日本改善輪軌間粘結(jié)的新技術(shù)

日本改善輪軌間粘結(jié)的新技術(shù)

增粘材料的實(shí)用化基礎(chǔ)試驗(yàn)在以前的文獻(xiàn)中，報(bào)告了輪壓結(jié)構(gòu)維修技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用、概念和效果，并報(bào)告了“增加粘性材料的實(shí)用化原材料試驗(yàn)”。因增粘材料在運(yùn)營(yíng)車(chē)輛輪軌間有效地進(jìn)行了摩擦控制,故本文繼續(xù)報(bào)道其控制效果及增粘材料噴射裝置的概況。1車(chē)輛輪緣間加大磨耗,產(chǎn)生義務(wù)主體地鐵是城市交通設(shè)施。由于其所處的地段,必然面臨許多小半徑曲線(xiàn),小半徑曲線(xiàn)上在橫向作用力下會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。另外,由于橫向力增大會(huì)導(dǎo)致鋼軌肩部和車(chē)輪輪緣間增大磨耗,發(fā)出刺耳的輪軌碾壓聲,并造成鋼軌波狀磨耗、車(chē)輪滑行等現(xiàn)象。這不僅對(duì)周?chē)h(huán)境造成噪聲污染,而且會(huì)加大維修成本。作為解決措施,是將車(chē)輛轉(zhuǎn)向架軸箱支承剛度彈性化(即將前后、左右剛度最佳化)、減小固定軸距、踏面形狀最佳化等。另外,還可對(duì)地面上小半徑曲線(xiàn)段的內(nèi)軌頭頂面涂油。但是,歷來(lái)在力學(xué)上難以同時(shí)滿(mǎn)足一些相反條件,如提高車(chē)輛在軌道上的直行穩(wěn)定性和曲線(xiàn)通過(guò)性能,所以實(shí)施以上2種措施都有難度。1.1段內(nèi)強(qiáng)度曲線(xiàn)一般,城市鐵道在郊外多為直線(xiàn)區(qū)間,城市中心多為曲線(xiàn)區(qū)間。為此,假如考慮郊外的高速運(yùn)行,就不能將前后支承剛度極端彈性化。另外,輪對(duì)利用作用于車(chē)輪/鋼軌接觸點(diǎn)的縱向蠕滑力進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)向,但其力(自導(dǎo)向力)即使最大,也不能超過(guò)輪重和摩擦因數(shù)積的摩擦力。由于上述原因,前后輪對(duì)采用5kN/mm/box左右的支承剛度,在小半徑曲線(xiàn)上,用這個(gè)自導(dǎo)向力控制輪對(duì)的旋轉(zhuǎn)極限,不然就容易產(chǎn)生沖角,從而無(wú)法降低橫向蠕滑力。1.2固定軸和電機(jī)的裝配普通的轉(zhuǎn)向架考慮了郊外的高速運(yùn)行。另外,在電動(dòng)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架上,由于固定軸和電機(jī)的裝配,所以不能最大限度地縮短固定軸距。作為解決措施,近年研究試制了1軸轉(zhuǎn)向架的方案,不過(guò),目前除了全新線(xiàn)路,而其他線(xiàn)路不能大膽采納。1.3后軸縱向園林自導(dǎo)向力受限制車(chē)輪踏面形狀是影響曲線(xiàn)上輪對(duì)產(chǎn)生自導(dǎo)向力的重要因素。特別是踏面斜度在曲線(xiàn)上運(yùn)行中發(fā)生的左右輪徑差就直接和自導(dǎo)向力有關(guān)。左右輪徑差越大(踏面斜度越大),這個(gè)自導(dǎo)向力也越大,輪對(duì)就能更適應(yīng)通過(guò)小半徑曲線(xiàn)段。迄今,在京都高速交通內(nèi)部,已采用了各種踏面形狀車(chē)輪(加大等效踏面斜度),能在曲線(xiàn)段確保左右輪徑差,但能夠吸收輪徑差的曲線(xiàn)極限也只在R=250m左右,超過(guò)這一極限,輪對(duì)的自導(dǎo)向力就受到限制。隨著沖角的增大,橫向蠕滑力(橫向力)就增大。但是,如果要在更小半徑曲線(xiàn)上通過(guò),就要使這個(gè)踏面斜度不能太大,否則,就會(huì)損害直行穩(wěn)定性。