四种典型踏面对公铁两用车动力学性能的影响

公铁两用车能在公路和铁路上运行,机动灵活,用途广泛,随着我国铁路的发展,公铁两用车的优势将变得越来越突出[1] 。公铁两用车最核心的装置就是钢轨走行装置,同时也是区别于一般公路车辆的特征。由于公铁两用车的经济性和特殊性要求,其钢轨走行装置结构相对简单,不会采用复杂的悬挂系统,因此,采用合理的钢轨轮踏面,对车辆的运行性能和安全性能至关重要。关于踏面设计主要有圆弧拟合法、高次曲线拟合法和轨头型面反推法[2] 。上述方法对设计人员理论功底要求比较高,而且缺少现场实践检验,可靠性很难达到要求。本文采用技术非常成熟而且有代表性的4 种踏面:锥形踏面、机车JM 磨耗型踏面、车辆LM 磨耗型踏面和UIC S1002 磨耗型踏面(车轮内侧距1 358 mm),通过分析4 种典型踏面对公铁两用车性能的影响,为同类公铁两用车钢轨轮踏面设计提供参考。

1、公铁两用车结构特点及技术参数
公铁两用车是指既可以在公路行走又可以在铁轨上运行的特种车辆,一般由公路车辆加装钢轨走行装置改装而成,灵活机动,作业范围广。

本文研究的对象为某型分动式公铁两用工程车。该车辆在公路车车架前后两端加装钢轨走行装置,由于公铁两用车的结构特点,钢轨走行轮采用独立轮对,而非传统的整体刚性轮对,公铁两用车主要技术参数见表1。


2、踏面分析
该车的钢轨走行装置采用独立旋转车轮,其不同于传统刚性车轮,传统刚性轮对在发生横向偏移时可以产生纵向蠕滑力和蠕滑力矩,从而实现自动对中;而独立轮对由于两车轮解耦,不存在蠕滑力,不能够产生自动对中,只能依靠左右车轮的接触角差产生的重力复原力和轮缘导向,所以合理的踏面形状对独立轮对至关重要[3—4] 。

车轮踏面外形设计通常要考虑以下几点:提高脱轨安全性,曲线通过性能要好,能顺利通过道岔,磨耗要小,运行稳定性要好。而上述几点中存在彼此矛盾的地方,踏面很难满足所有上述要求[5] 。由于公铁两用车属于非标特种车辆,运行速度较低,使用时间和频率都远小于普通轨道车辆,所以对公铁两用车踏面的设计更为侧重于提高运行安全性。

2. 1　踏面形状与尺寸
踏面主要由轮缘、过渡圆段、踏面中段和踏面尾段组成。本文采用4 种踏面分别为锥形、机车JM 磨耗型、车辆LM 磨耗型和UIC S1002 磨耗型踏面,其中锥形、机车JM 磨耗型、车辆LM 磨耗型踏面为圆弧和直线组合而成,UIC S1002 磨耗型踏面为高次曲线拟合而成。锥形踏面最主要的特点是踏面中段和尾段由两段直线组成,过渡圆半径为18 mm,轮缘高25mm,轮缘与过渡圆直接是圆弧相切而成,中间没有直线,没有轮缘角。UIC S1002 磨耗型踏面提供两种不同车轮内侧距,本文采用1 358 mm 内侧距,轮缘高为30 mm。JM 型和LM 型踏面组成有点相似,踏面中段均由半径100 mm 和500 mm 的圆弧以及半径220mm 的反圆弧组成,轮缘与过渡圆弧之间有一段直线,该直线对抗脱轨稳定性具有非常关键的作用,轮缘角均为70°,JM 型踏面轮缘相对LM 型踏面高3 mm。

2. 2　轮轨接触几何关系
本文采用UIC 60 钢轨与车轮进行匹配,通过多体动力学软件SIMPACK 进行轮轨接触几何关系分析,由于SIMPACK 软件没有自带上述踏面数据,需将CAD 图形提取坐标数据导入SIMPACK 软件进行前处理才能生成踏面。如图1 所示为4 种不同踏面的轮轨接触关系,左横移25 mm,右横移10mm,步长为0. 7 mm。由图可以看出锥形踏面接触点非常集中,在钢轨中心靠内侧10 mm 处,这样钢轨磨耗会非常严重;S1002 型踏面接触最为均匀,LM 型踏面相对JM 型要均匀,在过渡圆处有一次跳跃。

 

 

3、计算模型
公铁两用车系统是一个复杂的多自由度多体系统,为了尽可能地体现其动力学性能,方便计算和分析,在建立动力学模型的时候作如下假设:车辆系统中的车体、导向轮等部件均看作刚体,不考虑其变形;只考虑钢轨的不平顺,不考虑其弹性变形;在铁路走行模式下,钢轨走行装置构架与车体没有相对位移。采用多体动力学分析软件SIMPACK 进行计算分析,在SIMPACK 中建立传统轮对时只要定义1个刚体,生成轮轨元件属性。建立独立旋转轮对时需要定义3 个刚体,即1 根轮轴和2 个车轮,车轴具有轮轨元件属性,另外2 个刚体代表左右车轮,绕车轴轴线具有转动自由度。从而公铁两用车动力学模型总共包括7 个刚体,即1 个车体、2 根车轴和4 个车轮,其拓扑关系如图2 所示。



