北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進(jìn)展_圖文

1、文章編號(hào):100227610(20070520026208北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進(jìn)展John Samuels,等(美摘要:介紹了北美鐵路在降低輪軌接觸應(yīng)力和輪軌作用力方面的研究成果。關(guān)鍵詞:北美鐵路;輪軌作用力;接觸應(yīng)力中圖分類號(hào):U270.1+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BThe N e w Progress in R educing the Contact Stresses at the Wheel2R ailInterface of the North American R ailroadsAbstract:Described are the research achievements in re

2、ducing the contact stresses at the wheel2rail inter2 face and the wheel2rail forces in North American Railroads.K ey w ords:North American Railroads;wheel2rail forces;contact stresses1概述當(dāng)前,北美鐵路的發(fā)展主題是提高運(yùn)量、改善服務(wù)和提升運(yùn)輸效益。運(yùn)量的增長(zhǎng)依賴于鐵路運(yùn)輸服務(wù)的改善,提高運(yùn)輸利潤(rùn)需要更大的基礎(chǔ)性投資,而核心問(wèn)題則是提高鐵路運(yùn)輸效率和運(yùn)輸能力。增大貨車軸重是提高北美鐵路生產(chǎn)效率的一條重要途徑,同時(shí)帶

3、來(lái)的負(fù)面影響是增加了線路的維修工作量。解決鐵路干線運(yùn)量和軸重增大帶來(lái)的檢修工作量增加的問(wèn)題,通常有2種解決途徑:(1采用新技術(shù)降低輪軌接觸應(yīng)力;(2加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)以承受更大的應(yīng)力或沖擊。以前在軸重提高后相應(yīng)加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)的解決方案需大量額外的投資,并且不一定在各種運(yùn)用條件下都能取得良好的效果。北美鐵路協(xié)會(huì)(AAR“戰(zhàn)略研究計(jì)劃”小組優(yōu)先考慮的是降低輪軌應(yīng)力以解決上述問(wèn)題。下面介紹AA R下屬的運(yùn)輸技術(shù)中心(T TCI在降低車輛與軌道動(dòng)作用力及應(yīng)力方面的技術(shù)進(jìn)展?fàn)顩r。通常,降低輪軌接觸應(yīng)力狀態(tài)有以下4種基本方法:(1降低穩(wěn)態(tài)輪軌橫向力;(2降低垂向力;(3降低輪軌接觸應(yīng)力;(4降低車輛動(dòng)力作用。降低

4、以上一個(gè)或幾個(gè)變量均可降低輪軌接觸斑的能量輸入,相應(yīng)減小軌道磨耗。圖1給出了改善車輛動(dòng)力學(xué)性能和加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)在降低輪軌作用力(應(yīng)力收稿日期:2006212223圖1降低車輛動(dòng)力作用或加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)才能降低軌道應(yīng)力方面的對(duì)比關(guān)系。T TCI研究表明,采取以下措施可降低輪軌接觸應(yīng)力:(1盡量采用具有優(yōu)良懸掛特性的轉(zhuǎn)向架;(2研究和運(yùn)用軌頂潤(rùn)滑技術(shù);(3改進(jìn)鋼軌外形維修方法;(4改進(jìn)車輪外形維修方法;(5加速配備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以監(jiān)測(cè)高動(dòng)力作用的車輛;(6開(kāi)發(fā)運(yùn)用基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的軌道幾何形位檢測(cè)系統(tǒng);(7采用經(jīng)優(yōu)化的轉(zhuǎn)向架部件和檢修方式;(8加速研究更耐用的心盤(pán)潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑技術(shù)。1.1盡量采用具有優(yōu)良懸掛特

5、性的轉(zhuǎn)向架2001年,T TCI對(duì)4種在曲線軌道上通過(guò)控制輪軌橫向作用力而降低輪軌接觸應(yīng)力的新型懸掛轉(zhuǎn)向架樣機(jī)進(jìn)行了研究和評(píng)估1?？屏_拉多州普韋布洛的美國(guó)聯(lián)邦鐵路局(FRA 運(yùn)輸技術(shù)中心(T TC ,在不同線路上對(duì)配裝于散裝貨車上通過(guò)提高導(dǎo)向能力,以降低車輛曲線通過(guò)輪軌橫向力的4種轉(zhuǎn)向架樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。目的是確認(rèn)轉(zhuǎn)向架樣機(jī)針對(duì)懸掛系統(tǒng)的改良措施在正線運(yùn)營(yíng)中的效果。T TCI 計(jì)劃至少在2條線路上對(duì)配裝這些轉(zhuǎn)向架樣機(jī)的散裝貨車的運(yùn)用狀況進(jìn)行監(jiān)控。此外,T TCI 還對(duì)車輪直徑91cm (36in 、總重143t (315000lbs 配備該轉(zhuǎn)向架樣機(jī)的車輛進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)1。試驗(yàn)在T TCI

