輪軌型面匹配對地鐵車輛曲線通過性能的影響

輪軌型面匹配對地鐵車輛曲線通過性能的影響

作為車輪關(guān)系的一個重要組成部分，車輪表面與車輛的動態(tài)性能、車輪破裂、車輪疲勞和車輪噪聲之間直接相關(guān)。鐵路部門通常通過車輪或用翻新來改變車輪的形狀。雖然對汽車蓋行業(yè)的分類和彎曲方法進行了大量研究，但目前對汽車制造的優(yōu)化設(shè)計研究越來越多。我國絕大部分地鐵線路采用LM磨耗型踏面與60kg·m－１鋼軌的輪軌匹配組合.通過對比其他車輪踏面的車輛動力學(xué)性能,城市軌道交通線路采用LM磨耗型踏面有利于車輛順利通過曲線［１１－１３］,符合城市軌道交通線路曲線多的特點.實測鏇輪前的車輪踏面外形和曲線上磨損較為嚴重的左右軌軌頭外形,對比4種不同輪軌匹配(初始踏面外形LM(磨耗型踏面)與初始軌頭外形UIC60,初始踏面外形與磨損軌頭外形,磨損踏面外形與初始軌頭外形,磨損的輪軌外形)下地鐵A型車的曲線通過性能,并分析不同輪軌匹配條件下,輪軌磨損及接觸疲勞等情況.1車輛曲線通過性能分析對上海地鐵某號線路某區(qū)段曲線分布情況進行實際調(diào)研,可得到該區(qū)段的線路分布情況,如圖1所示.該區(qū)段線路情況較為復(fù)雜,曲線半徑小于500m的路段占全區(qū)段的比率大,最小半徑達到350m,這需要運行在該線路上的地鐵車輛擁有良好的曲線通過性能.選取半徑為350m的路段分析地鐵A型車的曲線通過性能,該路段圓曲線段長166m,進出緩和曲線為60m,超高為120mm.利用多剛體動力學(xué)軟件Gensys對上海地鐵某A型車進行建模仿真.車輛為含有抗側(cè)滾拉桿,垂向、橫向止擋的非線性模型,具有132個自由度.為節(jié)省仿真時長,進行長距離的仿真,軌道結(jié)構(gòu)采用移動式軌道模型.輪軌接觸幾何計算采用基于Winkler模型的GENSYS預(yù)處理程序KPF(contactpointfunctions),其使用Kalker的FASTSIM計算輪軌之間的蠕滑力和蠕滑率.2輪軌齒輪磨損分析利用輪軌型面測量儀WS2009,RM2008分別測得初始的車輪踏面外形LM、初始鋼軌軌頭外形UIC60、磨損后一位輪對左右車輪的踏面外形W142與曲線半徑350m軌道內(nèi)外軌軌頭外形R800.從圖2的對比中可知,W142左右踏面的磨損情況相差不多,輪緣與踏面都有不同程度的磨損量,在名義滾動圓半徑位置處,車輪磨損量最大,但從整個踏面上來看,磨損較為均勻.對比UIC60標準軌頭,R800的外軌在軌距角處磨損量大,R800的內(nèi)軌的磨損集中在軌頭面,磨損較為均勻.圖3為4組不同輪軌外形匹配下的左右車輪滾動圓半徑差曲線圖.對比LM/UIC60的輪徑差曲線圖,LM/R800的輪徑差曲線圖與LM/UIC60走勢基本相同,但在橫移量為0mm處,出現(xiàn)了一個正偏差,由于外軌軌頭內(nèi)側(cè)有磨損,使左輪軌接觸點處于鋼軌軌頂面位置處,輪對橫移量達到10mm處,車輪輪緣開始爬軌;W142/UIC60匹配下,橫移量0mm處,輪徑差曲線沒有出現(xiàn)偏移,等效錐度小于LM/UIC60,但在±10mm處,輪徑差曲線突跳,表示此處輪軌接觸點有個較大的跳躍,橫移量達到15mm處,車輪輪緣開始爬軌;W142/R800匹配狀態(tài)下,輪徑差曲線在踏面接觸區(qū)內(nèi)較為平滑,在橫移量為0mm處,出現(xiàn)了一個正偏差,橫移量達到15mm后,車輪輪緣開始爬上鋼軌.3輪軌匹配匹配輪重減載率圖4為該A型車通過半徑為350m的曲線線路仿真得到的曲線通過性能指標,包括脫軌系數(shù),輪對沖角,輪軌橫向力,輪重減載率.