鐵道車輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)與輪軌接觸幾何關(guān)系研究.ppt

1 鐵道車輛輪對(duì)結(jié)構(gòu)與輪軌接觸幾何關(guān)系 2 主要內(nèi)容 第一節(jié)輪對(duì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)第二節(jié)輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識(shí)第三節(jié)輪軌接觸幾何關(guān)系求解第四節(jié)道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系 3 第一節(jié)輪對(duì)結(jié)構(gòu) 4 1輪對(duì)設(shè)計(jì)要求 應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度 以保證在容許的最高速度和最大載荷下安全運(yùn)行 減輕輪對(duì)重量 應(yīng)不僅能夠適應(yīng)車輛直線運(yùn)行 同時(shí)又能夠順利通過曲線和道岔 而且應(yīng)具備必要的抵抗脫軌的要求 應(yīng)具備阻力小和耐磨性好的優(yōu)點(diǎn) 這樣可以只需要較小的牽引動(dòng)力并能夠提高使用壽命 5 2輪對(duì)形狀尺寸與線路相互關(guān)系 輪緣滾動(dòng)圓直徑輪緣內(nèi)側(cè)距車輪踏面斜度 6 輪緣 輪緣是保持車輛沿鋼軌運(yùn)行 防止車輪脫軌的重要部分 滾動(dòng)圓直徑 車輪直徑大小 對(duì)車輛的影響各有利弊 輪徑小可以降低車輛重心 增大車體容積 減小車輛簧下質(zhì)量 縮小轉(zhuǎn)向架固定軸距 對(duì)于地鐵車輛還可以減小建筑限界 降低工程成本 但是 小直徑車輪可使車輪阻力增加 輪軌接觸應(yīng)力增大 踏面磨耗較快 通過軌道凹陷和接縫處對(duì)車輛振動(dòng)的影響增大 輪徑大的優(yōu)缺點(diǎn)則與之相反 2輪對(duì)形狀尺寸與線路相互關(guān)系 7 3 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距 8 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距 保證輪緣與鋼軌之間有一定游 間 隙 可以 減少輪緣與鋼軌磨耗 實(shí)現(xiàn)輪對(duì)自動(dòng)對(duì)中作用 有利于車輛安全通過曲線 有利于安全通過轍叉 輪緣與鋼軌之間的游 間 隙太小 可能會(huì)造成輪緣與鋼軌的嚴(yán)重磨耗 輪緣與鋼軌之間的游 間 隙太大 會(huì)使輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)的振幅增大 影響車輛運(yùn)行品質(zhì) 9 安全通過轍叉 10 順利通過曲線 11 輪緣內(nèi)側(cè)距選取 12 輪軌間隙計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)軌距 1435mm輪對(duì)內(nèi)側(cè)距 1353mm輪緣厚度 32mm 單側(cè) 64mm 雙側(cè) 國(guó)內(nèi)輪軌間隙 9 1435 1353 64 2 mm 歐洲輪軌間隙 5 5 1435 1360 64 2 mm 13 為了使無(wú)論哪種踏面形狀均能夠防止車輪脫軌 因而車輪都設(shè)有輪緣 踏面錐度是使輪對(duì)具有復(fù)原功能和轉(zhuǎn)向功能的根本原因 也是引起蛇行運(yùn)動(dòng)的根源 圓筒踏面 踏面為沒有錐度的平坦圓筒 日本軌檢車上 有利于軌道高低變形的測(cè)定 圓錐踏面 