6、的加速運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)線路(FAST 上進(jìn)行,測(cè)試的性能數(shù)據(jù)將用于該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性分析,并確定自重系數(shù)改變對(duì)143t 級(jí)車輛運(yùn)營(yíng)的影響。這些散裝貨車性能評(píng)估內(nèi)容將是T TCI 制定總重122t (268000lbs 以上散裝貨車動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。裝備工程協(xié)會(huì)(EEC 技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)曾制訂過(guò)“總重130t (286000lbs 聯(lián)運(yùn)車輛的規(guī)范”,目前車輛制造業(yè)正在進(jìn)行復(fù)審。2002年12月31日以后,新造總重在122t 和130t 之間的4軸車輛將采用該新標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn),更大軸重的車輛將不得進(jìn)一步增大輪軌接觸應(yīng)力,而配裝傳統(tǒng)三大件轉(zhuǎn)向架的車輛其動(dòng)力學(xué)性能將難以達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。AAR 對(duì)散裝貨車的評(píng)估表

7、明,與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比,通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)向架的懸掛系統(tǒng),可降低輪軌作用力50%以上。圖2比較了不同曲線上傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架和2種改進(jìn)懸掛的轉(zhuǎn)向架樣機(jī)的輪軌橫向力。輪軌橫向力的降低可延長(zhǎng)軌枕的使用壽命,并減少由于軌距擴(kuò)寬而導(dǎo)致的脫軌事故的發(fā)生。試驗(yàn)中2種新型轉(zhuǎn)向架樣機(jī)配裝總重143t 的車輛,另2種新型轉(zhuǎn)向架樣機(jī)則配裝總重130t 的車輛。雖然將轉(zhuǎn)向架樣機(jī)分別配裝在重130t 和重143t 的車輛上加以比較不盡合理,但圖2中的數(shù)據(jù)顯示,它們均優(yōu)于現(xiàn)有重120t (263000lbs 裝用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的車輛動(dòng)力學(xué)性能,減輕了軸重增加對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響 。圖2曲線通過(guò)時(shí)的輪軌橫向力圖3則給出了4種轉(zhuǎn)向架樣機(jī)對(duì)降低車

8、輛曲線運(yùn)行阻力的作用效果。圖3中的結(jié)果用車輛單位阻力表示。同樣,減小曲線運(yùn)行阻力可以延長(zhǎng)車輪與鋼軌的使用壽命,并節(jié)省燃料消耗。4種轉(zhuǎn)向架樣機(jī)都可降低曲線運(yùn)行阻力,其中1種還可將曲線運(yùn)行阻力衰減到很低的水平,并降低直線軌道上的運(yùn)行阻力。圖3車輛通過(guò)曲線時(shí)的單位阻力2001年末,T TC 開(kāi)始了具有新型懸掛特性的汽車部件運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向架的研制工作。T TCI 在聯(lián)合太平洋鐵路公司(U P 為福特公司服務(wù)的伊利諾斯州芝加哥市和墨西哥城間的線路上,對(duì)配裝改進(jìn)懸掛設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架樣機(jī)的汽車部件運(yùn)輸車在參照?qǐng)?zhí)行新線路養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的情況下,對(duì)其運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行了測(cè)試。其他3種懸掛模式的樣機(jī)則于2002年在U P 線路上進(jìn)

9、行試驗(yàn)。包括傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架在內(nèi)的5種轉(zhuǎn)向架都將在FAST 試驗(yàn)線進(jìn)行試驗(yàn)。2002年2003年間,通用汽車公司(GM 將選出1輛“好的”和1輛“差的”汽車部件運(yùn)輸車進(jìn)行評(píng)估,另外GM 還將為成品汽車運(yùn)輸車制訂和AA R 推薦手冊(cè)類似的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。2002年,對(duì)懸掛系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改進(jìn)、配裝于散裝貨車的轉(zhuǎn)向架在罐車上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。目前,這種罐車因軸重太大,不能實(shí)現(xiàn)自由聯(lián)運(yùn)。由于罐車車體長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)剛度大,其動(dòng)力學(xué)性能的改善具有特殊的難點(diǎn)。EEC 認(rèn)為,若該罐車的試驗(yàn)表明其動(dòng)力學(xué)性能能夠滿足新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)總重122t 以上車輛的規(guī)定,則這種罐車的使用狀況可大為改觀。1.2研究和運(yùn)用軌頂(TOR 潤(rùn)滑技術(shù)

