機車自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架輪軌接觸特性

1、機車自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架輪軌接觸特性       摘要：研究了三軸機車徑向?qū)驒C構(gòu)工作原理，采用數(shù)值仿真的方法分析了機車徑向轉(zhuǎn)向架和常規(guī)轉(zhuǎn)向架通過緩和曲線時輪軌接觸特性。研究結(jié)果表明：徑向機構(gòu)能夠均衡前后輪對的導(dǎo)向力矩，改善機車一系懸掛的受力，有利于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架向曲線徑向方向搖頭；常規(guī)轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對易發(fā)生輪緣貼靠，產(chǎn)生較大沖角，而徑向轉(zhuǎn)向架輪對能夠在較大半徑下維持較小的沖角，導(dǎo)向輪對發(fā)生輪緣貼靠以后會削弱徑向轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向性能；兩種轉(zhuǎn)向架輪對的蠕滑力分布規(guī)律一致，導(dǎo)向輪對橫向蠕滑力大于縱向蠕滑力，第輪對縱向蠕滑力大于橫向蠕滑力；橫向蠕滑力的變

2、化過程表現(xiàn)出強的非線性規(guī)律，較小的沖角就會產(chǎn)生較大的橫向蠕滑力。關(guān)鍵詞：機車工程；徑向轉(zhuǎn)向架；動力學(xué)分析；曲線通過；輪軌接觸；蠕滑力；輪緣接觸   引言隨著鐵路貨物運輸向高速和重載方向發(fā)展，重載要求大功率機車的應(yīng)用，受到軸重的限制，可以采用個兩軸轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)或者個三軸轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，但是為了安裝電氣設(shè)備同時降低機車的重心高度，采用三軸轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)是比較理想的選擇。由于三軸轉(zhuǎn)向架端軸軸距較長，不利于機車曲線通過，尤其是小半徑曲線，引起嚴(yán)重的輪軌磨耗和噪音。為了改善機車車輛曲線通過性能，各國都進行了廣泛的研究，如采用加寬軌距，改變內(nèi)軌軌底坡和非對稱打磨內(nèi)軌頂面等措施，實現(xiàn)擴大內(nèi)外軌輪徑

3、差，提高轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能。其中徑向轉(zhuǎn)向架是提高轉(zhuǎn)向架曲線通過性能的有效措施之一。機車徑向轉(zhuǎn)向架主要分為自導(dǎo)向和迫導(dǎo)向種型式，由于迫導(dǎo)向式機構(gòu)較復(fù)雜，通用性較差等條件限制而沒有大范圍推廣，僅有日本在通勤列車上采用迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架進行了減小車輪橫向力試驗，而應(yīng)用最多的是自導(dǎo)向式徑向轉(zhuǎn)向架。許多學(xué)者對自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的工作原理和試驗進行了大量的研究。等回顧了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架、被動導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架和主動導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的優(yōu)缺點，指出了被動導(dǎo)向和主動導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架在提高機車車輛曲線通過性能的優(yōu)點；李芾等研究了迫導(dǎo)向、自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向原理與基本結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)徑向轉(zhuǎn)向架是降低曲線輪軌磨耗和提高直線穩(wěn)定性的有效措施；等在英國

4、提出的等效剛度理論的基礎(chǔ)上提出用等效剛度和阻尼的概念研究徑向轉(zhuǎn)向架的性能和參數(shù)匹配，在保證穩(wěn)定性的前提下，降低轉(zhuǎn)向架的彎曲剛度，實現(xiàn)充分利用輪軌蠕滑力導(dǎo)向；等提出當(dāng)貨運機車輪軌接觸界面蠕滑力處于飽和態(tài)時，借助輪軌接觸法向力的橫向分力，輪對可以實現(xiàn)橫向力平衡，減小橫向蠕滑力，實現(xiàn)同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)各輪對處于相同狀態(tài)的理想導(dǎo)向目標(biāo)；李亨利等研究了曲線半徑、曲線超高等幾何參數(shù)對徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過性能的影響，并提出了自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的適用范圍；楊春雷等采用車輛軌道耦合動力學(xué)理論研究發(fā)現(xiàn)徑向轉(zhuǎn)向架比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架具有更高的穩(wěn)定性和更好的曲線通過性；等研究了牽引力對轉(zhuǎn)向架曲線通過性能的影響，發(fā)現(xiàn)牽引力會降低轉(zhuǎn)向架的

