公鐵兩用車能在公路和鐵路上運行,機動靈活,用途廣泛,隨著我國鐵路的發(fā)展,公鐵兩用車的優(yōu)勢將變得越來越突出[1] ,。公鐵兩用車最核心的裝置就是鋼軌走行裝置,同時也是區(qū)別于一般公路車輛的特征。由于公鐵兩用車的經(jīng)濟性和特殊性要求,其鋼軌走行裝置結(jié)構(gòu)相對簡單,不會采用復雜的懸掛系統(tǒng),因此,采用合理的鋼軌輪踏面,對車輛的運行性能和安全性能至關重要,。關于踏面設計主要有圓弧擬合法,、高次曲線擬合法和軌頭型面反推法[2] 。上述方法對設計人員理論功底要求比較高,而且缺少現(xiàn)場實踐檢驗,可靠性很難達到要求,。本文采用技術非常成熟而且有代表性的4 種踏面:錐形踏面,、機車JM 磨耗型踏面、車輛LM 磨耗型踏面和UIC S1002 磨耗型踏面(車輪內(nèi)側(cè)距1 358 mm),通過分析4 種典型踏面對公鐵兩用車性能的影響,為同類公鐵兩用車鋼軌輪踏面設計提供參考,。

1,、公鐵兩用車結(jié)構(gòu)特點及技術參數(shù)
公鐵兩用車是指既可以在公路行走又可以在鐵軌上運行的特種車輛,一般由公路車輛加裝鋼軌走行裝置改裝而成,靈活機動,作業(yè)范圍廣,。

本文研究的對象為某型分動式公鐵兩用工程車,。該車輛在公路車車架前后兩端加裝鋼軌走行裝置,由于公鐵兩用車的結(jié)構(gòu)特點,鋼軌走行輪采用獨立輪對,而非傳統(tǒng)的整體剛性輪對,公鐵兩用車主要技術參數(shù)見表1。


2,、踏面分析
該車的鋼軌走行裝置采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪,其不同于傳統(tǒng)剛性車輪,傳統(tǒng)剛性輪對在發(fā)生橫向偏移時可以產(chǎn)生縱向蠕滑力和蠕滑力矩,從而實現(xiàn)自動對中;而獨立輪對由于兩車輪解耦,不存在蠕滑力,不能夠產(chǎn)生自動對中,只能依靠左右車輪的接觸角差產(chǎn)生的重力復原力和輪緣導向,所以合理的踏面形狀對獨立輪對至關重要[3—4] ,。

車輪踏面外形設計通常要考慮以下幾點:提高脫軌安全性,曲線通過性能要好,能順利通過道岔,磨耗要小,運行穩(wěn)定性要好。而上述幾點中存在彼此矛盾的地方,踏面很難滿足所有上述要求[5] ,。由于公鐵兩用車屬于非標特種車輛,運行速度較低,使用時間和頻率都遠小于普通軌道車輛,所以對公鐵兩用車踏面的設計更為側(cè)重于提高運行安全性,。

2. 1　踏面形狀與尺寸
踏面主要由輪緣,、過渡圓段、踏面中段和踏面尾段組成,。本文采用4 種踏面分別為錐形,、機車JM 磨耗型、車輛LM 磨耗型和UIC S1002 磨耗型踏面,其中錐形,、機車JM 磨耗型,、車輛LM 磨耗型踏面為圓弧和直線組合而成,UIC S1002 磨耗型踏面為高次曲線擬合而成。錐形踏面最主要的特點是踏面中段和尾段由兩段直線組成,過渡圓半徑為18 mm,輪緣高25mm,輪緣與過渡圓直接是圓弧相切而成,中間沒有直線,沒有輪緣角,。UIC S1002 磨耗型踏面提供兩種不同車輪內(nèi)側(cè)距,本文采用1 358 mm 內(nèi)側(cè)距,輪緣高為30 mm,。JM 型和LM 型踏面組成有點相似,踏面中段均由半徑100 mm 和500 mm 的圓弧以及半徑220mm 的反圓弧組成,輪緣與過渡圓弧之間有一段直線,該直線對抗脫軌穩(wěn)定性具有非常關鍵的作用,輪緣角均為70°,JM 型踏面輪緣相對LM 型踏面高3 mm。

