輪徑差對(duì)輪對(duì)幾何接觸關(guān)系的影響

輪徑差對(duì)輪對(duì)幾何接觸關(guān)系的影響

車(chē)輪技術(shù)是高速鐵路的一項(xiàng)重要技術(shù)之一。車(chē)輪表面的匹配關(guān)系影響著高速列車(chē)的動(dòng)態(tài)性能。隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的日益提高,輪軌接觸機(jī)制越來(lái)越復(fù)雜,傷損日益嚴(yán)重,輪軌維修成本增加,輪軌關(guān)系越來(lái)越受到鐵路工程師的重視。理想狀態(tài)下同軸左右車(chē)輪具有相同車(chē)輪直徑,但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于受到生產(chǎn)工藝、機(jī)械加工精度和車(chē)輪磨耗的影響,導(dǎo)致同軸兩側(cè)車(chē)輪輪徑不一致而產(chǎn)生輪徑差(RRD),從而影響車(chē)輛的運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。因此,應(yīng)嚴(yán)格控制輪徑差的大小及其分布形式。Sawley等研究分析了踏面凹形磨耗對(duì)輪徑差的影響規(guī)律,認(rèn)為踏面凹形磨耗改變了輪徑差(RRD)曲線(xiàn)的傾斜方向,使輪對(duì)曲線(xiàn)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生較大沖角,輪緣貼靠鋼軌,容易產(chǎn)生兩點(diǎn)接觸,嚴(yán)重影響車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性。池茂儒等分別從行車(chē)安全性、車(chē)輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度對(duì)輪徑差的影響進(jìn)行分析,表明反相輪徑差對(duì)行車(chē)安全性影響較大,并根據(jù)輪徑差大小對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分為穩(wěn)定區(qū)、欠穩(wěn)定區(qū)和亞穩(wěn)定區(qū),在亞穩(wěn)定區(qū)內(nèi)車(chē)輪容易發(fā)生輪緣偏磨。李艷等人認(rèn)為輪徑差與磨耗踏面相互作用時(shí),輪徑差的增加使車(chē)輛穩(wěn)定性受到很大影響,平穩(wěn)性變差。丁軍君等基于FASTSIM算法和Braghin踏面磨耗模型研究了輪徑差對(duì)輪對(duì)橫移量的影響。滾動(dòng)圓半徑差是輪對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo),決定了輪對(duì)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性及曲線(xiàn)通過(guò)性能。車(chē)輪輪徑差分布有多種表現(xiàn)形式,可歸納為2種典型分布,如圖1所示。圖1(a)表示同轉(zhuǎn)向架車(chē)輪輪徑較小的車(chē)輪分布在同一側(cè),稱(chēng)為同相(或同側(cè))輪徑差,圖1(b)為同轉(zhuǎn)向架上車(chē)輪輪徑較小的車(chē)輪交叉分布稱(chēng)為反相輪徑差。本文作者詳細(xì)分析了輪徑差對(duì)輪對(duì)的橫移量和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律,給出了車(chē)輪鏇修的相關(guān)建議。1輪對(duì)輪對(duì)橫向偏離根據(jù)輪軌滾動(dòng)接觸蠕滑理論,輪對(duì)的對(duì)中性能主要取決于輪軌縱向蠕滑力,而滾動(dòng)圓輪徑差是影響縱向蠕滑力的大小及方向的主要因素。如果輪對(duì)存在初始輪徑差,輪對(duì)的恢復(fù)對(duì)中性受到影響,輪對(duì)會(huì)向輪徑小的車(chē)輪一側(cè)鋼軌偏移,該側(cè)車(chē)輪隨著向鋼軌貼靠程度的增加,半徑也逐漸增大并超過(guò)另一側(cè),輪對(duì)再向另一側(cè)靠近,這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行,即,輪對(duì)在滾動(dòng)過(guò)程中發(fā)生橫向振動(dòng),輪軌接觸點(diǎn)位置發(fā)生改變,導(dǎo)致輪軌磨耗區(qū)域也隨之發(fā)生偏移。利用Simpack軟件包,根據(jù)我國(guó)某高速列車(chē)性能參數(shù)建立高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型,踏面采用標(biāo)準(zhǔn)LMa踏面。