机车通过速度不匹配容易造成轮缘偏磨 机车在过弯道 时 前进方向第一轮对的外轮总是靠紧内轨的 当机车速度低时 后轮对的内轮 一般是贴靠内轨的 但当机车速度高时 就变成后轮对的外轮贴靠外轨了 当机 车运行在坡道并在某种条件下 机车在上 下行时通过线路上某区间的速度相差 较大 必然造成有些轮对某侧轮缘在上 下行时都贴靠钢轨 该轮对则会被偏磨 2 转向架对角线差 转向架对角线长度不同时 对角线较短的两个对角上的轮对轮缘靠近钢轨 如下图所示 转向架对角线长度a c 和b d 不相等 相对于钢轨中心线偏移 则a 处和c 处车轮的轮缘靠近钢轨 易发生偏磨 a b 丸 d c 图1 1 转向架对角线差造成偏磨示意图 f i g 1 1p a r t i a lw e a rc a u s e d b yt h ed i f f e r e n c eo f d i a g o n a l so f b o g i e 3 轮对两侧车轮载荷不等 如果轮对两侧轴箱弹簧刚度不等的话 刚度较大的轴箱弹簧侧的车轮载荷就 较大 这样 左右轮的水平分力必然不相等 机车轮对在滚动前进时 容易产生 轮对横移 从而引起轮缘偏磨 因为轮对两侧轴箱弹簧刚度不可能严格相等 两 者相差较大时 产生的偏磨就比较明显 当发生某一个轴箱弹簧故障时 机务段 通常采用的做法是更换故障轴箱弹簧 这一做法必然导致同一轮对两侧轴箱弹簧 刚度差别较大 新轴箱弹簧的刚度必然大于旧的轴箱弹簧 4 轮箍硬度不同 由于各个轮箍的成分不严格相同 其中的合金含量也有不同 造成不同轮箍 的硬度也不完全相同 假定钢轨硬度为一定值 则机车轮缘硬度不同 耐磨性就 不同 一般情况下 轮箍硬度越小 则磨耗速度就越大 这样同一轮对左右两侧 轮箍硬度相差较大时 机车轮对轮缘磨耗速度就明显不同 从而产生一定程度的 偏磨 但是不会造成很大的偏磨 产生的影响相对其它因素来说较小 5 润滑条件不同 目前普遍采用的轮轨润滑方式为喷脂式润滑 如果同一轮对左右两侧有一侧 轮缘喷脂器工作不正常 则不出脂的一侧磨耗速度必然大 造成一定程度的偏磨 6 左右轮径不同 同轴的左右两个轮在一定的距离内转数相同 当同轴的左右两个轮轮径不同 时 必然利用踏面斜度来调整 直径较小的一侧轮缘贴靠钢轨 导致直径小的一 2 侧轮缘偏磨 如果同轴的左右两个轮径差l m m 则在1 2 0 的踏面上就横向移动 5 m m 1 2国内外有关轮缘磨耗的解决措施 1 2 1 国外有关轮缘磨耗的解决措施 国外由于制造工艺先进 制造精度较高 出现轮缘严重磨耗的现象比较少 我国由于历史原因 建国后的一段时间主要是仿制俄罗斯的机车 故俄罗斯铁路 机务系统的经验可供我们参考 俄罗斯拉斯诺亚尔斯克铁路局的机务段很早就和全俄铁路运输研究院进行了 合作 在降低轮缘磨耗方面取得了很好的效果 4 1 他们采用了先进的轮对车削方法 一方面减少了在车削工程中不必要的材料浪费 另一方面又提高了轮箍的使用寿 命 全俄铁路运输研究院通过对高尔基局的尤迪诺机务段和十月局的威力基卢基 机务段所有机车运行状况所做的全面分析表明 有1 对或2 3 对轮对在车削之后 其整体的磨损程度在第一个月里要比未经处理的轮对轮缘高出8 1 0 倍 经分析造 成这种不良状况的原因有两个 第一 在将其作整体车削处理过程中 去掉了轮 缘工作面上的冷作硬化层 第二 当机车行驶在曲线区段时 那种恢复至原始形 状的轮缘与侧面磨损极为严重的钢轨间的接触条件变得更为恶劣了 为了消除这 种有害影响 交通部根据全俄铁路运输研究院的建议 规定 在对轮缘磨耗量大 的轮对作车削处理时 主要是将踏面和轮缘顶的部分金属除掉 要保留轮缘那些 未加工的侧面 莫斯科局的布良斯克电动车组机务段在减轻轮缘磨耗方面所做的工作获得了 较大的成功 他们很好地组织了对电力机车轮对 动车和挂车轮对在使用过程中 的状态情报的收集并对这些情报资料进行了深入分析 这样 就能根据电力机车 所有车轮每月的间隙情况 将那些磨损严重的轮对或车轮轮缘磨损不均的机车全 部列出来 在进行计划性3 级技术维护或1 级日常维修时 就发现一些磨损严重 的轮对 对这些轮对就必须进行滚压和进行相应的调整 在多年的观察和全面分 析的基础上 机务段研究出了一些对付轮对这样或那样磨损形式的措施 例如 如果发现某一轮对轮缘的某一侧的磨损很大 