高速鐵道車輛蛇行脫軌過(guò)程及影響因素分析

高速鐵道車輛蛇行脫軌過(guò)程及影響因素分析

有效監(jiān)控和評(píng)估高速鐵路車輛的運(yùn)營(yíng)安全是確保高速鐵路安全運(yùn)行的關(guān)鍵。我國(guó)現(xiàn)行的高速鐵道車輛脫軌安全性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)仍主要沿用過(guò)去針對(duì)普速列車的脫軌系數(shù)和輪重減載率2個(gè)指標(biāo),其中脫軌系數(shù)指標(biāo)用于判斷車輛的車輪輪緣在橫向力作用下是否會(huì)因逐漸爬上軌頭而脫軌。但是,鐵道車輛高速運(yùn)行條件下的脫軌機(jī)理和過(guò)程與低速條件下有很大的差別,高速鐵道車輛與軌道結(jié)構(gòu)間的輪軌動(dòng)態(tài)作用和耦合效應(yīng)明顯增強(qiáng),使得輪軌接觸非線性因素在車輛動(dòng)力學(xué)中的作用也更加明顯。因此,高速鐵道車輛的脫軌已不僅是簡(jiǎn)單的準(zhǔn)靜態(tài)爬軌過(guò)程,而是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)脫軌過(guò)程。高速鐵道車輛脫軌通常發(fā)生在車輛喪失橫向運(yùn)行穩(wěn)定性之后,因此稱之為蛇行脫軌(跳軌脫軌)。在蛇行脫軌過(guò)程中,由于輪對(duì)的橫移速度及其所具有的動(dòng)量較大,才會(huì)使車輪在短時(shí)間內(nèi)突然跳軌而脫離軌道的約束,發(fā)生車輛脫軌事故。眾多研究結(jié)果均表明:采用Nadal脫軌系數(shù)評(píng)判小沖角情況下鐵道車輛的脫軌安全性偏于保守,且該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮非輪緣接觸側(cè)摩擦系數(shù)對(duì)輪緣接觸側(cè)的影響,因此Nadal脫軌系數(shù)只適用于對(duì)運(yùn)行速度較低、大沖角及摩擦系數(shù)值較大的鐵道車輛的脫軌安全性進(jìn)行評(píng)判。為了對(duì)任意時(shí)刻的鐵道車輛脫軌安全性進(jìn)行更準(zhǔn)確地評(píng)判,國(guó)外的一些研究學(xué)者在Nadal脫軌系數(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一些新的脫軌評(píng)判準(zhǔn)則,這些準(zhǔn)則除了考慮摩擦系數(shù)及輪軌接觸角的影響外,還考慮了沖角、橫向力持續(xù)時(shí)間、兩側(cè)車輪橫向力的相互作用和蠕滑力等多種因素的影響。在國(guó)內(nèi),文獻(xiàn)將輪軌縱向力引入經(jīng)典Nadal公式中,提出了修正的脫軌安全動(dòng)態(tài)限度;文獻(xiàn)根據(jù)脫軌系數(shù)超限時(shí)間與車輪抬升量之間的關(guān)系,提出脫軌系數(shù)大于1.0及輪重減載率大于0.6的最大允許超限時(shí)間為35ms的安全準(zhǔn)則;文獻(xiàn)提出用能量隨機(jī)分析方法評(píng)判列車是否達(dá)到脫軌條件。這些文獻(xiàn)大都關(guān)注于車輪爬軌脫軌評(píng)判方法的研究,鮮有專門針對(duì)高速鐵道車輛蛇行脫軌評(píng)判方法的論述。本文從輪軌滾動(dòng)接觸行為、車輛蛇行失穩(wěn)條件和蛇行脫軌過(guò)程等方面入手,建立高速鐵道車輛的輪軌三維幾何接觸模型、整車動(dòng)力學(xué)分析模型以及車輛失穩(wěn)以后車輪與鋼軌的碰撞模型,分析高速鐵道車輛蛇行失穩(wěn)以后車輪的運(yùn)動(dòng)特征,研究高速鐵道車輛蛇行脫軌的臨界條件,提出高速鐵道車輛蛇行脫軌的安全性評(píng)判方法。