縱向耦合獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能研究

縱向耦合獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能研究

0轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機理與傳統(tǒng)的剛性車輪相比，獨立旋轉(zhuǎn)車輪（以下簡稱獨立車輪）在理論上沒有垂直滑動，因此傳統(tǒng)車輪的傳統(tǒng)自動復(fù)位和曲線跟蹤功能在獨立車輪上消失。這使得獨立車輪輪對在直線軌道上由于對中性能下降而產(chǎn)生輪緣接觸,在曲線上基本只能靠輪緣導(dǎo)向,從而導(dǎo)致輪緣磨耗嚴(yán)重,甚至引發(fā)脫軌安全事故。由于獨立車輪的上述特點,全獨立車輪轉(zhuǎn)向架一般只作為拖車轉(zhuǎn)向架來使用。各國為解決獨立車輪動車轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向性問題研制出多種獨立車輪轉(zhuǎn)向架方案,形成了多樣化的發(fā)展模式。其中,橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架和縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架以其結(jié)構(gòu)簡單的導(dǎo)向機構(gòu)與造價相對較低的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于低地板輕軌車輛中。本文以縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架為研究對象,從輪軌蠕滑力角度出發(fā),進行轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機理的理論分析;通過建立獨立車輪轉(zhuǎn)向架整車動力學(xué)模型,基于數(shù)值仿真方法,分析比較了采用縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架、橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架以及全獨立車輪轉(zhuǎn)向架車輛的導(dǎo)向性能。1縱向耦合獨立車輪輪軌接觸點縱向流變動力由于自旋蠕滑十分微小,在忽略自旋蠕滑力影響的條件下,當(dāng)獨立車輪輪對同時存在橫移和搖頭時,根據(jù)Kalker線性理論可知,一、二位輪對左輪和右輪的橫向蠕滑力與縱向蠕滑力分別為式中:FyiL與FyiR分別為i位輪對左輪和右輪的橫向蠕滑力;FxiL與FxiR分別為i位輪對左輪和右輪的縱向蠕滑力;v為車輛沿軌道前進的速度;ξxiL與ξxiR分別為i位輪對左輪與右輪的縱向蠕滑率;ξyiL與ξyiR分別為i位輪對左輪與右輪的橫向蠕滑系率;f11與f22分別為縱向與橫向蠕滑系數(shù);b為左右車輪滾動圓橫向間距之半;r0為車輪名義滾動半徑;λ為車輪踏面斜率;ωL與ωR分別為左輪和右輪的滾動角速度。由式(1)、(2)可知,橫向蠕滑力主要取決于獨立車輪輪對的搖頭角位移,一旦車輪出現(xiàn)搖頭角位移就會產(chǎn)生相應(yīng)的橫向蠕滑(率)力。全獨立車輪在連續(xù)滾動過程中,輪軌接觸點的縱向速度與軌道速度相等,左右車輪的速度有以下近似關(guān)系式中:rL與rR分別為左輪和右輪的滾動圓半徑。由式(3)、(4)可知,全獨立車輪在輪軌接觸點處幾乎不產(chǎn)生縱向蠕滑力。但對于縱向耦合獨立車輪輪對,由于縱向輪組前后車輪的旋轉(zhuǎn)角速度始終相同,當(dāng)縱向輪組前后獨立車輪的輪軌接觸點處產(chǎn)生滾動圓半徑差時,前進速度不同的同側(cè)前后車輪必然在輪軌接觸點處產(chǎn)生相對滑動,使其在連續(xù)滾動過程中輪軌接觸點處的縱向速度與軌道速度不再相等,縱向蠕滑(率)力不為0。當(dāng)縱向輪組前后獨立車輪輪軌接觸點的滾動圓半徑相等時,即一、二位獨立車輪輪對同向橫移(y1=y2≠0且φ1=φ2=0)、或者一、二位獨立車輪輪對同向搖頭(φ1=φ2≠0且y1=y2=0)時,縱向輪組前后車輪輪軌接觸點處不會產(chǎn)生相對滑動,此時,其連續(xù)滾動過程中在接觸點的縱向速度與軌道速度相等,縱向蠕滑力近似為0。也就是說,只要一、二位獨立車輪輪對由于橫向位移不同或者搖頭角位移不同,轉(zhuǎn)向架同側(cè)的前后2個獨立車輪輪軌接觸點處就會產(chǎn)生相對滑動,從而產(chǎn)生縱向蠕滑力。以左側(cè)與右側(cè)縱向輪組為研究對象,參考點選擇在縱向牽引單元的中心,則左右車輪前進速度與同側(cè)前后車輪都有關(guān)系。