由于機(jī)械加工誤差的存在,輪對(duì)輪徑差小于0.3mm屬于合格產(chǎn)品,現(xiàn)行規(guī)定鏇修標(biāo)準(zhǔn)中要求輪徑差達(dá)到1mm時(shí)需要鏇輪,為了分析不同輪徑差對(duì)高速列車(chē)性能的影響,輪徑差分別取0.25,0.5,0.75,1,1.25mm。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)較小車(chē)輪輪徑相等,較大車(chē)輪輪徑相等。在行車(chē)方向上,同相輪徑差時(shí)左側(cè)輪徑較小,反相輪徑差時(shí)導(dǎo)向輪左側(cè)輪徑較小。為研究輪徑差對(duì)輪對(duì)橫移位置的影響,在不同輪徑差下,分別對(duì)輪徑差的2種分布情況進(jìn)行對(duì)比分析。首先讓車(chē)輛通過(guò)施加幅值為4mm的諧波不平順,觀(guān)察輪對(duì)的橫移情況。圖2示出了輪徑差在2種分布下的輪對(duì)平衡位置?？梢园l(fā)現(xiàn),輪徑差在2種分布情況下的輪對(duì)橫移量的變化規(guī)律相似,隨著輪徑差的增加,輪對(duì)偏離軌道中心線(xiàn)的距離越遠(yuǎn),且向車(chē)輪輪徑較小的一側(cè)偏移,輪對(duì)與軌道中心線(xiàn)的偏離程度都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。以輪徑差為1mm為例(其他輪徑差下有相似的規(guī)律),圖3給出了同相輪徑差與反相輪徑差的輪對(duì)的橫向偏離?？梢钥闯?輪徑差在同相分布時(shí),輪對(duì)偏離軌道中心線(xiàn)的距離大于反相分布,因此,輪徑差同相分布時(shí),輪徑較小一側(cè)的車(chē)輪磨耗區(qū)域更加接近輪緣根部,輪徑較大一側(cè)的車(chē)輪磨耗區(qū)域接近踏面外側(cè)。隨著輪軌磨耗的加劇,可能會(huì)引起偏磨現(xiàn)象。2輪直徑差對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能的影響2.1等效錐度與輪軌接觸的關(guān)系當(dāng)輪對(duì)存在初始輪徑差時(shí),輪軌之間的接觸關(guān)系將發(fā)生很大變化,尤其是對(duì)等效錐度的影響較為明顯。由于踏面的等效錐度直接影響車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能,許多學(xué)者將等效錐度稱(chēng)為車(chē)輛系統(tǒng)間接的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。等效錐度的求解公式如下:γ=Δr2yG(1)γ=Δr2yG(1)式中:Δr為踏面的滾動(dòng)圓半徑差;yG為輪對(duì)橫移量。通過(guò)對(duì)不同輪徑差下輪軌接觸的幾何分析,研究了等效錐度的變化規(guī)律,結(jié)果如圖4所示。隨著輪徑差的增加,等效錐度隨之增加。并且在輪對(duì)橫移量為0～3mm時(shí),等效錐度呈現(xiàn)出現(xiàn)迅速增大又急劇下降的趨勢(shì),發(fā)生突變。2.2車(chē)輛輪對(duì)橫向加速度的機(jī)理分析根據(jù)UIC518標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)輪對(duì)的橫向加速度取均方根值,運(yùn)算窗口長(zhǎng)100m,步長(zhǎng)10m,如果輪對(duì)加速度均方根值的最大值不超過(guò)5m/s2,則認(rèn)為車(chē)輛是穩(wěn)定的,若超過(guò)5m/s2,則車(chē)輛發(fā)生失穩(wěn)。在輪徑差的2種分布情況下,不同輪徑差的車(chē)輛臨界速度如圖5所示,隨輪徑差的增大,輪徑差在2種分布方式下的車(chē)輛穩(wěn)定性都逐漸降低,且同相輪徑差的車(chē)輛穩(wěn)定性明顯低于反相分布。同相輪徑差在輪徑差大于0.8mm時(shí),車(chē)輛穩(wěn)定性迅速惡化,同相輪徑差的情況易誘發(fā)車(chē)輛蛇形失穩(wěn)。而輪徑差反相分布時(shí),隨輪徑差的增大,車(chē)輛穩(wěn)定性惡化程度逐漸變緩。為了分析輪徑差在2種分布情況下的輪對(duì)恢復(fù)對(duì)中性,以輪徑差為1mm為例,通過(guò)時(shí)域響應(yīng)法研究了輪對(duì)橫移量的變化規(guī)律,其他輪徑差下有相似規(guī)律。首先在軌道上施加800m實(shí)測(cè)隨機(jī)不平順譜,將整個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)的振動(dòng)激發(fā)出來(lái),然后讓車(chē)輛在平直無(wú)不平順的軌道上運(yùn)行,觀(guān)察不同速度下車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特征。