1動(dòng)態(tài)分析模塊1.1輪軌接觸點(diǎn)的確定高速鐵道車輛在脫軌臨界時(shí)刻,其輪對(duì)的橫移量和搖頭角較大,極可能產(chǎn)生輪緣和踏面同時(shí)接觸鋼軌的情況。因此為準(zhǔn)確確定輪軌接觸幾何非線性關(guān)系,分析輪緣及踏面兩點(diǎn)接觸鋼軌的情況,需要建立輪軌三維幾何接觸模型。在該輪軌接觸模型中,共設(shè)置3套坐標(biāo)系,如圖1所示。其中,軌道坐標(biāo)系記作O-XYZ,其原點(diǎn)O位于軌道中心線上,X軸指向軌道延伸的切線方向;輪對(duì)坐標(biāo)系記作o-xyz,其原點(diǎn)o位于輪對(duì)質(zhì)心上,其x軸與軌道坐標(biāo)系X軸的夾角等于輪對(duì)的搖頭角,其z軸與軌道坐標(biāo)系Z軸的夾角等于輪對(duì)的側(cè)滾角;左、右輪軌接觸坐標(biāo)系分別記作owL-xwLywLzwL和owR-oxRywRzwR,坐標(biāo)系原點(diǎn)owL和owR分別位于左、右輪與鋼軌的接觸點(diǎn)上,xwL和xwR軸均平行于軌道坐標(biāo)系的X軸,ywL和ywR軸平行于輪軌接觸點(diǎn)的切線方向,zwL和zwR軸平行于輪軌接觸點(diǎn)的法線方向。從左、右輪軌接觸坐標(biāo)系到軌道坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣可表示為同理可求得鋼軌在軌道坐標(biāo)系下的輪廓曲線。首先,在給定輪對(duì)搖頭角和側(cè)滾角的情況下,軌道坐標(biāo)系中車輪廓形上的潛在輪軌接觸點(diǎn)位于下式表示的一條空間曲線上。利用式(3)可以將x反解出來(lái)并表示為y的函數(shù),即x=f(y),然后將其代入到式(2)中,可以求得車輪廓形上若干個(gè)潛在輪軌接觸點(diǎn)在軌道坐標(biāo)系中的坐標(biāo){Xcp(i),Ycp(i),Zcp(i)|i=1,2,…},潛在輪軌接觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)在鋼軌廓形上的橫坐標(biāo)值Xrcp(i)及縱坐標(biāo)值Yrcp(i)分別與其在車輪廓形上的坐標(biāo)值Xcp(i)和Ycp(i)相同,但其在鋼軌廓形上的垂向坐標(biāo)值Zrcp(i)與在車輪廓形上的垂向坐標(biāo)值Zcp(i)不同。潛在輪軌接觸點(diǎn)在車輪與鋼軌廓形上的垂向坐標(biāo)值之差可以表示為理論上,當(dāng)且僅當(dāng)輪對(duì)左輪軌接觸點(diǎn)的DL(i)與右輪軌接觸點(diǎn)的DR(i)滿足DL(i)=DR(i)時(shí),所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即為輪軌實(shí)際接觸點(diǎn)。但在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮到計(jì)算誤差,可通過(guò)逐漸調(diào)整輪對(duì)的側(cè)滾角Ф以使左右輪軌接觸點(diǎn)的DL(i)與DR(i)滿足下式。當(dāng)求得的輪對(duì)左右潛在輪軌接觸點(diǎn)的DL(i)與DR(i)滿足式(5)時(shí),即認(rèn)為該點(diǎn)是輪軌的實(shí)際接觸點(diǎn)。當(dāng)多個(gè)點(diǎn)同時(shí)滿足式(5)時(shí),即認(rèn)為產(chǎn)生了多點(diǎn)接觸的情況。1.2輪軌選取及氧化應(yīng)力的計(jì)算在脫軌臨界時(shí)刻,輪軌之間的縱、橫向蠕滑率較大,且自旋蠕滑的作用也不容忽視,因此需要選擇能考慮自旋蠕滑作用的接觸力算法。本文選取Polach的輪軌蠕滑力求解算法,該算法不但保持了Kalker的FASTSIM算法的計(jì)算精度,而且計(jì)算速率高。輪軌的縱向蠕滑力Fx和橫向蠕滑力Fy可用下式表示。式中:Q為軸重;μ為摩擦系數(shù);ε為黏著區(qū)的切向應(yīng)力梯度;ξx和ξy分別為輪軌縱向及橫向蠕滑率。