另外,這在另一轉(zhuǎn)向架內(nèi),由于前進(jìn)方向后側(cè)的輪對(duì)(后軸)基本不靠近外軌而處在中心位置平衡運(yùn)行,所以后軸不能盡可能獲得所需輪徑差,因此會(huì)產(chǎn)生大的縱向蠕滑力。該力會(huì)產(chǎn)生將前軸壓向外軌側(cè)方向的力矩,進(jìn)而增大橫向力。這樣,由于后軸縱向蠕滑力的增大導(dǎo)致橫向力增加。這在現(xiàn)行的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)上靠改進(jìn)踏面形狀是不能解決問(wèn)題的。一般為了減小小半徑曲線(xiàn)上的縱向、橫向蠕滑力而采用對(duì)內(nèi)軌頭軌面涂油的方法,但是,這個(gè)方法因有過(guò)分降低摩擦因數(shù)的傾向,由于滑行、空轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致踏面損傷,所以不能積極推廣。針對(duì)這個(gè)后軸的縱向蠕滑力問(wèn)題,可以在力學(xué)上妥善解決。這就是將后軸的縱向蠕滑力視為零,采用了后軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪的自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的方案,但是,假如考慮到現(xiàn)存車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的數(shù)量,實(shí)際的應(yīng)用就有問(wèn)題。因此,要使車(chē)輛順利通過(guò)R<200m的小半徑曲線(xiàn),就必須評(píng)審傳統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用限界,大力開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新。2增粘材料噴射裝置歷來(lái),為了防止輪緣噪聲和車(chē)輪/鋼軌的磨損而在小半徑曲線(xiàn)段地面設(shè)置了鋼軌涂油器,向外軌側(cè)鋼軌肩部涂油;為了防止輪軌輾壓噪聲和鋼軌波狀磨耗而對(duì)內(nèi)軌頭頂部涂油。但是,由于有上述車(chē)輪滑行問(wèn)題,所以不能在所有的小半徑曲線(xiàn)上積極推廣使用。增粘材料的增粘效果理應(yīng)受到關(guān)注,但在選擇用地面設(shè)備還是用車(chē)上裝置向鋼軌供給增粘材料時(shí),當(dāng)然應(yīng)考慮在現(xiàn)場(chǎng)能隨機(jī)應(yīng)變處理突發(fā)事件的車(chē)上裝置。因此,研究了在車(chē)上用噴嘴向鋼軌噴射霧狀增粘材料的方法。另外,在使用地面設(shè)備時(shí),由于作業(yè)設(shè)備散布在全線(xiàn)路各處,增加了維護(hù)作業(yè)的負(fù)擔(dān)。假如用車(chē)上裝置,還可能在特定場(chǎng)所(車(chē)庫(kù))補(bǔ)充增粘材料,這也是一大優(yōu)點(diǎn)。2.1車(chē)上噴射裝置車(chē)上噴射增粘材料的效果與曲線(xiàn)或運(yùn)行速度無(wú)關(guān),只與能否準(zhǔn)確噴射到鋼軌頭頂部有關(guān)。因此,從轉(zhuǎn)向架后軸在曲線(xiàn)內(nèi)大體處在軌道中位運(yùn)行的實(shí)際情況考慮,決定用安裝在列車(chē)前進(jìn)方向頭車(chē)后部轉(zhuǎn)向架的排障器橫臂上的噴嘴來(lái)噴射增粘材料,從而實(shí)現(xiàn)可靠的鋼軌頭頂部涂敷。由于該增粘材料處于干燥且為非常薄(5mm)的涂敷狀態(tài),所以能用2圓柱滾動(dòng)接觸試驗(yàn)機(jī)確認(rèn)其增粘效果。之后,假定列車(chē)通行間隔時(shí)間短,在下一列車(chē)運(yùn)行時(shí)則進(jìn)行霧狀噴射。