10、T TCI 對(duì)CSX 運(yùn)輸公司(CSXT 即將配屬的10臺(tái)被試機(jī)車中的5臺(tái)裝有TOR 潤(rùn)滑系統(tǒng)(圖4的機(jī)車運(yùn)用狀況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查。2002年初,在使用現(xiàn)有軌道潤(rùn)滑器的線路上,對(duì)作用于線路的輪軌力和摩擦力進(jìn)行標(biāo)定,以測(cè)試該供貨商的潤(rùn)滑劑在5臺(tái)被試機(jī)車上的使用效果。2周內(nèi),記錄了5臺(tái)機(jī)車反復(fù)經(jīng)過(guò)測(cè)量地點(diǎn)的摩擦力和曲線通過(guò)橫向力。測(cè)試數(shù)據(jù)表明,裝用TOR 裝置的機(jī)車可顯著降低曲線通過(guò)時(shí)的輪軌橫向力(圖5。由于條件所限以及受其他列車撒砂作業(yè)帶來(lái)的干擾,沒(méi)有進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)。CSXT把另一供貨商的潤(rùn)滑裝置裝于另5臺(tái)機(jī)車上,并計(jì)劃在2002年秋冬季進(jìn)行運(yùn)用考驗(yàn)。與此同時(shí),諾?？四戏借F路也在進(jìn)行類似的工作

11、。圖4軌頂潤(rùn)滑系統(tǒng)圖5有、無(wú)T OR系統(tǒng)的機(jī)車曲線輪軌橫向力在U P高低速線路上的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)業(yè)已完畢。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù),研究者們?yōu)檠b用TOR 系統(tǒng)的機(jī)車在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)監(jiān)控TOR零部件制定了相應(yīng)的試驗(yàn)大綱。初步的高速試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,TOR系統(tǒng)存在潤(rùn)滑噴嘴不能及時(shí)打開(kāi)及噴嘴沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)軌頂噴射部位等問(wèn)題,這與線路試驗(yàn)的情況基本一致。2002年9月,另一供貨商的產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)束,第一次供貨的供應(yīng)商計(jì)劃在2002年11月前改進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì),并進(jìn)行產(chǎn)品復(fù)審。本次振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)試方法將應(yīng)用于行業(yè)的驗(yàn)收規(guī)范,并作為鐵路用戶的采購(gòu)指導(dǎo)依據(jù)。安裝在伯靈頓北方圣菲鐵路道旁的TOR系統(tǒng)樣機(jī)在FAST試驗(yàn)線也成功地進(jìn)行了試驗(yàn)

12、2。后來(lái)的線路試驗(yàn)針對(duì)FAST試驗(yàn)中的幾項(xiàng)運(yùn)用指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,對(duì)于距TOR系統(tǒng)安裝點(diǎn)至少1161km(1mile以內(nèi)的鋼軌,無(wú)需消耗大量的潤(rùn)滑材料便可取得明顯效果。適當(dāng)設(shè)置道旁TOR潤(rùn)滑系統(tǒng)后,車輛通過(guò)曲線的平均輪軌橫向力可降低20%左右,性能很差的轉(zhuǎn)向架其輪軌橫向力降低了一半還多。目前,T TCI正對(duì)U P鐵路和加拿大鐵路(CN的TOR 系統(tǒng)使用情況進(jìn)行跟蹤,其中一試驗(yàn)段出現(xiàn)了軌面接觸疲勞,目前正對(duì)其進(jìn)行研究。運(yùn)用手冊(cè)中將列入一般線路及環(huán)形線試驗(yàn)的結(jié)果。到此為止,線路試驗(yàn)沒(méi)有出現(xiàn)列車操縱或車輪打滑方面的問(wèn)題。1.3加速研究更耐用的心盤(pán)潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑技術(shù)FAST線對(duì)不同材質(zhì)的心盤(pán)潤(rùn)

13、滑劑及眾多心盤(pán)潤(rùn)滑產(chǎn)品的運(yùn)用效果和耐久性進(jìn)行了運(yùn)用試驗(yàn)。被試驗(yàn)車輛總重143t,裝用常接觸滾子旁承。T TCI建立了相應(yīng)的NUCA RS模型,對(duì)車輛動(dòng)態(tài)曲線通過(guò)時(shí)的心盤(pán)摩擦力進(jìn)行了分析計(jì)算。初步的結(jié)果顯示在FAST 線路條件下,車輛目前使用的心盤(pán)潤(rùn)滑劑在運(yùn)用幾個(gè)月后(約15000mile或24000km就不能有效地提供摩擦力。圖6中的數(shù)據(jù)表明,在FAST線維持通常狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向架沒(méi)有必要使用干摩擦球面心盤(pán),盡管可提供的摩擦系數(shù)從0115015不等。相反,在同等條件下,干摩擦球面心盤(pán)在進(jìn)入曲線前后或在磨耗較嚴(yán)重的轉(zhuǎn)向架上使用,都可能引起輪軌橫向力的增加3。圖6RSB轉(zhuǎn)向架心盤(pán)摩擦系數(shù)和車輛平均輪軌