2. 2　輪軌接觸幾何關系
本文采用UIC 60 鋼軌與車輪進行匹配,通過多體動力學軟件SIMPACK 進行輪軌接觸幾何關系分析,由于SIMPACK 軟件沒有自帶上述踏面數(shù)據(jù),需將CAD 圖形提取坐標數(shù)據(jù)導入SIMPACK 軟件進行前處理才能生成踏面,。如圖1 所示為4 種不同踏面的輪軌接觸關系,左橫移25 mm,右橫移10mm,步長為0. 7 mm,。由圖可以看出錐形踏面接觸點非常集中,在鋼軌中心靠內(nèi)側(cè)10 mm 處,這樣鋼軌磨耗會非常嚴重;S1002 型踏面接觸最為均勻,LM 型踏面相對JM 型要均勻,在過渡圓處有一次跳躍。

 

 

3,、計算模型
公鐵兩用車系統(tǒng)是一個復雜的多自由度多體系統(tǒng),為了盡可能地體現(xiàn)其動力學性能,方便計算和分析,在建立動力學模型的時候作如下假設:車輛系統(tǒng)中的車體,、導向輪等部件均看作剛體,不考慮其變形;只考慮鋼軌的不平順,不考慮其彈性變形;在鐵路走行模式下,鋼軌走行裝置構(gòu)架與車體沒有相對位移。采用多體動力學分析軟件SIMPACK 進行計算分析,在SIMPACK 中建立傳統(tǒng)輪對時只要定義1個剛體,生成輪軌元件屬性,。建立獨立旋轉(zhuǎn)輪對時需要定義3 個剛體,即1 根輪軸和2 個車輪,車軸具有輪軌元件屬性,另外2 個剛體代表左右車輪,繞車軸軸線具有轉(zhuǎn)動自由度,。從而公鐵兩用車動力學模型總共包括7 個剛體,即1 個車體、2 根車軸和4 個車輪,其拓撲關系如圖2 所示,。



1—輪軌接觸約束; 2—輪軌蠕滑力; 3—6DOF 輪軌鉸; 4—1DOF 鉸(繞Y 軸轉(zhuǎn)動); 5—力元,。　


4　計算分析結(jié)果

4. 1　直線性能分析

(1) 穩(wěn)定性分析
對公鐵兩用車前導向車輪施加10 mm 的橫向初始位移,運行速度為20 km/ h,使其在沒有軌道激勵的直線上運行,分析公鐵兩用車采用不同踏面的自動對中性能,。圖3 為前導向輪對在直線上的橫向位移圖,從圖3 可以看出采用JM 型和LM 型踏面可以回復到軌道中心位置左右;采用S1002 型踏面,前導向輪的響應相對較慢,達到平衡狀態(tài)時,相對軌道中心的橫移量為0. 8 mm;采用錐形踏面,輪對橫移基本上沒有變化,在9 mm 時達到平衡狀態(tài),。由以上分析可知:獨立輪對自動對中所需時間整體較長,自動對中性能遠差于傳統(tǒng)剛性輪對。采用錐形踏面的輪對基本沒有自動對中功能,采用JM 型踏面的輪對自動對中功能最佳,。



