獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的縱向蠕滑問題

獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的縱向蠕滑問題

自20世紀(jì)20年代正式投入使用以來，鐵路車輛一直采用左右兩輛車的傳統(tǒng)輪對(duì)結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的車輪固定在車輛的軸上，其特點(diǎn)是左右兩側(cè)的輪胎以相同的速度旋轉(zhuǎn)。獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的第一個(gè)專利是于1903年提出的,其基本原理就是將兩車輪通過軸承安裝在車軸上,使左右兩車輪能相對(duì)于車軸轉(zhuǎn)動(dòng)。世界上首次采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的車輛是1916年在美國(guó)的Arizona州的一家車輛廠制造的內(nèi)燃輕軌車,其目的主要是使車輛的地板能低于400mm,以便于乘客上下。歐洲首次采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的先例是德國(guó)埃森(Essen)有軌電車公司于1933年研制的一輛輕軌電車。在運(yùn)用中發(fā)現(xiàn),采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的車輛車輪緣磨耗嚴(yán)重,且易發(fā)生脫軌事故。鑒于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件和試驗(yàn)水平,在沒有任何結(jié)論的情況下,不得不停止其繼續(xù)運(yùn)用。應(yīng)該指出的是,當(dāng)時(shí)的輪軌粘著理論還不足以來解釋其原因。直到1967年荷蘭現(xiàn)代輪軌粘著理論的開拓人KalkerJJ的博士論文發(fā)表后,人們才真正對(duì)輪軌之間蠕滑的相互作用有了認(rèn)識(shí)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來,許多國(guó)家都開始利用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪直線上臨界速度高和曲線上無縱向蠕滑的特點(diǎn),研制獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪高速轉(zhuǎn)向架。其中德國(guó)、意大利及日本還裝車進(jìn)行了線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,在既有的高速鐵路上采用現(xiàn)有車輪踏面型狀,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪高速轉(zhuǎn)向架以因在直線上對(duì)中性能差而未達(dá)到預(yù)想的目的。20世紀(jì)80年代末90年代初城市軌道交通、特別是城市輕軌低地板車輛的快速發(fā)展使獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪體現(xiàn)出其優(yōu)越性,因?yàn)椴徊捎锚?dú)立旋轉(zhuǎn)車輪實(shí)現(xiàn)100%的低地板車輛幾乎是不可能的。為滿足不同軌距國(guó)家過軌聯(lián)運(yùn)的運(yùn)用條件,許多國(guó)家開始研制和開發(fā)變軌距轉(zhuǎn)向架。而自動(dòng)變軌距的轉(zhuǎn)向架須采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪才易于實(shí)現(xiàn),如西班牙的Talgo列車和日本的E30動(dòng)車組就是采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換軌距的目的。獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪盡管運(yùn)用廣泛,但其動(dòng)力學(xué)特性特別是在高速機(jī)車車輛上的運(yùn)用至今還有待于更進(jìn)一步的研究。同傳統(tǒng)輪對(duì)相比,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪輪軌接觸蠕滑力的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)有所不同,故在研究獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架時(shí),有必要了解其同采用傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架在動(dòng)力學(xué)特性上的主要差異?；诖?本文對(duì)采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪和采用傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架的一些主要的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了比較分析。1獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輛與傳統(tǒng)傾斜車輛的橫向動(dòng)力學(xué)特性的比較1.1獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪動(dòng)力學(xué)模型若不考慮車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車輪等部件本身的彈性變形,車輛系統(tǒng)可視為一個(gè)復(fù)雜的多剛體、多自由度的非線性振動(dòng)系統(tǒng),各剛體通過彈簧和減振器相互相連,其整車計(jì)算模型如圖1所示。本文中所考慮的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架車輛具有25個(gè)自由度。而對(duì)傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架車輛,左右車輪的點(diǎn)頭自由度為同一個(gè),故其共計(jì)21個(gè)自由度。