14、橫向力(利用TPD測(cè)得隨運(yùn)行里程的變化車輛通過(guò)曲線時(shí),心盤(pán)上將產(chǎn)生很大的摩擦力。車輛通過(guò)緩和曲線和圓曲線時(shí),若心盤(pán)出現(xiàn)溝痕磨耗或機(jī)械損傷深度達(dá)到或超過(guò)110,轉(zhuǎn)向架將產(chǎn)生很大的輪軌橫向力。此種情形下,使用摩擦可控心盤(pán)潤(rùn)滑劑可作為一個(gè)臨時(shí)的解決方案。但效果是短暫的,車輛通過(guò)曲線作用力很快又會(huì)升高。除對(duì)不同潤(rùn)滑產(chǎn)品的使用壽命進(jìn)行考核外,該研究項(xiàng)目的另一個(gè)目標(biāo)是優(yōu)化心盤(pán)潤(rùn)滑劑的檢修周期。T TCI對(duì)6種心盤(pán)減磨技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估,包括使用心盤(pán)注入MoS2技術(shù)及大量的塑料類線性材質(zhì)心盤(pán)。對(duì)大量的潤(rùn)滑產(chǎn)品所進(jìn)行的試驗(yàn)表明,心盤(pán)早期磨耗是可以預(yù)測(cè)的,并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以為制定心盤(pán)的檢修周期提供參考。1.4改進(jìn)鋼軌

15、外形的維修方法T TCI的輪軌外形偏差分析軟件(WR TOL可對(duì)不同工況下的輪軌關(guān)系進(jìn)行分析。分析表明,鋼軌軌頭斷面形狀誤差可導(dǎo)致輪軌接觸應(yīng)力和輪軌橫向力的大大增加。因此,必須對(duì)軌頭外形偏差進(jìn)行矯正。目前針對(duì)鋼軌打磨開(kāi)展的調(diào)查為WR TOL提供了非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)4。該軟件包含一系列經(jīng)測(cè)量所得的典型車輪外形數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)軌頭斷面輪廓測(cè)定后,軟件將用不同外形的車輪依次與之配合,并計(jì)算輪對(duì)所有可能橫移位置的輪軌接觸應(yīng)力。計(jì)算完成后,把計(jì)算出的輪軌接觸應(yīng)力最大值和許用接觸應(yīng)力(如輪軌臨界滾動(dòng)接觸疲勞應(yīng)力相比較,以決定是否需要采取措施矯正軌頭外形。此外,該軟件還可計(jì)算出接觸角(對(duì)安全性非常重要和車輪滾動(dòng)圓半

16、徑(對(duì)車輛導(dǎo)向非常重要。研究表明,不適當(dāng)?shù)臐L動(dòng)圓半徑差也將造成輪軌系統(tǒng)接觸應(yīng)力的增大。圖7給出了60個(gè)不同的車輪與鋼軌配合時(shí),車輛通過(guò)曲線時(shí)外軌的接觸應(yīng)力狀況。圖7下方的實(shí)線表示鋼軌不同部位的許用應(yīng)力的估計(jì)值。該線將鋼軌許用應(yīng)力分割成3個(gè)應(yīng)力區(qū):軌側(cè)接觸區(qū)、軌頂靠軌側(cè)接觸區(qū)和軌頂中心接觸區(qū)。軌側(cè)接觸應(yīng)力比其他區(qū)域偏圖760個(gè)不同車輪與鋼軌配合時(shí)車輛曲線外軌接觸應(yīng)力計(jì)算值高不可避免,但高的軌頂中心接觸區(qū)的接觸應(yīng)力則可通過(guò)鋼軌打磨得到控制。圖8為一典型輪對(duì)與鋼軌配合時(shí)不同接觸位置下滾動(dòng)圓半徑差的變化曲線圖。圖8中X軸為輪對(duì)的橫移(mm,Y軸為不同橫移位置時(shí)左右車輪的滾動(dòng)圓半徑差。同時(shí),輪對(duì)不同接觸