由自旋蠕滑引起的輪軌橫向附加蠕滑力Fspin可表示為式(7)中:τ0為接觸區(qū)上的最大接觸應(yīng)力;a和b分別為橢圓形輪軌接觸斑的長(zhǎng)、短半軸的長(zhǎng)度。隨著a/b的增大,輪軌自旋蠕滑的作用增強(qiáng)。于是,實(shí)際的輪軌橫向蠕滑力FyC為根據(jù)Kalker線性理論公式,自旋蠕滑力矩Mz與Kalker線性蠕滑率ξsp的關(guān)系為因?yàn)樯鲜街贿m用于小蠕滑和小自旋的情形,不適合用于研究高速鐵道車輛蛇行脫軌這樣的大蠕滑大自旋情形,所以按照Vermeulen-Johnson公式定義的縮減因子α,對(duì)式(9)進(jìn)行修正,α的表達(dá)式為修正后的自旋蠕滑力矩M′z可寫為1.3輪軌動(dòng)力學(xué)方程建立具有27個(gè)自由度(見(jiàn)表1)的高速鐵道車輛動(dòng)力學(xué)分析模型,如圖2所示。其中,因?yàn)檩唽?duì)的側(cè)滾角與輪對(duì)的橫移量一一對(duì)應(yīng),所以輪對(duì)的側(cè)滾角是非獨(dú)立的自由度。根據(jù)圖2所示模型,建立動(dòng)力學(xué)微分方程為式中:y=(yw,1Фw,1ψw,1yw,2Фw,2ψw,2yw,3Фw,3ψw,3yw,4Фw,4ψw,4yf,1zf,1Фf,1θf(wàn),1ψf,1yf,2zf,2Фf,2θf(wàn),2ψf,2yczcФcθcψc)T;F為輪軌蠕滑力;u為軌道不平順輸入向量;M,C,K和Γ分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和左右軌的激勵(lì)矩陣。2高速鐵路車種高速匝道車輛在不同工況下的脫軌系數(shù)按照UIC515標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定:當(dāng)轉(zhuǎn)向架橫向加速度經(jīng)0~10Hz帶通濾波后其峰值連續(xù)6次以上(含6次)達(dá)到或超過(guò)8m·s-2限值時(shí),則判定轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)。按照該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,利用所建立的整車動(dòng)力學(xué)模型,采用實(shí)測(cè)軌道不平順參數(shù),仿真計(jì)算某型高速鐵道車輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)車輛運(yùn)行速度等于181m·s-1時(shí),其轉(zhuǎn)向架的橫向加速度達(dá)到8m·s-2的限值規(guī)定,即認(rèn)為181m·s-1(約651km·h-1)為該型高速鐵道車輛工程意義上的蛇行失穩(wěn)臨界速度。圖3為該型高速鐵道車輛的實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)平均值隨車速變化的情況?？梢?jiàn):脫軌系數(shù)平均值隨著車速的增大而增大,且當(dāng)車速達(dá)到300km·h-1及以上后,脫軌系數(shù)平均值增幅很小;在所測(cè)車速范圍內(nèi)該車的脫軌系數(shù)很小,最大值只有0.4左右,均未達(dá)到0.8的脫軌系數(shù)限值。圖3還給出了脫軌系數(shù)值在所測(cè)速度范圍內(nèi)的概率分布情況,其值主要集中在0~0.2的范圍內(nèi)。針對(duì)上面某型高速鐵道車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度181m·s-1下的脫軌系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn),雖然此時(shí)該型高速鐵道車輛在蛇行失穩(wěn)臨界速度下其轉(zhuǎn)向架已失穩(wěn),但所得到的車輛脫軌系數(shù)值并未達(dá)到0.8的限值,足見(jiàn)僅用傳統(tǒng)的鐵道車輛脫軌系數(shù)指標(biāo)并不能完全反映高速鐵道車輛的蛇行脫軌安全性。