单轮对脱轨试验及其理论分析.docx

单轮对脱轨试验及其理论分析3张卫华薛弼一吴学杰胡柳嘉(西南交通大学 成都)提 要 介绍了在滚动振动试验台进行的单轮对脱轨试验的试验系统、试验过程和试验结果, 同时利用仿真计算, 对单轮对试验进行理论计算, 并就单轮对脱轨问题进行探讨, 提 出轮载荷减载率是引起脱轨的主要原因。关键词 脱轨 轮对 试验中图分类号 u 260exper im en t an d ana ly s is of the s in g le w hee lse t d era ilm en tzh an g w e ih u ax u e b iy i w u x u e je h u l iu ja(n a t io na l t rac t io n pow e r l abo ra to ry, so u thw e st j iao to ng u n ive r sity, c h engdu 610031, c h ina)a bstra c t a cco rd in g to th e de ra ilm en t exp e r im en t w ith a sin g le w h ee lse t o n ra ilw ay veh ic lero lle r r ig , th e te st fac ility, te st in g p ro ce ss an d te st re su lt s a re in t ro du ced in th is p ap e r. t h e te st in g p ro ce ss o f th e sin g le w h ee lse t de ra ilm en t is sim u la ted w ith com p u te r. t h e p ro b lem s abo u t th e sin g le w h ee lse t de ra ilm en t a re an a lyzed in de ta il, an d it is fo u n d th a t th e u n lo ad in g ra te o f w h ee l lo ad is o n e o f m a in rea so n s o f g iv in g r ise to de ra ilm en t.keyword s de ra ilm en t; w h ee lse t; te st铁路的牵引动力从蒸汽机车到高速电力机车, 技术日新月异, 但脱轨问题却至今 仍未彻底解决。所以, 铁路发达国家都加强对脱轨问题的研究, 制定更为有效的脱轨安全标准, 尽管这样, 脱轨事件时有发生。 所 以, 对 脱 轨 问 题 的 研 究, 特 别 是 试 验 研 究, 还是很有必要的。1单轮对脱轨试验系统介绍图 1 为单轮对脱轨试验系统, 图中下图 1 单轮对脱轮试验台试验系统方为世界上第二座滚动振动试验台一根轴的试验单元, 由滚轮代替钢轨, 当滚轮滚动时, 就有3 国家自然科学基金资助项目 (n o. 59338150)收修改稿日期: 1997204225 张卫华 男 1961 年出生 教授西南交大牵引动力国家重点实验室 邮编: 61003140 铁道学报第 20 卷了类似于车辆轮对相对于轨道的运动。滚轮的上方为试验型测力轮对, 轮对由弹性拉杆在纵向和横向悬挂定位, 并可通过拉杆测定悬挂力, 轮对左右轴箱上方各有一加载油缸, 通过垂向弹 簧作用到轴箱上, 实现轴载重。 试验时实时记录轮对及滚轮转速、轮轨力 (测力轮对) 和悬挂力( 拉杆力)。 由于滚动振动试验台的滚轮可独立地在横向和垂向进行激振, 以模拟轨道的不平 顺, 故试验可分动态试验 ( 加激振) 和稳态试验 ( 不加激振) , 本文讨论不加激振的稳态试验工况。