17、位置的踏面等效錐度也在圖8中標(biāo)出。較大的等效錐度將引起車輛在低速時(shí)就蛇行失穩(wěn),導(dǎo)致輪軌橫向力也較大。T TCI的WR TOL軟件已被用于確定鋼軌外形是否會(huì)導(dǎo)致鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞危險(xiǎn)性的增加,已被用于判斷打磨后的鋼軌外形是否成功,并被用于解釋因過(guò)大橫向力導(dǎo)致鋼軌側(cè)傾從而導(dǎo)致車輛脫軌的現(xiàn)象。目前正在進(jìn)一步確認(rèn)該軟件的功能。圖8單條輪對(duì)滾動(dòng)圓半徑差變化曲線圖(嵌入圖為輪對(duì)等效錐度隨接觸位置的變化曲線圖1.5改進(jìn)車輪外形維修方法車輪磨耗凹陷將影響車輛導(dǎo)向性能,引起軌道的擠寬并惡化內(nèi)軌的受力狀態(tài)。車輪磨耗凹陷或輪緣厚薄不均的車輛在磨耗的曲線鋼軌上運(yùn)行時(shí),由于沒(méi)有良好的輪軌配合,將引起很高的輪軌接觸應(yīng)力。此

18、外,車輪踏面缺陷也對(duì)軌道結(jié)構(gòu)帶來(lái)很高的沖擊載荷。測(cè)試和仿真計(jì)算結(jié)果都表明,磨耗凹陷車輪(圖9對(duì)曲線鋼軌上車輛的導(dǎo)向產(chǎn)生不良影響5。為此,制定一套規(guī)則,將磨耗凹陷嚴(yán)重的在用車輪剔除出去已被提上議事日程。 圖9鋼軌上的磨耗凹陷車輪車輪的沖擊載荷對(duì)水泥軌枕的壽命有重要影響,較大的沖擊將增加機(jī)車車輛和線路的維修換裝工作量,增加列車運(yùn)行阻力。1989年1993年所進(jìn)行的研究表明6,7,利用車輪沖擊載荷傳感器(圖10測(cè)量車輪踏面不光滑引起的沖擊載荷變化,并據(jù)此剔除在用缺陷車輪是完全可行的?；诓煌嗆壟浜蠣顟B(tài)下的測(cè)量數(shù)據(jù)和理論分析成果,以及根據(jù)車輪沖擊載荷傳感器編制的數(shù)據(jù)庫(kù),針對(duì)剔除高沖擊載荷車輪的成本進(jìn)

19、行了詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性分析8。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化后的剔除高沖擊載荷車輪的載荷門檻值為3816t (85kip s ,靜態(tài)輪重約為15t (33kip s 。1993年,AAR 機(jī)械管理委員會(huì)規(guī)定,當(dāng)車輪沖擊載荷高于446kN (100000lbs 時(shí)必須棄用。2001 圖10車輪垂向沖擊載荷探測(cè)器年,該委員會(huì)又將沖擊載荷門檻值降低為402kN (90000lbs ,并要求無(wú)論踏面存在何種缺陷,引起高沖擊力都一律棄用9。1.6加強(qiáng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)AAR 的一個(gè)發(fā)展目標(biāo)是利用4種不同的方案加快建設(shè)道旁車輛運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng),以確保列車運(yùn)行的安全性并提高運(yùn)輸效率。第1種方案是開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)道旁探測(cè)系統(tǒng)。在

20、AA R 的SRI 項(xiàng)目中,T TCI 繼續(xù)對(duì)車輪外形狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估,以期對(duì)北美鐵路裝備該系統(tǒng)提供技術(shù)支持。該項(xiàng)目還包括新一代探測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā),諸如道旁車輪裂紋探測(cè)器(圖11等相關(guān)設(shè)備正同大學(xué)科研機(jī)構(gòu)(約翰霍普金斯大學(xué)一起合作研發(fā)。圖11利用超聲波、激光/空氣耦合傳感器探測(cè)車輪裂紋第2種方案是研制開(kāi)發(fā)區(qū)別于現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的新型探測(cè)系統(tǒng)(如道旁聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)TADS 等。第3種方案是發(fā)展建設(shè)鐵路綜合遙測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)(InteRRIS TM ,該系統(tǒng)基于T TCI 的探測(cè)器,車輛狀態(tài)和車輛性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊,可大大提高北美鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院托?。?種方案是與FRA 簽訂技

21、術(shù)合同,構(gòu)建全國(guó)范圍的探測(cè)網(wǎng)絡(luò),該項(xiàng)目始于2002年9月,持續(xù)到2003年末。項(xiàng)目初期,4套車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀(TPD 將分別裝于美國(guó)鐵路的4條線路,同時(shí)T TCI 的Inte RRIS 網(wǎng)絡(luò)也將用于監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。自2000年開(kāi)始,T TCI 安裝了3套道旁聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)(TADS TM (圖12。其中一套安裝在澳大利亞鐵路上,另外2套安裝在南非鐵路上。T TCI 于1999年安裝在新澤西州米德?tīng)柸怂故械囊惶椎琅蕴綔y(cè)設(shè)備仍然運(yùn)轉(zhuǎn)良好,并將作為室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和改進(jìn)。TADS 系統(tǒng)的性能已通過(guò)現(xiàn)有4套TAD 裝置對(duì)軸承缺陷探測(cè)業(yè)績(jī)而得到印證。根據(jù)AA R 的判據(jù),該系統(tǒng)對(duì)缺陷軸承具有9

