两种类型踏面的车辆与轨道耦合动力学性能比较

以上适用于振动只含一个频率成分时的情况,
表 2 频率修正系数
实际上, 实测得到的车体加速度往往含有许多频率 成分, 并以标志着机车车辆固有频率的那些最为突 出。此时需要将测得的加速度的时间历程按频率进
行分解, 于是在对每一个频率成分中的加速度按式 ( 1) 计算确定平稳性指标后, 再由此求得总平稳性指 标如下[ 8]
第 3期
王开云等: 两种类型踏面的车辆与轨道耦合动力学性能比较
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附近时, 即轮对横向位移量小于 3 mm, LM 型踏面与 TB 型踏面的 左右滚动圆半径差几乎相同, 但当轮对横向位移大于 3 mm 且随 着轮对横移量的增大, 前者的左右滚动圆半径差迅速增大, 从而 导致车辆在直线轨道上横向稳定性差。
轮轨磨耗指数是轮轨磨损程度的重要标志, 定义为轮轨接触斑内轮轨蠕滑率与蠕滑力的乘积。从图 7 中可以看出来, TB 型轮对在滚动时引起的轮轨接触界面之间的磨损( 最大磨耗指数为 30 kN m/ m) 要小于 LM 型踏面轮对引起的磨损( 最大磨耗指数为 60 kN m/ m) , 这与文献[ 5] 得出的结论相一致。这种现象可能是
使用不同类型踏面的车辆由直线进入缓和曲线到圆曲线、再从圆曲线驶出缓和曲线进入直线轨道后 整个轮轨系统运动和受力关系情况如图 1~ 图 8 所示。
图 1 与图 2 分别给出了两种类型踏面引起的轮轨横向力与垂向力随车辆运行距离的变化的比较。从 图中可以发现, TB 型踏面引起的轮轨横向相互作用力明显比 LM 型的大。例如, 当轮对进入缓圆点时, TB 型踏面与 LM 型踏面的外侧轮轨横向力均达到最大值, 分别为 22 kN 和 10 kN, 后者相对于前者小 54. 5% 。 对于轮轨垂向相互作用力, 仍然是 TB 型踏面的较大, 但相差很小。
Comparison between Vehicle Track Coupling Dynamic Performances of Railway Vehicles with Two Types of Wheel Profiles
WANG Kai yun, ZHAI Wan ming , CAI Cheng biao
引入等效斜度来衡量 LM 型踏面的倾斜程度, 所谓等效斜度就是当轮对横向移动时, LM 型踏面所产生的
左右滚动圆半径差等效于锥形踏面轮对所产生的左右滚动圆半径差。图 9 给出了 T B 型踏面和 LM 型踏
面与 60 kg/ m 钢轨配合使用时左右滚动圆半径差随轮对横移量的变化情况。从图中可以看出, 在平衡位置
LM 型踏面 0. 052g 1. 858 0. 052g 1. 736
4结论
通过采用车辆 轨道耦合动力学理论并借助于 TTISIM 动力学仿真软件对两种类型踏面的车辆与轨道 进行动力学计算和比较后, 得到如下结论:
( National Traction Research Center, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract: With the theory of vehicle track coupling dynamics and the simulation software TTISIM, dynamic performances of vehicles with the cone and the worn profiles, respectively, are calculated and compared in detail. The results show that the worn profile wheels perform better on curve tracks, while the cone profile wheels have higher critical speed of hunting stability. There is not obvious difference in carbody vibration of vehicles with the two type profiles running on tangent tracks. Key words: vehicles; dynamics; wheel profile; comparison; vehicle track coupling dynamics