為建立運(yùn)動(dòng)方程和計(jì)算的方便,將車輛系統(tǒng)分離為若干子系統(tǒng),其相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)為(Oi,Xi,Yi,Zi)。首先,分別對(duì)各部件進(jìn)行受力分析,再將各方程聯(lián)立用數(shù)值積分求解。由于獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架車輛的車體和轉(zhuǎn)向架的受力與傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架車輛的相似,二者的運(yùn)動(dòng)方程也相似,故本文不贅述,僅將獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的運(yùn)動(dòng)方程列寫如下其中:???????????Q1Q2Q3Q4???????????=???????????F1yli+F1yri+Tyli+Tyri+Nyri+NFyli?(Txli+Nxli)rli+Mkyli?(Txri+Nxri)rri+Mkyri(Txri?Txli+Nxri?Nxli)b0+(F1xli?F1xri)b1+Mkzli+Mkzri???????????(i=1～4){Q1Q2Q3Q4}={F1yli+F1yri+Τyli+Τyri+Νyri+ΝFyli-(Τxli+Νxli)rli+Μkyli-(Τxri+Νxri)rri+Μkyri(Τxri-Τxli+Νxri-Νxli)b0+(F1xli-F1xri)b1+Μkzli+Μkzri}(i=1～4)式中:F1yl,ri為一系懸掛橫向力;F1xl,ri為一系懸掛縱向力;Tyl,ri為車輪橫向蠕滑力;Txl,ri為車輪縱向蠕滑力;Nyl,ri為車輪法向正壓力的橫向分力;Nxl,ri為車輪法向正壓力的縱向分力;Mkyl,ri為車輪自旋蠕滑力矩在y軸的分量;Mkzl,ri為車輪自旋蠕滑力矩在z軸的分量。1.2動(dòng)態(tài)特性分析根據(jù)上述計(jì)算模型及建立的運(yùn)動(dòng)方程,應(yīng)用動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序分別對(duì)傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架車輛和獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析。1.2.1輪對(duì)軌道中心的約束副傳統(tǒng)輪對(duì)車輪的基本理論研究圖2所示為兩種轉(zhuǎn)向架車輛在同一速度(120km/h)下不同摩擦系數(shù)時(shí)以初始橫移3mm的響應(yīng),其中實(shí)線所示為獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架車輛的橫移響應(yīng),虛線所示為傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架車輛的橫移響應(yīng)。當(dāng)摩擦系數(shù)較小時(shí),如圖2中取μ=0.1,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架車輛經(jīng)一定的阻尼運(yùn)動(dòng)運(yùn)行一段距離后回到軌道中心線,而傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架車輛經(jīng)一段時(shí)間衰減振動(dòng)后回到軌道中心線,并有明顯的蛇行運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生。當(dāng)摩擦系達(dá)到一定值時(shí)。如取μ=0.2,由于相應(yīng)的蠕滑力增大,且車輪踏面的錐度產(chǎn)生重力的橫向分量與摩擦系數(shù)增加無關(guān),二者的作用使得輪對(duì)在偏離軌道中心的某一位置就已經(jīng)達(dá)到平衡,因而不再回到軌道中心線上。此結(jié)果表明,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的對(duì)中性能隨摩擦系數(shù)增加而降低,且其動(dòng)力學(xué)特性與傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架的有明顯的差異。在實(shí)際運(yùn)用中,輪軌間的摩擦系數(shù)在正常情況下均大于0.2。故在一般情況下,輪對(duì)偏離軌道中心線后,車輪踏面的錐度產(chǎn)生重力的橫向分量是難以克服輪軌間橫向摩擦力,使輪對(duì)繼續(xù)沿軌道中心運(yùn)行。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)機(jī)車車輛研究所的Frederich教授和Krettek教授等在20世紀(jì)90年代初對(duì)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究和線路試驗(yàn)。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明:獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪僅靠車輪踏面的錐度的重力橫向分量橫向和蠕滑力的合力進(jìn)行導(dǎo)向,輪對(duì)一旦偏離軌道中心線后,其遠(yuǎn)不足以使輪對(duì)向軌道中心復(fù)原。解決上述問題的有效措施是采用等效斜度較高的踏面、降低輪軌間的摩擦系數(shù)和兩輪間加裝彈性偶合機(jī)構(gòu)。1.2.2美國(guó)分級(jí)線路對(duì)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的縱向?；υ趯?shí)際運(yùn)用中,絕對(duì)理想的無激擾線路是不存在的。利用傳統(tǒng)輪對(duì)和獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架車輛在直線軌道上行駛時(shí)軌道不平順響應(yīng)的時(shí)間歷程圖可以很清楚地看出二者動(dòng)力學(xué)特性上的差異。圖3所示為兩種車輛以100km/h的速度運(yùn)行在美國(guó)五級(jí)線路上的響應(yīng)情況。如圖3所示,傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架車輛的輪對(duì)存在明顯的蛇行運(yùn)動(dòng),而獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪則沒有,其輪對(duì)在某一時(shí)段貼靠某一軌道行駛,在某一時(shí)段貼靠另一軌道行駛。