由于脫軌是鐵道車輛與軌道相互作用時(shí)產(chǎn)生最不利耦合作用的結(jié)果,因此制定高速鐵道車輛的蛇行脫軌安全性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)需要同時(shí)考慮高速鐵道車輛本身的狀況及其所運(yùn)行線路的情況。鐵道車輛蛇行失穩(wěn)有2種典型極限環(huán)分岔形式,一種為“亞臨界”分岔形式,另一種為“超臨界”分岔形式。其中如圖5所示“超臨界”分岔形式的鐵道車輛蛇行失穩(wěn)尤其值得關(guān)注。在圖中,速度vC對(duì)應(yīng)著鐵道車輛理論意義上的非線性臨界速度,在此速度下鐵道車輛的振幅較小,且遠(yuǎn)未達(dá)到0.8的脫軌系數(shù)限值;vL為鐵道車輛達(dá)到轉(zhuǎn)向架橫向加速度限值8.0m·s-2時(shí)所對(duì)應(yīng)的工程意義上的蛇行失穩(wěn)臨界速度;vM為鐵道車輛正常運(yùn)行情況下的脫軌臨界速度。在對(duì)應(yīng)A區(qū)間的速度范圍內(nèi),車輛作小振幅周期振蕩,雖然不影響行車安全,但會(huì)影響乘坐舒適性;在對(duì)應(yīng)B區(qū)間的速度范圍內(nèi),車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)幅值很大,當(dāng)鋼軌與輪緣根部接觸時(shí),車輪開(kāi)始懸浮并撞擊鋼軌,一旦車輪不能恢復(fù)到正常接觸位置,隨時(shí)都有脫軌的危險(xiǎn)。值得注意的是,如果線路條件惡化或有突發(fā)外加激勵(lì),鐵道車輛也可能在對(duì)應(yīng)A區(qū)間的速度范圍內(nèi)脫軌。因此,鐵道車輛脫軌臨界速度的確定受鐵道車輛運(yùn)行條件(線路和車輛兩方面)中諸多因素的影響,很難通過(guò)仿真計(jì)算或脫軌試驗(yàn)找到實(shí)際的脫軌臨界速度。因此就高速鐵道車輛而言,加強(qiáng)對(duì)其車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)防高速鐵道車輛脫軌也至關(guān)重要。3脫軌臨界值的確定3.1高速車輪升降量的確定輪軌接觸的3種狀態(tài)為軌頂與車輪踏面的正常接觸狀態(tài)、輪緣與軌角接觸的爬軌狀態(tài)以及車輪跳上鋼軌的車輪懸浮狀態(tài),如圖6所示。低速鐵道車輛的脫軌過(guò)程一般被認(rèn)為是車輪逐漸爬上軌頭而又不能自主滑下恢復(fù)正常輪軌接觸所導(dǎo)致車輪脫軌的過(guò)程;而高速鐵道車輛的脫軌過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜,其中同時(shí)伴隨著爬軌和跳軌的過(guò)程。車輪踏面名義接觸點(diǎn)和鋼軌頂面最高點(diǎn)之間的垂向距離即為車輪抬升量,依據(jù)車輪抬升量或輪軌接觸點(diǎn)位置判斷高速鐵道車輛的脫軌臨界狀態(tài)是一種簡(jiǎn)單有效的方法。圖6中的δ為輪軌游間,he為輪緣高度,h1為車輪爬軌量,h2為車輪跳軌高度。由圖6可知,車輪抬升量為車輪爬軌量h1與車輪跳軌高度h2之和,只要車輪的抬升量小于輪緣高度he,則在理論上可認(rèn)為鐵道車輛未脫軌,這是因?yàn)檩喚壍淖畹忘c(diǎn)仍位于軌面最高點(diǎn)之下,車輪并未完全擺脫鋼軌的幾何約束,只要車輪抬升量不繼續(xù)增大,車輪最終還將回到輪軌的正常接觸狀態(tài)。反之,一旦車輪抬升量等于或超過(guò)輪緣高度he,則車輪隨時(shí)有可能脫軌。根據(jù)以上分析得到基于車輪抬升量的鐵道車輛脫軌評(píng)判準(zhǔn)則為式中:γ為安全系數(shù),本文取γ=0.8。