第 37 卷 第 3 期 2002 年 6 月
西南交通大学学报 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY
文章编号: 0258 2724( 2002) 03 0260 05
两种类型踏面的车辆与轨道耦合 动力学性能比较
王开云, 翟婉明, 蔡成标
( 西南交通大学牵引动力研究中心, 四川 成都 610031)
图 5 给出了两种类型踏面引起的轮对冲角随车辆运行距离的变化的比较。TB 型踏面轮对冲角较 LM 型踏面的大。由此可见, 使用 TB 型车轮踏面时, 由于轮轨相互作用力和轮对冲角均比 LM 型的大, 车辆对 轨道的破坏作用及线路变形的影响也将增大, 这点可以从图 6 中得到反映, 在本算例下, TB 型车轮踏面引 起的外侧钢轨横向位移量是后者的 约 2. 5 倍。
3 车辆直线轨道运行响应
3. 1 运行平稳性
客车运行平稳性( 旅客乘坐的舒适性) 可根据 Sperling 平稳 性指标进行评定[ 7]
W=
7. 08
A f
3
F
(f
)
1 10
( 1) 图 9 左右车轮滚动圆半径差随轮对横移量
式中: W 为平稳性指标; A 为振动加速度, g; f 为振动频率, Hz; F ( f ) 为频率修正系数( 列于表 2) 。
目前, 我国铁路机车车辆上最为常用的车轮踏面形式有锥形踏面和磨耗形踏面两大类。车轮踏面直 接影响到轮轨滚动接触特征和车辆与轨道系统动力学行为。近年来, 国内许多学者对锥形踏面与磨耗形 踏面做了大量的研究和比较工作[ 1, 2] , 绝大多数是基于非线性轮轨接触几何关系的理论去研究和比较两 种类型踏面的优缺点, 并且得出了一些与实际运营经验相符的结论。但是几何分析只是新型踏面外形开 发过程中的一个重要环节[ 3] , 从轮轨接触几何关系的角度对锥形踏面和磨耗形踏面动力学进行比较而得 出的结论大多数是属于定性的。真正要达到定量比较在给定工况的条件之下两种类型踏面动力学性能的 目的, 需要借助于整车和轨道系统的结构参数及车辆 轨道耦合动力学理论分析方法[ 4] 。
表 1 TB 型与 LM 型 踏面车辆的临界速度 km/ h
踏面类型
TB 型踏面
LM 型踏面
临界速度
340
291
的临界速度达到340 km/ h, 相对 LM 型踏面的 高出
49 km/ h。由此证明, LM 型踏面使车辆蛇行运动临界速度降低, 从而较 TB 型踏面容易产生失稳现象。
这主要是由 2 种类型踏面外形几何尺寸固有的特性所决定的。TB 型踏面在滚动圆附近是由斜线构 成, 其斜率是线性的, 而 LM 型踏面是由多段不同半径的圆弧相切组合而成, 其斜率呈非线性。为此, 常常
垂向振动
f / Hz 0. 5~ 5. 9 5. 9~ 20
F(f) 0. 325f 2 400/ f 2
> 20
1
横向振动
f / Hz 0. 5~ 5. 4 5. 4~ 26
F(f ) 0. 8f 2 650/ f 2
> 26
1
W=
(
W
10 1
+
W
10 2
+Hale Waihona Puke Baidu
!+
W
1n0)
1 10
( 2)
3. 2 两种类型踏面的车辆在直线轨道上响应
因此, 文中采用车辆 轨道耦合动力学理论[ 4] 及其动力学仿真软件 TTISIM 分别对锥形踏面车辆和磨 耗形踏面车辆与轨道的动力学性能( 动态曲线通过、横向运动稳定性及直线运行平稳性) 进行理论仿真和 综合比较。在进行仿真计算时, 为不失一般性, 选取铁道部四方车辆厂生产的准高速客车和我国传统的 60 kg/ m 钢轨轨道结构, 而车轮踏面分别采用标准锥形( TB 型) 踏面和磨耗形( LM 型) 踏面两种形式。仿真 计算模型和所有参数均取自文献[ 4] 。
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西南 交通 大 学学 报