22、7%的探測(cè)成功率。北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進(jìn)展 John Samuels ,等 ( 美 31 測(cè)到車輪的百分比" 特指部分或全部測(cè)量數(shù)據(jù)可以用 作報(bào)告的數(shù)據(jù)來(lái)源 ; 第 3 行 "能夠報(bào)告的期望數(shù)據(jù)" 是 指對(duì)所有車輪其所有參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)都可用 .例如對(duì) 100 條輪對(duì)而言 , 應(yīng)得到 800 個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn) .絕大多 數(shù)的數(shù)據(jù)丟失是因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)的光線強(qiáng)度 , 方向或反 射引起的 ,這對(duì)應(yīng)于表 1 中第 2 列的下限值 .表 1 中 第 2 列的上限值是對(duì) WPM 系統(tǒng)改善光線 , 調(diào)試校準(zhǔn) 后得到的系統(tǒng)特性參數(shù) .該系統(tǒng)對(duì)車輪輪緣高度 , 輪 圖 12 道旁微音

23、器陣列聲學(xué)軸承缺陷探測(cè)裝置 緣厚度 及車 輪 踏 面 凹 陷 等 參 數(shù) 的 探 測(cè) 準(zhǔn) 確 率 高 達(dá) 90 %以上 ,而輪輞厚度的測(cè)量精度是最低的 . 車輪外形狀態(tài)探測(cè)系統(tǒng) ( WPM 可以自動(dòng)識(shí)別出 磨耗凹陷車輪 , 輪緣特薄和輪緣特厚的車輪 .而剔除 磨耗凹陷車輪可顯著降低車輛在特定線路上運(yùn)行或通 過(guò)曲線時(shí)內(nèi)軌的輪軌接觸應(yīng)力 . 對(duì) 4 套車輪外形探測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果表 明 ,多探頭 , 集成激光成像探測(cè)系統(tǒng)可較為精確地測(cè)量 車輪的輪緣厚度 , 輪緣高度 , 輪輞厚度及踏面凹陷 . T TCI 計(jì)劃對(duì)這些探測(cè)器的運(yùn)用狀況做長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤 調(diào)查 ,并開(kāi)發(fā)初步的聯(lián)運(yùn)協(xié)議以供 AA R 參考

24、 . 目前 ,1 套車輪外形探測(cè)器已安裝在諾?？四戏?鐵路線上 ( 圖 13 ,另外 2 套系統(tǒng)安裝于加拿大國(guó)營(yíng)鐵 路 ,其他線路也正在計(jì)劃安裝該系統(tǒng) . 圖 14 輪緣厚度測(cè)量結(jié)果 表1 車輪外形狀態(tài)探測(cè)系統(tǒng)性能評(píng)估 項(xiàng)目 測(cè)到的車輪占所有經(jīng)過(guò)車輪的百分比 測(cè)到完整數(shù)據(jù)的車輪占測(cè)到車輪的百分比 能夠報(bào)告的期望數(shù)據(jù) 輪緣高度測(cè)試精度 輪緣厚度測(cè)試精度 輪輞厚度測(cè)試精度 踏面凹陷測(cè)試精度 系統(tǒng)總體精度 范圍 7100 91. 4. 2100 3100 60. 695. 8 40. 790. 8 58. 946. 8 25. 799. 2 40. 475. 0 47. % 上述結(jié)果顯示 , 利用多

25、探頭 , 集成激光成像系統(tǒng) , 有能力對(duì)車輛運(yùn)行速度高達(dá) 89 km/ h ( 55 mile/ h , 車 輪直徑范圍在 710 mm 910 mm ( 28 in 36 in 間的 輪緣高度 , 輪緣厚度 , 輪輞厚度和踏面凹陷進(jìn)行較為精 確的測(cè)量 .綜上所述 , 道旁探測(cè)技術(shù)已發(fā)展到實(shí)用的 水平 ,利用 WPM 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ,對(duì)鐵道車輛車輪外形 進(jìn)行較精確的測(cè)量是完全可能的 . 1. 7 開(kāi)發(fā)運(yùn)用基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的軌道幾何形位檢 圖 13 位于諾?？四戏借F路線上的道旁 車輪外形探測(cè)器的機(jī)械外觀 圖 14 給出了該探測(cè)系統(tǒng)對(duì)同一條輪對(duì)的輪緣厚 度進(jìn)行 14 次測(cè)量的測(cè)量結(jié)果 ,圖 14

