偏載對轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架運行安全性的影響研究

偏載對轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架運行安全性的影響研究

由于各種原因，車輛的偏離通常是不可避免的。偏載對車輛的動力學(xué)性能會產(chǎn)生較大的影響,關(guān)于偏載對行車安全性和車輪偏磨的影響已有文章進(jìn)行了一些定性的分析,但針對不同形式的偏載對行車安全性的影響規(guī)律目前還沒有人進(jìn)行過深入研究。本文以高速客車常用的轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架為對象,重點研究不同形式的偏載對行車安全性的影響規(guī)律,以便為高速列車的設(shè)計和維修提供理論參考。1轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架車輛偏載主要有2種基本形式:一是縱向偏載,如圖1(a)左圖所示,車體的重心只在x方向發(fā)生變化;二是橫向偏載,如圖1(a)右圖所示,車體的重心只在y方向發(fā)生變化。而實際上偏載車體的重心相對于幾何中心可能既存在縱向也存在橫向偏移,偏載車體重心變化范圍如圖1(a)的陰影區(qū)所示,而各種形式的偏載都可以分解成縱向偏載和橫向偏載這2種最基本的偏載形式。依據(jù)文獻(xiàn)可知,橫向蠕滑力Tyi和縱向蠕滑力形成的偏轉(zhuǎn)力矩MTzi的近似計算公式如下。式中:i=1,2,分別代表轉(zhuǎn)向架的前后輪對;f11和f22分別為輪軌縱向和橫向蠕滑系數(shù);λ為車輪踏面等效錐度;b為左右輪軌接觸點間距之半;r0為車輪標(biāo)稱滾動圓半徑;ywi為輪對橫移量;Χwi為輪對搖頭角。從式(1)和式(2)可知,輪對受到的橫向蠕滑力Tyi主要取決于輪對的搖頭角Χwi,并且橫向蠕滑力Tyi的方向和輪對搖頭角Χwi的方向是相同的;輪對受到的縱向蠕滑力形成的偏轉(zhuǎn)力矩MTzi主要取決于輪對的橫向位移ywi,并且MTzi的方向與輪對橫向位移ywi的方向相反。轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架示意圖如圖1(c)所示。轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架的特點是轉(zhuǎn)臂的一端與車軸鉸接(可以自由轉(zhuǎn)動),另一端通過橡膠節(jié)點與構(gòu)架連接,轉(zhuǎn)臂與構(gòu)架的連接點一般高于與車軸的鉸接點(為了在欠超高的狀態(tài)下順利通過曲線)。當(dāng)構(gòu)架受到的垂向載荷增大時,構(gòu)架就會下沉,通過定位轉(zhuǎn)臂將轉(zhuǎn)向架前后輪對撐開;當(dāng)構(gòu)架受到的垂向載荷減小時,構(gòu)架就會上浮,通過定位轉(zhuǎn)臂將轉(zhuǎn)向架前后輪對拉近;當(dāng)構(gòu)架一側(cè)受到的垂向載荷增大而另一側(cè)受到的垂向載荷減小時,構(gòu)架就會側(cè)滾,通過定位轉(zhuǎn)臂使轉(zhuǎn)向架前后輪對呈正“八”字形或反“八”字形展開。圖1(b)右圖是車體橫向偏載對轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架運動狀態(tài)的影響。本文以車體重心偏向左側(cè)為例來進(jìn)行分析,這樣構(gòu)架左側(cè)的垂向載荷將增加而右側(cè)的垂向載荷將減小,因此構(gòu)架會側(cè)滾并通過定位轉(zhuǎn)臂使轉(zhuǎn)向架前后輪對呈反“八”字形展開。在圖1所示的坐標(biāo)系中,轉(zhuǎn)向架前輪對的偏轉(zhuǎn)角為正,后輪對的偏轉(zhuǎn)角為負(fù)。根據(jù)公式(1)可知,轉(zhuǎn)向架前輪對將產(chǎn)生正的橫向蠕滑力Ty1,后輪對將產(chǎn)生負(fù)的橫向蠕滑力Ty2,此時轉(zhuǎn)向架受到的前后輪對的橫向蠕滑力的合力雖然為零,但合力矩不為零,轉(zhuǎn)向架在力偶的作用下會偏轉(zhuǎn),迫使轉(zhuǎn)向架前輪對的初始安裝偏轉(zhuǎn)角進(jìn)一步加大,這將會大大惡化車輛系統(tǒng)的行車安全性。