3.2輪軌碰撞模型假設(shè)鐵道車輛發(fā)生蛇行失穩(wěn),當(dāng)輪對(duì)橫移量增大使得輪軌游間δ為0時(shí),輪對(duì)與鋼軌發(fā)生碰撞并產(chǎn)生車輪跳軌。為了計(jì)算車輪的跳軌高度,參考相關(guān)文獻(xiàn)[20—21]的方法,建立輪軌碰撞模型。由于輪對(duì)搖頭角對(duì)輪軌碰撞后輪對(duì)的橫移速度影響較小,因此僅考慮碰撞過(guò)程中輪對(duì)的橫移和側(cè)滾2個(gè)自由度;另外,在輪軌發(fā)生碰撞這一短暫的動(dòng)力學(xué)過(guò)程中,懸掛力、輪軌接觸力、輪對(duì)受到的重力等非沖擊力對(duì)碰撞過(guò)程的影響很小,因此只考慮沖擊力對(duì)碰撞過(guò)程的影響。假設(shè)右側(cè)車輪與鋼軌發(fā)生碰撞,C為碰撞接觸點(diǎn),2B為接觸點(diǎn)的橫向距離,r為車輪的滾動(dòng)圓半徑,vCn為車輪撞向鋼軌的法向碰撞速度,vCt為車輪撞向鋼軌的切向碰撞速度,θ為碰撞后車輪速度vr與水平面的夾角。車輪沖擊力F在輪軌碰撞接觸點(diǎn)C上的法向力和切向力分量分別為Fn和Ft,Fz為輪對(duì)受到的垂向力,本文建立的輪軌碰撞模型如圖7所示。在輪軌的整個(gè)碰撞過(guò)程中,輪對(duì)有繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì),假定輪對(duì)的質(zhì)心位置和相對(duì)質(zhì)心的姿態(tài)在短暫的碰撞過(guò)程中保持不變,則可根據(jù)動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理分別得到輪對(duì)質(zhì)心的平移方程和繞A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為ddt(m6)y-mr6)ue788)=Ftcosδ0-Fnsinδ0(14)ddt[Jwx6)ue788-mr6)y+m(r2+B2)6)ue788]=輪軌碰撞過(guò)程中輪軌接觸點(diǎn)坐標(biāo)系內(nèi)車輪的切向碰撞速度vCt和法向碰撞速度vCn分別為通過(guò)整車動(dòng)力學(xué)模型求得車輪在碰撞開(kāi)始時(shí)刻的橫移速度和側(cè)滾角速度后,則由式(16)和式(17)可得碰撞開(kāi)始時(shí)刻車輪的初始切向碰撞速度vCt(t0)和初始法向碰撞速度vCn(t0)為將式(26)和式(27)代入式(25)可得碰撞后車輪的切向碰撞速度為若由式(28)得到的車輪切向速度vCt(t1)=0,則說(shuō)明輪軌處于黏著接觸狀態(tài);若得到的vCt(t1)>0,則說(shuō)明輪軌處于滑動(dòng)接觸狀態(tài)。在軌道坐標(biāo)系中輪軌碰撞后的車輪垂向速度vZ可表示為車輪與鋼軌碰撞后,輪對(duì)有繞非輪緣接觸側(cè)的接觸點(diǎn)A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì),即垂向速度將克服碰撞側(cè)車輪的重力及其所受載荷,并將旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為車輪跳軌的勢(shì)能,根據(jù)能量守恒定理可得到有關(guān)碰撞側(cè)車輪的跳軌高度h2的方程式為式中:JwA為輪對(duì)繞A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。至此便求得碰撞側(cè)車輪的跳軌高度h2。再由整車動(dòng)力學(xué)模型求得車輪的爬軌量h1后,即可根據(jù)式(13)判斷車輪在自然運(yùn)動(dòng)情況下是否達(dá)到脫離軌道幾何約束的脫軌臨界狀態(tài)。