而其余车轮的磨损却很均匀 则可 测出车轮轮对的滚动圆直径 当测出的值差超过2 m m 则应根据规定标准对其进 行车削 如果测出的轮对滚动圆直径是符合标准的 则利用垫片将轮对沿纵向 沿 轮对轴线 推入轴箱切口 在轮对磨损不均时 当对转向架作诊断后发现 转向架 3 一位轮对的左轮缘和二位轮对的右轮缘较细薄 这时应将同侧的转向架上的拉杆 长度缩短 而将其它侧转向架的拉杆长度增大 在对每一项作了调整以及对个别 轮对作维修之后 机务段必须对这些轮对的使用情况进行跟踪 然后将对这些轮 对所施行的这样或那样调整的效果作出评估 这一系列工作可获得良好的效果 因为这样实际上可在轮对的两个维修期间免去车削工序 只要在2 级和3 级日 常维修过程中对钢轮进行车削就够了 这种工艺方法的一些操作规则得到了全俄 铁路运输研究院的核准 俄罗斯采取的这种在对车轮的车削过程中部分恢复踏面形状而非整体镟轮全 部恢复踏面的工艺措施值得我们借鉴和改进吸收 1 2 2 国内有关轮缘磨耗的解决措施 我国在解决轮缘磨耗方面采取了很多措施 包括 改进工艺措施 提高制造 精度 严格控制转向架的外形尺寸 严格控制同一轮对两侧弹簧刚度的差值 使 其在可接受的范围内 控制轮箍硬度 保持轮缘良好的润滑条件 推广使用磨耗 型踏面 出现偏磨整体镟轮等等 根据 铁路机务 的统计数据 轮箍硬度由布氏硬度2 5 0 2 7 5 提高到3 2 0 3 4 0 可以使轮缘磨耗减少一半 5 1 可见 适当提高轮箍硬度 可使其耐磨性增强 大大 降低轮缘磨耗 就轮缘的耐磨性来看 进口箍优于国产箍 如乌克兰箍在同等条 件下 其轮缘磨耗比国产箍约低0 0 8 0 1 5 m m 1 0 0 0 0 k m 国内也正在开发性能更优 越的轮箍 以取代进口箍 如果轮缘长期得不到润滑 轮轨间产生干磨 便会造成机车轮缘磨耗过快 我国对此采取了加装轮缘润滑装置的措施 并取得了良好的效果 轮缘润滑装置 中 干式润滑装置 6 是一种机械润滑装置 该装置结构简单 操作和维护方便 不 污染机车 乘务人员在检查机车的同时能很方便地检查该装置的使用情况 另一 种是轮喷油脂润滑装置 它由电控阀 风路 喷头 润滑油脂等组成 这种装置 结构较为复杂 使用中故障较多 检修时需电气 控制 机械等人员共同检查处 理 当喷嘴位置不正时给油位置得不到正确保证 油喷到踏面时容易引起机车空 转 影响机车各部件的使用寿命 干式润滑装置克服了轮喷油润滑装置的结构复杂 成本高 可靠性差 减磨 效果不明显的缺点 是一种较理想的减缓机车轮缘磨耗润滑装置 通过对使用干 式润滑和轮喷油脂润滑及未装轮缘润滑装置的机车轮缘磨耗检测数据分析 结果 表明 在同一牵引区段机车轮缘的最大磨耗速率 使用干式润滑的轮缘磨耗为 3 2 m m 1 0 0 0 0 0 k m 使用轮喷油润滑的轮缘磨耗为5 6 m m l o o o o o k m 未使用轮缘 4 润滑装置的轮缘磨耗为8 m m 1 0 0 0 0 0 k m 这说明干式润滑对轮缘减磨效果明显优于 轮喷油润滑装置 具有较高的优越性和实用性 磨耗型踏面能够减缓轮缘早期磨耗 降低轮轨应力 减少轮箍的镟削量 延 长轮箍的使用寿命 因此 我国通过推广使用磨耗型踏面来减缓轮缘磨耗取得了 一定的效果 j m 3 型磨耗型踏面便是应用最为广泛也最有代表性的一种 该踏面 适合在直线和大半径曲线的线路上运行 具有理想的减磨性能和明显的经济效益 要想对轮缘磨耗情况进行进一步深入分析 有必要了解一下j m 3 型踏面的设计原 理 j m 3 型标准磨耗型踏面的设计原理 7 3 1 设计遵循国际标准 采用国际通用原则 踏面滚动圆设置在距轮箍内侧面 7 0 m m 处 轮缘厚度的测量位置距踏面基线1 0 m m 2 设计依据 我国6 0 k g m 标准轨外形 1 4 3 5 m m 轨距 轮对内侧距1 3 5 3 3 m m 轨底坡1 4 0 同时考虑钢轨磨耗后的外形 相当于轨底坡在1 4 0 和1 3 0 之间 3 从脱轨安全性角度改进轮缘高度 轮缘角及轮缘角处斜线长度 j m 3 型轮 缘高度为2 8 m m j m 为3 0 r a m 从距内侧面4 8 m m 处测量的轮缘高度为2 5 7 m m j m 3 型轮缘角为7 0 锥形踏面的轮缘角约为6 5 j m 