北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進展_圖文

1、文章編號:100227610(20070520026208北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進展John Samuels,等(美摘要:介紹了北美鐵路在降低輪軌接觸應(yīng)力和輪軌作用力方面的研究成果。關(guān)鍵詞:北美鐵路;輪軌作用力;接觸應(yīng)力中圖分類號:U270.1+1文獻標(biāo)識碼:BThe N e w Progress in R educing the Contact Stresses at the Wheel2R ailInterface of the North American R ailroadsJohn Samuels,et al.(U.S.A.Abstract:Described are the r

2、esearch achievements in reducing the contact stresses at the wheel2rail inter2 face and the wheel2rail forces in North American Railroads.K ey w ords:North American Railroads;wheel2rail forces;contact stresses1概述當(dāng)前,北美鐵路的發(fā)展主題是提高運量、改善服務(wù)和提升運輸效益。運量的增長依賴于鐵路運輸服務(wù)的改善,提高運輸利潤需要更大的基礎(chǔ)性投資,而核心問題則是提高鐵路運輸效率和運輸能力。增大

3、貨車軸重是提高北美鐵路生產(chǎn)效率的一條重要途徑,同時帶來的負(fù)面影響是增加了線路的維修工作量。解決鐵路干線運量和軸重增大帶來的檢修工作量增加的問題,通常有2種解決途徑:(1采用新技術(shù)降低輪軌接觸應(yīng)力;(2加強軌道結(jié)構(gòu)以承受更大的應(yīng)力或沖擊。以前在軸重提高后相應(yīng)加強軌道結(jié)構(gòu)的解決方案需大量額外的投資,并且不一定在各種運用條件下都能取得良好的效果。北美鐵路協(xié)會(AAR“戰(zhàn)略研究計劃”小組優(yōu)先考慮的是降低輪軌應(yīng)力以解決上述問題。下面介紹AA R下屬的運輸技術(shù)中心(T TCI在降低車輛與軌道動作用力及應(yīng)力方面的技術(shù)進展?fàn)顩r。通常,降低輪軌接觸應(yīng)力狀態(tài)有以下4種基本方法:(1降低穩(wěn)態(tài)輪軌橫向力;(2降低垂向

4、力;(3降低輪軌接觸應(yīng)力;(4降低車輛動力作用。降低以上一個或幾個變量均可降低輪軌接觸斑的能量輸入,相應(yīng)減小軌道磨耗。圖1給出了改善車輛動力學(xué)性能和加強軌道結(jié)構(gòu)在降低輪軌作用力(應(yīng)力收稿日期:2006212223圖1降低車輛動力作用或加強軌道結(jié)構(gòu)才能降低軌道應(yīng)力方面的對比關(guān)系。T TCI研究表明,采取以下措施可降低輪軌接觸應(yīng)力:(1盡量采用具有優(yōu)良懸掛特性的轉(zhuǎn)向架;(2研究和運用軌頂潤滑技術(shù);(3改進鋼軌外形維修方法;(4改進車輪外形維修方法;(5加速配備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以監(jiān)測高動力作用的車輛;(6開發(fā)運用基于車輛運行狀態(tài)的軌道幾何形位檢測系統(tǒng);(7采用經(jīng)優(yōu)化的轉(zhuǎn)向架部件和檢修方式;(8加速研究更耐用

5、的心盤潤滑劑和潤滑技術(shù)。1.1盡量采用具有優(yōu)良懸掛特性的轉(zhuǎn)向架2001年,T TCI對4種在曲線軌道上通過控制輪軌橫向作用力而降低輪軌接觸應(yīng)力的新型懸掛轉(zhuǎn)向架樣機進行了研究和評估1?？屏_拉多州普韋布洛的美國聯(lián)邦鐵路局(FRA 運輸技術(shù)中心(T TC ,在不同線路上對配裝于散裝貨車上通過提高導(dǎo)向能力,以降低車輛曲線通過輪軌橫向力的4種轉(zhuǎn)向架樣機進行了試驗。目的是確認(rèn)轉(zhuǎn)向架樣機針對懸掛系統(tǒng)的改良措施在正線運營中的效果。T TCI 計劃至少在2條線路上對配裝這些轉(zhuǎn)向架樣機的散裝貨車的運用狀況進行監(jiān)控。此外,T TCI 還對車輪直徑91cm (36in 、總重143t (315000lbs 配備該轉(zhuǎn)向

