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文檔簡介
高速客車轉臂式軸箱定位轉向通過曲線時的蠕滑導向性能
軸箱定位裝置是保證鐵路車輛安全運行的重要關鍵。高速客車上較常用的一種軸箱定位方式是轉臂式定位,國內206KP、SW-220、CW-200、CW-300、CW-300等型號轉向架以及CRH2型動車組均采用轉臂式軸箱定位。針對轉臂式軸箱定位的特點及存在的問題,已開展了一些研究,其中,文獻著重研究車輛偏載時轉臂式轉向架出現的輪對撐開現象對運行安全性的影響,文獻指出轉臂定位節(jié)點的位置對車輛的橫向振動會產生影響。但到目前為止,對高速行車條件下客車轉臂定位式轉向架通過曲線時蠕滑力導向問題及轉臂結構參數對轉向架曲線通過性能的影響規(guī)律尚未進行深入研究。因此,本文將分析轉臂式轉向架高速通過曲線軌道時的受力特點,研究轉臂結構參數對曲線通過性能的影響規(guī)律。1通過曲線轉換的張力分析1.1軸箱彈簧剛度與軸箱控制剛度轉臂式軸箱定位的結構如圖1(a)所示。圖1(a)中,L為轉臂長度;θ為平衡狀態(tài)時轉臂相對于軌面的傾角。軸箱彈簧置于軸箱頂端,輪軌垂向力主要通過彈簧傳遞到構架;橡膠彈性節(jié)點在軸箱的上方,允許軸箱相對構架有較大的垂向位移,內部的橡膠關節(jié)依靠徑向、軸向及偏轉變形可提供縱向、橫向不同的定位剛度,可滿足輪對彈性定位的剛度需求。當車輛以欠超高狀態(tài)通過曲線時,構架外側增載而內側減載,構架發(fā)生側滾,通過軸箱轉臂將轉向架前后輪對撐開,外側撐開的角度大于內側,形成外“八”字形。動力學分析建模時,若不考慮軸箱轉臂,只是將轉臂節(jié)點的縱向、橫向剛度及軸箱彈簧剛度合成至軸箱回轉中心,則轉向架的結構如圖1(b)所示。輪軌垂向力、橫向力及縱向力均通過軸箱中心處的彈簧傳遞到構架,不涉及轉臂回轉產生的影響。1.2輪對縱向壓縮和橫向回轉的影響分析文獻的研究表明,偏載情況下轉臂的存在對輪對動力學性能產生較大的影響,特別是車輛偏載時轉向架兩側轉臂的不同程度回轉直接改變輪對沖角,而沖角對車輛運行安全性影響顯著。車輛通過曲線時,作用在系統(tǒng)的力包括懸掛系統(tǒng)的彈性復原力,輪軌間的蠕滑力、離心力和外軌超高引起的橫向分力,輪緣接觸鋼軌時還會產生輪緣力。在輪緣不接觸鋼軌的情況下,車輛要依靠踏面上的蠕滑力進行導向。為清楚地說明轉臂回轉效應對轉向架通過曲線時輪軌蠕滑力的影響,首先對無轉臂轉向架的曲線通過進行受力分析。圖2為無轉臂轉向架以欠超高狀態(tài)通過曲線時的受力情況。圖2中,O為線路曲線半徑;V為車輛速度;i表示轉向架前后輪對,i=1,2;FLxi、FRxi分別為左、右車輪的縱向蠕滑力;Fyi為輪對橫向蠕滑力;ywi、Ψwi分別為輪對橫移量和搖頭角。由文獻可知,車輛通過曲線時,前后輪對左右車輪的縱向蠕滑力和橫向蠕滑力的近似計算分別為式(1)、式(2)中:q為欠超高引起的輪重變化率;f11、f22分別為縱向和橫向蠕滑系數;λ為踏面等效錐度;r0為車輪標稱半徑。由縱向蠕滑力合成的蠕滑力矩為式中,b為左右車輪滾動圓跨距之半。由式(1)~式(3)可知,曲線軌道參數及車輛通過速度一定時,縱向蠕滑力及回轉蠕滑力矩只與輪對橫移量有關,合成蠕滑力矩的方向與輪對橫移量符號相反;橫向蠕滑力只與搖頭角相關,且符號相同。轉向架以欠超高的運行狀態(tài)進入曲線后,受離心力作用,輪對向曲線外側移動,產生縱向蠕滑力FLxi和FRxi,合成回轉力矩Mzi克服一系水平彈簧懸掛力矩,使輪對產生正的搖頭角,橫向蠕滑力Fyi為正。