縱向耦合獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能研究

縱向耦合獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能研究

0轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機(jī)理與傳統(tǒng)的剛性車輪相比，獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪（以下簡(jiǎn)稱獨(dú)立車輪）在理論上沒(méi)有垂直滑動(dòng)，因此傳統(tǒng)車輪的傳統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位和曲線跟蹤功能在獨(dú)立車輪上消失。這使得獨(dú)立車輪輪對(duì)在直線軌道上由于對(duì)中性能下降而產(chǎn)生輪緣接觸,在曲線上基本只能靠輪緣導(dǎo)向,從而導(dǎo)致輪緣磨耗嚴(yán)重,甚至引發(fā)脫軌安全事故。由于獨(dú)立車輪的上述特點(diǎn),全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架一般只作為拖車轉(zhuǎn)向架來(lái)使用。各國(guó)為解決獨(dú)立車輪動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向性問(wèn)題研制出多種獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架方案,形成了多樣化的發(fā)展模式。其中,橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架和縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與造價(jià)相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于低地板輕軌車輛中。本文以縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架為研究對(duì)象,從輪軌蠕滑力角度出發(fā),進(jìn)行轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機(jī)理的理論分析;通過(guò)建立獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架整車動(dòng)力學(xué)模型,基于數(shù)值仿真方法,分析比較了采用縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架、橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架以及全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架車輛的導(dǎo)向性能。1縱向耦合獨(dú)立車輪輪軌接觸點(diǎn)縱向流變動(dòng)力由于自旋蠕滑十分微小,在忽略自旋蠕滑力影響的條件下,當(dāng)獨(dú)立車輪輪對(duì)同時(shí)存在橫移和搖頭時(shí),根據(jù)Kalker線性理論可知,一、二位輪對(duì)左輪和右輪的橫向蠕滑力與縱向蠕滑力分別為式中:FyiL與FyiR分別為i位輪對(duì)左輪和右輪的橫向蠕滑力;FxiL與FxiR分別為i位輪對(duì)左輪和右輪的縱向蠕滑力;v為車輛沿軌道前進(jìn)的速度;ξxiL與ξxiR分別為i位輪對(duì)左輪與右輪的縱向蠕滑率;ξyiL與ξyiR分別為i位輪對(duì)左輪與右輪的橫向蠕滑系率;f11與f22分別為縱向與橫向蠕滑系數(shù);b為左右車輪滾動(dòng)圓橫向間距之半;r0為車輪名義滾動(dòng)半徑;λ為車輪踏面斜率;ωL與ωR分別為左輪和右輪的滾動(dòng)角速度。由式(1)、(2)可知,橫向蠕滑力主要取決于獨(dú)立車輪輪對(duì)的搖頭角位移,一旦車輪出現(xiàn)搖頭角位移就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的橫向蠕滑(率)力。全獨(dú)立車輪在連續(xù)滾動(dòng)過(guò)程中,輪軌接觸點(diǎn)的縱向速度與軌道速度相等,左右車輪的速度有以下近似關(guān)系式中:rL與rR分別為左輪和右輪的滾動(dòng)圓半徑。由式(3)、(4)可知,全獨(dú)立車輪在輪軌接觸點(diǎn)處幾乎不產(chǎn)生縱向蠕滑力。但對(duì)于縱向耦合獨(dú)立車輪輪對(duì),由于縱向輪組前后車輪的旋轉(zhuǎn)角速度始終相同,當(dāng)縱向輪組前后獨(dú)立車輪的輪軌接觸點(diǎn)處產(chǎn)生滾動(dòng)圓半徑差時(shí),前進(jìn)速度不同的同側(cè)前后車輪必然在輪軌接觸點(diǎn)處產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),使其在連續(xù)滾動(dòng)過(guò)程中輪軌接觸點(diǎn)處的縱向速度與軌道速度不再相等,縱向蠕滑(率)力不為0。