26、還標(biāo)出了 14 次測(cè) 量的上限值 , 下限值和平均值 .由圖 14 的測(cè)試結(jié)果可 以看出 ,探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試精度和以上描述相吻合 . 表 1 給出了測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試性能的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果 ,精 度范圍上下限并不是來(lái)源于同一套系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果. 表 1 中前 3 行是描述系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)記錄能 力的總體技術(shù)性能指標(biāo) .表 1 中第 1 行 "測(cè)到的車輪 占所有經(jīng)過(guò)車輪的百分比" 是指測(cè)到的車輪中至少有 一部分?jǐn)?shù)據(jù)是可用的 ; 第 2 行 "測(cè)到完整數(shù)據(jù)的車輪占 測(cè)系統(tǒng) 研發(fā)基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的軌道幾何形位檢測(cè)儀的 目的 ,是能夠利用軌檢車測(cè)量到軌道幾何形位數(shù)據(jù) ,及 時(shí)預(yù)測(cè)車輛

27、在該特定線路狀態(tài)和運(yùn)行速度下的動(dòng)力學(xué) 性能 . T TCI 的 工 程 師 們 已 初 步 掌 握 了 該 項(xiàng) 技 術(shù) 1113 ,初始的運(yùn)用實(shí)踐表明 , 該系統(tǒng)具有較好的應(yīng) 用前景 . T TCI 致力于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法 , 成功應(yīng)用神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以預(yù)測(cè)多種貨車在已知軌道幾何形位狀態(tài) 32 國(guó)外鐵道車輛 44 卷第 5 期 2007 年 9 月 第 下的響應(yīng) 14 .該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以大量的車輛線路試 驗(yàn)結(jié)果和軌道幾何測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ) , 已被證明可以很 好地處理軌道幾何狀態(tài)與車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān) 系. 基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的軌道幾何形位檢測(cè)系統(tǒng)將用 來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的軌道幾何形位測(cè)量裝置 , 并被用

28、于開(kāi)發(fā) 基于軌道幾何狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè) . 故該系統(tǒng)對(duì)軌道幾何形位狀態(tài)的預(yù)測(cè)是建立在鐵道車 輛與軌道相互作用的基礎(chǔ)上的 , 有別于 FRA 僅從軌 道幾何方面制訂的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) .因此 , 運(yùn)用該系統(tǒng)可進(jìn) 一步降低鐵道車輛與軌道的動(dòng)力作用 , 優(yōu)化維修工作 的順序 . T TCI 正對(duì)基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的軌道幾何形位檢 測(cè)系統(tǒng)的原始樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試 , 不久將安裝在 T TCI 的 軌檢車上 ,進(jìn)行車輛性能的實(shí)時(shí)分析 ( 圖 15 , 接著將 裝于其他軌檢車上進(jìn)行進(jìn)一步考驗(yàn) . T TCI 代表 EEC 和 AA R 機(jī)械研究委員會(huì)組織了 一系列旨在降低北美鐵路輪軌接觸應(yīng)力的試驗(yàn) .試驗(yàn)

29、中對(duì)空重車的某些動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試 , 如車 輛的曲線和緩和曲線通過(guò)性能 , 車輛垂向載荷均載性 , 車輛回轉(zhuǎn)阻力 , 以及車輛高速運(yùn)行穩(wěn)定性等 .4 輛被 試車分別為鋁合金運(yùn)煤敞車 , 短的有蓋漏斗車 , 長(zhǎng)的丙 烷罐車和 1 輛帶端墻平車 .同時(shí) , 建立了上述 4 種車 型和其他 6 種車型的 NU CA RS TM 仿真模型 .每輛被 試車均由 EEC 根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)性能的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行挑選 , 或按特殊要求從在用車輛中挑選 . 試驗(yàn)結(jié)果表明 ,裝有大行程常接觸旁承的每種車 輛 ,其動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試項(xiàng)目中至少有一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo) 得到改善 .和預(yù)期的一樣 , 大行程 CCSB 可顯著改善 車

30、輛的高速運(yùn)行穩(wěn)定性 , 將車輛的臨界速度提高 24 km/ h32 km/ h ( 15 mile/ h 20 mile/ h , 同樣 , 車輛 的抗側(cè)滾能力也得到了明顯的改善 .大多數(shù)工況下 (帶 端 墻 平 車 除 外 , 使 用 大 行 程 CCSB 的車輛和使用其他形式 CCSB 的車輛相比 , 重車工況下通過(guò)曲線時(shí) 車輪的動(dòng)態(tài)載荷僅在靜態(tài)載荷的基礎(chǔ) 上變化 10 % ,但車輛的側(cè)滾角略有增 加 ,圖 16 給出了效果對(duì)比結(jié)果 .從圖 16 可知 ,只有大行程 CCSB 的車輛滿 足 AA R 機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè) XI 章 M2 第 1001 的要求 , 即車輪動(dòng)態(tài)垂向載荷不 得低于其靜態(tài)