結(jié)果如圖6所示。可以看出,隨著速度的增加,輪徑差2種分布的輪對(duì)橫移量振幅變化趨勢(shì)不同。顯然,圖6顯示了同一個(gè)轉(zhuǎn)向架2個(gè)輪對(duì)輪徑差同相分布導(dǎo)致蛇形失穩(wěn)臨界速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輪徑差反相分布導(dǎo)致的蛇形失穩(wěn)臨界速度。其主要原因?yàn)?當(dāng)達(dá)到一定速度時(shí),對(duì)輪徑差同相分布情況,同轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)將向同一側(cè)橫移(或者近似同步橫移),不會(huì)引起轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生較大幅度的偏轉(zhuǎn),同轉(zhuǎn)向架上輪對(duì)受到一系懸掛約束較小,能量不能夠迅速地衰減,始終不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),導(dǎo)致輪對(duì)產(chǎn)生晃動(dòng);隨著速度的增加,輪對(duì)橫移量的振幅逐漸達(dá)到最大幅值,沒(méi)有明顯的臨界狀態(tài),同時(shí)導(dǎo)致輪對(duì)的恢復(fù)對(duì)中性能較差。當(dāng)輪徑差反相分布時(shí),在速度變化的較小范圍內(nèi),便迅速達(dá)到最大幅值,不需要漸變過(guò)程。而反相輪徑差同轉(zhuǎn)向架上的輪對(duì)將朝相反方向橫移,將引起轉(zhuǎn)向架較大幅度的偏轉(zhuǎn),輪對(duì)將受一系懸掛約束作用,系統(tǒng)耗能較大而迅速,又促使輪對(duì)迅速恢復(fù)對(duì)中。上述解釋也反映了轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)內(nèi)部耗能的情況。通過(guò)接觸幾何分析可知,等效錐度在名義滾動(dòng)圓附近產(chǎn)生突變,產(chǎn)生較大的輪對(duì)橫向加速度,加劇輪對(duì)的橫向晃動(dòng);在輪軌界面引起較大的橫向滑動(dòng)量和增大輪軌橫向沖擊作用力,最終造成踏面磨耗,甚至踏面剝離。從圖7可以看出,輪徑差在2種工況下的輪對(duì)橫向加速度都隨輪徑差的增加而變大,當(dāng)輪徑差小于0.75mm時(shí),輪對(duì)橫向加速度增大趨勢(shì)較緩,此時(shí)輪徑差的改變對(duì)輪對(duì)加速度的影響不明顯;輪徑差大于0.75mm時(shí),輪對(duì)加速度迅速增加,車(chē)輛穩(wěn)定性迅速惡化。所以,當(dāng)輪徑差達(dá)到1mm時(shí),不可忽略輪徑差對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響,需要對(duì)輪對(duì)進(jìn)行鏇修。圖8對(duì)比分析了輪徑差在2種分布方式下的輪對(duì)橫向加速度,表明同相輪徑差的輪對(duì)橫向加速度比反相輪徑差的大,故同相輪徑差對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性不利。2.3橫向平穩(wěn)性指標(biāo)我國(guó)通常采用Sperling平穩(wěn)性指數(shù)對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)的公式為:W=0.896a3F(f)/f????????√10(2)W=0.896a3F(f)/f10(2)式中:a為加速度(cm/s2);F(f)為與振動(dòng)頻率f有關(guān)的加權(quán)系數(shù)。在計(jì)算車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)時(shí),對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)加速度響應(yīng)(時(shí)域)作FFT變換,得到加速度頻率響應(yīng)函數(shù),然后對(duì)每一頻段計(jì)算各自的平穩(wěn)性指標(biāo),最后用下式求得全頻段總的平穩(wěn)性指標(biāo):Wtot=(W101110+W102210+…+W10nn10)0.1(3)車(chē)輛以不同速度在帶有軌道不平順的直線(xiàn)軌道上運(yùn)行時(shí),不同輪徑差下車(chē)輛的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的變化規(guī)律如圖9所示。