3 踏面的脱轨安全性比锥 形踏面有所提高 4 轮缘厚度关系到行车安全 轮轨间隙和因磨耗引起的镟轮的周期 在小半 径曲线上运用的机车 轮缘厚度磨耗到限是镟轮的主要原因 增大初始轮缘厚度 是延缓检修里程的方法之一 从轮轨间隙及道岔要求来考虑 j m 3 踏面轮缘原形 厚度增为3 4 r a m 禁用限度为2 3 m m 5 j m 3 踏面外形轮廓是根据我国t 6 0 轨钢轨头部外形 考虑避免出现轮轨两 点接触 并满足轮轨接触几何参数要求而设计的 t 6 0 轨的钢轨头部断面主圆弧半 径为3 0 0 m m j m 3 踏面外形主圆弧半径取4 5 0 m m 钢轨过渡圆弧半径为8 0 m m 和 1 3 m m 考虑到制造公差 为避免出现轮轨两点接触 过渡圆弧半径取1 0 0 r a m 轮 缘根部圆弧半径取1 4 m m 取轮半径为5 2 5 m m 内燃机车 钢轨头部圆弧半径为3 0 0 m m 计算得到j m 3 踏面与标准t 6 0 轨匹配时的最大接触应力为8 6 5 m p a 比锥形踏面减少3 1 降低 了轮缘接触应力 有助于减缓磨耗 防止剥离等 对轮轨接触几何参数的要求是 具有理想可变的等效斜度和重力复原刚度 轮轨接触区尽可能等宽 其中最重要的是等效斜度值 轮对位移小时其值应小 而在轮对位移大时 等效斜度值应迅速增大 以利于曲线通过 在轮廓外形设计 中进行各圆弧圆心坐标值选取时 将等效斜度值是否满足要求作为判据 5 1 3本论文的研究背景 北京铁路局唐山机务段机车全部使用j m 3 型磨耗型踏面 对运用机车的轮缘 非正常磨耗现象进行了大量跟踪和调查实践 1 0 0 台s s l 型电力机车轮缘磨耗的平 均速率十万公里0 3 9 m m 个别机车发生轮缘偏磨以后轮缘磨耗的速率甚至达到十 万公里4 3 m m 是平均磨耗速度的1 1 倒9 在轮对镟修中对轮径的测量结果发现 发生轮缘偏磨的轮对 轮对左右轮径差也很大 为改进机务段轮对镟修工艺 改 善轮缘偏磨现象 2 0 0 7 年 唐山机务段与北京交通大学组成课题组 共同承担了 延长运用机车轮缘使用寿命的研究 项目 对轮径差与轮缘偏磨的机理进行深 入研究 1 4本论文的研究思路以及主要工作 1 4 1 本论文的研究思路 本文在分析引起轮缘偏磨各种原因的基础上 从轮轨几何接触理论和轮轨磨 耗理论出发 根据机车运用部门提供的轮对检修数据 利用计算机仿真方法深入 研究了轮径差与轮缘偏磨的机理 为机务段通过改进轮对镟修工艺提高轮缘使用 寿命提供了理论依据 1 4 2 本论文的主要工作 1 利用动力学仿真软件a d a m s r a i l 中的轮轨接触模块分析了标准j m 3 踏面 不同轮径差情况下滚动半径与轮对横移量的关系 2 根据机车动力学参数 利用a d a m s r a i l 动力学仿真软件建立机车模型 针对轻微偏磨j m 3 踏面 中度偏磨踏面和重度偏磨踏面在不同线路工况下具有不 同轮径差的情况进行仿真 3 分析直线运行和曲线通过时的轮对对中位置变化 4 研究曲线通过时磨耗指数随轮径差的变化规律 5 综合轮轨几何接触仿真和动力学仿真结果 研究轮径差与轮缘偏磨机理 6 协助现场工程师完善调整轮径差提高轮缘使用寿命的工艺方案 6 2 轮轨几何接触仿真及分析 m s c a d a m s r a i l 采用的轮 轨单元模型是建立在大量研究成果的基础上的 经过多年的发展 轮 轨单元的描述已经从简单的弹性约束和基于接触点处几何曲 率的接触轨迹的计算 发展到通过计算接触体的弹性变形得到法向力和接触物体 的弹性变形引起的接触面变形的模型 1 0 1 1 1 1 2 1 2 1仿真过程中用到的参数介绍 1 滚动圆直径 由于车轮踏面具有斜度 故在不同位置测得的车轮直径有所不同 规定在距 离车轮轮缘内侧7 0 m m 处测得的车轮直径为为名义直径 该圆称为滚动圆 即以 滚动圆的直径作为车轮的名义直径 我国内燃机车的名义直径为1 0 5 0 r a m 电力机 车的名义直径为1 2 5 0 r n m 动车组的名义直径为9 1 5 r a m 和名义滚动半径相对应 的是实际滚动圆半径 车轮由于蛇形运动 不平顺激扰 轮径差等原因实际滚动 圆半径会和名义滚动圆半径不同 2 轮对横移量 轮对横移量即轮对中心相对于轨道中心线的横向位移 