另外,噴射地點(diǎn)的識(shí)別(開(kāi)始、停止、左右)通過(guò)配置在鋼軌間的小型發(fā)射機(jī)應(yīng)答器執(zhí)行。圖1為增粘材料噴射裝置的部件圖。裝置由增粘材料控制機(jī)構(gòu)(FMC)、增粘材料供料裝置(FMS)和噴射用噴嘴組成。增粘材料控制機(jī)構(gòu)如果由發(fā)射機(jī)應(yīng)答器接收噴射信號(hào),則啟動(dòng)增粘材料供給裝置內(nèi)的排出泵和壓縮空氣供給電磁閥進(jìn)而由噴嘴噴射霧狀增粘材料。另外,速度信息的輸入和運(yùn)行速度無(wú)關(guān),針對(duì)鋼軌具體情況采用一定的噴射量,而且,由于降雨時(shí)摩擦因數(shù)本來(lái)就低,所以不必進(jìn)行摩擦調(diào)整,這時(shí)通過(guò)車(chē)輛接觸雨刷的聯(lián)動(dòng)操作,停止執(zhí)行增粘材料噴射。3現(xiàn)車(chē)測(cè)試車(chē)庫(kù)3.1試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向力試驗(yàn)現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)時(shí)采用了能測(cè)定縱向蠕滑力的特殊轉(zhuǎn)向架。該試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)在通常的PQ軸上裝備盤(pán)式制動(dòng)器(安裝在軸上),在車(chē)軸上裝有測(cè)定軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力用的應(yīng)變片,制動(dòng)時(shí)它能評(píng)價(jià)車(chē)輪/鋼軌切向力。為了測(cè)定蠕滑率,在試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架和其比較用轉(zhuǎn)向架的同一車(chē)輛上安裝著沒(méi)有制動(dòng)作用的轉(zhuǎn)向架,通過(guò)高精度測(cè)定(9000脈沖/轉(zhuǎn))試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架和與之比較用轉(zhuǎn)向架的車(chē)輪回轉(zhuǎn)脈沖,確定試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架的蠕滑率。為此,就有可能評(píng)價(jià)實(shí)體水平微量蠕滑區(qū)域中的蠕滑特性。為了便于簡(jiǎn)化處理該試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架的車(chē)輪/鋼軌蠕滑率,使用了圓筒踏面。為了避開(kāi)車(chē)輪輪緣接觸,在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對(duì)之間安裝了輪對(duì)導(dǎo)向用油壓作動(dòng)器(見(jiàn)圖2)。3.2聲、輪重、橫向作用力在確定上述縱向蠕滑力、蠕滑率的測(cè)定效果和增粘材料的增粘效果的同時(shí)也對(duì)噪聲、輪重、橫向作用力進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)在車(chē)庫(kù)內(nèi)的連續(xù)彎道的R=80的S形曲線(xiàn)上進(jìn)行,向車(chē)上噴射增粘材料進(jìn)行了實(shí)際性能評(píng)價(jià)。試驗(yàn)還著眼于直線(xiàn)段的縱向蠕滑特性,對(duì)曲線(xiàn)上的輪軌輾壓噪聲、橫向力、后軸切向力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。3.2.1比增粘材料hpf圖3為車(chē)輪/鋼軌的縱向蠕滑特性在各邊界條件下(干燥、灑水、涂油及噴灑KELTRACKTMHPF增粘材料)的實(shí)測(cè)結(jié)果。