踏面帶有一定的錐度 圓弧踏面 磨耗型踏面 踏面帶有圓弧 3 踏面類型 14 車輪踏面外型 車輪踏面幾何形狀是影響行車安全和運(yùn)行平穩(wěn)性的重要因素 15 錐形踏面 TB 16 錐形車輪踏面和鋼軌頭部的接觸面積很小 接觸應(yīng)力很高 因此在車輪運(yùn)用初期 局部位置的磨耗很快 使踏面不久即呈現(xiàn)凹陷 當(dāng)磨耗范圍逐漸遍及整個(gè)踏面并與軌頭的輪廓外形相吻合后 接觸應(yīng)力就明顯減小 表面又經(jīng)過 冷硬 處理 以后的磨耗減慢 踏面外形也相對(duì)穩(wěn)定 此時(shí)的踏面形狀接近于磨耗型踏面 采用凹形車輪踏面 不僅可以減緩磨耗 延長(zhǎng)使用壽命 而且有利于車輛曲線通過 并使輪緣力有所降低 磨耗型踏面形成 17 磨耗型踏面 LM 18 磨耗型踏面 LMA 19 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距滾動(dòng)圓半徑輪緣輪緣厚度輪緣角度輪緣高度踏面等效踏面錐度回轉(zhuǎn)半徑差接觸角度差 4 車輪參數(shù)定義 輪軌接觸分析 車輪磨耗特性參數(shù)Sh 輪緣高Sd 輪緣厚度qR 輪緣形狀限度 車輪外形的主要參數(shù) 21 磨耗型踏面 XP55 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn) 中國(guó)軌道的典型磨耗型外形SYSZ40 00 00 00 160kph S1002歐洲標(biāo)準(zhǔn)外形 XP55TGV韓國(guó)外形 車輪外形吻合 23 對(duì)脫軌安全性要高 對(duì)中性能強(qiáng) 運(yùn)行穩(wěn)定性要好 不發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng) 曲線通過性能要好 曲線通過時(shí)產(chǎn)生的橫向力要小 能夠順利通過道岔 耐磨性要好 即使產(chǎn)生了磨耗 其形狀變化也要小 5 車輪踏面設(shè)置要求 踏面設(shè)計(jì)目的性問題 24 錐型踏面輪軌接觸斑 磨耗型踏面輪軌接觸斑 兩種踏面接觸面積比較 25 一般地 在曲線通過方面采用磨耗型踏面有利 而在抑制蛇行運(yùn)動(dòng) 車體振動(dòng)方面錐形踏面有利 實(shí)際上 現(xiàn)階段研究結(jié)果表明 在抑制車體蛇行運(yùn)動(dòng)和提高穩(wěn)定性方面 磨耗型踏面有時(shí)也能夠取得良好的效果 對(duì)踏面動(dòng)力學(xué)性能認(rèn)識(shí)差異 26 在車輪橫移時(shí) 磨耗型踏面車輪的接觸角差 滾動(dòng)半徑差要比錐形踏面車輪的變化大 這使輸入車體的能量減少 車體振動(dòng)激烈程度降低 在適當(dāng)運(yùn)行速度下 與采用錐形踏面的車輪相比 采用磨耗型踏面的車輪 其轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)短 頻率高 而且遠(yuǎn)離了車體的固有振動(dòng)頻率 車輪踏面形狀對(duì)高速動(dòng)車運(yùn)動(dòng)特性的影響 國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車 藤本裕 日本 1999年第2期 性能認(rèn)識(shí)差異 27 車輪踏面形狀和接觸參數(shù)對(duì)從鋼軌向車上輸入的能量影響 28 兩種踏面對(duì)線路激擾響應(yīng)比較 速度V 270km h 波深a 1 0mm 29 與車輪相關(guān)的幾個(gè)參數(shù) 車輪踏面錐度車輪踏面等效錐度 斜度 重力剛度重力角剛度 30 等效斜度 31 等效斜度 續(xù) 32 錐形踏面車輪滾動(dòng)圓附近成斜率為0 l的直線段 