1—轮轨接触约束; 2—轮轨蠕滑力; 3—6DOF 轮轨铰; 4—1DOF 铰(绕Y 轴转动); 5—力元。　


4　计算分析结果

4. 1　直线性能分析

(1) 稳定性分析
对公铁两用车前导向车轮施加10 mm 的横向初始位移,运行速度为20 km/ h,使其在没有轨道激励的直线上运行,分析公铁两用车采用不同踏面的自动对中性能。图3 为前导向轮对在直线上的横向位移图,从图3 可以看出采用JM 型和LM 型踏面可以回复到轨道中心位置左右;采用S1002 型踏面,前导向轮的响应相对较慢,达到平衡状态时,相对轨道中心的横移量为0. 8 mm;采用锥形踏面,轮对横移基本上没有变化,在9 mm 时达到平衡状态。由以上分析可知:独立轮对自动对中所需时间整体较长,自动对中性能远差于传统刚性轮对。采用锥形踏面的轮对基本没有自动对中功能,采用JM 型踏面的轮对自动对中功能最佳。



(2) 平稳性分析
平稳性分析是研究车辆在轨道运行时的振动情况,是评价运行品质的主要指标。GB5599 规定采用Sperling 平稳性指数进行评价,取司机室座椅处为测量点,车辆运行速度为20 km/ h,在平直轨道上运行,轨道激励采用美国轨道5 级谱。由于公铁两用车属于特种车辆,可以按GB5599—85 货车标准来进行评价。表2 为采用不同踏面公铁两用车的运行平稳性指数,由表可以看出公铁两用车采用锥形踏面垂向平稳性为良好,采用其他3 种踏面垂向平稳性均为优;横向平稳性4 种踏面均为优。S1002 型踏面最为平稳,锥形踏面平稳性最差,LM 型踏面平稳性要略优于JM 型踏面。



4. 2　曲线通过性能分析
曲线通过性能关系到车辆运行的安全性能,根据GB5599—85 的规定,采用脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力作为车辆运行安全性的评价指标。本文采用曲线半径为300 m,缓和曲线15 m,超高60 mm,轨道激励采用美国铁路5 级谱,车辆运行速度为20 km/ h。

(1)脱轨系数脱轨系数采用Nadal 系数,即同一时间点车轮作用于钢轨的横向力与垂向力之比: QP= tanα - μ1 + μtanα式中:α 为车轮轮缘角;μ 为轮缘与钢轨侧面摩擦系数。根据GB5599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》,脱轨系数容许值为:QP≤1. 2;安全值为:QP≤1. 0。

 
图4 为不同踏面下前导向轮左侧车轮脱轨系数时域曲线,从图可以看出车辆进入曲线后脱轨系数急剧增加,对曲线上的脱轨系数进行统计处理取得最大值见表3,

表3 为不同踏面下前导向轮对左右车轮的脱轨系数最大值,从表3 可以看出公铁两用车脱轨系数均小于标准的安全值,满足要求。


S1002 型踏面脱轨系数最小,抗脱轨性能最好,锥形踏面脱轨系数最高,LM 型与JM 型比较接近,LM 型要优于JM 型。


(3)轮轨横向力轮轨间横向力过大时会造成轨距扩宽,道钉拔起或引起线路严重变形,同时对车辆结构造成损坏,GB5599—85 对轮轨横向力Q 的限制如下。道钉拔起,道钉应力为弹性极限的限度: Q ≤ 19 + 0. 3Pst 　　道钉拔起,道钉应力为屈服极限的限度: Q ≤ 29 + 0. 3Pst式中:Pst 为车轮静载荷。表5 为前导向轮对轮轨横向力,由表5 可知轮轨横向力满足标准要求,采用锥形踏面时轮轨横向力最大,采用S1002 型踏面时轮轨横向力最小,采用LM 型踏面时轮轨横向力要小于JM 型踏面。



5、结语

(1)在直线性能上,JM 型踏面由于等效锥度和左右接触角差最大,其对中稳定性最好,而锥形踏面对中稳定性最差;运行平稳性S1002 型最好,锥形踏面平稳性最差,而LM 型要略优于JM 型。

(2)在曲线性能上,采用S1002 型踏面的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力均为最小, LM 型踏面与JM 型踏面性能比较接近,LM 型轮重减载率要大于JM 型,而脱轨系数和轮轨横向力略小于JM 型,锥形踏面整体来说曲线性能最差。通过以上分析可知:公铁两用车应该优先考虑UIC S1002 型踏面,尽量避免采用锥形踏面,而JM型因为其轮缘高于LM 型,所以在安全性上JM 型踏面优于LM 型踏面。

参考文献:
[1] 　于琳琳. 公铁两用车转向架方案设计及其动力学性能研究[D]. 北京:北京交通大学,2016.
[2]　杨艳丽. 我国机车车辆车轮磨耗型踏面外形及设计方法[J]. 内燃机车,2011,(1):6—9.
[3]　孟昭明. 独立车轮踏面设计[D]. 大连:大连交通大学,2009.
[4]　任利慧. 独立车轮导向技术研究[D]. 上海:同济大学,2006.
[5]　钟晓波. 独立旋转车轮踏面外形优化设计方法[ J]. 四川理工学报(自然科学版),2016,29(3):33—36.

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