輪軌之間蠕滑力測(cè)試及分析

輪軌之間蠕滑力測(cè)試及分析

1滾動(dòng)軸承研究正在進(jìn)行中，現(xiàn)代交通技術(shù)公司的“智能自動(dòng)車(chē)輛開(kāi)發(fā)”研究項(xiàng)目已經(jīng)完成。研究的目的是設(shè)計(jì)一種智能車(chē)輛,該車(chē)輛能檢測(cè)自身的運(yùn)行條件,并獨(dú)立控制兩輪轉(zhuǎn)速而使輪對(duì)自動(dòng)通過(guò)線(xiàn)路,原理和設(shè)計(jì)工作即將結(jié)束。為了驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),必須在實(shí)際線(xiàn)路或滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)輪對(duì)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。雖然最終還是要在實(shí)際線(xiàn)路上進(jìn)行鑒定,但由于使用限制和測(cè)試的難度,目前不適宜在實(shí)際線(xiàn)路上進(jìn)行研究。運(yùn)輸安全和公害研究院裝有一臺(tái)實(shí)尺寸滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),可模擬曲線(xiàn)情況,適合本研究。由于現(xiàn)有滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是用于實(shí)尺寸試驗(yàn),所以,如果研究用滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),則需用裝有獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪和具有實(shí)際尺寸的控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)際控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架尺寸較大,而且在研究過(guò)程中,需要變換車(chē)輪踏面形狀、懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理,這些是研究過(guò)程中必不可少的,但這不僅需要時(shí)間而且也需要經(jīng)費(fèi)。為了加快研究進(jìn)程,降低研究的復(fù)雜程度,按1∶5的比例制作了只有一個(gè)軸的滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。蠕滑力特性對(duì)車(chē)輛的模擬結(jié)果和控制系統(tǒng)有很大影響,所以在研究和開(kāi)發(fā)智能車(chē)輛前,就要了解各種接觸情況下輪軌之間蠕滑力的特性。研究過(guò)程中選用了接觸面很干凈和施加液態(tài)磨擦調(diào)節(jié)劑(HPF)兩種情況,前者的蠕滑力具有負(fù)特性,后者具有正蠕滑力的特性。本文介紹了按比例縮小的滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu),討論了該設(shè)施的測(cè)定系統(tǒng)和蠕滑特性的測(cè)試結(jié)果。2測(cè)試設(shè)備2.1軌道輪的轉(zhuǎn)子圖1為按比例縮小的滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的主要部件。把2臺(tái)軌道輪裝置單獨(dú)裝在試驗(yàn)臺(tái)基座上,每個(gè)軌道輪都由矢量控制的內(nèi)裝減速率為8的行星減速齒輪組的交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。減速齒輪組有提高軌道輪轉(zhuǎn)速精度的優(yōu)點(diǎn),并可使軌道輪一側(cè)的驅(qū)動(dòng)力矩加大。最高轉(zhuǎn)速為312.5r/min,精度誤差為0.03125r/min。軌道輪一側(cè)的驅(qū)動(dòng)力矩為700N·m?？筛鶕?jù)模擬的線(xiàn)路情況單獨(dú)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或兩電機(jī)同步進(jìn)行。當(dāng)從輪對(duì)一側(cè)驅(qū)動(dòng)時(shí),安裝在軌道輪一端的電機(jī)也可作為發(fā)電機(jī)吸收能量。由于滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的尺寸比例為1∶5,所以,軌距、軌道等都按相應(yīng)比例縮小。這里模擬的軌距是標(biāo)準(zhǔn)軌距,軌道采用50kg鋼軌,圖2所示軌底坡角為1/40,這與日本最常用的墊板傾角一樣。軌道輪的直徑為860mm。在試驗(yàn)臺(tái)上可產(chǎn)生14m/s的最大轉(zhuǎn)速,這相當(dāng)于實(shí)際線(xiàn)路上的250km/h。試驗(yàn)臺(tái)的基座可在底座上手動(dòng)繞立軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)向架固定在底座上,所以試驗(yàn)臺(tái)基座的旋轉(zhuǎn)會(huì)使輪軌之間產(chǎn)生沖角。實(shí)際試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)臺(tái)基座的最大旋轉(zhuǎn)角為2°。把沖角和轉(zhuǎn)速差結(jié)合起來(lái)就可模擬不同曲線(xiàn)半徑時(shí)的曲線(xiàn)情況。2.2種輪對(duì)的設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)化影響參數(shù),設(shè)計(jì)了單一的輪對(duì)和單一的轉(zhuǎn)向架模型。