6、架樣機的車輛進行了加速壽命試驗1。試驗在T TCI 的加速運營試驗線路(FAST 上進行,測試的性能數(shù)據(jù)將用于該項目的經(jīng)濟性分析,并確定自重系數(shù)改變對143t 級車輛運營的影響。這些散裝貨車性能評估內(nèi)容將是T TCI 制定總重122t (268000lbs 以上散裝貨車動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。裝備工程協(xié)會(EEC 技術(shù)顧問委員會曾制訂過“總重130t (286000lbs 聯(lián)運車輛的規(guī)范”,目前車輛制造業(yè)正在進行復(fù)審。2002年12月31日以后,新造總重在122t 和130t 之間的4軸車輛將采用該新標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn),更大軸重的車輛將不得進一步增大輪軌接觸應(yīng)力,而配裝傳統(tǒng)三大件轉(zhuǎn)向架的車輛其動力學(xué)性

7、能將難以達到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。AAR 對散裝貨車的評估表明,與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比,通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向架的懸掛系統(tǒng),可降低輪軌作用力50%以上。圖2比較了不同曲線上傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架和2種改進懸掛的轉(zhuǎn)向架樣機的輪軌橫向力。輪軌橫向力的降低可延長軌枕的使用壽命,并減少由于軌距擴寬而導(dǎo)致的脫軌事故的發(fā)生。試驗中2種新型轉(zhuǎn)向架樣機配裝總重143t 的車輛,另2種新型轉(zhuǎn)向架樣機則配裝總重130t 的車輛。雖然將轉(zhuǎn)向架樣機分別配裝在重130t 和重143t 的車輛上加以比較不盡合理,但圖2中的數(shù)據(jù)顯示,它們均優(yōu)于現(xiàn)有重120t (263000lbs 裝用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的車輛動力學(xué)性能,減輕了軸重增加對輪軌接觸應(yīng)力的影響 。圖2曲線

8、通過時的輪軌橫向力圖3則給出了4種轉(zhuǎn)向架樣機對降低車輛曲線運行阻力的作用效果。圖3中的結(jié)果用車輛單位阻力表示。同樣,減小曲線運行阻力可以延長車輪與鋼軌的使用壽命,并節(jié)省燃料消耗。4種轉(zhuǎn)向架樣機都可降低曲線運行阻力,其中1種還可將曲線運行阻力衰減到很低的水平,并降低直線軌道上的運行阻力。圖3車輛通過曲線時的單位阻力2001年末,T TC 開始了具有新型懸掛特性的汽車部件運輸車轉(zhuǎn)向架的研制工作。T TCI 在聯(lián)合太平洋鐵路公司(U P 為福特公司服務(wù)的伊利諾斯州芝加哥市和墨西哥城間的線路上,對配裝改進懸掛設(shè)計的轉(zhuǎn)向架樣機的汽車部件運輸車在參照執(zhí)行新線路養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)的情況下,對其運行平穩(wěn)性進行了測試。其

9、他3種懸掛模式的樣機則于2002年在U P 線路上進行試驗。包括傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架在內(nèi)的5種轉(zhuǎn)向架都將在FAST 試驗線進行試驗。2002年2003年間,通用汽車公司(GM 將選出1輛“好的”和1輛“差的”汽車部件運輸車進行評估,另外GM 還將為成品汽車運輸車制訂和AA R 推薦手冊類似的車輛運行平穩(wěn)性評估標(biāo)準(zhǔn)。2002年,對懸掛系統(tǒng)經(jīng)過改進、配裝于散裝貨車的轉(zhuǎn)向架在罐車上進行動力學(xué)試驗。目前,這種罐車因軸重太大,不能實現(xiàn)自由聯(lián)運。由于罐車車體長、扭轉(zhuǎn)剛度大,其動力學(xué)性能的改善具有特殊的難點。EEC 認(rèn)為,若該罐車的試驗表明其動力學(xué)性能能夠滿足新標(biāo)準(zhǔn)中對總重122t 以上車輛的規(guī)定,則這種罐車的使用狀