在直線段范圍內(nèi)車輪踏面斜度為常數(shù) 當(dāng)輪對(duì)中心離開對(duì)中位置向右移動(dòng)橫移量yw 那么左右車輪的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑分別為 rL r0 lywrR r0 lyw 等效斜度 33 等效斜度 34 輪對(duì)重力剛度 35 錐形踏面 輪對(duì)重力剛度 有使輪對(duì)恢復(fù)到原來(lái)對(duì)中位置的作用 36 輪對(duì)重力剛度 37 輪對(duì)重力角剛度 有使輪對(duì)繼續(xù)偏離原來(lái)角位置的作用 38 輪對(duì)重力角剛度 39 合理的輪軌踏面外型不僅可以減緩磨耗 延長(zhǎng)使用壽命 而且有利于車輛曲線通過 降低輪軌動(dòng)力作用 只要輪軌外型參數(shù)確定 利用輪軌接觸幾何關(guān)系 可以確定輪對(duì)在不同橫移量時(shí)車輪踏面等效斜度 等效重力剛度和等效重力角剛度等參數(shù) 40 專題三 輪對(duì)低動(dòng)力設(shè)計(jì)方法 動(dòng)量定理 降低作用力途徑有三種 減小質(zhì)量 減小速度變化量 延長(zhǎng)力作用時(shí)間 41 專題三 輪對(duì)低動(dòng)力設(shè)計(jì)方法 減小簧下質(zhì)量 目前在減小輪對(duì)質(zhì)量上主要兩種方法 采用空心車軸 在不降低車軸強(qiáng)度的條件下 盡可能采用空心車軸 這不僅有利于降低簧下質(zhì)量 而且還便于車軸疲勞裂紋內(nèi)部探傷 采用小輪徑車輪 減小車輪直徑同樣可以起到降低輪對(duì)質(zhì)量的作用 采用合理的車輪踏面 合理的車輪踏面對(duì)降低輪軌相互作用 保證車輛系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過能力具有重要的意義 采用彈性車輪 采用彈性車輪不僅可以降低輪軌噪聲 而且還可以緩和輪軌沖擊 降低輪軌動(dòng)作用力 嚴(yán)格控制車輪質(zhì)量 降低車輪動(dòng)不平衡質(zhì)量 車輪設(shè)計(jì)制造過程中 應(yīng)盡可能保證車輪質(zhì)心與形心重合 嚴(yán)格控制輪對(duì)動(dòng)不平衡質(zhì)量 避免質(zhì)心與形心出現(xiàn)位置偏差時(shí)形成輪軌間持續(xù)沖擊作用 42 第二節(jié)輪軌接觸狀態(tài)認(rèn)識(shí) 鋼軌軌頭外形輪軌接觸狀態(tài)輪軌接觸幾何參數(shù) 43 50kg m鋼軌外型尺寸 60kg m鋼軌外型尺寸 1 鋼軌軌頭外型 44 UIC60鋼軌外型 UIC54鋼軌外型 UIC鋼軌外型 45 50kg m與60kg m軌軌頭外型尺寸比較 46 2 輪軌接觸狀態(tài) 踏面接觸 踏面接觸輪緣接觸 一點(diǎn)接觸 兩點(diǎn)接觸 47 磨耗型踏面輪軌接觸 48 鋼軌磨耗后輪軌接觸狀態(tài) 49 3 輪軌接觸幾何參數(shù) 50 輪軌接觸幾何參數(shù) 左 右輪實(shí)際滾動(dòng)半徑 左 右輪在輪軌接觸點(diǎn)處的踏面曲率半徑 左 右軌在輪軌接觸點(diǎn)處的踏面曲率半徑 左輪和左輪與左軌和右軌在輪軌接觸點(diǎn)處的接觸角 輪對(duì)側(cè)滾角 輪對(duì)中心上下位移 踏面等效斜度 重力剛度與重力角剛度 51 第三節(jié)輪軌接觸幾何關(guān)系求解 輪軌接觸幾何關(guān)系求解發(fā)展過程影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)空間輪軌接觸幾何關(guān)系求解方法不同踏面輪軌接觸狀態(tài)比較 52 八十年代初期 研究由分段圓弧組成的磨耗型踏面和磨耗型鋼軌相互接觸時(shí)的幾何參數(shù)以及各種因素對(duì)它們的影響八十年代中后期 