如果轮对的横移量过 大 就会使轮轨间隙过小 增大钢轨内侧贴靠轮缘的几率 造成轮缘磨耗加剧 我国铁路的标准轨距为1 4 3 5 m m 轮对内侧距为1 3 5 3 m m j m 3 踏面的轮缘厚度为 3 4 m m 可得每侧的轮轨间隙e 1 4 3 5 1 3 5 3 3 4 x 2 2 7 m m 故进行动力学仿真时 轮对的横移量一般不应超过7 m m 3 轮对踏面的等效斜度 1 3 锥形踏面在滚动圆附近为一斜度为九的直线段 故等效斜度为常数九 当轮对 中心离开对中位置向右移动一个量圪时 左右轮的实际滚动圆半径分别为 局 a o 一名匕 2 1 r r a 匕 2 2 其中 r 局 尺 分别为名义滚动圆半径 左轮实际滚动圆半径 右轮实际 滚动圆半径 力为踏面斜度 匕为轮对横移量 由此可导出踏面斜度与滚动圆半径和轮对横移量的关系 五 r r 2 3 2 l 当轮对横移量保持车轮和钢轨的接触点在踏面的直线段范围内时 九为常数 7 但当轮轨接触点超出直线段范围时 九不再是一个常数 而是随轮对横移量的变化 而变化 此时计算踏面斜度要取其等效值 称为踏面等效斜度 用丸表示 锥形 踏面经磨耗后 或直接将车轮做成磨耗型踏面即是如此 计算公式如下 以 学 2 4 上w 踏面的等效斜度影响机车的曲线通过性能和临界速度 增大踏面的等效斜度 可以通过较小半径的曲线 但机车的临界速度也大大降低 其关系错综复杂 有 必要作进一步研究 4 轮径差与轮对横移量的关系 假设同一轮对左右两轮的名义滚动圆半径分别为如 如 且有r o 如 实 际滚动圆半径分别为局 耳 踏面的等效斜度为五 则轮对在平直钢轨上运行时 必然利用踏面斜度来调节对中位置 使轮对向半径较小的一侧横移 设横移量为 l 此时 左右轮的实际滚动圆半径分别为 r 1 r o 屯 i i 2 5 b l e o 一以 j r 2 6 为保证轮对在平直轨道上作纯滚动 则左右轮的走行距离应该相同 即 r 尺 故可以得出轮对横移量与名义滚动半径差的关系 匕 等粤 2 7 厶 j m 3 踏面与t 6 0 轨相匹配时 对不同轮径差下的接触特性进行仿真分析 1 4 1 考虑到实际线路的轨底坡维护公差 轮轨匹配工况包括1 4 0 1 3 0 及1 2 0 的轨底 坡 同时考虑到机车轮径的差异 分别对滚动圆直径为1 0 5 0 m m 和1 2 5 0 m m 的两 种情况进行计算 为了便于比较 首先仿真分析没有轮径差时 左右滚动圆半径差之半和等效 斜度随轮对横移量匕 r a m 的变化情况 然后仿真分析存在不同的轮径差时的变 化情况 1 5 1 6 1 7 1 2 2左右轮无轮径差的匹配特性及分析 图2 1 即为用a d a m s r a i l 轮轨接触单元计算所得结果 2 毒对矗移 t i 二j 7 2 蠢对矗移 i l l 7 a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 m m b w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 r a m 1 1 1 4 0 轨底坡 1 t r a c ki n c l i n a t i o n 1 4 0 o z3 7 轮耐横咎量 m m o 2345 7 轮对横咎量 硼 a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 10 5 0 r a m b w h e e ld i a m e t e r 12 5 0 m m 2 1 3 0 轨底坡 2 t r a c ki n c l i n a t i o n 1 3 0 0 2 3 5 78 轮对横穆量 嗍 o 2 34 5 7 轮对横穆量i m a 轮直径为1 0 5 0 r a m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 m m b w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 m m 3 1 2 0 轨底坡 3 t r a c ki n c l i n t i o n 1 2 0 图2 1 无轮径差时j m 3 踏面与t 6 