在干燥、灑水、涂油條件下,僅在比增粘材料(HPF)低的蠕滑率區(qū)域進(jìn)行測(cè)定,但這是由于受測(cè)定方法的制約,為了控制制動(dòng)力,進(jìn)而測(cè)定當(dāng)時(shí)的蠕滑率,一旦車(chē)輪達(dá)到宏觀(guān)滑行,就不能采集大于該制動(dòng)力的數(shù)據(jù)。對(duì)此,增粘材料在較大的蠕滑率范圍內(nèi)產(chǎn)生增粘效果,在現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)中結(jié)論也被再次確認(rèn)了。3.2.2材料之前的結(jié)果圖4為在噴射增粘材料前后,測(cè)定車(chē)輛通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)車(chē)地板下噪聲結(jié)果。在噴射增粘材料之前,像1/3倍頻程頻率分析確認(rèn)的那樣,相當(dāng)于輪軌輾壓聲的較高頻聲壓強(qiáng)度增加,在噴射增粘材料后,這些聲音消失,這從聽(tīng)覺(jué)上也得到了確認(rèn)。這個(gè)聲壓強(qiáng)度的降低值約20dB(A),從而確認(rèn)了增粘材料的降噪效果。3.2.3噴射增粘材料的波形狀況圖5為噴射增粘材料前后橫向力、垂向力的波形狀況。噴射增粘材料后,橫向力約減少一半。另外,表1為這時(shí)的脫軌系數(shù),伴隨著橫向力的減小,脫軌系數(shù)也降低。3.2.4增粘材料的力學(xué)性能表2為噴射增粘材料前后在通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)的后軸切向力和切向力系數(shù)。正如表中所示,在噴射增粘材料后,切向力和切向力系數(shù)都減半。這個(gè)后軸切向力的降低,可認(rèn)為受前軸橫向力降低的影響很大。4無(wú)人數(shù)據(jù)收集根據(jù)上述現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)表明噴射增粘材料并不影響運(yùn)營(yíng),因其具有預(yù)期效果,所以在運(yùn)營(yíng)車(chē)輛上搭載增粘材料噴射裝置進(jìn)行壽命試驗(yàn)。為了確認(rèn)噴射增粘材料的效果,在噴射區(qū)間地面上安裝測(cè)定Q/P應(yīng)變儀、噪聲計(jì)、鋼軌橫向振動(dòng)加速度計(jì)進(jìn)行了無(wú)人數(shù)據(jù)收集。圖6、圖7為從始發(fā)到停車(chē)的各車(chē)輛轉(zhuǎn)向架前頭軸的測(cè)定值。圖6為在改善粘著前列車(chē)全天候的各種狀態(tài)。圖7為在改善粘著后,列車(chē)全天候的各種狀態(tài)。2圖的橫軸表示編組列車(chē)通過(guò)輛數(shù),縱軸表示各測(cè)定項(xiàng)目。噴射增粘材料后,內(nèi)軌的Q/P值減半,隨之,外軌的Q/P也減半。另外,成為輪軌輾壓噪聲源的內(nèi)軌側(cè)鋼軌的橫向振動(dòng)加速度通過(guò)改善粘著而大幅度降低,運(yùn)行也趨于穩(wěn)定。聲壓強(qiáng)度大約也降低10dB。5長(zhǎng)期試驗(yàn)研究為了提高列車(chē)在小半徑曲線(xiàn)段的通過(guò)性能,開(kāi)展了自車(chē)上向內(nèi)側(cè)鋼軌頭頂部噴射增粘材料、實(shí)現(xiàn)車(chē)輪/鋼軌摩擦控制的研究?，F(xiàn)在已通過(guò)理論分析,利用2圓柱滾動(dòng)接觸試驗(yàn)機(jī)、1∶10比例模型運(yùn)行裝置進(jìn)行了現(xiàn)車(chē)試驗(yàn),并繼續(xù)在營(yíng)業(yè)線(xiàn)上利用無(wú)人測(cè)定方式進(jìn)行著長(zhǎng)期觀(guān)察,用以查明裝置的耐久性、鋼軌的性狀變化等。這些研究在東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)