鐵路列車輪軌間相互作用力和安全參數(shù)的研究

鐵路列車輪軌間相互作用力和安全參數(shù)的研究

近年來(lái)，中國(guó)進(jìn)行了一系列加快測(cè)試，取得了巨大成功。1998年6月,又在京廣線許昌至小商橋間的營(yíng)業(yè)線上成功地進(jìn)行了高速試驗(yàn),創(chuàng)造了時(shí)速240km的新記錄。在這些試驗(yàn)中,防脫軌性能是列車運(yùn)行安全性監(jiān)測(cè)的首要項(xiàng)目,只有在防脫軌性能得到保證的前提下,才能逐步地提速。幾年來(lái),貨物列車多次出現(xiàn)脫軌事故,為此,我們?cè)跔I(yíng)業(yè)線上進(jìn)行了大型脫軌試驗(yàn),用測(cè)力輪對(duì)測(cè)量了輪軌間的相互作用力,給出了脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力等安全參數(shù)。如何評(píng)定這些參數(shù),以保證防脫軌性能是一個(gè)非常重要的課題。1抗脫軌性能評(píng)價(jià)參數(shù)1.1脫軌系數(shù)1.1.1輪緣角t/p輪軌間的作用力如圖1所示。用單個(gè)車輪的最大橫向力Q與垂直力P的比值Q/P作為衡量車輪輪緣爬軌引起脫軌的程度(最初由Nadal提出,于1908年發(fā)表,其后為世界各國(guó)鐵路部門所采用),Nadal方程是由輪軌接觸點(diǎn)上力平衡關(guān)系推導(dǎo)出來(lái)的。如果法向力和切向力2個(gè)分力的合力能支撐起車輪的垂直載荷,則有可能引起脫軌。根據(jù)圖1輪軌接觸點(diǎn)上力系的情況,設(shè)車輪的輪緣角為T,則可在垂向和橫向建立平衡方程:Nadal方程給出的Q/P的極限值為Q/P的大小僅僅是輪緣角T和輪軌間摩擦系數(shù)＿的函數(shù)。Q/P值隨輪緣角T和摩擦系數(shù)＿變化的規(guī)律如圖2所示。Nadal方程只有當(dāng)縱向蠕滑力為零時(shí)才成立。實(shí)際上,車輪在運(yùn)行過(guò)程中輪軌間總是存在沖角,如圖3所示。這時(shí)輪軌間不但存在橫向蠕滑,也存在縱向蠕滑?？v向和橫向分力都不可能超過(guò)＿N,這意味著Q/P的實(shí)際值要比Nadal方程得到的要大,所以,如果用Nadal值作為單個(gè)車輪防脫軌性能評(píng)定的判據(jù),則偏于安全。圖4是縱向力T與垂向力P之比對(duì)脫軌系數(shù)Q/P的影響。研究結(jié)果表明,脫軌系數(shù)Q/P除受輪軌接觸角、摩擦系數(shù)影響外,還受到?jīng)_角的影響。這起因于輪軌間橫向和縱向蠕滑力的飽和特性:在有縱向切線力作用時(shí),由于縱向的滑動(dòng),接觸面內(nèi)的蠕滑力基本飽和,橫向蠕滑力變小,Q/P的限度值變大。這可以用來(lái)作為解釋機(jī)車不易脫軌的理由。車輪爬軌時(shí)的脫軌系數(shù)Q/P值,隨著車輪輪緣的爬起,輪軸側(cè)滾角的增大,逐漸加大,達(dá)到極大值后,又隨輪緣前端接觸角減小的影響而逐漸減小。在接觸角減小的范圍內(nèi),輪緣失去了其防止脫軌的功能,所以,從車輪輪緣爬軌開始到極大值之前來(lái)評(píng)定防脫軌性能是有效的。1.1.2未接觸的q/p特征曲線如圖5所示,在小或負(fù)沖角的情況下,Nadal方程的Q/P值比實(shí)際的要小。在軌道安全性的研究中,Weinstock清楚地了解到Nadal判據(jù)的保守性,他希望在出現(xiàn)小的或負(fù)的沖角情況下也能找到更實(shí)際的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),因而提出了新的輪緣爬軌標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅考慮了一個(gè)車輪的Q/P值,而且同時(shí)也考慮了車軸另一側(cè)輪緣未接觸的車輪的Q/P值;它還給出了輪緣未接觸的Q/P特征曲線,此曲線與輪緣接觸的特征曲線相似,二者的差值為＿+Nadal值。這里,輪緣未接觸的車輪對(duì)合理評(píng)定防脫軌性能提供了有用的信息。第一,輪緣未接觸的車輪的Q/P值是沖角和縱向蠕滑率的函數(shù);第二,因?yàn)檩喚壗佑|的縱向蠕滑率和輪緣未接觸的縱向蠕滑率密切相關(guān),所以,可以利用輪緣未接觸的車輪的Q/P值對(duì)Nadal判據(jù)中的明顯不足之處進(jìn)行修正。Weinstock提出用軸兩端車輪的Q/P絕對(duì)值之和作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。一根軸的Q/P值不應(yīng)超過(guò)Nadal值與摩擦系數(shù)之和。通過(guò)推導(dǎo),可得到Weinstock判據(jù)圖6為不同輪緣角與摩擦系數(shù)時(shí)的Weinstock判據(jù)。圖7給出了Weinstock的判據(jù)曲線,它也是輪緣角和摩擦系數(shù)的函數(shù)。為了進(jìn)行比較,圖中也給出了Nadal判據(jù)曲線。由該圖可知,摩擦系數(shù)對(duì)Weinstock評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的影響比Nadal評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要小。