4車輛蛇行脫軌的能量分析利用上述模型及方法對(duì)某型高速鐵道車輛的蛇行脫軌過(guò)程進(jìn)行分析。輪軌匹配以UIC60型鋼軌與S1002型車輪踏面相接觸為例,當(dāng)輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1360mm時(shí),輪軌初始游間為9mm,輪緣高度he為28mm。圖8給出了輪軌游間不為0時(shí)不同速度下前導(dǎo)輪對(duì)左右側(cè)車輪的爬軌量計(jì)算結(jié)果。由圖8(a)可見(jiàn),在車輛失穩(wěn)之前,輪對(duì)的橫移量較小,車輪踏面與軌頂相接觸,輪軌的接觸狀態(tài)較好;當(dāng)車輛運(yùn)行速度達(dá)到仿真計(jì)算得到理論意義上的高速鐵道車輛非線性臨界速度vc=136m·s-1時(shí),車輛振動(dòng)發(fā)散,車輪表現(xiàn)出向鋼軌上爬的趨勢(shì),如圖8(b)所示;隨著車輛運(yùn)行速度的進(jìn)一步增加,車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)幅值增大,車輛振動(dòng)加劇,左右側(cè)車輪交替向鋼軌上爬,如圖8(c)所示,開(kāi)始出現(xiàn)車輪瞬時(shí)浮起的現(xiàn)象;當(dāng)車輛運(yùn)行速度達(dá)到仿真計(jì)算得到工程意義上的蛇行失穩(wěn)臨界速度181m·s-1時(shí),車輪的最大爬軌量達(dá)到4.5mm,如圖8(d)所示,雖然此時(shí)輪緣的主要部分仍在軌面以下,但任一橫向擾動(dòng)便可能引發(fā)脫軌,因此車輛脫軌的概率急劇增大。在車輛蛇行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)輪對(duì)橫移量足夠大且輪軌游間為0時(shí),車輪以一較大的橫移速度與鋼軌碰撞。然后可能繼續(xù)沿軌道向前運(yùn)動(dòng),也可能在很短的時(shí)間內(nèi)脫離軌道約束發(fā)生脫軌。車輪與鋼軌碰撞而引發(fā)脫軌需要有1個(gè)過(guò)程,即車輪與鋼軌碰撞1次也可能多次所引發(fā)的脫軌,需要輪軌之間碰撞沖擊力持續(xù)作用一定的時(shí)間以積累到脫軌所需的能量。從能量的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō),輪對(duì)橫向自激振動(dòng)的能量越大,輪對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能也越大,碰撞之后車輪所獲得的垂向速度也便越大。歸根結(jié)底,產(chǎn)生脫軌的能量來(lái)自于列車向前運(yùn)動(dòng)的一部分能量,這部分能量通過(guò)輪軌之間的干摩擦作用輸送到輪對(duì)的橫向運(yùn)動(dòng)中,可見(jiàn)輪軌之間的蠕滑力在脫軌過(guò)程中起著重要的作用。圖9為高速鐵道車輛蛇行脫軌過(guò)程車輪抬升量時(shí)程圖。由圖9可知,在0~2.28s,車輪尚處在爬軌過(guò)程中;到達(dá)2.28s時(shí),左側(cè)的輪軌游間減少至0,使得左側(cè)車輪與鋼軌發(fā)生第1次碰撞,從而產(chǎn)生車輪跳軌,但此時(shí)車輪的抬升量未達(dá)到脫軌限值(0.8he);車輪繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),到3.23s時(shí)左側(cè)車輪與鋼軌發(fā)生第3次碰撞并導(dǎo)致跳軌發(fā)生,此時(shí)該車輪的抬升量超過(guò)了脫軌限值,車輛產(chǎn)生蛇行脫軌。由于蠕滑力包含縱向和橫向2個(gè)方向的分量Fx和FyC,因此為了分別研究這2個(gè)分量對(duì)脫軌的影響,引入變量Kx和Ky,其表達(dá)式為式中:RMS(Fx)和RMS(FyC)分別表示輪軌縱向蠕滑力Fx和橫向蠕滑力FyC的均方根值。