輪軌粘結(jié)系數(shù)對(duì)機(jī)車安全性能的影響

輪軌粘結(jié)系數(shù)對(duì)機(jī)車安全性能的影響

如果車輪在車輪上旋轉(zhuǎn)，車輪會(huì)在相互連接的部分產(chǎn)生彈性變形，形成一個(gè)橢圓形接觸區(qū)，并且車輪接觸部分有粘度和滑動(dòng)區(qū)域。通常把輪軌間最大切向作用力叫做粘著力,把粘著力與鋼軌對(duì)車輪的法向反力之比值叫做粘著系數(shù)。針對(duì)粘著系數(shù),國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者做了大量的基礎(chǔ)性研究工作。例如:文獻(xiàn)定義了粘著系數(shù)的概念,闡述了影響粘著系數(shù)的因素;文獻(xiàn)提出了改善粘著的具體方法;文獻(xiàn)建立了輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)分析不同工況對(duì)粘著系數(shù)的影響;文獻(xiàn)研究了水潤(rùn)情況下的輪軌粘著。然而對(duì)于粘著系數(shù)的研究,目前僅限于粘著系數(shù)的影響因素以及改善的具體方法等方面,關(guān)于粘著系數(shù)對(duì)于機(jī)車安全性能影響的研究并不多見。鑒于此,本文以機(jī)車為研究對(duì)象,深入研究粘著系數(shù)對(duì)于機(jī)車安全性能的影響,以期為鐵路機(jī)車安全運(yùn)營(yíng)提供理論參考。1干態(tài)工況下的粘連系數(shù)粘著系數(shù)的概念是一種量度,其具有一定的隨機(jī)性,且隨著位置、時(shí)間、車輪和軌道狀況而變化。因此,根據(jù)軌道表面狀態(tài)、軌道斷面、軸載荷、機(jī)車運(yùn)行速度、車輪直徑、機(jī)車結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式、線路不平順性和天氣情況(如雨、雪、冰、霜、陰、晴)等的不同,在同一個(gè)地方可獲得粘著系數(shù)不同的變化。文獻(xiàn)指出輪軌表面有水時(shí)對(duì)粘著系數(shù)的影響非常大。輪軌表面存在粗糙度,輪軌接觸發(fā)生在微小凸起部分,而粘著力是由微小凸起部分的彈性或塑性變形產(chǎn)生的。圖1是在水潤(rùn)情況下不同粗糙度時(shí)速度與粘著系數(shù)的關(guān)系。從圖中可以看出:粗糙度越大,粘著系數(shù)就越大;粗糙度越小,粘著系數(shù)也就越小,且隨著速度的增加粘著系數(shù)變小。文獻(xiàn)指出發(fā)生不利的粘著狀態(tài)是指發(fā)生在當(dāng)線路僅稍為潮濕時(shí)而呈現(xiàn)的粘著狀態(tài)。例如,剛一下雨,粘著系數(shù)就從約0.30突然下降到0.1,如圖2所示。另外,大雨所引起的粘著系數(shù)的降低幅度并不太大。文獻(xiàn)根據(jù)日本山手線的觀測(cè)結(jié)果得到:在開始下雨時(shí)粘著力下降最為明顯,尤其是在小雨時(shí)。當(dāng)列車經(jīng)過(guò)新大久保車站時(shí)開始下小雨,此時(shí)粘著系數(shù)逐漸下降。列車通過(guò)池袋車站后,粘著系數(shù)下降極為明顯。然而,列車在通過(guò)軌道沒(méi)有被淋濕的高架鐵路時(shí),粘著系數(shù)與下雨前基本相同。這時(shí),從制動(dòng)缸計(jì)算起,上述軸的對(duì)應(yīng)粘著系數(shù)為0.06,發(fā)生滑動(dòng)時(shí)在滑動(dòng)點(diǎn)測(cè)得試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架的粘著系數(shù)為0.06,恢復(fù)粘著后為0.08~0.1,這與測(cè)速軸的特性完全相對(duì)應(yīng)。文獻(xiàn)指出,低粘著總是和濕軌道有關(guān)。經(jīng)驗(yàn)表明,最低的粘著系數(shù)值出現(xiàn)于小雨或冷凝作用導(dǎo)致軌面輕微潮濕時(shí)。粘著系數(shù)在干燥軌道和完全潮濕軌道上是相同的,測(cè)得的最低粘著系數(shù)為0.17。鋼軌輕微水濕后,最低的粘著系數(shù)為0.08。文獻(xiàn)建立了JD-1輪軌模擬試驗(yàn)機(jī),在實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行了干態(tài)工況突然加水和水介質(zhì)條件下的粘著特性試驗(yàn)。筆者研究了水介質(zhì)條件下速度、軸重以及蠕滑率對(duì)于粘著的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:干態(tài)工況加水后的粘著系數(shù)比干態(tài)時(shí)的粘著系數(shù)降低了50%~60%。綜上所述,輪軌表面有水時(shí)對(duì)粘著系數(shù)的影響比較大,小雨時(shí)粘著系數(shù)可突然下降到0.1以下,而大雨所引起的粘著系數(shù)的降低幅度并不太大。2構(gòu)架和轉(zhuǎn)向架的布置本文以某C0-C0機(jī)車為基礎(chǔ),利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型,如圖3所示。轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置采用6個(gè)橡膠堆對(duì)稱布置,分別布置在構(gòu)架兩側(cè)。