10、況可大為改觀。1.2研究和運用軌頂(TOR 潤滑技術(shù)T TCI 對CSX 運輸公司(CSXT 即將配屬的10臺被試機車中的5臺裝有TOR 潤滑系統(tǒng)(圖4的機車運用狀況進行了跟蹤調(diào)查。2002年初,在使用現(xiàn)有軌道潤滑器的線路上,對作用于線路的輪軌力和摩擦力進行標(biāo)定,以測試該供貨商的潤滑劑在5臺被試機車上的使用效果。2周內(nèi),記錄了5臺機車反復(fù)經(jīng)過測量地點的摩擦力和曲線通過橫向力。測試數(shù)據(jù)表明,裝用TOR 裝置的機車可顯著降低曲線通過時的輪軌橫向力(圖5。由于條件所限以及受其他列車撒砂作業(yè)帶來的干擾,沒有進行更長時間的試驗。CSXT把另一供貨商的潤滑裝置裝于另5臺機車上,并計劃在2002年秋冬季進行

11、運用考驗。與此同時,諾?？四戏借F路也在進行類似的工作。圖4軌頂潤滑系統(tǒng)圖5有、無T OR系統(tǒng)的機車曲線輪軌橫向力在U P高低速線路上的振動數(shù)據(jù)采集試驗業(yè)已完畢。依據(jù)現(xiàn)場采集的振動數(shù)據(jù),研究者們?yōu)檠b用TOR 系統(tǒng)的機車在實驗室內(nèi)監(jiān)控TOR零部件制定了相應(yīng)的試驗大綱。初步的高速試驗數(shù)據(jù)顯示,TOR系統(tǒng)存在潤滑噴嘴不能及時打開及噴嘴沒有對準(zhǔn)軌頂噴射部位等問題,這與線路試驗的情況基本一致。2002年9月,另一供貨商的產(chǎn)品試驗結(jié)束,第一次供貨的供應(yīng)商計劃在2002年11月前改進噴嘴設(shè)計,并進行產(chǎn)品復(fù)審。本次振動試驗的測試方法將應(yīng)用于行業(yè)的驗收規(guī)范,并作為鐵路用戶的采購指導(dǎo)依據(jù)。安裝在伯靈頓北方圣菲鐵路道

12、旁的TOR系統(tǒng)樣機在FAST試驗線也成功地進行了試驗2。后來的線路試驗針對FAST試驗中的幾項運用指標(biāo)進行了驗證。試驗數(shù)據(jù)顯示,對于距TOR系統(tǒng)安裝點至少1161km(1mile以內(nèi)的鋼軌,無需消耗大量的潤滑材料便可取得明顯效果。適當(dāng)設(shè)置道旁TOR潤滑系統(tǒng)后,車輛通過曲線的平均輪軌橫向力可降低20%左右,性能很差的轉(zhuǎn)向架其輪軌橫向力降低了一半還多。目前,T TCI正對U P鐵路和加拿大鐵路(CN的TOR 系統(tǒng)使用情況進行跟蹤,其中一試驗段出現(xiàn)了軌面接觸疲勞,目前正對其進行研究。運用手冊中將列入一般線路及環(huán)形線試驗的結(jié)果。到此為止,線路試驗沒有出現(xiàn)列車操縱或車輪打滑方面的問題。1.3加速研究更耐

13、用的心盤潤滑劑和潤滑技術(shù)FAST線對不同材質(zhì)的心盤潤滑劑及眾多心盤潤滑產(chǎn)品的運用效果和耐久性進行了運用試驗。被試驗車輛總重143t,裝用常接觸滾子旁承。T TCI建立了相應(yīng)的NUCA RS模型,對車輛動態(tài)曲線通過時的心盤摩擦力進行了分析計算。初步的結(jié)果顯示在FAST 線路條件下,車輛目前使用的心盤潤滑劑在運用幾個月后(約15000mile或24000km就不能有效地提供摩擦力。圖6中的數(shù)據(jù)表明,在FAST線維持通常狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向架沒有必要使用干摩擦球面心盤,盡管可提供的摩擦系數(shù)從0115015不等。相反,在同等條件下,干摩擦球面心盤在進入曲線前后或在磨耗較嚴(yán)重的轉(zhuǎn)向架上使用,都可能引起輪軌橫向力