線路不平順為理想狀態(tài),并假設(shè)該車輛4組輪對的磨耗情況一致,緩和曲線和圓曲線上的鋼軌外形一致,仿真車速為60km·h－１.從圖中可以看到,4種不同輪軌匹配下,導(dǎo)向輪輪對沖角偏轉(zhuǎn)大小相差不多,在圓曲線段,沖角集中在5.2mrad到5.6mrad,W142/UIC60略大.LM/R800的導(dǎo)向輪輪重減載率略高,但與其他輪軌型面匹配下的輪重減載率大小相差不大.LM/R800匹配下,導(dǎo)向輪外輪的脫軌系數(shù)最高,在進入后緩和曲線最高達到0.506,穩(wěn)態(tài)下為0.41左右.LM/R800在通過該350m曲線半徑時,外車輪踏面區(qū)域出現(xiàn)了兩點接觸狀態(tài),導(dǎo)致輪軌間的橫向蠕滑率增大,故使LM/R800的導(dǎo)向輪輪軌橫向力在圓曲線段達到了38kN,而其他輪軌型面匹配的輪軌橫向力都小于30kN.4車輪軌道的旋轉(zhuǎn)接觸分析4.1外軌以lm/uac60為轉(zhuǎn)換輪軌的磨耗功圖5為不同輪軌型面匹配下外輪軌自旋功大小.相比于LM/R800和W142/R800的自旋功,LM/UIC60接觸時自旋功最大,在圓曲線段的自旋功達到32Nm·m－１,這是因為LM/UIC60匹配通過小半徑曲線時,車輪輪緣和鋼軌內(nèi)側(cè)軌頭小半徑曲線段相接觸,過大的法向角度造成大的自旋蠕滑,導(dǎo)致自旋功較大,這使車輪輪緣和外軌內(nèi)側(cè)軌頭產(chǎn)生大的側(cè)磨,反觀W142/UIC60,其自旋功最小,說明此處輪軌型面接近共形.圖6為內(nèi)外軌的磨耗功計算,可以看到4種輪軌匹配在內(nèi)軌上的磨耗功大小相差不多,為140~160Nm·m－１,處于可以接受的范圍,而外軌上LM/UIC60的磨耗功最小,但隨著型面的破壞,外軌磨耗功增加,W142/UIC60已經(jīng)達到380Nm·m－１.4.2自激引起的波磨機理利用鋼軌波浪形磨耗測量儀在350m半徑曲線上獲得波浪形磨耗實測數(shù)據(jù),經(jīng)1/3倍頻程處理后如圖7.可以發(fā)現(xiàn)該曲線上的波浪形磨耗的特征波長為50mm左右,波磨深度在0.1mm以上,處于較為嚴重的情況.根據(jù)Grassie［１４］對鋼軌波浪形磨耗的分類及原因論述,該種波磨類屬于車轍型波磨,極易由于輪軌系統(tǒng)的自激振動引起.在小曲線工況下,輪軌系統(tǒng)中被激起的模態(tài)易造成輪軌切向力形成周期性的波動,從而使輪軌接觸在粘著狀態(tài)和滑動狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換,形成粘滑振動.Clark［１５］和Brockley［１６］都做了該方面的研究,Sun［１７］在假設(shè)輪軌系統(tǒng)處于輪軌蠕滑力-蠕滑率函數(shù)曲線負梯度段下,研究鋼軌波磨產(chǎn)生的原因,Matsumoto［１８］和Ishida［１９］分別建立比例模型試驗裝置和進行現(xiàn)場測試來說明了自激引起的粘滑振動對波磨形成的影響.根據(jù)輪軌蠕滑力-蠕滑率函數(shù)曲線特性,曲線上有一個蠕滑飽和點,蠕滑飽和點之前的曲線表示車輪與鋼軌保持粘著接觸狀態(tài),在蠕滑飽和點處表示蠕滑力達到最大值,即可以用庫倫摩擦力來表示,此時輪軌間會出現(xiàn)滑動趨勢,當蠕滑率進一步增大時,蠕滑力下降,輪軌間的接觸方式為滑動.