由于在對(duì)應(yīng)仿真工況下,車(chē)輪踏面和輪徑差對(duì)車(chē)輛的垂向平穩(wěn)性影響很小,因而,在此不給出相應(yīng)的圖形結(jié)果。通過(guò)對(duì)比分析,輪徑差2種分布的車(chē)輛橫向平穩(wěn)性隨輪徑差及速度的增加而變差,當(dāng)輪徑差較小時(shí),2種分布方式下車(chē)體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)差別不大,當(dāng)輪徑差大于0.5mm時(shí),輪徑差同相分布時(shí)車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)急劇下降,而輪徑差反相分布時(shí),車(chē)輛平穩(wěn)性變化較緩,可見(jiàn),同相輪徑差嚴(yán)重影響車(chē)體平穩(wěn)性。2.4輪對(duì)沖角的影響車(chē)輛曲線(xiàn)通過(guò)時(shí),在離心慣性力作用下輪對(duì)偏靠曲線(xiàn)外軌,外軌上車(chē)輪滾動(dòng)圓半徑大于內(nèi)軌車(chē)輪的滾動(dòng)圓半徑,外軌車(chē)輪將會(huì)滾過(guò)較大的弧長(zhǎng),引導(dǎo)車(chē)輛通過(guò)曲線(xiàn),當(dāng)輪徑差較大時(shí),有利于車(chē)輛曲線(xiàn)通過(guò)。如果存在初始輪徑差時(shí),將會(huì)改變輪對(duì)的曲線(xiàn)通過(guò)性能。分析初始輪徑差2種分布下對(duì)車(chē)輛曲線(xiàn)通過(guò)性能的影響時(shí),考慮了通過(guò)左曲線(xiàn)與右曲線(xiàn)2種路況。仿真分析了車(chē)輪以300km/h速度通過(guò)半徑7000m曲線(xiàn)時(shí)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能,其中曲線(xiàn)前直線(xiàn)長(zhǎng)為200m,圓曲線(xiàn)長(zhǎng)1880m,超高145mm(欠超高25.7mm),兩端各設(shè)緩和曲線(xiàn)670m,后直線(xiàn)500m。為表達(dá)方便,工況分為:A表示同相輪徑差通過(guò)右曲線(xiàn),即轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)的輪徑大的車(chē)輪在曲線(xiàn)內(nèi)軌上;B表示同相輪徑差通過(guò)左曲線(xiàn),即轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)的輪徑大的車(chē)輪在曲線(xiàn)外軌上;C表示反相輪徑差通過(guò)右曲線(xiàn),即轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對(duì)的輪徑大的車(chē)輪在曲線(xiàn)內(nèi)軌上,后輪對(duì)的輪徑大的車(chē)輪在曲線(xiàn)外軌上;D表示反相輪徑差通過(guò)左曲線(xiàn),即轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對(duì)的輪徑大的車(chē)輪在曲線(xiàn)外軌上,后輪對(duì)的輪徑大的車(chē)輪在曲線(xiàn)內(nèi)軌上。以輪徑差為1mm時(shí),導(dǎo)向輪的輪對(duì)橫移量為例,分析了不同工況下輪對(duì)橫移量的變化規(guī)律,其他輪對(duì)有相似規(guī)律。從圖10中可以看出,在圓曲線(xiàn)上(尤其在中間段上),工況B與工況D時(shí)導(dǎo)向輪的輪對(duì)橫移量離名義滾動(dòng)圓位置較近,相比工況B的情況,工況D的情況更好;工況A和C的輪對(duì)橫向偏移略大。4種工況的計(jì)算結(jié)果說(shuō)明導(dǎo)向輪對(duì)輪徑差的分布決定了輪對(duì)過(guò)曲線(xiàn)橫移發(fā)生偏移的狀態(tài),即導(dǎo)向輪對(duì)輪徑大的車(chē)輪落在外曲線(xiàn)上,無(wú)論同轉(zhuǎn)向架后輪對(duì)輪徑差如何分布,導(dǎo)向輪對(duì)橫向偏移較小。當(dāng)輪對(duì)過(guò)曲線(xiàn)時(shí),如果外軌上車(chē)輪輪徑較大,輪對(duì)橫移量由兩部分組成,一部分是輪徑差本身產(chǎn)生的橫移量,向內(nèi)軌方向偏移,另一部分是當(dāng)曲線(xiàn)通過(guò)時(shí),由于離心力的作用,輪對(duì)向外軌方向偏移。