14、的增加3。圖6RSB轉(zhuǎn)向架心盤摩擦系數(shù)和車輛平均輪軌橫向力(利用TPD測得隨運行里程的變化車輛通過曲線時,心盤上將產(chǎn)生很大的摩擦力。車輛通過緩和曲線和圓曲線時,若心盤出現(xiàn)溝痕磨耗或機械損傷深度達到或超過110,轉(zhuǎn)向架將產(chǎn)生很大的輪軌橫向力。此種情形下,使用摩擦可控心盤潤滑劑可作為一個臨時的解決方案。但效果是短暫的,車輛通過曲線作用力很快又會升高。除對不同潤滑產(chǎn)品的使用壽命進行考核外,該研究項目的另一個目標(biāo)是優(yōu)化心盤潤滑劑的檢修周期。T TCI對6種心盤減磨技術(shù)進行了評估,包括使用心盤注入MoS2技術(shù)及大量的塑料類線性材質(zhì)心盤。對大量的潤滑產(chǎn)品所進行的試驗表明,心盤早期磨耗是可以預(yù)測的,并且試驗

15、數(shù)據(jù)可以為制定心盤的檢修周期提供參考。1.4改進鋼軌外形的維修方法T TCI的輪軌外形偏差分析軟件(WR TOL可對不同工況下的輪軌關(guān)系進行分析。分析表明,鋼軌軌頭斷面形狀誤差可導(dǎo)致輪軌接觸應(yīng)力和輪軌橫向力的大大增加。因此,必須對軌頭外形偏差進行矯正。目前針對鋼軌打磨開展的調(diào)查為WR TOL提供了非常有價值的數(shù)據(jù)4。該軟件包含一系列經(jīng)測量所得的典型車輪外形數(shù)據(jù)庫。當(dāng)軌頭斷面輪廓測定后,軟件將用不同外形的車輪依次與之配合,并計算輪對所有可能橫移位置的輪軌接觸應(yīng)力。計算完成后,把計算出的輪軌接觸應(yīng)力最大值和許用接觸應(yīng)力(如輪軌臨界滾動接觸疲勞應(yīng)力相比較,以決定是否需要采取措施矯正軌頭外形。此外,該

16、軟件還可計算出接觸角(對安全性非常重要和車輪滾動圓半徑(對車輛導(dǎo)向非常重要。研究表明,不適當(dāng)?shù)臐L動圓半徑差也將造成輪軌系統(tǒng)接觸應(yīng)力的增大。圖7給出了60個不同的車輪與鋼軌配合時,車輛通過曲線時外軌的接觸應(yīng)力狀況。圖7下方的實線表示鋼軌不同部位的許用應(yīng)力的估計值。該線將鋼軌許用應(yīng)力分割成3個應(yīng)力區(qū):軌側(cè)接觸區(qū)、軌頂靠軌側(cè)接觸區(qū)和軌頂中心接觸區(qū)。軌側(cè)接觸應(yīng)力比其他區(qū)域偏圖760個不同車輪與鋼軌配合時車輛曲線外軌接觸應(yīng)力計算值高不可避免,但高的軌頂中心接觸區(qū)的接觸應(yīng)力則可通過鋼軌打磨得到控制。圖8為一典型輪對與鋼軌配合時不同接觸位置下滾動圓半徑差的變化曲線圖。圖8中X軸為輪對的橫移(mm,Y軸為不同

17、橫移位置時左右車輪的滾動圓半徑差。同時,輪對不同接觸位置的踏面等效錐度也在圖8中標(biāo)出。較大的等效錐度將引起車輛在低速時就蛇行失穩(wěn),導(dǎo)致輪軌橫向力也較大。T TCI的WR TOL軟件已被用于確定鋼軌外形是否會導(dǎo)致鋼軌滾動接觸疲勞危險性的增加,已被用于判斷打磨后的鋼軌外形是否成功,并被用于解釋因過大橫向力導(dǎo)致鋼軌側(cè)傾從而導(dǎo)致車輛脫軌的現(xiàn)象。目前正在進一步確認(rèn)該軟件的功能。圖8單條輪對滾動圓半徑差變化曲線圖(嵌入圖為輪對等效錐度隨接觸位置的變化曲線圖1.5改進車輪外形維修方法車輪磨耗凹陷將影響車輛導(dǎo)向性能,引起軌道的擠寬并惡化內(nèi)軌的受力狀態(tài)。車輪磨耗凹陷或輪緣厚薄不均的車輛在磨耗的曲線鋼軌上運行時,