5、曲線通過性能。過去的研究主要從宏觀方面研究徑向轉(zhuǎn)向架相對常規(guī)轉(zhuǎn)向架對曲線通過性能的改善情況，而關(guān)于徑向機構(gòu)對輪軌接觸特性影響的研究尚顯不足。李亨利和等發(fā)現(xiàn)曲線半徑對轉(zhuǎn)向架曲線通過性能影響最大，而線路超高和運行速度的影響相對較弱一些。為了深入了解徑向機構(gòu)和連續(xù)變化的曲線半徑對徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過時輪軌接觸特性的影響規(guī)律，本文主要研究機車從直線經(jīng)緩和曲線運行到曲率恒定的圓曲線這段過程，同時與常規(guī)轉(zhuǎn)向架的曲線通過過程進行對比分析，認(rèn)識徑向轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向特性。轉(zhuǎn)向架曲線通過機理圖為機車三軸轉(zhuǎn)向架。相對于機車非徑向三軸轉(zhuǎn)向架，徑向轉(zhuǎn)向架在靠近端軸的構(gòu)架橫梁上分別鉸接一個繞軸可以自由旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)向橫梁，再通過單拉

6、桿與端軸輪對軸箱連接，個導(dǎo)向橫梁通過耦合桿實現(xiàn)搖頭耦合，使端軸輪對相對于構(gòu)架的搖頭角反向相等。另外，輪對牽引力經(jīng)導(dǎo)向橫梁旋轉(zhuǎn)鉸傳遞到構(gòu)架上，導(dǎo)向機構(gòu)實現(xiàn)輪對導(dǎo)向與牽引功能解耦。減小導(dǎo)向輪對的搖頭定位剛度可以明顯提高轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能和降低輪軌磨耗，但是由于非徑向轉(zhuǎn)向架一系懸掛還承擔(dān)傳遞牽引力或制動力的功能，在降低一系搖頭定位剛度時會影響機車的黏著性能。徑向轉(zhuǎn)向架通過導(dǎo)向機構(gòu)，實現(xiàn)了導(dǎo)向和牽引力或制動力傳遞的功能分離，在不降低轉(zhuǎn)向架臨界速度的前提下，可以實現(xiàn)減小轉(zhuǎn)向架輪對搖頭剛度，提高轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能。徑向機構(gòu)運動分析對徑向轉(zhuǎn)向架進行運動分析。這里主要關(guān)注導(dǎo)向機構(gòu)對輪對運動的影響，因此，僅

7、分析轉(zhuǎn)向架的第輪對和第輪對，中間輪對和常規(guī)導(dǎo)向機構(gòu)受力分析轉(zhuǎn)向架大致相同。作用于輪對上的蠕滑力合成為作用于輪對左右側(cè)大小相等、方向相同的力和作用于輪對中心的力矩，如力、力矩和力、力矩。這里忽略各桿件和鉸接點的彈性影響。前輪對平衡方程為（）（）后輪對平衡方程為（）（）前橫梁平衡方程為（）（）后橫梁平衡方程為（）（）根據(jù)幾何約束可得（）由以上諸方程可解得（）（）（）（）（）（）（）（）式中：、分別為輪對和輪對左側(cè)與右側(cè)的軸箱拉桿作用力；、分別為前、后導(dǎo)向橫梁支點縱向（向）與橫向（向）作用力；為徑向拉桿作用點到導(dǎo)向橫梁支點的橫向距離；為端軸輪對一系縱向定位剛度；為徑向拉桿縱向作用力；為徑向拉桿橫向作

8、用力；、分別為輪對和輪對的搖頭角；為一系定位橫向跨距之半；、分別為輪對和輪對中蠕滑力形成的縱向力和力矩。可得徑向機構(gòu)分別作用于第輪對的力矩和第輪對的力矩分別為（）由式（）、（）可以看出，徑向機構(gòu)有均衡作用在輪對上力矩的功能，讓同一轉(zhuǎn)向架的兩端軸輪對相互促進導(dǎo)向。非徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過機理重載機車發(fā)揮較大的縱向牽引力，而非徑向轉(zhuǎn)向架的牽引剛度由一系懸掛縱向定位提供，需要選用較大的一系懸掛縱向定位剛度，這對提高轉(zhuǎn)向架的臨界速度是有利的，而限制了輪對依靠蠕滑自導(dǎo)向能力。機車進入緩和曲線時，導(dǎo)向輪對有趨于徑向位置的趨勢，輪對朝外軌方向橫移。由于踏面斜度引起內(nèi)外車輪產(chǎn)生滾動圓半徑差，在滿足曲線通過所需的滾