2仿真计算模型试验轮对的受力情况, 如图 2 所示, 其中轮对受到轮轨力作用, 如正压力 n 、蠕滑力 t 1 和t 2、蠕滑力矩 m 3 作用, 轮对还受到 一 系 悬 挂 力 f x、f y、f z 及重力 w 的作用, 图中符号的下标 1, 2 指左右轮。这时, 轮对有 4 个独立自由度 (x 、y、) ,轮对在试验台滚轮上的运动可表达为图 2 单轮对受力状态m w x= t x 1 + t x 2 + n x 1 + n x 2 + f x 1 + f x 2m w y= t y 1 + t y 2 + n y 1 + n y 2 + f y( 1 )( 2 )iw y = r z 1 (t x 1 + n x 1 ) + r z 2 (t x 2 + n x 2 ) - r x 1 (t z 1 + n z 1 ) -r x 2 (t z 2 + n z 2 ) + m y 1 + m y 2 + u s re (f z 1 + f z 2 )( 3 )iw z = - iw y 8 w + r x 1 (t y 1 + n y 1 ) + r x 2 (t y 2 + n y 2 ) -r y 1 (t x 1 + n x 1 ) - r y 2 (t x 2 + n x 2 ) + m z 1 + m z 2 - b1 (f x 1 -f x 2 )( 4 )在以上 4 个公式中, t x、t y、t z、m x、m y、m z 和 n x、n y、n z 为蠕滑力 t 1、t 2 , 蠕滑力矩m 3 及压力 n 在 x y z 坐标的分量, r x、r y、r z 为轮对中心到接触点距离, 式 ( 3 ) 中, u s、re 为轴箱轴承的 摩擦系数和当量摩擦矩, 为沿 y 方向的滚动自由度。利用轮对在滚轮上不离开的原则, 由约束方程, 可求得左右轮正压力f 33z (r z 2 sin 2 -r y 2 co s2 co s2 ) + co s2 co s2m ( 5 )n 1 =f 33z (r z 1 sin 1 + r y 1 co s1 co s1 ) - co s1 co s1m n 2 =( 6 )式中 = co s1 co s1 (r z 2 sin 2 + r y 1 co s2 co s2 ) + co s2 co s2 (r z 1 sin 1 - r y 2 co s1 co s1 )f 3z = m w z + w - t z 1 - t z 2 + f z 1 + f z 2m 3 = iw z - iw y 8 w - r y 1 t z 1 - r y 2 t z 2 + r z 1 t y 1 + r z 2 t y 2 - (m x 1 + m x 2 ) + b1 (f z 1 - f z 2 )这里 1、2、1、2 为左右轮接触角及滚轮接触偏角。 有了轮对运动方程和轮轨力计算方法, 就不难进行有关单轮对脱轨试验的仿真计算。3单轮对脱轨分析脱轨问题的理论分析早在 1896 年, m . j. n ada l 就根据单轮轮轨接触点的力平衡提出了第 1 期单轮对脱轨试验及其理论分析41著名的 n ada l 公式, 这公式是最简单的脱轨条件, 并沿用至今, 由图 3 可写出 n ada l 公式q = tan i ( 7 )p 1 1tan 式 ( 7 ) 中的符号是根据车轮的向上或向下滑动的方向确定的, 当取 = 70, = 0. 3 时, 有q tan - = 1. 34向下滑p 1 1+ tan q tan + = 17. 34向上滑1- tan p 1也就是说, 当q 17. 34, 车轮是绝对要往上滑, 并脱轨; 当 1. 34q 17. 34, 车轮处于不滑停p 1p 1滞状态, 但这时可能会因车轮滚动而慢慢爬上轨; 当 q 1. 34 时, 车轮绝对不会向上滑而脱p 1轨。 所以, n ada l 脱轨标准取q 1. 34 是一种保守的标准。p 1图 3 轮轨接触点力平衡图图 4 轮对脱轨的作用力情况实际的轮对脱轨问题远比单轮对接触情况复杂得多。