為研究而設(shè)計(jì)了3個(gè)輪對(duì),這3個(gè)輪對(duì)的踏面外形不同,車(chē)輪裝配技術(shù)也不同。第一種是錐形構(gòu)造、剛性裝配的輪對(duì)(圖3),采用完全按比例縮小的日本最常用的輪對(duì),比較試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際運(yùn)用情況,來(lái)檢驗(yàn)這種按比例縮小的系統(tǒng)是否與實(shí)際情況一致;第二種車(chē)輪外形是螺旋構(gòu)造、剛性裝配的輪對(duì)。這種外形像螺旋構(gòu)造的車(chē)輪可消除橫向及縱向蠕滑力的影響,用以進(jìn)行蠕滑試驗(yàn);第三種是錐形踏面、獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪的輪對(duì)。設(shè)計(jì)這種輪對(duì)是用于最終研究。用柔性連接器直接把直流步進(jìn)電機(jī)連接到輪軸的兩端。2臺(tái)電機(jī)可單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)也可同步轉(zhuǎn)動(dòng)。單獨(dú)控制電機(jī)以便在將來(lái)的研究中控制輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)。而在蠕滑特性試驗(yàn)中沒(méi)有用輪對(duì)一端的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。裝在底座上的車(chē)體只能做垂向振動(dòng),可通過(guò)彈簧加載。如果需要,車(chē)體負(fù)載可用測(cè)力傳感器監(jiān)測(cè)并可裝偏心機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)偏心機(jī)構(gòu)是使輪對(duì)產(chǎn)生車(chē)輪荷載差。線(xiàn)性軸承將轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車(chē)體縱向和橫向連接,并用彈簧將轉(zhuǎn)向架構(gòu)架裝在底座上,以起二系懸掛的作用。輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用一系懸掛或剛性連接。在蠕滑特性試驗(yàn)中,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架剛性裝在車(chē)體上,輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用硬懸掛連接。結(jié)果,輪對(duì)很難沿底座橫向或縱向移動(dòng)來(lái)控制蠕滑率。2.3輪軌之間的接觸力和沖滑率的測(cè)量在智能主動(dòng)車(chē)輪的開(kāi)發(fā)研究中,需要了解車(chē)輪本身的運(yùn)行狀態(tài)。即除車(chē)體負(fù)載外,還要對(duì)輪軌之間的接觸力、位移等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。由于按比例縮小的車(chē)輪和輪軌之間按比例縮小的接觸力很小,所以難以像實(shí)尺寸試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)定車(chē)輪接觸力來(lái)得到輪軌力。而開(kāi)發(fā)一種測(cè)試軌道輪接觸力來(lái)得到輪軌力的方法。圖4為專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的軌道輪示意圖。軌道輪的剛性輪緣和剛性輪轂用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輪輻連接,將應(yīng)變片置于輪輻內(nèi)。用測(cè)定輪輻應(yīng)變得方法來(lái)測(cè)定了輪軌之間的垂向力(Q)和橫向力(Y)。為了從應(yīng)變中找出接觸力的實(shí)際值,用精密測(cè)力傳感器校核了接觸力和應(yīng)變輸出的關(guān)系。用裝在電機(jī)和軌道輪之間的高精密扭矩測(cè)量?jī)x測(cè)定了軌道輪的驅(qū)動(dòng)力矩。通過(guò)驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算得到輪軌之間的縱向接觸力(F)。輪軌之間的沖角通過(guò)采用與運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路測(cè)試用的類(lèi)似激光間隙傳感器測(cè)試法來(lái)測(cè)量,該方法可靠性很高。一個(gè)軸箱前后各裝有一條連接到軌道輪的安裝臂,該安裝臂與輪對(duì)在橫向固結(jié),沒(méi)有橫向相對(duì)位移。把激光間隙傳感器裝在安裝臂的一端(圖5),由于輪對(duì)在中位轉(zhuǎn)動(dòng)而軸箱與車(chē)輪有固定初始間距,測(cè)定了軸箱和軌道輪之間的間距。和輪對(duì)的中位相比,如果從激光傳感器測(cè)定的間隙變化為L(zhǎng)1和L2,激光束的間距為В,輪對(duì)精確橫向位移為y,則可計(jì)算輪軌之間的沖角?和橫向蠕滑率γy。y=12(L1+L2)?=atan(L1?L2)Bγy=L1?L2By=12(L1+L2)?=atan(L1-L2)Bγy=L1-L2B在軌道輪和輪軸各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的端部安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器。