圖1(b)左圖是車體縱向偏載對轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架運動狀態(tài)的影響。車體縱向偏載只會使得前后轉(zhuǎn)向架發(fā)生上浮或下沉運動,而不會發(fā)生側(cè)滾運動。在定位轉(zhuǎn)臂的作用下,轉(zhuǎn)向架前后輪對只會發(fā)生相對伸縮運動而不會發(fā)生相對偏轉(zhuǎn)運動,這對行車安全性影響不會太大。2車輛橫向偏載的影響以某高速客車在直線上運行為例,軌道譜采用德國低干擾譜,在車輛運行速度為300km·h-1時對該高速客車進(jìn)行仿真分析,考察偏載對行車安全性的影響。車輛縱向偏載和橫向偏載對轉(zhuǎn)臂定位轉(zhuǎn)向架輪對沖角的影響如圖2所示。從圖2(a)可以看出,當(dāng)車體重心的縱坐標(biāo)相對于幾何中心從-5m逐漸變化到5m時,車輛4個輪對的沖角(均值)幾乎都為零,這說明車輛縱向偏載不會使轉(zhuǎn)向架前后輪對產(chǎn)生附加沖角。從圖2(b)可以看出,當(dāng)車體重心的橫坐標(biāo)相對于幾何中心從-0.5m逐漸變化到0.5m時,1位輪對和3位輪對的沖角(均值)從-0.00055rad逐漸增加到0.00055rad,而2位輪對和4位輪對的沖角(均值)從0.0005rad逐漸減小到-0.0005rad,這說明車輛橫向偏載使轉(zhuǎn)向架前后輪對產(chǎn)生了方向相反的附加沖角(也就是所謂的“八”字形)。這和前面的理論推斷是吻合的。下面選擇車輛前轉(zhuǎn)向架的前輪對和后轉(zhuǎn)向架的后輪對(也即1位輪對和4位輪對)分析偏載對輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率等安全性指標(biāo)的影響。車輛偏載對輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的影響如圖3—圖6所示。通過對各圖的對比分析可見:車輛縱向偏載對輪軸橫向力的影響較小,而車輛橫向偏載對輪軸橫向力的影響較大;車輛橫向偏載對輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的影響規(guī)律基本一致;而當(dāng)車體重心的橫坐標(biāo)從-0.5m逐漸變化到0.5m時,1位輪對和4位輪對的輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率都是先逐漸減小,然后又逐漸增大;當(dāng)車輛橫向偏載量趨于零時,1位輪對和4位輪對的輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率均同時處于各自的最小值;橫向偏載量的絕對值越大,車輛系統(tǒng)的各項安全性指標(biāo)越差。綜合分析圖3—圖6還可發(fā)現(xiàn),車輛縱向偏載對輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的影響規(guī)律有一些差異。當(dāng)車體重心的縱坐標(biāo)從-5m逐漸變化到5m(1位輪對的軸重會逐漸增大,而4位輪對的軸重會逐漸減小)時:1位輪對的輪軸橫向力和輪軌橫向力逐漸增大,而脫軌系數(shù)和輪重減載率卻逐漸減小;4位輪對的輪軸橫向力和輪軌橫向力逐漸減小,而脫軌系數(shù)和輪重減載率逐漸增大。因此,只有當(dāng)車輛縱向偏載趨于零時,車輛系統(tǒng)的整體安全性才最高。車輛偏載對行車安全性的影響規(guī)律歸納如下:隨著偏載的增大,車輛運行安全性指標(biāo)逐漸變差;不同偏載形式對行車安全性的影響程度不同,縱向偏載對車輛的行車安全性影響較小而橫向偏載對車輛的行車安全性影響較大,主要原因是因為車輛的縱向偏載對轉(zhuǎn)向架前后輪對的沖角影響較小,而車輛橫向偏載會引起轉(zhuǎn)向架前后輪對產(chǎn)生較大的附加沖角。3偏載形式的影響(1)所有偏載都會影響車輛的