18、由于沒有良好的輪軌配合,將引起很高的輪軌接觸應(yīng)力。此外,車輪踏面缺陷也對軌道結(jié)構(gòu)帶來很高的沖擊載荷。測試和仿真計算結(jié)果都表明,磨耗凹陷車輪(圖9對曲線鋼軌上車輛的導(dǎo)向產(chǎn)生不良影響5。為此,制定一套規(guī)則,將磨耗凹陷嚴(yán)重的在用車輪剔除出去已被提上議事日程。 圖9鋼軌上的磨耗凹陷車輪車輪的沖擊載荷對水泥軌枕的壽命有重要影響,較大的沖擊將增加機車車輛和線路的維修換裝工作量,增加列車運行阻力。1989年1993年所進行的研究表明6,7,利用車輪沖擊載荷傳感器(圖10測量車輪踏面不光滑引起的沖擊載荷變化,并據(jù)此剔除在用缺陷車輪是完全可行的?；诓煌嗆壟浜蠣顟B(tài)下的測量數(shù)據(jù)和理論分析成果,以及根據(jù)車輪沖擊載

19、荷傳感器編制的數(shù)據(jù)庫,針對剔除高沖擊載荷車輪的成本進行了詳細(xì)的經(jīng)濟性分析8。結(jié)果表明,經(jīng)過經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)化后的剔除高沖擊載荷車輪的載荷門檻值為3816t (85kip s ,靜態(tài)輪重約為15t (33kip s 。1993年,AAR 機械管理委員會規(guī)定,當(dāng)車輪沖擊載荷高于446kN (100000lbs 時必須棄用。2001 圖10車輪垂向沖擊載荷探測器年,該委員會又將沖擊載荷門檻值降低為402kN (90000lbs ,并要求無論踏面存在何種缺陷,引起高沖擊力都一律棄用9。1.6加強監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)AAR 的一個發(fā)展目標(biāo)是利用4種不同的方案加快建設(shè)道旁車輛運行監(jiān)控系統(tǒng),以確保列車運行的安全性并

20、提高運輸效率。第1種方案是開發(fā)和試驗道旁探測系統(tǒng)。在AA R 的SRI 項目中,T TCI 繼續(xù)對車輪外形狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的性能進行評估,以期對北美鐵路裝備該系統(tǒng)提供技術(shù)支持。該項目還包括新一代探測技術(shù)的開發(fā),諸如道旁車輪裂紋探測器(圖11等相關(guān)設(shè)備正同大學(xué)科研機構(gòu)(約翰霍普金斯大學(xué)一起合作研發(fā)。圖11利用超聲波、激光/空氣耦合傳感器探測車輪裂紋第2種方案是研制開發(fā)區(qū)別于現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的新型探測系統(tǒng)(如道旁聲學(xué)探測系統(tǒng)TADS 等。第3種方案是發(fā)展建設(shè)鐵路綜合遙測信息服務(wù)系統(tǒng)(InteRRIS TM ,該系統(tǒng)基于T TCI 的探測器,車輛狀態(tài)和車輛性能監(jiān)測系統(tǒng)之間利用互聯(lián)網(wǎng)進行通訊,可大大提高北美

21、鐵路運輸?shù)陌踩院托?。?種方案是與FRA 簽訂技術(shù)合同,構(gòu)建全國范圍的探測網(wǎng)絡(luò),該項目始于2002年9月,持續(xù)到2003年末。項目初期,4套車輛狀態(tài)監(jiān)測儀(TPD 將分別裝于美國鐵路的4條線路,同時T TCI 的Inte RRIS 網(wǎng)絡(luò)也將用于監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)庫建設(shè)。自2000年開始,T TCI 安裝了3套道旁聲學(xué)探測系統(tǒng)(TADS TM (圖12。其中一套安裝在澳大利亞鐵路上,另外2套安裝在南非鐵路上。T TCI 于1999年安裝在新澤西州米德爾塞克斯市的一套道旁探測設(shè)備仍然運轉(zhuǎn)良好,并將作為室內(nèi)試驗設(shè)備被進一步開發(fā)和改進。TADS 系統(tǒng)的性能已通過現(xiàn)有4套TAD 裝置對軸承缺陷探測業(yè)績而得