0 轨匹配时的几何接触关系 f i g 2 1g e o m e t r yc o n t a c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nj m 3t r e a da n dt r a c k6 0 w h e nw i t h o u tr o l l i n gr a d i u sd i f f e r e n c e 9 3 2 1 o l一辞n枷犁井稃键辞 埘 r 5 0 2 一l一非n利瞰井稃群辑榀埘 r 5 2 o l一井n捌取非露群牟佴埘 7 5 0 2 一e 一非n糍掣井骨群聋椰埘 7 5 2 1 o ee一井n期掰 稃鹱辩佴州 7 5 4 3 2 o ee一井n榭取斗臀嚣群拇删 为了便于分析 将图2 1 所示内容经过计算列表如下 表2 1 计算求得的踏面等效斜度 轨距为1 4 3 5 m m t a b 2 1c a l c u l a t e de q u i v a l e n tc o n i c i t yo f t r e a d g a u g e 1 4 3 5 m m l 4 01 3 01 2 0 车轮直径 匕 l m m 3 m m 7 m ml l m m3 m m 7 m m圪 l m m3 m m 7 m m 1 0 5 0 m m0 1 lo 1 10 2 4o 1 30 1 20 2 10 0 4o 0 50 1 1 1 2 5 0 m mo 1 10 1 lo 2 60 1 3o 1 20 2 20 0 40 0 5o 3 3 j m 3 踏面与标准的t 6 0 轨匹配特性表明 首先 随着轮对横移量的增加 左 右车轮的滚动半径之差逐渐增大 轨底坡和车轮直径都对滚动半径之差增大的幅 度产生影响 其次 j m 3 踏面的等效斜度在轮对横移量7 m m 范围内一般小于0 2 5 尤其是l m m 一3 m m 范围内 等效斜度小于o 1 2 轨底坡和车轮直径对等效斜度的 影响很小 对于直径为1 0 5 0 m m 的车轮 从j m 3 踏面与标准t 6 0 轨匹配的滚动半径差之 半与轮对横移量的曲线图来看 1 4 0 轨底坡情况下 当轮对处于对中位置时 左 右车轮滚动直径差为0 轮对横移量为2 m m 时 产生l m m 的滚动直径差 轮对横 移量为4 m m 时 产生2 m m 的滚动直径差 轮对横移量为6 m m 时 产生4 m m 的 滚动直径差 对于直径为1 2 5 0 m m 的车轮 也可按照上述情况分析 由于蛇形运 动 机车在正常运行情况下 除了在小半径曲线运行 轮对偏离轨道中心线的摆 动幅度在 4 4 m m 之间 所以机车正常运行情况下 采用j m 3 踏面的轮对左右车 轮并非一直以相同的滚动圆半径滚动 而是交替出现0 2 m m 范围内的直径差 我 国铁路名义轮轨间隙 每侧 大约为7 m m 大于机车正常运行条件下因蛇形运动 而引起的轮对偏离轨道中心线的摆动幅度 4 一 4 m m 因此 在这种情况下 轮缘和 钢轨内侧贴靠的几率很小 2 3左右轮存在轮径差时匹配特性及分析 假设同一轮对左右两车轮的名义滚动圆半径分别为如 且如 r 伽 实际滚动圆半径分别为心 考虑到不同的轨底坡 其仿真结果如图2 2 2 3 2 4 所示 1 0 e 蟊n w 井n 哥 臀0 e a e 氍 监 秘 磷 e 一 嘲 非 雷 臀 链 崆 馘 e 一 蹙 重 嚣 鹱 监 韫 d d o 0 伯 5 轮对横向位移 m e 一 盛 非 鼍 嚣 麓 避 械 弋产 一一 i s w4o 侣 轮对横向位移 f 嘶 a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 r a m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 m m w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 r a m 1 左右车轮直径相差l m m 1 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e i m m l l 1 0 05 o 轮对横向位移 哪 1 