當(dāng)縱向輪組前后獨(dú)立車輪輪軌接觸點(diǎn)的滾動(dòng)圓半徑相等時(shí),即一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)同向橫移(y1=y2≠0且φ1=φ2=0)、或者一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)同向搖頭(φ1=φ2≠0且y1=y2=0)時(shí),縱向輪組前后車輪輪軌接觸點(diǎn)處不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),此時(shí),其連續(xù)滾動(dòng)過(guò)程中在接觸點(diǎn)的縱向速度與軌道速度相等,縱向蠕滑力近似為0。也就是說(shuō),只要一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)由于橫向位移不同或者搖頭角位移不同,轉(zhuǎn)向架同側(cè)的前后2個(gè)獨(dú)立車輪輪軌接觸點(diǎn)處就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),從而產(chǎn)生縱向蠕滑力。以左側(cè)與右側(cè)縱向輪組為研究對(duì)象,參考點(diǎn)選擇在縱向牽引單元的中心,則左右車輪前進(jìn)速度與同側(cè)前后車輪都有關(guān)系。左側(cè)與右側(cè)縱向輪組的滾動(dòng)圓半徑r′L與r′R可以分別近似表示為左側(cè)與右側(cè)縱向輪組理論速度vL與vR分別為根據(jù)Kalker線性理論一、二位輪對(duì)左右車輪縱向蠕滑力分別為通過(guò)以上對(duì)縱向蠕滑力的分析可知,只要一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)的橫移不同或者搖頭角度不同,車輪的輪軌接觸點(diǎn)處就會(huì)產(chǎn)生縱向蠕滑(率)力,所得到的結(jié)論和之前的理論分析一致。由式(10)~(13)可知,一位左輪和二位左輪縱向蠕率(力)大小相等,方向相反,一位右輪和二位右輪的縱向蠕滑率(力)大小相等,方向相反?？v向蠕滑力的產(chǎn)生是由于同側(cè)前后車輪相耦合后,由于前后車輪輪軌接觸點(diǎn)處滾動(dòng)圓半徑差的存在引起的,滾動(dòng)圓半徑差值是和前后輪對(duì)都相關(guān)的,故同側(cè)前后獨(dú)立車輪的縱向蠕滑力變化趨勢(shì)和數(shù)值的大小一致?？v向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向見圖3。在初始時(shí)刻,一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)均位于軌道中央。在某一時(shí)刻,當(dāng)一位獨(dú)立車輪輪對(duì)受到軌道激擾向右(正方向)產(chǎn)生橫向位移時(shí)。由于輪軌接觸點(diǎn)滾動(dòng)圓半徑的變化,一位獨(dú)立車輪輪對(duì)右輪線速度增大,左輪線速度減小。由于同側(cè)前后車輪線速度不同,在輪軌接觸點(diǎn)處產(chǎn)生滑動(dòng)速度,從而在輪軌接觸點(diǎn)處產(chǎn)生了縱向蠕動(dòng)(率)力。一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)的縱向蠕滑力矩是同時(shí)產(chǎn)生的,大小相等,方向相反,見圖3(a)。一位獨(dú)立車輪輪對(duì)在縱向蠕滑力矩的作用下產(chǎn)生一個(gè)負(fù)方向的搖頭角位移,負(fù)偏轉(zhuǎn)角產(chǎn)生負(fù)方向的橫向蠕滑力,此時(shí)的左右橫向重力復(fù)原力Fgy1L與Fgy1R也為負(fù)。在橫向蠕滑力和重力復(fù)原力的作用下,促使一位獨(dú)立車輪輪對(duì)開始向軌道中央復(fù)位。二位獨(dú)立車輪輪對(duì)在正方向縱向蠕滑力矩的作用下產(chǎn)生正方向的搖頭角位移,正方向的搖頭角位移又產(chǎn)生了正方向的橫向蠕滑力。在橫向蠕滑力的作用下,二位獨(dú)立車輪輪對(duì)偏離軌道中央向右運(yùn)動(dòng),正的橫移量使得二位獨(dú)立車輪輪對(duì)右輪線速度增大,左輪線速度減小,從而又產(chǎn)生了負(fù)方向的縱向蠕滑力矩。在負(fù)方向縱向蠕滑力矩的作用下,二位獨(dú)立車輪輪對(duì)搖頭角減小,并在隨后產(chǎn)生了負(fù)方向的搖頭角位移,負(fù)方向的搖頭角位移又產(chǎn)生了負(fù)方向的橫向蠕滑力,二位獨(dú)立車輪輪對(duì)在橫向蠕滑力的作用下向軌道中心復(fù)位。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)在相互作用的影響下進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)一位獨(dú)立車輪輪對(duì)產(chǎn)生搖頭角位移φ1時(shí),見圖3(b),由于一位獨(dú)立車輪輪對(duì)的縱向速度在橫向產(chǎn)生的速度分量使得一位獨(dú)立車輪輪對(duì)橫向相對(duì)滑動(dòng),從而產(chǎn)生橫向蠕滑力,橫向蠕滑力迫使輪對(duì)向右運(yùn)動(dòng),見圖4。