當輪軌接觸情況處于這一負梯度段時,微弱的激擾將使輪軌系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,輪軌粘著與滑動現(xiàn)象交替出現(xiàn),導(dǎo)致不均勻磨耗,造成鋼軌周期性磨損［８］.Polach［２０］提出了一種考慮牽引狀態(tài)的輪軌切向力的計算方法以減小由于軌面第三介質(zhì)導(dǎo)致輪軌接觸面摩擦狀態(tài)的影響.式中:Q為輪重;μ為摩擦系數(shù);考慮滑動速度對摩擦系數(shù)的影響,μ=μ0[(1-A)e-Bw+A],其中,μ0為無滑動條件下輪軌間最大磨擦系數(shù),A=μ∞/μ0,μ∞為無窮滑動速度下輪軌間的磨擦系數(shù),B為磨擦衰減指數(shù),w為蠕滑速度,s·m-1;ζ為粘著區(qū)的切向應(yīng)力梯度,,其中,a,b分別為接觸斑長、短軸,c為剪切剛度比例常數(shù),N·m-3;kA,kS分別為粘著區(qū)和滑動區(qū)的衰減系數(shù),且kS≤kA≤1.采用仿真模型中的參數(shù)得到LM/UIC60匹配條件下分別用FASTSIM模型和Polach公式(1)計算出的縱向蠕滑率與蠕滑力之間的關(guān)系曲線(圖8).圖9為LM/UIC60匹配下通過350m曲線時內(nèi)外軌蠕滑率大小.可以看到外輪軌縱向蠕滑率在圓曲線段接近0.8%,已經(jīng)處于關(guān)系曲線負梯度段,表明該條件下,外輪軌間處于滑動狀態(tài),而內(nèi)輪軌縱向蠕滑率大小處于關(guān)系曲線飽和點附近,一旦當有鋼軌或車輪不平順激擾時,將迫使車輪在內(nèi)外鋼軌表面產(chǎn)生粘滑振動,導(dǎo)致周期性磨損.車輛通常以外輪緣緊貼鋼軌的形式通過小半徑曲線,故粘滑振動引起的相對錯動更容易發(fā)生在內(nèi)側(cè)的自由端,最終曲線內(nèi)軌上形成周期性不平順.4.3接觸疲勞系數(shù)滾動接觸疲勞與車輪剝離,鋼軌裂紋,輪軌壓潰,波磨,輪緣磨損等有著直接的關(guān)系.表面接觸疲勞一般是由低頻率循環(huán)接觸疲勞引起,將造成輪軌表面裂紋,將對行車安全,車輛運行平穩(wěn)性造成巨大的影響.根據(jù)材料特性安定圖,由最大赫茲接觸應(yīng)力與摩擦系數(shù)、剪切屈服應(yīng)力之間的關(guān)系,可得到表面接觸疲勞系數(shù)FI,surf［２１］:式中:Fｚ為垂向載荷;k為剪切屈服應(yīng)力.當表面接觸疲勞系數(shù)FＩ，ｓｕｒｆ>0時,認為此時輪軌間易產(chǎn)生塑性變形.利用GENSYS集成的滾動接觸疲勞分析模塊對4種不同的輪軌外形匹配情況進行仿真分析.圖10為仿真得到的內(nèi)外軌表面滾動接觸疲勞系數(shù),在內(nèi)軌中,新的車輪踏面和磨耗后的車輪踏面都對緩和曲線形成滾動接觸疲勞破壞,而緩和曲線上的鋼軌外形有磨損,反而不利于形成新的塑性變形,在圓曲線段,4種輪軌外形匹配均不造成表面滾動接觸疲勞破壞.在圓曲線段外軌,W142/UIC60,W142/R800的表面接觸疲勞系數(shù)均大于0,說明車輪踏面外形對外軌塑性變形有直接的影響,4種情況都將造成緩和曲線外軌滾動接觸疲勞破壞.5輪軌匹配曲線性能分析本文利用瑞典開發(fā)的GENSYS軟件對上海地鐵車輛進行建模仿真,模型中分別采用了設(shè)計與實測磨損后的車輪踏面外形和鋼軌軌面外形,分析其曲線通過性能及鋼軌磨損,波磨,滾動接觸疲勞等情況.(1)從曲線通過性能來看,4種輪軌匹配模型仿真得到的搖頭角,輪重減載率,脫軌系數(shù),輪軌橫向力指標均符合安全規(guī)定,其中LM踏面與磨損后的鋼軌型面R800匹配時,其動力學(xué)性能略差.(2)經(jīng)過輪軌磨損分析