圖10給出了Kx和Ky的變化對(duì)輪對(duì)橫移速度均方根值影響的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。由圖10可見(jiàn),輪對(duì)橫移速度的均方根值隨著橫向蠕滑力分量FyC的增加有增大的趨勢(shì),因此FyC值在整個(gè)蠕滑力中所占的比例越大,輪對(duì)的橫向運(yùn)動(dòng)能量也越大,車輛越容易脫軌。由式(6)和式(8)可知,FyC的值主要取決于輪軌橫向蠕滑率的大小,而輪軌橫向蠕滑率ξy的表達(dá)式可簡(jiǎn)化為在準(zhǔn)靜態(tài)的爬軌脫軌過(guò)程中,因?yàn)檩唽?duì)橫移速度,所以輪軌橫向蠕滑率ξy主要與輪對(duì)名義沖角ψ有關(guān),這也解釋了為什么爬軌脫軌受沖角的影響很大。相比之下,在動(dòng)態(tài)的跳軌脫軌過(guò)程中,且在輪軌產(chǎn)生輪緣接觸時(shí),的變化對(duì)輪軌橫向蠕滑率的影響十分明顯,甚至起到比名義沖角ψ更重要的影響作用,因此,由得到的值等同于實(shí)際意義上有效沖角的值。圖11給出了動(dòng)態(tài)脫軌過(guò)程中車輪跳軌高度與輪軌摩擦系數(shù)、車輪垂向載荷Q以及輪對(duì)橫移速度的關(guān)系。由圖11可知,車輪的跳軌高度隨著輪對(duì)橫移速度的增大、輪軌摩擦系數(shù)以及車輪垂向載荷的減小而增大。而在準(zhǔn)靜態(tài)脫軌過(guò)程中,輪軌摩擦系數(shù)越大,車輪越容易爬上鋼軌。由此可見(jiàn),輪軌摩擦系數(shù)在高速跳軌和低速爬軌過(guò)程中起著截然相反的作用。此外,輪軌碰撞時(shí)刻的輪軌接觸角、輪對(duì)側(cè)滾角等對(duì)車輪的跳軌高度也有影響。因此必須研究這些眾多影響因素的主次關(guān)系及相互關(guān)系,這對(duì)于找到引起高速鐵道車輛脫軌的“最致命”影響因素十分重要。5橫向加速度評(píng)判根據(jù)以上對(duì)脫軌系數(shù)指標(biāo)在評(píng)判高速鐵道車輛的蛇行脫軌安全性中的不足,以及對(duì)高速鐵道車輛蛇行脫軌過(guò)程影響因素的分析可知,高速鐵道車輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)于評(píng)判其蛇行脫軌安全性至關(guān)重要。在進(jìn)行高速鐵道車輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)判時(shí)需要考慮其蛇行失穩(wěn)極限環(huán)分岔形式的不同。當(dāng)高速鐵道車輛的蛇行失穩(wěn)形式為“超臨界”分岔形式時(shí),因?yàn)榘凑誙IC515標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的轉(zhuǎn)向架橫向加速度限值8m·s-2評(píng)判得到的車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度與仿真計(jì)算得到的高速鐵道車輛非線性臨界速度差異較大,所以建議利用文獻(xiàn)提出的方法對(duì)高速鐵道車輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判,即分別求解轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度在強(qiáng)迫振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的移動(dòng)均方根值RFMS以及轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度在蛇行振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的移動(dòng)均方根值RHMS,當(dāng)滿足時(shí),所對(duì)應(yīng)的最小車速即被認(rèn)為是車輛的蛇行失穩(wěn)臨界速度。