22、到印證。根據(jù)AA R 的判據(jù),該系統(tǒng)對缺陷軸承具有97%的探測成功率。北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進展 John Samuels ,等 ( 美 31 測到車輪的百分比" 特指部分或全部測量數(shù)據(jù)可以用 作報告的數(shù)據(jù)來源 ; 第 3 行 "能夠報告的期望數(shù)據(jù)" 是 指對所有車輪其所有參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)都可用 .例如對 100 條輪對而言 , 應(yīng)得到 800 個測試數(shù)據(jù)點 .絕大多 數(shù)的數(shù)據(jù)丟失是因為測試系統(tǒng)的光線強度 , 方向或反 射引起的 ,這對應(yīng)于表 1 中第 2 列的下限值 .表 1 中 第 2 列的上限值是對 WPM 系統(tǒng)改善光線 , 調(diào)試校準(zhǔn) 后得到的系統(tǒng)特性參數(shù)

23、 .該系統(tǒng)對車輪輪緣高度 , 輪 圖 12 道旁微音器陣列聲學(xué)軸承缺陷探測裝置 緣厚度 及車 輪 踏 面 凹 陷 等 參 數(shù) 的 探 測 準(zhǔn) 確 率 高 達 90 %以上 ,而輪輞厚度的測量精度是最低的 . 車輪外形狀態(tài)探測系統(tǒng) ( WPM 可以自動識別出 磨耗凹陷車輪 , 輪緣特薄和輪緣特厚的車輪 .而剔除 磨耗凹陷車輪可顯著降低車輛在特定線路上運行或通 過曲線時內(nèi)軌的輪軌接觸應(yīng)力 . 對 4 套車輪外形探測系統(tǒng)樣機的測試結(jié)果表 明 ,多探頭 , 集成激光成像探測系統(tǒng)可較為精確地測量 車輪的輪緣厚度 , 輪緣高度 , 輪輞厚度及踏面凹陷 . T TCI 計劃對這些探測器的運用狀況做長時間的跟

24、蹤 調(diào)查 ,并開發(fā)初步的聯(lián)運協(xié)議以供 AA R 參考 . 目前 ,1 套車輪外形探測器已安裝在諾福克南方 鐵路線上 ( 圖 13 ,另外 2 套系統(tǒng)安裝于加拿大國營鐵 路 ,其他線路也正在計劃安裝該系統(tǒng) . 圖 14 輪緣厚度測量結(jié)果 表1 車輪外形狀態(tài)探測系統(tǒng)性能評估 項目 測到的車輪占所有經(jīng)過車輪的百分比 測到完整數(shù)據(jù)的車輪占測到車輪的百分比 能夠報告的期望數(shù)據(jù) 輪緣高度測試精度 輪緣厚度測試精度 輪輞厚度測試精度 踏面凹陷測試精度 系統(tǒng)總體精度 范圍 7100 91. 4. 2100 3100 60. 695. 8 40. 790. 8 58. 946. 8 25. 799. 2 40.

25、 475. 0 47. % 上述結(jié)果顯示 , 利用多探頭 , 集成激光成像系統(tǒng) , 有能力對車輛運行速度高達 89 km/ h ( 55 mile/ h , 車 輪直徑范圍在 710 mm 910 mm ( 28 in 36 in 間的 輪緣高度 , 輪緣厚度 , 輪輞厚度和踏面凹陷進行較為精 確的測量 .綜上所述 , 道旁探測技術(shù)已發(fā)展到實用的 水平 ,利用 WPM 自動監(jiān)測系統(tǒng) ,對鐵道車輛車輪外形 進行較精確的測量是完全可能的 . 1. 7 開發(fā)運用基于車輛運行狀態(tài)的軌道幾何形位檢 圖 13 位于諾福克南方鐵路線上的道旁 車輪外形探測器的機械外觀 圖 14 給出了該探測系統(tǒng)對同一條輪對的