9、動半徑差的同時，產(chǎn)生較大縱向蠕滑力平衡一系懸掛搖頭力矩的約束，但是輪對受到一系較大的搖頭定位剛度約束，為產(chǎn)生足夠的縱向蠕滑力矩，導(dǎo)向輪對就會快速向曲線外側(cè)橫移，產(chǎn)生較大的滾動圓半徑差。當(dāng)外側(cè)車輪橫移到輪緣附近時，輪對的橫移受到限制。隨著緩和曲線曲率的增大，導(dǎo)向輪對沖角也逐漸增大，伴隨產(chǎn)生較大的橫向蠕滑力，導(dǎo)致導(dǎo)向輪對外側(cè)車輪上引起較大的幾何導(dǎo)向力，引導(dǎo)機車導(dǎo)向。動力學(xué)模型利用多體動力學(xué)軟件建立某機車的整車動力學(xué)模型。其中轉(zhuǎn)向架模型分別采用徑向轉(zhuǎn)向架和常規(guī)轉(zhuǎn)向架種形式。整車動力學(xué)模型包括個車體、個轉(zhuǎn)向架、個牽引電機，其中徑向轉(zhuǎn)向架還包含套徑向?qū)驒C構(gòu)。徑向轉(zhuǎn)向架和常規(guī)轉(zhuǎn)向架的懸掛參數(shù)主要區(qū)別是端

10、軸輪對一系縱向剛度，在滿足非線性臨界速度均為·的條件下，常規(guī)轉(zhuǎn)向架的端軸輪對一系單側(cè)縱向剛度為·，徑向轉(zhuǎn)向架為·，種轉(zhuǎn)向架其余懸掛參數(shù)一致。為比較徑向轉(zhuǎn)向架和非徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過輪軌接觸特性，軌道上沒有施加軌道不平順激擾，車輪踏面外形為磨耗型踏面，軌面為軌，踏面等效錐度見圖。采用數(shù)值積分求解動力學(xué)方程，模型中考慮了輪軌接觸幾何和蠕滑力的非線性、軸箱自由橫動量、二系橫向止擋剛度非線性以及各減振器阻尼非線性等，其中輪軌蠕滑力的計算采用程序。3輪徑差與輪對橫移量仿真分析曲線的設(shè)置為 直線， 緩和曲線，超 高， 曲 線 半 徑 為 的 圓 曲線，以平衡速度·通過

11、曲線。在采用種轉(zhuǎn)向架的機車從直線經(jīng)緩和曲線運動到曲率恒定的圓曲線的過程，詳細(xì)分析了輪對的橫移、沖角、蠕滑力、導(dǎo)向輪對外側(cè)車輪幾何導(dǎo)向力與轉(zhuǎn)向架懸掛力的變化過程。輪對橫移量與沖角種轉(zhuǎn)向架輪對橫移量和沖角的動態(tài)變化過程?？梢钥闯觯鄬τ趶较蜣D(zhuǎn)向架，常規(guī)轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對更易發(fā)生輪緣貼靠。當(dāng)常規(guī)轉(zhuǎn)向架機車進入緩和曲線時，導(dǎo)向輪對為了克服一系懸掛約束實現(xiàn)徑向調(diào)節(jié)，輪對快速向曲線外側(cè)移動，內(nèi)外輪上形成需要的滾動半徑差。當(dāng)輪對向曲線外側(cè)橫移大于時，由于輪對的等效錐度增大，橫移小的內(nèi)外輪也能產(chǎn)生較大的滾動半徑差，這時輪對的橫移速率減小。隨著緩和曲線曲率的增加，輪對逐漸向曲線外側(cè)移動，直到發(fā)生輪緣接觸。第輪對首先