研究了任意形狀的輪軌空間幾何約束關(guān)系 并提出了一個(gè)具有足夠精度 適用于任意形狀的空間幾何約束關(guān)系的數(shù)學(xué)方法及計(jì)算程序 九十年代初期 提出了跡線法的思想來(lái)處理空間輪軌接觸幾何關(guān)系問題 基本思路 暫時(shí)拋開軌面的形狀 僅由輪對(duì)的位置 搖頭角 側(cè)滾角 以及踏面主輪廓線參數(shù) 滾動(dòng)半徑 接觸角 確定可能的接觸點(diǎn) 1輪軌接觸幾何關(guān)系發(fā)展過程 53 2影響輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù) 54 縱向超前量 55 3輪軌接觸幾何關(guān)系求解方法 基本假定輪軌外形離散跡線法求解 56 1 輪軌接觸點(diǎn)求解準(zhǔn)則 剛體假設(shè) 假定車輪與鋼軌均為剛體 它們不存在影響接觸關(guān)系的彈性變形 或者說車輪表面上任意點(diǎn)不能嵌入鋼軌內(nèi)部 同一側(cè)車輪上的接觸點(diǎn)和鋼軌上的接觸點(diǎn)應(yīng)具有相同的空間位置 輪軌接觸點(diǎn)處車輪與鋼軌具有公切面 57 2 車輪踏面及軌頭外型數(shù)值離散 輪對(duì)踏面主輪廓線和軌頭外形離散成有限個(gè)點(diǎn) 假定個(gè)數(shù)分別為NW和NR 利用三次樣條函數(shù)對(duì)其平滑處理后 則Xr Yr Zr將是具有NW個(gè)元素的一維矩陣 在輪對(duì)中心坐標(biāo)系中 再次利用三次樣條函數(shù) 將左 右車輪的 分別向左 右軌頂線中插值 為保證在計(jì)算接觸幾何關(guān)系時(shí)于斜度較大的區(qū)段有較高的精度 在計(jì)算程序的設(shè)計(jì)上 采用等弧長(zhǎng)的方法來(lái)等分各離散點(diǎn) 58 磨耗型踏面外型離散 59 50kg m軌頭外型全部離散數(shù)據(jù) 60kg m軌軌頭外型離散數(shù)據(jù) 鋼軌軌頭外型離散 60 兩種鋼軌軌頂外型比較 61 62 輪軌外形數(shù)據(jù)插值 63 輪軌空間接觸示意圖 3 跡線法基本原理 64 輪軌跡線 無(wú)搖頭角 65 輪軌跡線 有搖頭角 66 4 輪軌接觸狀態(tài) 67 鋼軌磨耗位置 68 錐形踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化 69 磨耗型踏面輪軌接觸點(diǎn)位置變化 70 踏面上接觸幾何位置 軌頭上接觸幾何位置 輪軌空間接觸幾何關(guān)系 71 搖頭角對(duì)踏面接觸點(diǎn)的影響 搖頭角對(duì)軌面接觸點(diǎn)的影響 72 q 0w 0 q 0w 30 q 2 50w 30 輪軌接觸點(diǎn)位置變化 73 輪對(duì)搖頭角對(duì)輪軌接觸狀態(tài)影響 74 q 0w 0 q 2 50w 30 滾動(dòng)圓半徑變化 75 q 0w 0 q 2 50w 30 輪軌接觸角變化 76 q 0w 0 q 2 50w 30 質(zhì)心垂直位移與側(cè)滾角變化 77 q 0w 0 q 2 50w 30 車輪踏面圓弧變化 78 第四節(jié)道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系 79 道岔系統(tǒng)平面視圖 80 道岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài) 81 轉(zhuǎn)轍區(qū)車輪與基本軌和尖軌相互作用關(guān)系 a 左側(cè) b 右側(cè) 82 護(hù)軌與輪背接觸狀態(tài) 83 叉心區(qū)輪軌接觸 84 道岔系統(tǒng) 85 有害空間 固定式轍叉道岔視圖 86 有害空間 87 89 90 轍