左側(cè)與右側(cè)縱向輪組的滾動圓半徑r′L與r′R可以分別近似表示為左側(cè)與右側(cè)縱向輪組理論速度vL與vR分別為根據(jù)Kalker線性理論一、二位輪對左右車輪縱向蠕滑力分別為通過以上對縱向蠕滑力的分析可知,只要一、二位獨立車輪輪對的橫移不同或者搖頭角度不同,車輪的輪軌接觸點處就會產(chǎn)生縱向蠕滑(率)力,所得到的結(jié)論和之前的理論分析一致。由式(10)~(13)可知,一位左輪和二位左輪縱向蠕率(力)大小相等,方向相反,一位右輪和二位右輪的縱向蠕滑率(力)大小相等,方向相反?？v向蠕滑力的產(chǎn)生是由于同側(cè)前后車輪相耦合后,由于前后車輪輪軌接觸點處滾動圓半徑差的存在引起的,滾動圓半徑差值是和前后輪對都相關(guān)的,故同側(cè)前后獨立車輪的縱向蠕滑力變化趨勢和數(shù)值的大小一致?？v向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向見圖3。在初始時刻,一、二位獨立車輪輪對均位于軌道中央。在某一時刻,當(dāng)一位獨立車輪輪對受到軌道激擾向右(正方向)產(chǎn)生橫向位移時。由于輪軌接觸點滾動圓半徑的變化,一位獨立車輪輪對右輪線速度增大,左輪線速度減小。由于同側(cè)前后車輪線速度不同,在輪軌接觸點處產(chǎn)生滑動速度,從而在輪軌接觸點處產(chǎn)生了縱向蠕動(率)力。一、二位獨立車輪輪對的縱向蠕滑力矩是同時產(chǎn)生的,大小相等,方向相反,見圖3(a)。一位獨立車輪輪對在縱向蠕滑力矩的作用下產(chǎn)生一個負(fù)方向的搖頭角位移,負(fù)偏轉(zhuǎn)角產(chǎn)生負(fù)方向的橫向蠕滑力,此時的左右橫向重力復(fù)原力Fgy1L與Fgy1R也為負(fù)。在橫向蠕滑力和重力復(fù)原力的作用下,促使一位獨立車輪輪對開始向軌道中央復(fù)位。二位獨立車輪輪對在正方向縱向蠕滑力矩的作用下產(chǎn)生正方向的搖頭角位移,正方向的搖頭角位移又產(chǎn)生了正方向的橫向蠕滑力。在橫向蠕滑力的作用下,二位獨立車輪輪對偏離軌道中央向右運動,正的橫移量使得二位獨立車輪輪對右輪線速度增大,左輪線速度減小,從而又產(chǎn)生了負(fù)方向的縱向蠕滑力矩。在負(fù)方向縱向蠕滑力矩的作用下,二位獨立車輪輪對搖頭角減小,并在隨后產(chǎn)生了負(fù)方向的搖頭角位移,負(fù)方向的搖頭角位移又產(chǎn)生了負(fù)方向的橫向蠕滑力,二位獨立車輪輪對在橫向蠕滑力的作用下向軌道中心復(fù)位。這是一個動態(tài)的過程,一、二位獨立車輪輪對在相互作用的影響下進行復(fù)位。當(dāng)一位獨立車輪輪對產(chǎn)生搖頭角位移φ1時,見圖3(b),由于一位獨立車輪輪對的縱向速度在橫向產(chǎn)生的速度分量使得一位獨立車輪輪對橫向相對滑動,從而產(chǎn)生橫向蠕滑力,橫向蠕滑力迫使輪對向右運動,見圖4。一位獨立車輪輪對產(chǎn)生向右的橫向位移,縱向蠕滑力產(chǎn)生后的分析過程和上述過程類似。車輛通過小半徑曲線時,轉(zhuǎn)向架一位獨立車輪輪對進入曲線,產(chǎn)生沖角并逐漸增大。此時,二位獨立車輪輪對還處在直線上。在橫向蠕滑力的作用下,一位獨立車輪輪對向軌道外側(cè)運動而產(chǎn)生橫向位移。一位獨立車輪輪對左右輪軌接觸點處滾動圓半徑的變化使得同側(cè)前后獨立車輪產(chǎn)生滑動速度,一位獨立車輪輪對產(chǎn)生正方向的縱向蠕滑力矩并逐漸增大,由緩和曲線進入圓曲線后達到最大。由于縱向蠕滑力的存在,縱向耦合獨立車輪輪對的沖角比全獨立車輪輪對沖角要小。一位獨立車輪輪對保持這樣的沖角和橫移狀態(tài)通過曲線。由圓曲線進入緩和曲線后,輪對沖角較小,在重力復(fù)原力和縱向蠕滑力矩的作用下向軌道中心復(fù)位。在此過程中,一位獨立車輪輪對產(chǎn)生正方向的縱向蠕滑力矩,對導(dǎo)向有利。二位獨立車輪輪對產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩為負(fù),對導(dǎo)向不利。但是由于導(dǎo)向輪對是一位獨立車輪輪對,在一位獨立車輪輪對的帶動下,二位獨立車輪輪對也會在隨后的過程中緩慢復(fù)位,所以,一、二位獨立車輪輪對就保持這樣既有沖角又有橫移的狀態(tài)通過曲線。通過以上分析可知,縱向耦合獨立車輪輪對存在縱向蠕滑力,在縱向蠕滑力和重力復(fù)原力(輪緣接觸時表現(xiàn)為輪緣力)的共同作用下進行復(fù)位。2獨立車輪轉(zhuǎn)向架的整車動力學(xué)模型轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能在整個車輛的動力學(xué)性能中起著決定性作用,但如果僅僅計算一個轉(zhuǎn)向架或一個輪對的動力學(xué)性能,而不考慮車體影響,則沒有多大的實際意義,所以本文根據(jù)城市軌道車輛的型式特點建立了獨立車輪轉(zhuǎn)向架的整車動力學(xué)模型。