12、向曲線外側(cè)移動，隨著緩和曲線曲率的增加，又逐漸向曲線內(nèi)側(cè)移動。這是由于當(dāng)?shù)谳唽傔M入緩和曲線時，導(dǎo)向輪對向曲線外側(cè)移動，引起整個轉(zhuǎn)向架向曲線外側(cè)搖頭，第輪對產(chǎn)生一個正沖角。輪對向曲線外側(cè)移動，形成必要的輪徑差，輪對上作用的縱向蠕滑力形成減小沖角的蠕滑力矩。隨著緩和曲線曲率的增加，第輪對的沖角逐漸變?yōu)樨?fù)沖角，輪對逐漸向曲線內(nèi)側(cè)移動，在導(dǎo)向輪對外移和第輪對內(nèi)移共同作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架圖輪對橫移機車自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架輪軌接觸特性向曲線外側(cè)搖頭，同時在蠕滑力矩的作用下，第輪對維持較小的輪對沖角。對于徑向轉(zhuǎn)向架，導(dǎo)向輪對和第輪對在導(dǎo)向輪對發(fā)生輪緣接觸以前，隨著緩和曲線曲率的增加，均逐漸向曲線外側(cè)移動。當(dāng)導(dǎo)向

13、輪對發(fā)生輪緣接觸以后，第輪對逐漸向曲線內(nèi)側(cè)移動?？梢钥闯?，在整個曲線通過過程中，徑向轉(zhuǎn)向架各輪對的沖角都比常規(guī)轉(zhuǎn)向架相應(yīng)輪對沖角小，特別是導(dǎo)向輪對。種轉(zhuǎn)向架的第輪對的沖角都比導(dǎo)向輪對的沖角小，導(dǎo)向輪對的沖角為正沖角，第輪對的沖角為負(fù)沖角。當(dāng)徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對發(fā)生輪緣接觸以后，導(dǎo)向輪對的沖角快速增大。蠕滑力種轉(zhuǎn)向架輪對的蠕滑力動態(tài)變化過程計算結(jié)果見圖。從圖、中可以看出，種轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對的橫向蠕滑力變化范圍均大于第輪對，常規(guī)轉(zhuǎn)向架輪對的橫向蠕滑力變化范圍比徑向轉(zhuǎn)向架大。這主要是由于徑向轉(zhuǎn)向架一系懸掛搖頭定位剛度的減小，輪對在縱向蠕滑力的作用下能夠發(fā)揮自導(dǎo)向能力，保持較小的輪對沖角。同時，還可以看出

14、橫向蠕滑力與沖角的關(guān)系表現(xiàn)出強的非線性特點。當(dāng)輪對沖角較小時，橫向蠕滑力隨著沖角的增加快圖導(dǎo)向輪對橫向蠕滑力圖第軸橫向蠕滑力徑向轉(zhuǎn)向架縱向蠕滑力常規(guī)轉(zhuǎn)向架縱向蠕滑力速增大。超過一定值時，橫向蠕滑力的增加速率隨著沖角的增加變緩。以轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對外側(cè)車輪為例，對 于 常 規(guī) 轉(zhuǎn) 向 架，當(dāng) 輪 對 向 曲 線 外 側(cè) 橫 移時，沖角為，橫向蠕滑力為，當(dāng)輪對橫移為時，沖角為，橫向蠕滑力為，橫向蠕滑力隨沖角的增長速率為·；隨著緩和曲線曲率的增加，輪對橫移維持，沖角增大到，橫向蠕滑力增大到，橫向蠕滑力隨沖角的增長速率為·。而對于徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對外側(cè)車輪，在輪對橫移為 時，沖角為 ，

15、橫向蠕 滑力為，當(dāng)輪對橫移時，沖角為，橫向蠕滑力為，橫向蠕滑力隨沖角的增長速率為·；隨著緩和曲線曲率的增加，輪對橫移維持，沖角增大到，橫向蠕滑力增大到，橫向蠕滑力隨沖角的增長速率為·。對于徑向轉(zhuǎn)向架，導(dǎo)向輪對在輪緣接觸以前，隨著緩和曲線曲率的增加，內(nèi)側(cè)車輪的橫向蠕滑率變化范圍小于外側(cè)車輪。當(dāng)輪緣接觸以后，內(nèi)側(cè)車輪的橫向蠕滑力增速加快。根據(jù)金學(xué)松等的研究結(jié)果，輪對沖角對輪軌接觸蠕滑力的影響較大，在輪對沒有施加牽引力或制動力的情況交通運輸工程學(xué)報年下，輪對沖角為時，就會使輪軌接觸斑處的總?cè)浠_到飽和。從徑向轉(zhuǎn)向架對輪對沖角的改善情況來看，輪緣不接觸鋼軌時，輪對能夠維持較小的沖