5 1 0 o 5伸 轮对横向位移 m 们j a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 m m b w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 m m 2 左右车轮直径相差2 m m 2 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 2 m m 1 5 1 0 o5 o 侣 轮对横向位移i 仰 菖一 卑 斗 窗n 嚣 镌 脯 监 嗣 蔚 轮菇横向龟移 i l a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 r a m c o w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 r a m 3 左右车轮直径相差3 m m 3 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 3 m m 图2 2 轨底坡为1 4 0 左右轮存在轮径差时实际滚动半径随横向位移的变化关系图 f i g 2 2t r a c ki n c l i n a t i o n 1 4 0 r e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t u a lr o l l i n gr a d i u sa n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t w h e ne x i s t i n gw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 蝴 嘲 蝴 一 憾 一 皇 矩斗膏帮舞恒馘 莒 建lo 非 重o m 侣 謦os 监 诫0 1 5 t 5 t o 5o5均 5 轮对横向位移 胁 e 一 榭 罾 蒋 壤 监 七i 轮斋横向 位移厶 a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 r a m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 m m b w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 r a m 1 左右车轮直径相差l m m 1 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e l m m e 搿 斗0 4 0 圉 稃 氍 啦o m 林 t 1 5 t o 05伸 轮对横向位移i m l 0 1 1 e i 井o m 圈 需a 薯 链 监o o 袜 o 笛 o t 5 1 1 9 5 05伯 侣 靶对横向位移 舢 a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 10 5 0 r a m b w h e e ld i a m e t e r 12 5 0 m m 2 左右车轮直径相差2 m m 2 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 2 m m 0 0 5 e n 5 惦 嘲 0 匦 臀o 瓣 崆o 林o en 搿o m 非 冒 擂 穗o 篮 嗣 o n 1 0 t 0 505 t 0 5 侣 1 0 6 0 5伸1 5 轮对横向位移in 砷 轮对横向位移 r m j a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 r a m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 m m b w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 m m 3 左右车轮直径相差3 m m 3 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 