第 37 卷
由于 LM 型轮对的纵向、横向及自旋蠕滑率比 TB 型的大( 尤其是自旋蠕滑率更为突出) [ 5] 而引起的。 2 种类型踏面引起的轮轨接触应力( 根据 Hertz 理论计算得到) 随车辆运行距离的变化关系如图 8 所
示。LM 型车轮踏 面与 T B 型车 轮踏 面引 起的 轮轨 接触 应力 最 大值 均发 生在 圆曲 线上, 但前 者只 有 762 MPa, 相对后者小 34. 3% 。由此表明, 采用 LM 型踏面, 可以大幅度降低轮轨接触应力, 改善由于接触 应力导致轮轨踏面疲劳剥离从而进一步引起疲劳损坏的情况, 延长轮轨的使用寿命。
Vol. 37 No. 3 Jun. 2002
摘 要: 采用车辆 轨道耦合动力学理论 及其 相应的 动力 学仿 真软件 TTISIM, 分别 对锥 形( TB 型 ) 和磨耗 形( LM 型) 踏面车辆与轨道的动力学性能进行理论仿真计 算, 并 对计算结 果进行 了详细的 比较。结 果表明: LM 型踏面 有利于车辆动态曲线通过; TB 型踏面对提高车辆蛇行失稳 临界速度有利; 两种类 型踏面车轮 对车辆在 直线轨道 上的平稳性差别甚小。 关键词: 车辆; 动力学; 车轮踏面; 比较; 车辆 轨道耦合动力学 中图分类号:U270 文献标识码: A
2 车辆横向运动稳定性
根据文献[ 6] 确定车辆系统临界速度的方法, 在弹性轨道上加入一段 300 m 长美国AAR 标准的 6 级线 路谱作为轨道随机不平顺, 车辆 轨道耦合系统的振动被激发后在平直且无不平顺的轨道上运行, 考察第 一位轮对横向运动随时间历程的变化情况。在振动时间历程图中, 随着车辆的运行速度逐渐增加, 被激发
分别使用 TB 型车轮踏面和 LM 型车轮踏 面, 在美 国 AAR 标准的 6 级线路谱 激扰之下, 车辆均 以
120 km/ h的速度在直线轨道上运行时其车体横向与垂向加速度最大值及其相应的平稳性指标列于表 3。 从表 3 中可以看出, 无论对于车体横向, 还是车体垂向, 采用两种类型踏面仿真计算所得到的响应结果均
相当。同时, 整体结果表明, LM 型踏面引起的车体响应较之 TB 型踏面稍微大些, 但此差别非常之小而不
足以说明后者的直线轨道响应性能要好于前者。
表 3 TB 型与 LM 型踏面车辆在直线轨道上车体响应
响应 车体横向
车体垂向
指标 加速度最大值
平稳性指标 加速度最大值
平稳性指标
TB 型踏面 0. 049g 1. 834 0. 052g 1. 735
在其它运行工况相同条件下, 轮轨作用力增大, 将会对车辆的防脱轨安全性带来极为不利的影响。从 图 3 中可以看出, TB 型车轮踏面引起外侧车轮脱轨系数达到 0. 4, 较 LM 型踏面引起的增加 1 倍多。在整 个车辆动态通过曲线的过程中, LM 型车轮踏面引起的轮重减载率均较之 TB 型踏面的小( 如图 4 所示) 。 由此表明, 使用 LM 型车轮踏面, 车辆动态通过曲线时, 脱轨安全性好于 T B 型踏面, 多年的实际运营经验 也证明了这一点。
收稿日期: 2001 10 31 基金项目: 高等学校骨干教师资助计划项 目 作者简介: 王开云( 1974- ) , 男, 助 教, 硕士.
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王开云等: 两种类型踏面的车辆与轨道耦合动力学性能比较
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1 动态曲线通过性能比较
仿真计算工况为: 车辆运行速度为 100 km/ h, 曲线轨道设置为: 曲线半径 1 000 m, 圆曲线长 100 m, 缓 和曲线长 50 m, 超高 80 mm, 轨底坡1 40。
起来的轮对位移随着时间的延续, 不会衰减或收敛到平衡位置, 而是做等幅的周期运动, 此时该速度便是
车辆蛇行失稳的临界速度。
表 1 列出了铁道部四方车辆厂生产的准高速客 车在分别使用 T B 型踏面车轮与 LM 型踏面车轮时 各自的蛇行失稳临界速度。从表中可以看出, 在本 算例工况下, 使用 TB 型车轮踏面时, 车辆蛇行失稳