城市轨道交通车辆技术《26车辆的曲线通过教案》

第２６讲

讲授内容：

第四节城轨车辆的曲线通过

车辆曲线通过性能是车辆运行的一个重要指标。车辆在进入曲线时轮对与线路间发生相对位移，由此引起导向线路产生对轮对运动的约束力或导向力，通过转向架的悬挂系统传至车体，引导转向架及车体克服离心力平顺地通过曲线。

具有轮缘的钢轮在曲线上受钢轨的约束，在轮缘踏面与钢轨之间产生了复杂的作用力，也相应产生了轮轨磨耗。过大的侧向作用力会导致轨距扩大、轨排横移或钢轨翻转，从而引起平安问题。轮缘与钢轨的侧磨增加了运行阻力和能耗。。因此城市轨道车辆的曲线通过是一个需要评价的重要性能。

自从铁路诞生以来，轨道车辆的曲线通过研究经历了几个不同阶段。早期的Heumann的摩擦中心理论，将车辆在稳态通过曲线时的轮轨切向力看作是由车轮绕车辆的一个瞬时转心运动的摩擦力，并采用图解法和分析法进行计算。这仅在轮对踏面与钢轨间产生很大蠕滑量时是可行的。在蠕滑理论被试验证实后，New－land和Boocock提出了线性蠕滑力导向的稳态曲线通过理论。这一理论适应于大半径的车辆曲线通过工况。近20年来随着计算技术和计算机的开展，考虑了小曲线通过的大蠕滑情况及轮缘接触的非线性曲线通过理论逐渐完善。目前通过非线性的动态曲线通过计算软件可以研究导向车辆从直线进入曲线然后离开曲线的整个动态过程。由此可以获得车辆在风力、轨道不平顺等条件下，在曲线上的轮轨作用力、脱轨的平安性系数、车

辆间的纵向作用力、轮对冲角与轮缘磨耗等一系列信息。

随着曲线通过理论和分析技术的开展，一系列具有良好曲线通过性能的新型转向架得到了开展和运用。下面将介绍蠕滑力导向机理并引出径向转向架的理论。

一、自由轮对的线性蠕滑力导向理论

图12—25给出了自由轮对在曲线上的蠕

滑力。假定轮对在曲线上的横向位移不大，

接触角较小，轮轨接触几何及蠕滑规律都是

线性关系。在不考虑自旋蠕滑时，轮对踏面

上沿纵向及横向的蠕滑力分量x T 与y T 与蠕滑

率x γ、y γ的线性关系为：

⎭⎬⎫-=-=y y x x f T f T γγ2211 〔12—33〕 考虑到曲线超高缺乏引起的左右轮重变化率P P q ∆=，作用在整个轮对踏面上的合成横向蠕滑力与纵向蠕滑合成力矩为：

⎪⎭

⎪⎬⎫--=-==+=*y r b q f b T T M f T T T e xr xL z yr yL y 021122)941(2)(2λψ 〔12—34〕 式中 11f 、22f ——纵向、横向蠕滑系数；

ψ——轮对轴线与曲线径向方向的夹角；

*y ——轮对中心距轮对在曲线上

的纯滚线的偏移量。

当轮对从直线进入曲线时，轮对中

图12—25 作用在轮对上的蠕滑

力

图12—26 轮对进入曲线的蠕滑导向

心如果没有处在纯滚线上，如图12—26所示，那么在左右踏面上产生方向相反的纵向蠕滑力。这一力矩将迫使轮对转动使之与曲线径向形成夹角ψ。而夹角ψ将使轮对产生横向蠕滑力

T，在y T作用下轮对中心

y

将向纯滚线移动。因而又反过来减小了纵向蠕滑力，最终轮对中心到达纯滚线，其轴线指向曲线的半径方向。因此在自由轮对条件下，如果曲线半径不是太小时，轮对偏离纯滚线和径向方向产生的蠕滑力将迫使轮对返回到径向和纯滚线位置上去，从而形成蠕滑力导向的能力。要使轮对具备较强的蠕滑导向能力可采用以下措施：

〔1〕高的轮轨蠕滑系数，这与轮轨外表粘着能力和接触斑面积有关，因此增强曲线上的粘着系数，采用凹形踏面将有利曲线通过性能的提高。

〔2〕加大踏面等效斜率

λ，减少轮缘接触的可能。目前一些城市

e

的轻轨为了到达减少小曲线通过时过大的冲角导致的轮缘磨耗，磨耗形〔凹形〕踏面的等效斜率到达0.2～0.4。这种措施一方面减少磨耗，同时大大降低了曲线上的噪声水平。

〔3〕采用小半径车轮，减少冲角和轮缘力。

二、带转向架车辆的曲线通过

自由轮对自身具有蠕滑力导向通过曲线的能力，但是轮对是承载车辆运行的，轮对通过悬挂系统约束在转向架上。也就是说，轮对通过纵向及横向一系弹簧约束在构架上，并不具备自由移动转动的能力。当轮对偏离径向和纯滚线而产生蠕滑力及力矩并力图恢复到径向及纯滚线时，车辆及转向架通过一系悬挂阻碍了这种趋势，除非采用非常

柔软的一系定位刚度才有可能减少这种阻碍，但是这会导致蛇行失稳。

车辆在均衡速度下通过曲线时，车辆的圆周运动的离心力将由曲线超高产生的重力分力来平衡。但是轮对在一系悬挂的约束下并不能完全到达径向位置。一定冲角产生的横向蠕滑力使导向轮对向外轨移动，直到轮轨间产生了轮缘力以抵消向外的踏面力。

因而一系摇头刚度过大将产生大冲角，从而引起轮缘与钢轨接触，加快轮缘及钢轨的侧磨。

同样二系摇头刚度过大也将阻碍转向架转到曲线的径向方向，对于轮缘接触的防止也是极不利的。

为了提高车辆曲线通过性能，主要采取如下措施：

〔1〕一系及M系摇头约束刚度要低，减少轮对趋向径向的阻力。

〔2〕采用短轴距以减少径向时的摇头位移量。

〔3〕采用短的车辆轴距，减少转向架的摇头位移。

〔4〕高的蠕滑系数或粘着系数，可以增加轮对蠕滑导向的能力。一般采取大轴重，凹形踏面并涂抹增摩剂。

〔5〕大踏面等效斜率，减小轮对外移量，使车轮易在小半径曲线上实现纯滚动。

〔6〕降低的车辆重心。

Skytrain的轨道正线有半径70m的曲线地段，停车段内曲线半径仅为35m。为了改善曲线通过性能，减少磨耗和噪声。它的MarkⅠ转向架采取了短轴距，大踏面等效斜率，在踏面上涂抹固体高摩剂，并采用了径向转向架技术，结果大大减少了冲角，改善了轮轨磨耗，也减少了曲线上的噪声。Skytrain的动车组在高架上穿越市区，不少地