26、輪緣厚 度進行 14 次測量的測量結(jié)果 ,圖 14 還標(biāo)出了 14 次測 量的上限值 , 下限值和平均值 .由圖 14 的測試結(jié)果可 以看出 ,探測系統(tǒng)的測試精度和以上描述相吻合 . 表 1 給出了測試系統(tǒng)測試性能的統(tǒng)計分析結(jié)果 ,精 度范圍上下限并不是來源于同一套系統(tǒng)的測試結(jié)果. 表 1 中前 3 行是描述系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)記錄能 力的總體技術(shù)性能指標(biāo) .表 1 中第 1 行 "測到的車輪 占所有經(jīng)過車輪的百分比" 是指測到的車輪中至少有 一部分?jǐn)?shù)據(jù)是可用的 ; 第 2 行 "測到完整數(shù)據(jù)的車輪占 測系統(tǒng) 研發(fā)基于車輛運行狀態(tài)的軌道幾何形位檢測儀的 目的 ,是能

27、夠利用軌檢車測量到軌道幾何形位數(shù)據(jù) ,及 時預(yù)測車輛在該特定線路狀態(tài)和運行速度下的動力學(xué) 性能 . T TCI 的 工 程 師 們 已 初 步 掌 握 了 該 項 技 術(shù) 1113 ,初始的運用實踐表明 , 該系統(tǒng)具有較好的應(yīng) 用前景 . T TCI 致力于開發(fā)實時檢測方法 , 成功應(yīng)用神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以預(yù)測多種貨車在已知軌道幾何形位狀態(tài) 32 國外鐵道車輛 44 卷第 5 期 2007 年 9 月 第 下的響應(yīng) 14 .該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以大量的車輛線路試 驗結(jié)果和軌道幾何測試結(jié)果為基礎(chǔ) , 已被證明可以很 好地處理軌道幾何狀態(tài)與車輛動力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān) 系. 基于車輛運行狀態(tài)的軌道幾何形位檢測系

28、統(tǒng)將用 來改進現(xiàn)有的軌道幾何形位測量裝置 , 并被用于開發(fā) 基于軌道幾何狀態(tài)測試數(shù)據(jù)的車輛動力學(xué)響應(yīng)預(yù)測 . 故該系統(tǒng)對軌道幾何形位狀態(tài)的預(yù)測是建立在鐵道車 輛與軌道相互作用的基礎(chǔ)上的 , 有別于 FRA 僅從軌 道幾何方面制訂的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) .因此 , 運用該系統(tǒng)可進 一步降低鐵道車輛與軌道的動力作用 , 優(yōu)化維修工作 的順序 . T TCI 正對基于車輛運行狀態(tài)的軌道幾何形位檢 測系統(tǒng)的原始樣機進行調(diào)試 , 不久將安裝在 T TCI 的 軌檢車上 ,進行車輛性能的實時分析 ( 圖 15 , 接著將 裝于其他軌檢車上進行進一步考驗 . T TCI 代表 EEC 和 AA R 機械研究委員會組織了

29、 一系列旨在降低北美鐵路輪軌接觸應(yīng)力的試驗 .試驗 中對空重車的某些動力學(xué)性能指標(biāo)進行了測試 , 如車 輛的曲線和緩和曲線通過性能 , 車輛垂向載荷均載性 , 車輛回轉(zhuǎn)阻力 , 以及車輛高速運行穩(wěn)定性等 .4 輛被 試車分別為鋁合金運煤敞車 , 短的有蓋漏斗車 , 長的丙 烷罐車和 1 輛帶端墻平車 .同時 , 建立了上述 4 種車 型和其他 6 種車型的 NU CA RS TM 仿真模型 .每輛被 試車均由 EEC 根據(jù)車輛動力學(xué)性能的經(jīng)驗進行挑選 , 或按特殊要求從在用車輛中挑選 . 試驗結(jié)果表明 ,裝有大行程常接觸旁承的每種車 輛 ,其動力學(xué)性能測試項目中至少有一項或幾項指標(biāo) 得到改善

30、.和預(yù)期的一樣 , 大行程 CCSB 可顯著改善 車輛的高速運行穩(wěn)定性 , 將車輛的臨界速度提高 24 km/ h32 km/ h ( 15 mile/ h 20 mile/ h , 同樣 , 車輛 的抗側(cè)滾能力也得到了明顯的改善 .大多數(shù)工況下 (帶 端 墻 平 車 除 外 , 使 用 大 行 程 CCSB 的車輛和使用其他形式 CCSB 的車輛相比 , 重車工況下通過曲線時 車輪的動態(tài)載荷僅在靜態(tài)載荷的基礎(chǔ) 上變化 10 % ,但車輛的側(cè)滾角略有增 加 ,圖 16 給出了效果對比結(jié)果 .從圖 16 可知 ,只有大行程 CCSB 的車輛滿 足 AA R 機務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊 XI 章 M2 第 10