一位獨(dú)立車輪輪對(duì)產(chǎn)生向右的橫向位移,縱向蠕滑力產(chǎn)生后的分析過(guò)程和上述過(guò)程類似。車輛通過(guò)小半徑曲線時(shí),轉(zhuǎn)向架一位獨(dú)立車輪輪對(duì)進(jìn)入曲線,產(chǎn)生沖角并逐漸增大。此時(shí),二位獨(dú)立車輪輪對(duì)還處在直線上。在橫向蠕滑力的作用下,一位獨(dú)立車輪輪對(duì)向軌道外側(cè)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生橫向位移。一位獨(dú)立車輪輪對(duì)左右輪軌接觸點(diǎn)處滾動(dòng)圓半徑的變化使得同側(cè)前后獨(dú)立車輪產(chǎn)生滑動(dòng)速度,一位獨(dú)立車輪輪對(duì)產(chǎn)生正方向的縱向蠕滑力矩并逐漸增大,由緩和曲線進(jìn)入圓曲線后達(dá)到最大。由于縱向蠕滑力的存在,縱向耦合獨(dú)立車輪輪對(duì)的沖角比全獨(dú)立車輪輪對(duì)沖角要小。一位獨(dú)立車輪輪對(duì)保持這樣的沖角和橫移狀態(tài)通過(guò)曲線。由圓曲線進(jìn)入緩和曲線后,輪對(duì)沖角較小,在重力復(fù)原力和縱向蠕滑力矩的作用下向軌道中心復(fù)位。在此過(guò)程中,一位獨(dú)立車輪輪對(duì)產(chǎn)生正方向的縱向蠕滑力矩,對(duì)導(dǎo)向有利。二位獨(dú)立車輪輪對(duì)產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩為負(fù),對(duì)導(dǎo)向不利。但是由于導(dǎo)向輪對(duì)是一位獨(dú)立車輪輪對(duì),在一位獨(dú)立車輪輪對(duì)的帶動(dòng)下,二位獨(dú)立車輪輪對(duì)也會(huì)在隨后的過(guò)程中緩慢復(fù)位,所以,一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)就保持這樣既有沖角又有橫移的狀態(tài)通過(guò)曲線。通過(guò)以上分析可知,縱向耦合獨(dú)立車輪輪對(duì)存在縱向蠕滑力,在縱向蠕滑力和重力復(fù)原力(輪緣接觸時(shí)表現(xiàn)為輪緣力)的共同作用下進(jìn)行復(fù)位。2獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的整車動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能在整個(gè)車輛的動(dòng)力學(xué)性能中起著決定性作用,但如果僅僅計(jì)算一個(gè)轉(zhuǎn)向架或一個(gè)輪對(duì)的動(dòng)力學(xué)性能,而不考慮車體影響,則沒(méi)有多大的實(shí)際意義,所以本文根據(jù)城市軌道車輛的型式特點(diǎn)建立了獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的整車動(dòng)力學(xué)模型。在圖4中,以縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架整車動(dòng)力學(xué)模型為例,整車動(dòng)力學(xué)模型采用短車體,通過(guò)鉸接式連接編組,由2個(gè)轉(zhuǎn)向架和3節(jié)車體組成。車體之間設(shè)有車間減振器。轉(zhuǎn)向架與車體間采用平行的雙牽引拉桿牽引裝置,傳遞牽引力和制動(dòng)力。在計(jì)算中,采用其他轉(zhuǎn)向架的整車動(dòng)力學(xué)模型除轉(zhuǎn)向架型式不同之外,車輛結(jié)構(gòu)形式等完全相同。在動(dòng)力學(xué)模型中,中間的浮動(dòng)車通過(guò)2組鉸接與前后端部車體相連,浮動(dòng)車下部采用固定鉸與動(dòng)車連接,浮動(dòng)車兩端上部采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸與動(dòng)車連接。選用與歐洲鐵路聯(lián)盟S1002標(biāo)準(zhǔn)踏面匹配的UIC60軌頭表面。2.1全獨(dú)立車輪輪對(duì)最終橫向位移的影響在軌道上設(shè)置一段實(shí)際軌道隨機(jī)不平順激勵(lì),當(dāng)車輛系統(tǒng)的振動(dòng)被激發(fā)后,獨(dú)立車輪輪對(duì)的橫向位移自然要變化。一段時(shí)間后,讓車輛在無(wú)不平順的直線軌道上運(yùn)行,考察獨(dú)立車輪輪對(duì)的橫向運(yùn)動(dòng)情況,通過(guò)計(jì)算各獨(dú)立車輪輪對(duì)最終橫向位移的變化情況來(lái)考察轉(zhuǎn)向架的直線對(duì)中能力,見圖5。