对图 4 所示的轮对脱轨作用力情况,轮对在横向力 h的作用下, 轮对向上或向下滑动临界状态时, 有力平衡关系 (略去轮对重量)n 1 sin 1 i n 1 1 co s1 - n 2 sin 2 i n 2 2 co s2 - h = 0( 8 )( 9 ) (10)(b+ a ) f z 2 - (b- a ) f z 1 -(b- a ) f z 2 - (a + b) f z 1 -由式 ( 9 ) 和式 (10) 可得h r- 2a (n 2 co s2 i n 2 2 sin 2 ) = 0h r+ 2a (n 1 co s1 n 1 1 sin 1 ) = 0 (a + b) f z 1 - (b- a ) f z 2 + h rn 1 =2a (co s sin )1 1 1 (a + b) f z 2 - (b- a ) f z 1 - h rn 2 =2a (co si sin )2 2 2显然, 由于横向力 h 的作用, 使爬轨侧正压力 n 1 加大, 而另一侧则减载, 爬轨侧垂向轮轨力p 1 为 (a + b) f z 1 - (b- a ) f z 2 + h rp 1 = n 1 (co s1 1 sin 1 ) =当力平衡式 ( 8 ) 成立时有(11)2atan 1 i 1 )tan 2 2a (f z 1 + f z 2 ) + b (f z 1 -f z 2 ) 1 tan - a (f z 1 + f z 2 ) - b (f z 1 - f z 2 ) 1i 2 tan 21 1h = tan 1 i 1 + tan 2 22a - r11 tan 11i 2 tan 2(12)42 铁道学报第 20 卷式 ( 8 ) 到 式 ( 12 ) 中 的 符 号 取 上 为 下 滑 状 态, 取 下 为 上 滑 状 态。 当 取 1 = 70, 2 = 3,1 = 2 = 0. 3, a = 717. 5 mm , b= 900 mm , r= 420 mm , 在轮对下滑临界状态, 取 f z 1 = f z 2 = f zq 1h h 时, 即没有偏载, 有 h = 1. 957f z , p 1 = 1. 527f z , 这样p= 1. 244, 同样算得= 1. 342。单从p 1p 11对左右轮正压力的影响时的h 值一致, 但达到这来看, 这一结果似乎与原来不考虑横向力 hp 1样的h 值并不意味着就达到临界状态, 同时要求 h = 1. 957f , 这样大的横向力一般是达不到zp 1的。 h 值并不是脱轨充分条件。p 1当考虑偏载后, 即 f z 1 f z 2 , 取 f z 1 + f z 2 = 2f z , 轴f z 1 -f z 2 时 (轮载荷减载率与轴负荷负荷减载率为 =2f z减载率成正比, p = a ) , 我们给出在满足力平衡条p b件, 不同轴负荷减载率下的正 压 力 n 1、n 2 和 横 向 力q 1 h h , 脱轨系数p 1、 , 如图 5 所示。可以看到, 随着减载p 1率的加大, 正压力 n 1 在减小, n 2 在增大, 为保持平衡所需的横向力 h 随着 的增大而减小, 当轴负荷减载 率达到 0. 45 时, 即 f z 1 = 0. 54f z , f z 2 = 1. 46f z 时, 即轮载荷减载率为 0. 564 时, 不加横向力也能使轮对保持图 5 不同轴负荷减载率下的轮轨力和横向力q 1不下滑, 这说明偏载对脱轨影响极大。 另外, 在有偏载后, h 是变化减少的, 而是不变值, 与p 1p 1偏载无关, 在有偏载后h 与并不等价, 用来衡量脱轨, 无法反映出轮载荷减载的作用。 q 1q 1p 1 p 1p 1对轮对上滑的临界状态, 由式 (12) , 取下符号, 算得 h = - 4. 35f z , 这一结果显然是不成立的, 也就是说, 无论横向力 h有多大, 却不可能使轮对向上滑, 满足式 ( 8 ) 的平衡条件, 当横向力大到一定程度, 会使非爬轨侧的车轮腾空。