車體的垂向載荷主要由橡膠堆支撐,另外配有2個(gè)橫向減振器。在構(gòu)架側(cè)梁上設(shè)置有垂向限位裝置,限制車體的垂向運(yùn)動(dòng);在車體和構(gòu)架側(cè)梁間裝有橫向止擋,限制車體的橫向運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置采用滾動(dòng)抱軸式懸掛。驅(qū)動(dòng)單元一端通過(guò)電機(jī)吊桿和吊桿座裝在構(gòu)架上,在電機(jī)吊桿端配有彈性部件,可容許輪對(duì)和構(gòu)架之間相對(duì)位移,另一端以抱軸式相連于輪對(duì)上。C0-C0型機(jī)車由車體、構(gòu)架、輪對(duì)、電機(jī)、電機(jī)吊桿組成。模型的自由度和拓?fù)潢P(guān)系如圖4所示。3最佳粘連系數(shù)由前面分析可知:小雨時(shí)粘著系數(shù)不超過(guò)0.1,可以0.05和0.1值代表小雨時(shí)的粘著系數(shù),而正常的粘著系數(shù)為0.25~0.3。因此,大雨時(shí)的粘著系數(shù)可介于前二者之間,為0.15和0.2。3.1機(jī)械力學(xué)特性粘著系數(shù)取值為0.05~0.30,機(jī)車速度分別為60、80、100km/h時(shí),輪對(duì)沖角、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率隨粘著系數(shù)變化的關(guān)系如圖5~8所示。圖5~8表明:1)隨著粘著系數(shù)增加,輪對(duì)沖角逐漸增加,但增幅不大。以速度為100km/h為例,粘著系數(shù)為0.05時(shí)的輪對(duì)沖角為0.017rad,粘著系數(shù)為0.2和0.3時(shí)的輪對(duì)沖角分別為0.018rad和0.019rad。隨著機(jī)車速度的增加,輪對(duì)沖角也逐漸增大。以粘著系數(shù)0.25為例,速度為60km/h時(shí)的輪對(duì)沖角為0.0015rad,速度為80km/h和100km/h時(shí)的沖角值分別為0.0018rad和0.0019rad。2)對(duì)于輪軌橫向力,粘著系數(shù)在0.05~0.3。隨著粘著系數(shù)的增加,輪軌橫向力值幾乎呈線性增長(zhǎng)。例如,機(jī)車速度為100km/h,粘著系數(shù)為0.05和0.2時(shí)的輪軌橫向力分別為39.67kN和56.02kN,后者較前者增加了42.21%。隨著機(jī)車速度的增加,輪軌橫向力增加。以粘著系數(shù)0.25為例,100km/h時(shí)的輪軌橫向力值比60km/h和80km/h時(shí)的值分別增加了17.11%和25.92%。3)粘著系數(shù)在0.05~0.3,脫軌系數(shù)隨著粘著系數(shù)的增加而增大,增長(zhǎng)幅度也較明顯。例如:機(jī)車運(yùn)行速度為80km/h,粘著系數(shù)為0.1時(shí)的脫軌系數(shù)為0.27,粘著系數(shù)為0.15時(shí)的輪脫軌系數(shù)為0.35,后者較前者增加了29.63%左右。相同粘著系數(shù)的情況下,隨著速度的變化,脫軌系數(shù)的值也略有增加。例如:粘著系數(shù)為0.25,60~100km/h時(shí)的脫軌系數(shù)分別為0.38、0.42和0.49,但所有工況下的脫軌系數(shù)均小于安全限值。4)粘著系數(shù)在0.05~0.3,機(jī)車運(yùn)行速度分別是60、80、100km/h時(shí),輪重減載率隨著粘著系數(shù)的增加略有增長(zhǎng),但增長(zhǎng)幅度不大,且所有工況下的輪重減載率均小于安全限值。例如:當(dāng)速度為100km/h時(shí),粘著系數(shù)為0.05時(shí)的輪重減載率為0.21,粘著系數(shù)為0.15時(shí)的輪重減載率為0.21,粘著系數(shù)為0.25時(shí)輪重減載率為0.22。上述分析表明:粘著系數(shù)在機(jī)車以60~100km/h的速度通過(guò)直線時(shí)對(duì)行車安全性能影響較明顯,尤其是對(duì)輪軌橫向力的影響較大,且粘著系數(shù)越大,安全性能指標(biāo)值越大。3.2車橋安全性能對(duì)比為了更清晰地對(duì)比分析粘著系數(shù)的影響,在曲線段沒(méi)有考慮軌道隨機(jī)不平順的情況。當(dāng)機(jī)車以100km/h的速度通過(guò)半徑為800m的平面曲線時(shí),不同天氣條件下的輪軌安全性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表1。表1結(jié)果表明粘著系數(shù)對(duì)機(jī)車(100km/h)通過(guò)曲線時(shí)的行車安全性能影響不明顯。例如:粘著系數(shù)在0.05~0.3時(shí),輪對(duì)沖角均為0.048rad左右,輪軸橫向力在25~40kN變化,脫軌系數(shù)為0.18~0.31左右,輪重減載率在0.37~0.39內(nèi)波動(dòng)。以下小雨為例(粘著系數(shù)為0.1),圖9~12分別給出了輪對(duì)沖角、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率等安全性能指標(biāo)的時(shí)間歷程。從圖9~12可以看出:機(jī)車動(dòng)態(tài)通過(guò)曲線軌道時(shí),具有明顯的輪軌相互作用特征,如圖9~12所示。4粘連系數(shù)的影響1)