同時,由于二系懸掛產生搖頭角變位,輪對要實現自動導向,須提供附加的蠕滑力矩,此時轉向架2個輪對曲線外側偏移,構架及輪對搖頭角均為正。根據車輛穩(wěn)態(tài)曲線通過理論,前后輪對的搖頭角位移為式(4)和式(5)中:W為車輛軸重;θd為超高不足角度;lt為轉向架軸距之半;kpy為軸箱懸掛橫向剛度;Ψb為構架搖頭角??梢?,曲線參數設置及車輛通過速度一定時,輪對搖頭角與一系懸掛橫向剛度及構架搖頭角也有極大關聯。構架搖頭角為正,則后輪對的搖頭角要大于前輪對。以轉臂式定位轉向架單輪對為研究對象,分析欠超高條件下輪對通過曲線軌道時轉臂回轉對輪對運動狀態(tài)的影響。圖3為轉臂式轉向架單輪對通過曲線示意圖。輪對處于圖1中右側車輪的位置。由于輪對左、右側轉臂回轉角度的差異主要由構架側滾引起,故此處僅考慮構架側滾角φt。圖3中,F′pLx、F′pRx為轉臂回轉引起的一系懸掛縱向力;d為一系懸掛橫向跨距之半。由于車輛處于欠超高運行狀態(tài),車體及構架會發(fā)生偏向曲線外側的側滾,轉臂回轉使橡膠節(jié)點處產生附加的縱向作用力。轉臂回轉引起的幾何變化見圖4。圖4中,L為轉臂長度;α為轉臂回轉角度;β為回轉后轉臂相對于軌面的傾角;Δx為轉臂回轉引起的橡膠節(jié)點縱向壓縮量。圖4中,當構架發(fā)生側滾后,位于曲線外側車輪的轉臂傾角由θ減小α至β,同時位于曲線內側車輪的轉臂傾角由θ增至θ+α,且滿足幾何關系則由圖4可見,圖3中輪對左右側轉臂回轉引起的一系懸掛縱向作用力可表示為式中,kpx為橡膠節(jié)點的徑向剛度。根據作用在輪對上的蠕滑力與一系懸掛彈性復原力平衡的條件,列出輪對搖頭和橫移的運動方程:式中:Mw為輪對質量;g為重力加速度。式(7)表明,轉臂回轉產生的縱向彈性復原力矩使得輪對發(fā)生正向橫移,以產生足夠的蠕滑力矩與該彈性復原力矩平衡。同時,由式(8)可知,輪對順時針轉動一個搖頭角,形成的橫向蠕滑力才能與輪對橫移引起的彈性復原力平衡??梢?,由于轉臂回轉,產生的附加彈性復原力會使一位輪對搖頭角繼續(xù)增大,并使輪對向曲線內側橫動??紤]轉臂時的轉向架受力分析見圖5。構架側滾引起位于曲線外側車輪的轉臂向下偏轉的角度大于內側車輪的轉臂,此時,由于轉臂回轉使得前輪對的搖頭角更大,前輪對在輪軌接觸點位置產生更大的橫向蠕滑力Fy1,迫使輪對向曲線內側偏移,同時帶動構架橫移,且前輪對承擔了車輛系統(tǒng)較大的未平衡離心力;同時,轉臂回轉使后輪對搖頭角減小,后輪對趨于徑向位置,產生的橫向蠕滑力Fy2降低,后輪對分擔的未平衡離心力也減小。輪對的橫移與一系懸掛橫向剛度及構架橫移有關,一系橫向剛度越大,輪對與構架的相對位移越受限制,這里不做討論,僅考察kpy較大的情況。由此可見,輪對向內側移動減小了外輪輪緣貼靠鋼軌的幾率,保證了一定條件下高速行車的安全性。2高速客車模型建立針對上述轉臂式轉向架通過曲線的特點,不考慮線路不平順的變化,本節(jié)計算并比較轉臂長度L及轉臂傾角θ分別在0~0.6m和0~4°范圍內變化時高速客車通過大半徑曲線的動力學性能。利用SIMPACK動力學仿真軟件建立高速客車模型。模型包括以下剛體:1個車體、2個構架、4條輪對和8個轉臂軸箱。全車共有50個自由度,并考慮輪軌接觸力和懸掛力的非線性特性。表1為高速客車主要的懸掛及結構參數。轉向架通過曲線的計算工況設置:線路直線長度為500m;緩和曲線長為600m;超高為120mm;圓曲線半徑為5000m;客車運行速度為300km/h,而通過曲線時的均衡速度為225km/h。下面給出轉臂式轉向架通過曲線時的位移時間響應和不同轉臂結構參數下前轉向架各部件的運動狀態(tài)及作用于輪對的蠕滑力比較。