3 m m 图2 3 轨底坡为1 3 0 左右轮存在轮径差时实际滚动半径随横向位移的变化关系图 f i g 2 3t r a c ki n c l i n a t i o n 1 3 0 r e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t u a lr o l l i n gr a d i u sa n dl a t e r a l d i s p l a c e m e n tw h e ne x i s t i n gw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 1 2 嘲o 5 非 圈o m 稃 氍o 5 匿 袜0 5 嚣 1 5 1 0 605k i 轮对横向位移 m m e o 糟 础 非o m 圉 嚣0 m 爱 崆o m 林 4 一 轮备横向 位移厶 l a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 m m mw h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 m m 1 左右车轮直径相差l m m 1 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e l m m o 5 5 5 0 5 e 蟪i 井n m 圉 臀n 麓 监0 5 七i 0 瞄 n 1 5 t 0 5051 0侣 轮对横向位移 m 一 搿 卜 矗 需 琏 监 嗣 t l l 1 0 o 5 ot 轮对横向位咎i i 硼 a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 10 5 0 m m b w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 m m 2 左右车轮直径相差2 m m 2 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 2 m m e0 a 1 4 6 强 抖o m 墨 臀o m 糍o 监 诫o 4 5 t 0 05 o1 5 轮对横向位移l i w e 掣 扑0 5 营 擦0 0 笃 装 篮 能o 轮嚣横向 位移 a 轮直径为1 0 5 0 m m b 轮直径为1 2 5 0 m m a w h e e ld i a m e t e r 1 0 5 0 m m b w h e e ld i a m e t e r 1 2 5 0 m m 3 左右车轮直径相差3 r a m 3 w h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 3 m m 图2 4 轨底坡为1 2 0 左右轮存在轮径差时实际滚动半径随横向位移的变化关系图 f i g 2 4t r a c ki n c l i n a t i o n 1 2 0 r e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t u a lr o l l i n gr a d i u sa n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t w h e ne x i s t i n gw h e e ld i a m e t e rd i f f e r e n c e 1 3 由于假定同一轮对右侧车轮直径大于左侧车轮直径 造成了轮径差的存在 轮对需要横移一定的距离才能使左右轮的实际滚动圆直径相同 其中 图中两曲 线交点的横坐标值表征了轮对横移量的大小 表2 2 即是两种车轮直径 1 0 5 0 m m 1 2 5 0 r a m 三种轨底坡 1 4 0 1 3 0 1 2 0 车轮的各种不同轮径差 1 m m 2 m m 3 m m 4 m m 5 m m 下的轮对横移量的总结 其中 表示左移 表2 2 车轮直径差与轮对横移量关系的分析值 t a b 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw h e