當(dāng)輪徑差較大時(shí),偏向內(nèi)軌的橫移量大于偏向于外軌的,此時(shí)導(dǎo)致內(nèi)軌上車(chē)輪的磨耗區(qū)域接近于輪緣根部;當(dāng)輪徑差較小時(shí),偏向于內(nèi)軌的橫移量小于偏向于外軌的,外軌上車(chē)輪的磨耗區(qū)域接近于輪緣根部。所以,當(dāng)輪徑差反相分布時(shí),輪軌磨耗區(qū)域比較接近名義滾動(dòng)圓位置,這樣在整體上磨耗區(qū)域比較均勻,不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重偏磨。當(dāng)輪徑較小的車(chē)輪位于外軌時(shí),由于輪對(duì)不能提供通過(guò)有效的輪徑差,甚至成為負(fù)值,縱向蠕滑力將改變方向?qū)е螺唽?duì)發(fā)生反轉(zhuǎn)向,外軌易發(fā)生輪緣接觸,加劇了輪軌磨耗,同時(shí)輪對(duì)沖角變大,產(chǎn)生較大的輪軌橫向力,甚至促使轉(zhuǎn)向架發(fā)生菱形變形。圖11分析了4種工況下沖角的變化規(guī)律。輪徑差同相分布時(shí)(工況A和B),導(dǎo)向輪對(duì)的負(fù)沖角變化不大,工況B隨著輪徑差的增大負(fù)沖角略有減小的趨勢(shì),有利通過(guò)曲線(xiàn);當(dāng)輪徑差反相分布時(shí)(工況C和D),工況D隨著輪徑差的加大,導(dǎo)向輪對(duì)正沖角迅速增大,一方面是有利于曲線(xiàn)通過(guò),另一方面過(guò)大正沖角會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)貼靠?jī)?nèi)軌;工況C表示輪徑差加大導(dǎo)致導(dǎo)向輪對(duì)負(fù)沖角迅速增大,輪對(duì)過(guò)曲線(xiàn)性能迅速下降。輪對(duì)通過(guò)右曲線(xiàn)時(shí)沖角最大,對(duì)車(chē)輛安全性有一定影響。由于輪徑差改變輪軌磨耗區(qū)域,與沖角的綜合作用下,導(dǎo)致不同工況下的平均磨耗功差距較大。圖12示出了導(dǎo)向輪對(duì)的磨耗功,可以看出,工況C平均磨耗功最大,工況A次之。在工況C下,輪軌負(fù)沖角較大,輪軌界面之間的橫向蠕滑率迅速增長(zhǎng),橫向蠕滑力和橫向相對(duì)滑動(dòng)速度也迅速增長(zhǎng),導(dǎo)致磨耗功增大。在工況A下時(shí),輪軌磨耗區(qū)域更加接近輪緣根部,加重了輪軌偏磨。在不同工況下,輪徑差對(duì)輪軌橫向力的影響較大,圖13給出不同工況下導(dǎo)向輪對(duì)外輪軌橫向力與輪徑差的變化規(guī)律。輪徑差反相分布時(shí),隨著輪徑差的增大,輪對(duì)沖角增大(如圖11所示),導(dǎo)致產(chǎn)生較高的輪軌橫向力;輪徑差同相分布時(shí),輪對(duì)沖角變化不大,輪軌橫向力處于較低水平。為進(jìn)一步分析在不同工況下,輪徑差對(duì)車(chē)輛其他輪對(duì)外軌輪軌橫向力的影響,圖14給出了4種工況下所有輪對(duì)外輪軌橫向力,可以看出,同相輪徑差在2種曲線(xiàn)工況下的輪軌橫向力變化相似;反相輪徑差通過(guò)左曲線(xiàn)時(shí)的輪軌橫向力最低,而通過(guò)右曲線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的輪軌橫向力最高。較高的輪軌橫向力致使軌枕及扣件松動(dòng),引起鋼軌翻轉(zhuǎn),嚴(yán)重情況下容易引發(fā)脫軌。在通過(guò)不同的曲線(xiàn)工況時(shí),對(duì)其他輪對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性做了進(jìn)一步分析。以第二輪對(duì)為例,圖15給出了輪徑差為1mm時(shí)輪對(duì)橫向加速度變化規(guī)律,由于在實(shí)際曲線(xiàn)工況中,工況A和C導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架后輪對(duì)(第二輪對(duì))橫向加速度較大,也就是說(shuō),無(wú)論輪徑差是同向和反向分布,只要導(dǎo)向輪對(duì)的小半徑車(chē)輪落在外軌上,轉(zhuǎn)向架后輪對(duì)橫向加速度較大,工況B和D2種情況較好。此外,不同輪徑差分布在曲線(xiàn)通過(guò)時(shí)的脫軌系數(shù)、輪重減載率差別比較小,并且均能夠滿(mǎn)足GB5599.85《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》有關(guān)要求,本文作者沒(méi)有給出相關(guān)的計(jì)算結(jié)果。3輪徑差的影響(1)輪徑差的分布方式對(duì)輪對(duì)的橫移有較大影響。隨著輪徑差的增大,同相輪徑差