在圖4中,以縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架整車動力學(xué)模型為例,整車動力學(xué)模型采用短車體,通過鉸接式連接編組,由2個轉(zhuǎn)向架和3節(jié)車體組成。車體之間設(shè)有車間減振器。轉(zhuǎn)向架與車體間采用平行的雙牽引拉桿牽引裝置,傳遞牽引力和制動力。在計算中,采用其他轉(zhuǎn)向架的整車動力學(xué)模型除轉(zhuǎn)向架型式不同之外,車輛結(jié)構(gòu)形式等完全相同。在動力學(xué)模型中,中間的浮動車通過2組鉸接與前后端部車體相連,浮動車下部采用固定鉸與動車連接,浮動車兩端上部采用轉(zhuǎn)動鉸與動車連接。選用與歐洲鐵路聯(lián)盟S1002標(biāo)準(zhǔn)踏面匹配的UIC60軌頭表面。2.1全獨立車輪輪對最終橫向位移的影響在軌道上設(shè)置一段實際軌道隨機不平順激勵,當(dāng)車輛系統(tǒng)的振動被激發(fā)后,獨立車輪輪對的橫向位移自然要變化。一段時間后,讓車輛在無不平順的直線軌道上運行,考察獨立車輪輪對的橫向運動情況,通過計算各獨立車輪輪對最終橫向位移的變化情況來考察轉(zhuǎn)向架的直線對中能力,見圖5。由圖5可知,全獨立車輪轉(zhuǎn)向架的一、二位獨立車輪輪對最終在距離軌道中心線約4.6mm處保持平衡而不能向軌道中央復(fù)位,所以全獨立車輪轉(zhuǎn)向架直線的對中能力很差。橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架和縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架的一、二位獨立車輪輪對最終都回到了軌道中心線,見圖6,因此,具有較好的直線對中能力。2.2橫向耦合獨立車輪輪對縱向激勵約束的調(diào)整在考察獨立車輪轉(zhuǎn)向架曲線導(dǎo)向能力時,曲線工況選用的參數(shù)見表1。為了清晰比對分析,沒有施加軌道譜,比較了車輛惰行工況下前轉(zhuǎn)向架一、二位獨立車輪輪對的曲線導(dǎo)向性能。車輛通過曲線后,橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架和縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架的一、二位獨立車輪輪對均能回復(fù)到軌道中央,見圖7,而全獨立車輪轉(zhuǎn)向架不能向軌道中央復(fù)位,以一定的橫向位移保持平衡。一、二位獨立車輪輪對橫移的變化趨勢表明轉(zhuǎn)向架由緩和曲線進入圓曲線后,一位獨立車輪輪對接觸輪緣,而二位獨立車輪輪對脫離輪緣?？v向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架與橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架在曲線通過后向軌道中心線復(fù)位的時間相對較長,橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架在20s時回復(fù)到軌道中心線,而縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架在35s時回復(fù)到軌道中心線。全獨立車輪轉(zhuǎn)向架不產(chǎn)生使其導(dǎo)向的縱向蠕滑力,見圖8,這正是其通過曲線后不能復(fù)位的原因。橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架和縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架輪軌間存在縱向蠕滑力,見圖9,其輪對縱向蠕滑力變化的趨勢是:同位左輪和右輪縱向蠕滑力變化趨勢完全一致。而對于縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架,其同側(cè)前后獨立車輪縱向蠕滑力的變化趨勢完全一致。從縱向蠕滑力矩數(shù)值的大小來看,縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)輪對輪軌間縱向蠕滑力矩為7.85kN·m,橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)輪對輪軌間縱向蠕滑力矩為12.39kN·m,二者在同一數(shù)量級上。