31、01 的要求 , 即車輪動態(tài)垂向載荷不 得低于其靜態(tài)輪裝載荷的 10 % . 長丙烷罐車的試驗結(jié)果與 AA R 標(biāo)準(zhǔn)第 XI 章規(guī)定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的 對應(yīng)關(guān)系見表 2 . 車體剛度較大的中長度車輛 ( 如 罐車 裝用大行程旁承后 ,其動力學(xué)性 能也得 到 改 善 , 主 要 原 因 是 大 行 程 CCSB 允許車體以下部分可以產(chǎn)生較 大范圍的扭轉(zhuǎn)變形 , 車體垂向載荷可 更均勻地分配到各個車輪上 , 進而提 圖 15 基于車輛運行狀態(tài)的軌道幾何形位檢測系統(tǒng) 高車輛通過曲線和緩和曲線的能力 ( 見表 2 . 1. 8 改善車輛的維修 TTCI 進行前述試驗的另一目的是評價使用 CCSB 4 輛

32、貨車的線路試驗結(jié)果和 10 輛貨車的仿真分 的車輛曲線通過時對車體回轉(zhuǎn)阻力的影響 .當(dāng) CCSB 析結(jié)果都表明 , 大行程常接觸旁承 ( 大行程 CCSB 可 安裝和維修都正確的情況下 ,其對車輛產(chǎn)生的附加回轉(zhuǎn) 改善車輛的綜合性能 ,即曲線通過性能 , 垂向載荷均載 性和高速運行穩(wěn)定性 .使用大行程 CCSB , 除了確認(rèn) 其保證車輛高速運行穩(wěn)定性外 , 還需要測試空車和重 車裝用大行程 CCSB 后的曲線通過性能 .相應(yīng)研究結(jié) 果已于 2002 年 5 月提交給 EEC . 阻力可降到最小.TTCI 所得到的測試結(jié)果表明 ,使用 大行程 CCSB 的車輛并不比使用雙作用滾子旁承的車 輛增加多

33、少車體回轉(zhuǎn)阻力.圖 17 對裝用不同形式旁承 的車輛回轉(zhuǎn)阻力進行了比較.圖 17 中以 "大量" "有 和 限" 表示車輛通過扭曲率為 20 mm/ 5 m 的緩和曲線的 北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進展 John Samuels ,等 ( 美 33 次數(shù). 17 中最大值為回轉(zhuǎn)阻力的瞬時值 ,95 %則表示 圖 統(tǒng)計值 (分布概率為 95 %時的統(tǒng)計值 . 軌相互作用力而采取的幾項措施 .總的來說 , 至少有 4 種降低輪軌接觸應(yīng)力狀態(tài)的基本方法 : ( 1 降低穩(wěn)態(tài)輪軌橫向力 ; ( 2 降低輪軌垂向力 ; ( 3 降低輪軌接觸應(yīng)力 ; ( 4 降低車

34、輛動力作用 . 以上任何一種或幾種方法均可減小輪軌接觸斑的 能量輸入 ,減輕軌道系統(tǒng)的磨耗 .當(dāng)然 ,不同技術(shù)方案 的經(jīng)濟性將決定其在重載線路上降低輪軌接觸應(yīng)力中 的應(yīng)用前景 ,圖 18 給出了不同技術(shù)方案在 15 年使用 期內(nèi)節(jié)省的純現(xiàn)值 . 圖 16 鋁合金運煤敞車通過曲線試驗結(jié)果 表2 長丙烷罐車試驗結(jié)果與 AAR 標(biāo)準(zhǔn) 第 XI 章的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對照表 雙作用 滾子 滿足 不滿足 不滿足 不滿足 滿足 滿足 滿足 標(biāo)準(zhǔn) 行程 滿足 不滿足 不滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 大行程 輔助滾子 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 大 行程 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 空車通過曲線 空車通過緩和曲線 空車動力學(xué)性能 空車蛇行 重車通過曲線 重車