為UIC518標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的轉(zhuǎn)向架橫向加速度移動(dòng)均方根限值,k為縮減因子。該方法較好地考慮了軌道不平順輸入對(duì)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。當(dāng)高速鐵道車輛的蛇行失穩(wěn)形式為“亞臨界”分岔形式時(shí),因?yàn)槠淅碚撘饬x上的非線性臨界速度與用轉(zhuǎn)向架橫向加速度限值8m·s-2得到的蛇行失穩(wěn)臨界速度相近,因此可用8m·s-2作為轉(zhuǎn)向架橫向加速度的限值對(duì)高速鐵道車輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判。此外,在確保高速鐵道車輛不失穩(wěn)的前提條件下,還需保證輪對(duì)的橫移速度不超過(guò)某一限值。以本文中UIC60型鋼軌與S1002型車輪踏面相匹配、輪軌摩擦系數(shù)μ=0.3和車輪垂向載荷Q=80kN的情況為例,當(dāng)輪軌游間為0時(shí),由式(13)得到車輪達(dá)到脫軌限值對(duì)應(yīng)的車輪跳軌高度為10mm,進(jìn)而由輪軌碰撞模型可求得輪對(duì)橫移速度的限值根據(jù)以上分析計(jì)算,給出如圖12所示該型高速鐵道車輛在2種不同蛇行失穩(wěn)極限環(huán)分岔形式下的蛇行脫軌安全性評(píng)判建議標(biāo)準(zhǔn)。6高速軌道交通車輛蛇行脫軌安全性評(píng)判指標(biāo)(1)車輪抬升量可作為蛇行脫軌臨界狀態(tài)的判斷指標(biāo),當(dāng)其達(dá)到或超過(guò)輪緣高度時(shí),即可認(rèn)為高速鐵道車輛達(dá)到了蛇行脫軌臨界狀態(tài)。仿真計(jì)算結(jié)果顯示,利用這一判斷條件可對(duì)車輛是否脫軌進(jìn)行有效判斷。但依靠目前的測(cè)量手段實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)車輪的抬升量還存在一定困難,因此提出根據(jù)本文算法計(jì)算車輪抬升量達(dá)到脫軌限值時(shí)的輪對(duì)橫移速度限值,作為高速鐵道車輛蛇行脫軌安全性評(píng)判指標(biāo)之一。(2)高速鐵道車輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)于評(píng)判其的蛇行脫軌安全性也至關(guān)重要。當(dāng)高速鐵道車輛表現(xiàn)為“超臨界”蛇行失穩(wěn)極限環(huán)分岔形式時(shí),可采用轉(zhuǎn)向架橫向加速度的移動(dòng)均方根值方法評(píng)判其橫向運(yùn)行穩(wěn)定性;當(dāng)高速鐵道車輛表現(xiàn)為“亞臨界”蛇行失穩(wěn)極限環(huán)分岔形式時(shí),可用8m·s-2作為轉(zhuǎn)向架橫向加速度的限值對(duì)高速鐵道車輛的橫向運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判。(3)高速鐵道車輛的脫軌過(guò)程是一個(gè)爬軌和跳軌并存的復(fù)雜過(guò)程,輪軌之間的1次或多次碰撞使車輪逐漸積累到跳軌所需的能量。(4)在車輛低速運(yùn)行的準(zhǔn)靜態(tài)的爬軌過(guò)程中,輪對(duì)名義沖角的大小對(duì)脫軌起著至關(guān)重要的影響作用;而在車輛高速運(yùn)行的動(dòng)態(tài)跳軌過(guò)程中,輪對(duì)有效沖角的大小起著很重要的作用。(5)隨著輪對(duì)橫移速度的增大、輪軌摩擦系數(shù)以及車輪垂向載荷的減小,車輪的跳軌