31、輪裝載荷的 10 % . 長(zhǎng)丙烷罐車的試驗(yàn)結(jié)果與 AA R 標(biāo)準(zhǔn)第 XI 章規(guī)定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的 對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表 2 . 車體剛度較大的中長(zhǎng)度車輛 ( 如 罐車 裝用大行程旁承后 ,其動(dòng)力學(xué)性 能也得 到 改 善 , 主 要 原 因 是 大 行 程 CCSB 允許車體以下部分可以產(chǎn)生較 大范圍的扭轉(zhuǎn)變形 , 車體垂向載荷可 更均勻地分配到各個(gè)車輪上 , 進(jìn)而提 圖 15 基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的軌道幾何形位檢測(cè)系統(tǒng) 高車輛通過(guò)曲線和緩和曲線的能力 ( 見(jiàn)表 2 . 1. 8 改善車輛的維修 TTCI 進(jìn)行前述試驗(yàn)的另一目的是評(píng)價(jià)使用 CCSB 4 輛貨車的線路試驗(yàn)結(jié)果和 10 輛貨車的仿真分 的車輛曲

32、線通過(guò)時(shí)對(duì)車體回轉(zhuǎn)阻力的影響 .當(dāng) CCSB 析結(jié)果都表明 , 大行程常接觸旁承 ( 大行程 CCSB 可 安裝和維修都正確的情況下 ,其對(duì)車輛產(chǎn)生的附加回轉(zhuǎn) 改善車輛的綜合性能 ,即曲線通過(guò)性能 , 垂向載荷均載 性和高速運(yùn)行穩(wěn)定性 .使用大行程 CCSB , 除了確認(rèn) 其保證車輛高速運(yùn)行穩(wěn)定性外 , 還需要測(cè)試空車和重 車裝用大行程 CCSB 后的曲線通過(guò)性能 .相應(yīng)研究結(jié) 果已于 2002 年 5 月提交給 EEC . 阻力可降到最小.TTCI 所得到的測(cè)試結(jié)果表明 ,使用 大行程 CCSB 的車輛并不比使用雙作用滾子旁承的車 輛增加多少車體回轉(zhuǎn)阻力.圖 17 對(duì)裝用不同形式旁承 的車輛

33、回轉(zhuǎn)阻力進(jìn)行了比較.圖 17 中以 "大量" "有 和 限" 表示車輛通過(guò)扭曲率為 20 mm/ 5 m 的緩和曲線的 北美鐵路降低輪軌接觸應(yīng)力新進(jìn)展 John Samuels ,等 ( 美 33 次數(shù). 17 中最大值為回轉(zhuǎn)阻力的瞬時(shí)值 ,95 %則表示 圖 統(tǒng)計(jì)值 (分布概率為 95 %時(shí)的統(tǒng)計(jì)值 . 軌相互作用力而采取的幾項(xiàng)措施 .總的來(lái)說(shuō) , 至少有 4 種降低輪軌接觸應(yīng)力狀態(tài)的基本方法 : ( 1 降低穩(wěn)態(tài)輪軌橫向力 ; ( 2 降低輪軌垂向力 ; ( 3 降低輪軌接觸應(yīng)力 ; ( 4 降低車輛動(dòng)力作用 . 以上任何一種或幾種方法均可減小輪軌接

34、觸斑的 能量輸入 ,減輕軌道系統(tǒng)的磨耗 .當(dāng)然 ,不同技術(shù)方案 的經(jīng)濟(jì)性將決定其在重載線路上降低輪軌接觸應(yīng)力中 的應(yīng)用前景 ,圖 18 給出了不同技術(shù)方案在 15 年使用 期內(nèi)節(jié)省的純現(xiàn)值 . 圖 16 鋁合金運(yùn)煤敞車通過(guò)曲線試驗(yàn)結(jié)果 表2 長(zhǎng)丙烷罐車試驗(yàn)結(jié)果與 AAR 標(biāo)準(zhǔn) 第 XI 章的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表 雙作用 滾子 滿足 不滿足 不滿足 不滿足 滿足 滿足 滿足 標(biāo)準(zhǔn) 行程 滿足 不滿足 不滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 大行程 輔助滾子 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 大 行程 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 滿足 空車通過(guò)曲線 空車通過(guò)緩和曲線 空車動(dòng)力學(xué)性能 空車蛇行 重車通過(guò)曲線 重車通過(guò)