安裝在電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率為8192ppr,而安裝在輪軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率則為2000ppr。從軌道輪半徑可計(jì)算輪軌之間的縱向蠕滑率,而從旋轉(zhuǎn)編碼器可測(cè)定軌道輪和輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)。所有這些數(shù)據(jù)都記錄在數(shù)據(jù)記錄器里,同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)完畢,就可立即繪出蠕滑力的特性。3滑動(dòng)性能試驗(yàn)的結(jié)果3.1橫向壓縮試驗(yàn)在蠕滑特性測(cè)試中,只驅(qū)動(dòng)軌道輪。由于蠕滑特性測(cè)定用的輪對(duì)為剛性結(jié)構(gòu),所以,2個(gè)軌道輪的轉(zhuǎn)速差引起輪軌之間的縱向蠕滑。軌道輪的轉(zhuǎn)速差與曲線(xiàn)半徑有關(guān)。蠕滑測(cè)試中模擬的最小曲線(xiàn)半徑為15m,這相當(dāng)于實(shí)際線(xiàn)路的75m,這造成各輪1.5%的最大縱向蠕滑率。輪軌之間的橫向蠕滑是由試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的。試驗(yàn)臺(tái)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為0.6°,這造成1.2%的最大橫向蠕滑率。軌道輪的運(yùn)行速度為10km/h,這相當(dāng)于實(shí)際線(xiàn)路的50km/h。為找出車(chē)輪負(fù)載對(duì)蠕滑特性的影響,在試驗(yàn)中各轉(zhuǎn)向架分別施加了500N和1000N的負(fù)載。除了研究非常干凈的接觸情況外,還選用液態(tài)摩擦調(diào)節(jié)劑(HPF)作為又一種接觸情況,該調(diào)節(jié)劑由加拿大公司生產(chǎn),據(jù)說(shuō)在實(shí)際運(yùn)用中有正的蠕滑特性,對(duì)降低接觸噪聲、減少鋼軌褶皺等都是有效的。要使輪軌間產(chǎn)生非常潔凈的接觸情況,首先要用300號(hào)砂紙打磨車(chē)輪和軌道外形,然后用丙酮清洗。用丙酮清洗表面后,立即進(jìn)行清潔情況測(cè)試。由于把滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)安裝在大型實(shí)驗(yàn)室內(nèi),所以不用控制溫度和濕度。在施加HPF的試驗(yàn)中,在軌道輪上用刷子刷一層很薄的HPF。HPF干燥后再進(jìn)行試驗(yàn)。每次試驗(yàn)都要在軌道輪上刷一層HPF。為了消除曲線(xiàn)和車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向(因系統(tǒng)制造不對(duì)稱(chēng)而引起的)的影響,在橫向蠕滑試驗(yàn)中,把試驗(yàn)臺(tái)基座的+0.6°的旋轉(zhuǎn)角變?yōu)?0.6°;在縱向蠕滑試驗(yàn)中,把模擬的曲線(xiàn)半徑從+75m變?yōu)?75m。在加大和減小這些參數(shù)的過(guò)程中進(jìn)行試驗(yàn)。3.2負(fù)氧滑特性的特性圖6為在1000N的負(fù)載時(shí)測(cè)試的縱向蠕滑力的特性。圖6(a)為接觸表面干凈情況下的測(cè)試結(jié)果;圖6(b)則為施加HPF情況下的測(cè)試結(jié)果。在接觸表面干凈的情況下,蠕滑力與蠕滑率是成比例增加的,直至線(xiàn)性時(shí)蠕滑率達(dá)到0.3%,非線(xiàn)性時(shí)達(dá)到0.7%。蠕滑率大于0.7%時(shí),蠕滑力隨著蠕滑率的上升而稍有增加。這就是我們所說(shuō)的“負(fù)蠕滑力的特性”。F/Q的最大值約為0.46,并被視為表面干凈接觸情況下的軌道輪和車(chē)輪之間的摩擦系數(shù)。在施加HPF的情況下,蠕滑力隨著蠕滑率的上升而增加,直至蠕滑率達(dá)到1.2%也沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)蠕滑力的特性。蠕滑率達(dá)到1.2%時(shí),F/Q的值約為0.16。圖7為在1000N的負(fù)載時(shí),測(cè)定的橫向蠕滑力的特性。圖7(a)為表面干凈的接觸情況下的測(cè)試結(jié)果;圖7(b)則為施加HPF情況下的測(cè)試結(jié)果。在表面干凈的接觸情況下,蠕滑特性與縱向蠕滑特性有一些差別。蠕滑率小時(shí),橫向蠕滑特性為“負(fù)”。Y/Q的最大值也小于F/Q值。而在施加HPF情況下,蠕滑力隨著蠕滑率的上升而增加,即使蠕滑率達(dá)到1.3%也沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)蠕滑特性。蠕滑率達(dá)1.3%時(shí),Y/Q的值約為0.21。在縱向和橫向蠕滑率變化中,也檢測(cè)了HPF的耐久性。蠕滑率越小,意味著曲線(xiàn)半徑大,耐久時(shí)間更長(zhǎng)。如果蠕滑率相同,則縱向蠕滑狀態(tài)時(shí)的耐久時(shí)間,要比在橫向蠕滑狀態(tài)時(shí)的耐久時(shí)間更長(zhǎng)。4縱向模流輪對(duì)重塑規(guī)則動(dòng)態(tài)模式分析為了進(jìn)行“智能主動(dòng)車(chē)輪”的開(kāi)發(fā)研究而按的比例制作了滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模型。用一些特殊技術(shù)就可精確測(cè)試車(chē)輪和軌道輪之間的接觸力和蠕滑率。用滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模型和按比例縮小的輪對(duì),測(cè)試了各種接觸情況下的軌道輪和