(2) 平穩(wěn)性分析
平穩(wěn)性分析是研究車輛在軌道運行時的振動情況,是評價運行品質(zhì)的主要指標,。GB5599 規(guī)定采用Sperling 平穩(wěn)性指數(shù)進行評價,取司機室座椅處為測量點,車輛運行速度為20 km/ h,在平直軌道上運行,軌道激勵采用美國軌道5 級譜。由于公鐵兩用車屬于特種車輛,可以按GB5599—85 貨車標準來進行評價,。表2 為采用不同踏面公鐵兩用車的運行平穩(wěn)性指數(shù),由表可以看出公鐵兩用車采用錐形踏面垂向平穩(wěn)性為良好,采用其他3 種踏面垂向平穩(wěn)性均為優(yōu);橫向平穩(wěn)性4 種踏面均為優(yōu),。S1002 型踏面最為平穩(wěn),錐形踏面平穩(wěn)性最差,LM 型踏面平穩(wěn)性要略優(yōu)于JM 型踏面。



4. 2　曲線通過性能分析
曲線通過性能關系到車輛運行的安全性能,根據(jù)GB5599—85 的規(guī)定,采用脫軌系數(shù),、輪重減載率和輪軌橫向力作為車輛運行安全性的評價指標,。本文采用曲線半徑為300 m,緩和曲線15 m,超高60 mm,軌道激勵采用美國鐵路5 級譜,車輛運行速度為20 km/ h。

(1)脫軌系數(shù)脫軌系數(shù)采用Nadal 系數(shù),即同一時間點車輪作用于鋼軌的橫向力與垂向力之比: QP= tanα - μ1 + μtanα式中:α 為車輪輪緣角;μ 為輪緣與鋼軌側(cè)面摩擦系數(shù),。根據(jù)GB5599—85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》,脫軌系數(shù)容許值為:QP≤1. 2;安全值為:QP≤1. 0,。

 
圖4 為不同踏面下前導向輪左側(cè)車輪脫軌系數(shù)時域曲線,從圖可以看出車輛進入曲線后脫軌系數(shù)急劇增加,對曲線上的脫軌系數(shù)進行統(tǒng)計處理取得最大值見表3,

表3 為不同踏面下前導向輪對左右車輪的脫軌系數(shù)最大值,從表3 可以看出公鐵兩用車脫軌系數(shù)均小于標準的安全值,滿足要求。


S1002 型踏面脫軌系數(shù)最小,抗脫軌性能最好,錐形踏面脫軌系數(shù)最高,LM 型與JM 型比較接近,LM 型要優(yōu)于JM 型,。


(3)輪軌橫向力輪軌間橫向力過大時會造成軌距擴寬,道釘拔起或引起線路嚴重變形,同時對車輛結(jié)構(gòu)造成損壞,GB5599—85 對輪軌橫向力Q 的限制如下,。道釘拔起,道釘應力為彈性極限的限度: Q ≤ 19 + 0. 3Pst 　　道釘拔起,道釘應力為屈服極限的限度: Q ≤ 29 + 0. 3Pst式中:Pst 為車輪靜載荷,。表5 為前導向輪對輪軌橫向力,由表5 可知輪軌橫向力滿足標準要求,采用錐形踏面時輪軌橫向力最大,采用S1002 型踏面時輪軌橫向力最小,采用LM 型踏面時輪軌橫向力要小于JM 型踏面。



5,、結(jié)語

(1)在直線性能上,JM 型踏面由于等效錐度和左右接觸角差最大,其對中穩(wěn)定性最好,而錐形踏面對中穩(wěn)定性最差;運行平穩(wěn)性S1002 型最好,錐形踏面平穩(wěn)性最差,而LM 型要略優(yōu)于JM 型,。

(2)在曲線性能上,采用S1002 型踏面的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軌橫向力均為最小, LM 型踏面與JM 型踏面性能比較接近,LM 型輪重減載率要大于JM 型,而脫軌系數(shù)和輪軌橫向力略小于JM 型,錐形踏面整體來說曲線性能最差,。通過以上分析可知:公鐵兩用車應該優(yōu)先考慮UIC S1002 型踏面,盡量避免采用錐形踏面,而JM型因為其輪緣高于LM 型,所以在安全性上JM 型踏面優(yōu)于LM 型踏面,。

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