特別是摩擦系數(shù)較大時(shí),這一點(diǎn)更明顯。這種性質(zhì)非常重要,因?yàn)樵谲壍罊z測(cè)中很難精確地知道摩擦系數(shù)。對(duì)于小沖角和負(fù)沖角工況,Weinstock評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)顯得更符合實(shí)際,其值明顯比Nadal評(píng)定值要大。在所有沖角范圍內(nèi),一根軸的Q/P值與Weinstock評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)更接近。1.1.3沖角引起的軌距擴(kuò)上述2種評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)輪軌力引起車輪輪緣爬軌造成脫軌而制定的;最大的轉(zhuǎn)向架一側(cè)的Q/P判據(jù)則是針對(duì)軌距擴(kuò)大或鋼軌翻轉(zhuǎn)造成脫軌而提出的。圖8為軌距擴(kuò)大車輪脫軌機(jī)理圖。軌距擴(kuò)大主要是由于沖角引起的橫向力的作用。典型的輪緣貼靠鋼軌的情況如圖9所示。接觸點(diǎn)上作用著垂向力P和橫向力Q,h代表鋼軌的高度,d代表由鋼軌根部外側(cè)點(diǎn)作垂線與輪軌接觸根部間的距離。對(duì)軌角支點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)力矩為在翻轉(zhuǎn)力矩為零時(shí)為了確立鋼軌的翻轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn),首先要考慮的是鄰近車輪間鋼軌的扭轉(zhuǎn)剛度,相應(yīng)地還要考慮到轉(zhuǎn)向架一側(cè)車輪的綜合效應(yīng)。相鄰轉(zhuǎn)向架之間,由于固定裝置和扭轉(zhuǎn)剛度的存在,在鋼軌翻轉(zhuǎn)時(shí)被視為不產(chǎn)生變形。于是,所謂的Q/P值指的是轉(zhuǎn)向架一側(cè)車輪上作用的總的橫向力和總的垂向力的比值。1.2脫軌系數(shù)小,容易導(dǎo)致脫軌危險(xiǎn)對(duì)于車輪防脫軌性能來(lái)講,只研究脫軌系數(shù)還不夠,這是因?yàn)橛械臅r(shí)候,輪重P較小,如果這時(shí)橫向力Q也小,受到橫向力測(cè)量誤差的影響就大,這樣求得的脫軌系數(shù)就不能很好地反映車輪防脫軌性能。實(shí)際上,由于這時(shí)輪重較小,沖角稍許變化就會(huì)產(chǎn)生較大的橫向力,潛在著脫軌危險(xiǎn)。因此,必須對(duì)輪重的減載量予以限制,這就是評(píng)定防脫軌性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)——輪重減載率ΔP/-P(式中,ΔP為輪重的減載量,-P為左右平均靜輪重)。脫軌系數(shù)由Nadal公式求得,只考慮在脫軌車輪上力的平衡即可,但輪重減載率就必須考慮一個(gè)輪對(duì)的左右兩個(gè)車輪力的平衡。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,輪重減載率也是沖角的函數(shù)。1.3路橫向力限界值對(duì)由輪對(duì)作用于線路的最大橫向力加以限制是為了降低因橫向力引起護(hù)板移動(dòng)所造成的危險(xiǎn)。線路橫向力限界值是法國(guó)SNCF通過(guò)貨車脫軌試驗(yàn)結(jié)果獲得的,對(duì)于一個(gè)輪對(duì)橫向力的限界值研究的工作由Prud’home完成,他給出了一個(gè)輪對(duì)橫向力限界值公式:式中:Q——一個(gè)輪對(duì)的橫向力;P——軸重,kN。實(shí)際的應(yīng)用中都給出了一個(gè)0.85的安全系數(shù),即1.4過(guò)限度值的整治對(duì)防脫軌性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分為2種情況。第1種是試驗(yàn)中為提高速度提供依據(jù),要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,速報(bào)試驗(yàn)結(jié)果,確認(rèn)線路上超過(guò)限度值的處所,讓工務(wù)部門進(jìn)行線路檢查并按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治。第2種是試驗(yàn)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析整理。在這種情況下,按直線、曲線、道岔等線路工況進(jìn)行整理,并給出:(1)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力與速度的關(guān)系;(2)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力的頻度分布;(3)軌道條件對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力造成的差異;(4)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力與軌道不平順的關(guān)系。