由圖5可知,全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)最終在距離軌道中心線約4.6mm處保持平衡而不能向軌道中央復(fù)位,所以全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架直線的對(duì)中能力很差。橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架和縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)最終都回到了軌道中心線,見圖6,因此,具有較好的直線對(duì)中能力。2.2橫向耦合獨(dú)立車輪輪對(duì)縱向激勵(lì)約束的調(diào)整在考察獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架曲線導(dǎo)向能力時(shí),曲線工況選用的參數(shù)見表1。為了清晰比對(duì)分析,沒(méi)有施加軌道譜,比較了車輛惰行工況下前轉(zhuǎn)向架一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)的曲線導(dǎo)向性能。車輛通過(guò)曲線后,橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架和縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)均能回復(fù)到軌道中央,見圖7,而全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架不能向軌道中央復(fù)位,以一定的橫向位移保持平衡。一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)橫移的變化趨勢(shì)表明轉(zhuǎn)向架由緩和曲線進(jìn)入圓曲線后,一位獨(dú)立車輪輪對(duì)接觸輪緣,而二位獨(dú)立車輪輪對(duì)脫離輪緣。縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架與橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架在曲線通過(guò)后向軌道中心線復(fù)位的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架在20s時(shí)回復(fù)到軌道中心線,而縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架在35s時(shí)回復(fù)到軌道中心線。全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架不產(chǎn)生使其導(dǎo)向的縱向蠕滑力,見圖8,這正是其通過(guò)曲線后不能復(fù)位的原因。橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架和縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架輪軌間存在縱向蠕滑力,見圖9,其輪對(duì)縱向蠕滑力變化的趨勢(shì)是:同位左輪和右輪縱向蠕滑力變化趨勢(shì)完全一致。而對(duì)于縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架,其同側(cè)前后獨(dú)立車輪縱向蠕滑力的變化趨勢(shì)完全一致。從縱向蠕滑力矩?cái)?shù)值的大小來(lái)看,縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)輪對(duì)輪軌間縱向蠕滑力矩為7.85kN·m,橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架前導(dǎo)輪對(duì)輪軌間縱向蠕滑力矩為12.39kN·m,二者在同一數(shù)量級(jí)上。從圖9也可以看出,縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架通過(guò)小半徑曲線時(shí),一位獨(dú)立車輪輪對(duì)產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩為正,二位獨(dú)立車輪輪對(duì)產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩為負(fù),這與橫向耦合獨(dú)立車輪輪對(duì)相似。一位獨(dú)立車輪輪對(duì)所產(chǎn)生的正的縱向蠕滑力矩對(duì)轉(zhuǎn)向架有轉(zhuǎn)向作用,而二位獨(dú)立車輪輪對(duì)負(fù)的縱向蠕滑力矩對(duì)轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)向起阻礙作用。