16、角，改善機車的黏著性能。當(dāng)輪緣發(fā)生貼靠以后，相對于常規(guī)轉(zhuǎn)向架，徑向轉(zhuǎn)向架對改善輪軌橫向力的能力受到削弱。可以看出，種轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對和第輪對的縱向蠕滑力形成的蠕滑力矩方向相反。變化趨勢都是開始時導(dǎo)向輪對的縱向蠕滑力大于第輪對的縱向蠕滑力，超過某一曲率半徑以后，第輪對的縱向蠕滑力大于導(dǎo)向輪對的縱向蠕滑力，這一蠕滑力的交變過程均發(fā)生在輪緣接觸以后。徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對的縱向蠕滑力大于第輪對時，通過徑向機構(gòu)的作用，促進第輪對導(dǎo)向。這從圖可以看出，導(dǎo)向輪對發(fā)生輪緣接觸以前，在導(dǎo)向機構(gòu)的作用下，導(dǎo)向輪對和第輪對隨著緩和曲線曲率的增加，兩輪對同時向曲線外側(cè)移動。徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對上作用的縱向蠕滑力在輪對發(fā)生輪

17、緣接觸以前，隨著緩和曲線曲率的增加而增大。導(dǎo)向輪對發(fā)生輪緣接觸以后，隨著橫向蠕滑力的增大，受到蠕滑飽和的限制，導(dǎo)向輪對的縱向蠕滑力逐漸減小。這時第輪對的縱向蠕滑力迅速增大，超過導(dǎo)向輪對，促使導(dǎo)向輪對維持較小沖角。而對于常規(guī)轉(zhuǎn)向架，導(dǎo)向輪對在進入緩和曲線以后，快速向曲線外側(cè)移動，縱向蠕滑力迅速增大，達到最大值。隨著緩和曲線曲率的增加，在蠕滑飽和的限制下，隨著橫向蠕滑力的增加，縱向蠕滑力逐漸減小。而第輪對隨著曲率的增加，縱向蠕滑力逐漸增大，并且與導(dǎo)向輪對的蠕滑力差也遠(yuǎn)大于徑向轉(zhuǎn)向架，促使轉(zhuǎn)向架構(gòu)架向正沖角的方向搖頭，不利于機車曲線通過。懸掛力種轉(zhuǎn)向架的懸掛力動態(tài)變化過程分別可以看出，一系懸掛力的變

18、化特點與輪對縱常規(guī)轉(zhuǎn)向架一系簧受力向蠕滑力的變化相似。徑向轉(zhuǎn)向架由于導(dǎo)向機構(gòu)的作用，導(dǎo)向輪對和第輪對作用于一系懸掛的力大小幾乎相等，方向相反，而常規(guī)轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對和第輪對的懸掛力差較大，在圓曲線上，懸掛力差高達。當(dāng)轉(zhuǎn)向架通過曲線時，徑向轉(zhuǎn)向架構(gòu)架更易于實現(xiàn)徑向位置，同時能夠改善一系懸掛的受力，提高一系彈簧的疲勞壽命。幾何導(dǎo)向力種轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對外側(cè)車輪上作用的幾何導(dǎo)向力計算，可以看出，徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對的幾何導(dǎo)向力遠(yuǎn)小于常規(guī)轉(zhuǎn)向架，有利于改善曲線軌道的受力，減小軌道的破壞。在圓曲線上，常規(guī)轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪對外側(cè)車輪上作用的幾何導(dǎo)向力為，而徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對僅為，減小約。當(dāng)徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪對發(fā)生輪緣接觸以后，導(dǎo)向力增加速度明顯加快。4結(jié)語為了解不同曲線半徑對三軸機車自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架輪軌接觸特性的影響規(guī)律，采用數(shù)值仿真的方法，研究了機車采用徑向轉(zhuǎn)向架和常規(guī)轉(zhuǎn)向架以平衡速度從直線經(jīng)緩和曲線運動到曲率恒定的圓曲線等：機車自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架輪軌接觸特性過程中的輪軌接觸特性。研究發(fā)現(xiàn)徑向機構(gòu)能夠均衡同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)兩端輪對的導(dǎo)向力矩，互相促進導(dǎo)向，同時徑向機構(gòu)能夠改善轉(zhuǎn)向架一系懸掛的受力，使轉(zhuǎn)向架構(gòu)架更有利于向曲線徑向靠近，提高轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向性能。機車通過