從圖9也可以看出,縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架通過小半徑曲線時,一位獨立車輪輪對產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩為正,二位獨立車輪輪對產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩為負(fù),這與橫向耦合獨立車輪輪對相似。一位獨立車輪輪對所產(chǎn)生的正的縱向蠕滑力矩對轉(zhuǎn)向架有轉(zhuǎn)向作用,而二位獨立車輪輪對負(fù)的縱向蠕滑力矩對轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)向起阻礙作用。車輛通過曲線時,由于縱向蠕滑力矩有使獨立車輪輪對向徑向位置偏轉(zhuǎn)的作用,見圖10,作為導(dǎo)向輪對的一位輪對,縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架的沖角明顯減小,僅為全獨立車輪轉(zhuǎn)向架的1/2,但比橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架略大,為其沖角的1.2倍。車輛通過曲線時,橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架一位獨立車輪輪對所受橫向力最小,全獨立車輪轉(zhuǎn)向架一位獨立車輪輪對所受橫向力最大,見圖11。由于全獨立車輪輪對沒有導(dǎo)向能力,故曲線通過時只能靠輪緣導(dǎo)向,輪緣力在輪軌橫向力中占主要部分。根據(jù)達朗伯原理,轉(zhuǎn)向架在外力和慣性力的作用下應(yīng)保持力平衡和力矩平衡,一位獨立車輪輪對橫向力減小的同時,二位獨立車輪輪對的橫向力必然要增大。3種轉(zhuǎn)向架的脫軌系數(shù)的變化規(guī)律與輪軌橫向力的變化規(guī)律相似,見圖12、13。在3種轉(zhuǎn)向架中,縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架一位獨立車輪輪對輪重減載率最大,二位獨立車輪輪對輪重減載率最小。輪重減載率是影響脫軌安全性的重要因素,與轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)選擇、制造質(zhì)量、組裝狀態(tài)與線路條件密切相關(guān)。一般認(rèn)為曲線半徑小于500m時就不可避免地要發(fā)生輪緣接觸。本文采用的磨耗指數(shù)W計算式為式中:Q為輪軌橫向力;φ3為獨立車輪輪對沖角。輪軌磨耗指數(shù)見圖14,可以看出,轉(zhuǎn)向架的磨耗主要集中在一位獨立車輪輪對上,二位獨立車輪輪對的磨耗很小,這是因為當(dāng)轉(zhuǎn)向架通過小半徑曲線時,轉(zhuǎn)向架由緩和曲線進入圓曲線后,對于磨耗型踏面車輪來說,轉(zhuǎn)向架前輪對通常會橫移到純滾線外側(cè)從而產(chǎn)生輪緣接觸,而后輪對通常會橫移到純滾線內(nèi)側(cè)從而避免輪緣接觸。對于縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架,一位獨立車輪輪對的磨耗指數(shù)僅為全獨立車輪轉(zhuǎn)向架的1/3,略高于橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架。這是前輪對產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩使轉(zhuǎn)向架具有一定的導(dǎo)向作用,從而減輕了輪緣接觸的結(jié)果。3縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架通過理論分析可知,只要一、二位獨立車輪輪對的橫向位移不同或者搖頭角位移不同,輪軌間就會產(chǎn)生縱向蠕滑力。存在的縱向蠕滑力矩對導(dǎo)向起著主要作用。對于縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架,前后獨立車輪輪對在既有沖角又有橫移的狀態(tài)下通過曲線。數(shù)值仿真結(jié)果表明,全獨立車輪轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩幾乎為0,縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架輪軌間存在縱向蠕滑力矩,且縱向蠕滑力矩的大小與橫向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架在同一個數(shù)量級上。因為縱向蠕滑力矩有使獨立車輪輪對向徑向位置偏轉(zhuǎn)的作用,所以當(dāng)受到軌道激擾偏離軌道中心線,以及曲線通過后,縱向耦合獨立車輪轉(zhuǎn)向架可進行自動復(fù)位。同時,作為導(dǎo)