車輛通過(guò)曲線時(shí),由于縱向蠕滑力矩有使獨(dú)立車輪輪對(duì)向徑向位置偏轉(zhuǎn)的作用,見圖10,作為導(dǎo)向輪對(duì)的一位輪對(duì),縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的沖角明顯減小,僅為全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的1/2,但比橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架略大,為其沖角的1.2倍。車輛通過(guò)曲線時(shí),橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架一位獨(dú)立車輪輪對(duì)所受橫向力最小,全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架一位獨(dú)立車輪輪對(duì)所受橫向力最大,見圖11。由于全獨(dú)立車輪輪對(duì)沒(méi)有導(dǎo)向能力,故曲線通過(guò)時(shí)只能靠輪緣導(dǎo)向,輪緣力在輪軌橫向力中占主要部分。根據(jù)達(dá)朗伯原理,轉(zhuǎn)向架在外力和慣性力的作用下應(yīng)保持力平衡和力矩平衡,一位獨(dú)立車輪輪對(duì)橫向力減小的同時(shí),二位獨(dú)立車輪輪對(duì)的橫向力必然要增大。3種轉(zhuǎn)向架的脫軌系數(shù)的變化規(guī)律與輪軌橫向力的變化規(guī)律相似,見圖12、13。在3種轉(zhuǎn)向架中,縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架一位獨(dú)立車輪輪對(duì)輪重減載率最大,二位獨(dú)立車輪輪對(duì)輪重減載率最小。輪重減載率是影響脫軌安全性的重要因素,與轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇、制造質(zhì)量、組裝狀態(tài)與線路條件密切相關(guān)。一般認(rèn)為曲線半徑小于500m時(shí)就不可避免地要發(fā)生輪緣接觸。本文采用的磨耗指數(shù)W計(jì)算式為式中:Q為輪軌橫向力;φ3為獨(dú)立車輪輪對(duì)沖角。輪軌磨耗指數(shù)見圖14,可以看出,轉(zhuǎn)向架的磨耗主要集中在一位獨(dú)立車輪輪對(duì)上,二位獨(dú)立車輪輪對(duì)的磨耗很小,這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)向架通過(guò)小半徑曲線時(shí),轉(zhuǎn)向架由緩和曲線進(jìn)入圓曲線后,對(duì)于磨耗型踏面車輪來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)向架前輪對(duì)通常會(huì)橫移到純滾線外側(cè)從而產(chǎn)生輪緣接觸,而后輪對(duì)通常會(huì)橫移到純滾線內(nèi)側(cè)從而避免輪緣接觸。對(duì)于縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架,一位獨(dú)立車輪輪對(duì)的磨耗指數(shù)僅為全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架的1/3,略高于橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架。這是前輪對(duì)產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩使轉(zhuǎn)向架具有一定的導(dǎo)向作用,從而減輕了輪緣接觸的結(jié)果。3縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架通過(guò)理論分析可知,只要一、二位獨(dú)立車輪輪對(duì)的橫向位移不同或者搖頭角位移不同,輪軌間就會(huì)產(chǎn)生縱向蠕滑力。存在的縱向蠕滑力矩對(duì)導(dǎo)向起著主要作用。對(duì)于縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架,前后獨(dú)立車輪輪對(duì)在既有沖角又有橫移的狀態(tài)下通過(guò)曲線。數(shù)值仿真結(jié)果表明,全獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的縱向蠕滑力矩幾乎為0,縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架輪軌間存在縱向蠕滑力矩,且縱向蠕滑力矩的大小與橫向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。因?yàn)榭v向蠕滑力矩有使獨(dú)立車輪輪對(duì)向徑向位置偏轉(zhuǎn)的作用,所以當(dāng)受到軌道激擾偏離軌道中心線,以及曲線通過(guò)后,縱向耦合獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架可進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位。同時(shí),作為導(dǎo)