2評(píng)價(jià)脫軌性能的方法和指標(biāo)2.1脫軌系數(shù)限界值如圖10所示,車輪脫軌系數(shù)與橫向力作用時(shí)間t有關(guān)。當(dāng)t≥0.05s時(shí),被認(rèn)為是車輪輪緣爬軌引起的脫軌,其限界值為0.8;當(dāng)t<0.05s時(shí),被認(rèn)為是車輪輪緣沖擊鋼軌引起的脫軌,脫軌系數(shù)限界值應(yīng)滿足以下條件:式中:t——橫向力作用時(shí)間。隨著列車的高速化,鋼軌表面的波浪磨耗造成了輪重的高頻變動(dòng)。這種現(xiàn)象在發(fā)生地點(diǎn)造成了短時(shí)間大的輪重減載,以致出現(xiàn)了較大的脫軌系數(shù),但車輪的懸浮量很少(根據(jù)理論計(jì)算,不超過(guò)1mm),并無(wú)脫軌危險(xiǎn)。在這種情況下,用脫軌系數(shù)的作用時(shí)間來(lái)評(píng)定防脫軌性能,通過(guò)理論計(jì)算,以15ms作為限界值,如圖11所示。圖12所示為脫軌系數(shù)作用時(shí)間與速度的關(guān)系,脫軌系數(shù)作用時(shí)間在50km/h～200km/h速度范圍內(nèi)隨著速度的增加而減少,200km/h以上則基本不變,但隨著載荷(輪重)的增加而減少。2.2軸的分離系數(shù)對(duì)于一根軸的脫軌系數(shù),目前國(guó)際上沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。1993年美國(guó)在X2000和ICE高速列車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)是1.0。2.3缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于轉(zhuǎn)向架一側(cè)車輪的脫軌系數(shù),目前國(guó)際上沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。1993年美國(guó)在X2000和ICE高速列車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)是0.5。2.4車輪重量減載率限制值2.4.1準(zhǔn)靜態(tài)車輪重量降低率用于評(píng)價(jià)在緩和曲線上軌道扭曲,圓曲線上超高不足或過(guò)剩等場(chǎng)合車輪較長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生的輪重減載,減載率不得大于0.6。2.4.2第三,優(yōu)點(diǎn)建議通過(guò)鋼板接頭等場(chǎng)合沖擊下,由于輪對(duì)上作用著橫向力,有必要對(duì)輪重減載率加以限制。但是,從實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果來(lái)看,輪緣接觸鋼軌時(shí)產(chǎn)生橫向力的車輪,其輪重也會(huì)加大,相反,輪重減少的車輪,輪緣一般不貼靠鋼軌;此外,通過(guò)鋼軌接頭等場(chǎng)合產(chǎn)生沖擊引起的輪重減載率,由于時(shí)間很短,不會(huì)有脫軌危險(xiǎn)。根據(jù)這樣的觀點(diǎn),限界值規(guī)定不得大于0.8(日本)或0.9(美國(guó)),即瞬間動(dòng)態(tài)輪重最小值不小于靜輪重的0.2或0.1倍。由輪重和軸箱振動(dòng)加速度波形判斷,超過(guò)上述限度值的時(shí)間約在0.01s以下,不會(huì)影響安全。3系統(tǒng)運(yùn)行安全性分析在1998年6月的高速試驗(yàn)中,用測(cè)力輪對(duì)測(cè)量了輪軌間的相互作用力。由于機(jī)車車輪結(jié)構(gòu)上的原因只能采用間斷測(cè)量法,所以,前述的某些指標(biāo)不能給出,只能給出單個(gè)車輪的脫軌系數(shù)、輪重減載率以及輪軸橫向力(有一定誤差)等參數(shù),并對(duì)列車運(yùn)行安全性進(jìn)行了評(píng)定。附表列出了機(jī)車運(yùn)行安全性的測(cè)試結(jié)果。由附表所列的數(shù)據(jù)可知,所有安全監(jiān)測(cè)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果均在安全標(biāo)準(zhǔn)限度值以內(nèi)。其中各參數(shù)的最大值為:脫軌系數(shù)0.66(200km/h時(shí));輪重減載率0.49(180km/h時(shí));輪軸橫向力65.1kN(170km/h時(shí))。值得注意的是,這些最大值都不發(fā)生在最大試驗(yàn)速度下。本次試驗(yàn)前對(duì)SS8型0001#電力機(jī)車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算,雖然計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較大差異,但所反映的規(guī)律相近,脫軌系數(shù)與輪軸橫向力最大值都發(fā)生在設(shè)計(jì)的最大速度200km/h附近。所以機(jī)車的懸掛結(jié)構(gòu)與參數(shù)有待進(jìn)一步研究。4