2.1轉臂長度和傾角設轉臂結構參數L=0.6m、θ=4°,所對應的轉臂式轉向架在欠超高狀態(tài)下通過曲線時的運動位移響應見圖6。從圖6中可見,轉向架的各向位移均為正值,前輪對的搖頭角及橫移量最大,其次是構架,后輪對相應的各位移量最小,且趨于徑向位置。輪對的運動姿態(tài)與上述分析結果一致??梢?,軸箱轉臂的回轉效應對轉向架通過曲線時的運動狀態(tài)影響極大。圖7和圖8分別表示轉向架各部件的橫移量與搖頭角隨轉臂長度及傾角的變化關系。從圖7和圖8可知,隨著L和θ的增大,構架及其輪對均由向曲線外側偏移逐漸改變?yōu)橄蚯€內側偏移,其中構架及前輪對的偏移量要大于后輪對;但轉臂回轉對前后輪對的搖頭角位移影響剛好相反,隨著L、θ的增加,前輪對的搖頭角逐漸增大,而后輪對搖頭角減小。當L在0~0.2m范圍內變化時,轉向架各部分位移隨著轉臂的加長迅速改變,相對于轉臂傾角,此時轉臂長度對各部件位移的影響起主要作用。當L>0.2m后,轉臂傾角θ的改變也會引起各部件位移的明顯變化。例如,L=0.0m時,轉臂傾角不起作用,即對轉向架的曲線通過性能無影響;L=0.6m時,θ由0°增至4°,前后輪對分別向曲線內側偏移了6.5mm和4.8mm,相應的搖頭角分別變化了0.51mrad和0.35mrad。分析可知,轉臂長度和轉臂傾角的改變不同程度地影響轉向架在曲線上的運動姿態(tài),這直接關系轉向架輪對的輪軌作用力分配。2.2橫向壓縮變形分析輪對運動狀態(tài)的改變,表明作用于各輪對橫向蠕滑力及蠕滑力矩也隨之變化。圖9、圖10分別給出了轉臂長度及傾角對前后輪對橫向蠕滑力和蠕滑力矩的影響。由圖9可知,橫向蠕滑力與輪對搖頭角的變化規(guī)律一致。不考慮轉臂時,后輪對的橫向蠕滑力要高于前輪對,隨著轉臂長度和傾角的增大,后輪對趨于徑向位置,而前輪對的正向搖頭角不斷增大,前輪對的輪軌接觸點處產生更大的橫向蠕滑力,如:L=0,θ=0°時,前后輪對的橫向蠕滑力分別為4kN和12kN,而當L=0.6m,θ=4°時,兩者分別達到15.5和0.91kN。從圖10可見,前后輪對的蠕滑力矩隨轉臂結構參數的增大均逐漸變?yōu)樨撝担渥兓?guī)律與前后輪對各自橫移量的變化趨勢相反。前輪對蠕滑力矩的數值要大于后輪對的相應值。例如:不考慮轉臂,即L=0時,前后輪對的蠕滑力矩分別為6.2kN·m和5.3kN·m,而L=0.6m,θ=4°時,兩者分別達到-10.5kN·m和-6.5kN·m。綜合以上分析,對于轉臂定位式轉向架,通過調整轉臂長度和傾角可實現轉向架各輪對橫向作用力分配。轉臂長度及傾角越大,構架側滾支撐開轉向架前后輪對的效果越明顯,導致前輪對的正向搖頭角更大,使前輪對產生了相當大的橫向蠕滑力,而降低了后輪對的橫向蠕滑力。同時,為實現蠕滑導向,前輪對的蠕滑力矩也隨著橫向位移的增加而增大,這會加劇前輪對踏面的磨耗,縮短旋輪周期。因此,轉臂的結構參數適當,可使前后輪對盡量在徑向位置附近,改善高速客車的曲線通過性能。3轉臂長度和傾角的影響本文比較了轉臂定位式轉向架和無轉臂轉向架通過曲線時的受力狀況。根據本文的理論分析,由于轉臂的回轉效應,轉臂式定位轉向架在欠超高狀態(tài)下通過大半徑曲線時,構架發(fā)生較大側滾的條件下,軸箱轉臂支撐開轉向架前后輪對,導致前輪對的正向搖頭角增大,后輪對正向搖頭角降低,且前后輪對均向曲線內側偏移,前輪對的偏移程度要高于后輪對,降低了高速行車條件下外輪輪緣貼靠鋼軌的幾率。
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