根据上面的分析, 可以看到, 在没有偏载的情况下, 横向力 h 的作用并不是引起脱轨的主 要原因, 而且可以说, 几乎不可能引起脱轨, 当有一定偏载后, 随着轮载荷减载率的增大, 脱轨条件就很容易得到满足, 产生脱轨。单轮对在试验台上的脱轨试验及仿真计算4在试验台上进行的单轮对脱轨试验, 主要进行了不同横向力作用下, 不同轴重偏载率下,不同摇头角下的的脱轨情况。 由于试验台试验过程, 对试验台滚轮造成严重的磨损, 故不同工 况组合试验进行得较少。4. 1不同横向力作用对脱轨的影响试验结果表明, 当垂向作用力合力为 120 kn , 在没有摇头角情况下, 即使有偏载, 在左右 轮的垂向力作用 f z 1 f z 2 210 时, 横向力加大到 150 kn 时, 也没有出现脱轨, 仅仅是出现了由二点接触变成一点的轨缘接触。 在仿真计算中, 横向力大到使非爬轨侧轮腾空, 也没有出现脱轨, 这时的 q 1 p 1 值达到 3. 4, q 1 p 1 与轮对位置的关系如图 6 所示。第 1 期单轮对脱轨试验及其理论分析43图 6q 1 p 1 与轮对位置的关系图 7 不同轴负荷减载率下的对轮运动在有摇头的情况下, 横向力对脱轨的影响有所加大, 但也需有足够的偏载率。试验表明, 当摇头角 = 0, 2时, f z 1 f z 2 = 210 时可实现脱轨。4. 2不同轴负荷减载率对脱轨的影响在文献4中指出“几次脱轨事故的实例和试验研究结果表明, 引起脱轨的重要原因, 轮载 荷的减载率是第一位的, 侧向力的增大则是第二位的”, 试验和仿真计算证实了这一点。在没有轮对摇头的情况下, 当 f z 1 f z 2 = 111 时, 试验表明, 将出现脱轨。图 7 是不同 f z 1 f z 2 比值下的 模拟计算情况, 轮对随着 f z 1 f z 2 的减少, 轮对向外滑动的速度加快, 而且平衡位置不断外移,当达到 111 时出现了脱轨, 试验结果与仿真计算的比较如表 1 所示, 这与试验结果比较一致。在轴负荷减载率作用下轮对外移平衡位置 表 1在有摇头角的情况, 脱轨时临界状态的f z 1 f z 2 随着摇头角的增大而增大, 即有了摇 头角后脱轨更容易, 当取 f z 1 f z 2 为 39 时,在不同摇头角下的轮对运动 情 况 如 图 8 所示。显然, 随着摇头角的增大, 轮对外移加快,并在摇头角达到 0. 9时, 出现脱轨。f z 1f z 2574839210111仿真计算结果试验结果10. 653 10. 717 10. 789 11. 267脱轨脱轨10. 55 10. 84 11. 23图 8 不同摇头角时的轮对运动图 9 不同摇头角下的临界轴负荷减载率当加载有偏载而没有横向力作用时, 可得到不同摇头角下临界脱轨时的轴负荷减载率变化情况, 如图 9 所示。 显然, 随着轮对摇头角的增大, 偏载引起脱轨的临界轴负荷减载率在减44 铁道学报第 20 卷少, 并成线性减少。所以, 当车辆运动在曲线或过渡曲线上时, 轮对由于受到轮载荷减载和轮对摇头角 (冲角) 的共同影响, 容易造成脱轨。4. 3速度对脱轨的影响 目前列车运行的速度在不断提高, 最高试验时速超过了 500 km h , 国外一般高速线上的列车速度也在 250 km h 以上, 高速情况下的安全性尤为重要。至今在高速列车上还没有出现过脱轨问题, 这一点归功于线路和车辆状态的良好和相互适应性, 轮载荷减载率的减少, 是确 保高速列车安全的重要原因。单轮对试验中, 速度对脱轨的影响并不十分明显, 但在仿真计算中, 可看到图 10 的情形, 这时摇头角为零,f z 1 f z 2 值不变, 随着模拟速度的提高, 轮对外移速度加图 10 不同速度下的轮对运动快, 并在平衡位置附近出现振荡, 振荡幅度随速度的提高而增大, 并在速度达到 150 km h 出现脱轨 (跳轨)。 可以看到, 随着速度的提高, 特别是轮对一旦出现蛇行时, 轮对运动速度加剧, 将增加