計(jì)算結(jié)果表明,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪相對(duì)于軌道中心線的橫移量比傳統(tǒng)輪對(duì)要小得多,故其對(duì)中性能低于傳統(tǒng)輪對(duì)。從圖中還可以看出,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的縱向蠕滑力明顯小于傳統(tǒng)輪對(duì)。正是因?yàn)槿绱?二者在縱向蠕滑力上的這種差異極大地影響了二者的動(dòng)力學(xué)特性。因?yàn)楠?dú)立輪對(duì)的縱向蠕滑力很小,使得其搖頭角也很小,如此小的搖頭角使得獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪幾乎與前進(jìn)方向沒有角度,因而無蛇行現(xiàn)象產(chǎn)生。而傳統(tǒng)輪對(duì)的搖頭角卻大得多,其搖頭運(yùn)動(dòng)與橫移運(yùn)動(dòng)的耦合即產(chǎn)生了通常所說的蛇行運(yùn)動(dòng)。1.2.3兩種輪對(duì)輪軌的對(duì)比由于傳統(tǒng)輪對(duì)存在縱向蠕滑力,故曲線通過時(shí)縱向蠕滑力產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩能夠起到導(dǎo)向作用。而獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪理論上不存在縱向蠕滑,因而其將失去曲線上自動(dòng)導(dǎo)向功能,基本上只能靠輪緣導(dǎo)向,故二者的曲線通過性能有很大差異。本文將利用數(shù)值模擬方法得出兩種轉(zhuǎn)向架車輛曲線通過的部分動(dòng)力學(xué)響應(yīng),其中車輛速度為100km/h,線路條件設(shè)置同前所述。圖4所示為兩種轉(zhuǎn)向架各輪對(duì)沖角的變化曲線。由圖可見,二者的變化趨勢(shì)類似,第一、三位輪對(duì)由于是導(dǎo)向輪,故其沖角大于第二、四位輪對(duì),且在圓曲線達(dá)到最大值。同時(shí),就第一、三位輪對(duì)的沖角來看,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪比傳統(tǒng)輪對(duì)略大一點(diǎn),這主要由于傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí),具有縱向蠕滑產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩,使得其沖角減小,證明了傳統(tǒng)輪對(duì)轉(zhuǎn)向架具有導(dǎo)向功能。而獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪理論上不存在縱向蠕滑,沒有回轉(zhuǎn)力矩,故其轉(zhuǎn)向架沒有自動(dòng)導(dǎo)向能力,因而沖角相對(duì)較大。圖5所示為兩種轉(zhuǎn)向架外側(cè)車輪的輪軌橫向力時(shí)間歷程圖。由圖可見,它們的變化趨勢(shì)基本相似。由緩和曲線到圓曲線,輪軌橫向力逐漸增大,在圓曲線上達(dá)到最大值。與輪對(duì)沖角類似,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪第一、三位輪對(duì)的輪軌橫向力比傳統(tǒng)輪對(duì)的大,而第二、四位輪對(duì)的輪軌橫向力比傳統(tǒng)輪對(duì)的略小。正如前所述,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪由于理論上不存在縱向蠕滑,當(dāng)輪緣貼靠鋼軌時(shí),沒有回轉(zhuǎn)力矩,使得導(dǎo)向軸外側(cè)車輪的輪軌橫向力增大。而由于傳統(tǒng)輪對(duì)縱向蠕滑產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩較大,這在一定程度上減小了其輪軌橫向力,從而有利于減小輪軌磨耗。2獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來,許多國(guó)家都開始利用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪直線上臨界速度高和曲線上無縱向蠕滑的特點(diǎn),研制獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪高速轉(zhuǎn)向架。其中德國(guó)、意大利及日本還裝車進(jìn)行了線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代初城市軌道交通、特別是城市輕軌低地板車輛的快速發(fā)展使獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪體現(xiàn)出其優(yōu)越性,因?yàn)椴徊捎锚?dú)立旋轉(zhuǎn)車輪實(shí)現(xiàn)100%的低地板車輛幾乎是不可能的,城市輕軌車輛在通過小半徑曲線時(shí)的尖嘯噪音也將由于采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪而減小甚至消失。為滿足不同軌距國(guó)家過軌聯(lián)運(yùn)的運(yùn)用條件,許多國(guó)家開始研制和開發(fā)變軌距轉(zhuǎn)向架,而自動(dòng)變軌距的轉(zhuǎn)向架須采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪才易于實(shí)現(xiàn)。本文通過數(shù)值模擬計(jì)算表明,同傳統(tǒng)輪對(duì)相比,獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的對(duì)中性能和輪軌磨耗是亟待解決的問題。研究中發(fā)現(xiàn),對(duì)于一定踏面形狀的車輪,輪軌摩擦系數(shù)對(duì)獨(dú)立輪對(duì)的動(dòng)力學(xué)特性影響較大,這為今后如何使獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行性能最佳,輪軌摩擦系數(shù)的選取提出了新的課題。車輪踏面形狀對(duì)重力復(fù)原力有很大影響,從而影響?yīng)毩④囕喌膹?fù)位性能。因此,研究車輪踏面形狀、輪軌間摩擦系