日本交通安全環(huán)境研究所設(shè)置曲線通過試驗的軌道轉(zhuǎn)向試驗臺

日本交通安全環(huán)境研究所設(shè)置曲線通過試驗的軌道轉(zhuǎn)向試驗臺

為了確保高速運行的穩(wěn)定性，曲線有時必須通過性能。在曲線通過方面,存在鋼軌波狀磨耗、車輪輪緣磨耗、噪聲振動及跳軌脫軌等維修和安全上的課題。所以,弄清通過小半徑曲線時的機理,以提高曲線通過性能十分必要。鑒于城市內(nèi)的私營鐵路、地鐵線路上小半徑曲線數(shù)量多,以小半徑曲線上不易脫軌及降噪和減振、維修簡單化等為目標(biāo),對新一代城市軌道用轉(zhuǎn)向架進行了研究和開發(fā)。1蛇行運動,平直直線小半徑曲線,直由于車輪踏面上有錐度,輪對靠近鋼軌左側(cè)時,左側(cè)車輪的旋轉(zhuǎn)半徑就比右側(cè)大,產(chǎn)生右轉(zhuǎn)彎的導(dǎo)向力,輪對就具有了沿曲線轉(zhuǎn)彎的自導(dǎo)向機能。但在直線上,常常形成邊橫向振動邊前進的狀態(tài)(蛇行運動)。雖然踏面錐度越大,越易通過小半徑曲線,但在直線上,由于蛇行運動周期短,使速度上不去。相反,踏面錐度越小,直線上的速度越高,但不能通過小半徑曲線。這樣,在直線高速運行和小半徑曲線的運行上存在矛盾。通常,為了能在直線上以某個速度運行而使踏面錐度小一些,在小半徑曲線上,便利用輪緣來導(dǎo)向。所以,在小半徑曲線上,存在邊摩擦邊運行問題,便產(chǎn)生了與曲線運行有關(guān)的各種問題。2橫向壓縮試驗要弄清曲線通過機理,首先應(yīng)了解曲線通過的實際狀態(tài),對曲線通過過程中的轉(zhuǎn)向架和輪對的狀態(tài)、輪軌力等進行測定。典型情況見圖1。轉(zhuǎn)向架在運行方向的前軸上向曲線外側(cè)的沖角大,橫向位移外軌側(cè)大,鋼軌和輪緣接觸。另一方面,后軸上沖角、橫向位移都小,車輪踏面錐度沒有起作用。由于內(nèi)外軌間車輪旋轉(zhuǎn)半徑差沒有消除,所以產(chǎn)生了大的縱向蠕滑力,使曲線外側(cè)的反導(dǎo)向力作用于轉(zhuǎn)向架上。前軸上,由于沖角而引起曲線外側(cè)的橫向蠕滑力起作用,從而使曲線上前軸外軌側(cè)向力變大。3轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模型1988年,日本交通安全環(huán)境研究所的轉(zhuǎn)向架試驗臺,是以從輕軌車那樣的小型車輛到既有的大型車輛為目標(biāo)設(shè)計的,試驗對象為1臺轉(zhuǎn)向架半個車體,軸距1.4m～2.5m,適應(yīng)最高速度220km/h,通過給出對應(yīng)軌道平面曲率的軌道輪角、與內(nèi)外軌道長度差相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)速度差、離心力和未平衡的橫向力來模擬曲線通過,其結(jié)構(gòu)見圖2。在進行試驗時,除了測定車輪和軌道輪間的沖角、橫向位移、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體相對位移、輪重、側(cè)向力、切向力(車軸扭矩)等,還可以利用電視攝像機觀察輪軌接觸狀況。4波狀磨耗引起輪軌振動的機理1994年—1995年,將地鐵小半徑曲線部位產(chǎn)生的波狀磨耗作為對象進行了研究。如前所述,在掌握轉(zhuǎn)向架通過小半徑曲線過程中的特性后,對波狀磨耗的產(chǎn)生機理作出了推論。輪軌間存在過大的蠕滑時,一旦軸重發(fā)生變化,由于在接觸面內(nèi)可能產(chǎn)生的蠕滑力發(fā)生變化,所以,反復(fù)發(fā)生滾動-滑動(粘著、滑動)現(xiàn)象,引起軌頭頂面周期性的磨耗,即波狀磨耗。一般認(rèn)為,在前軸上引起的粘著和滑動,起因于橫向蠕滑力和鋼軌反彈跳振動;在后輪對上引起的粘著和滑動,起因于縱向蠕滑和(輪軌間)接觸彈簧系統(tǒng)振動。為了驗證這個機理,在轉(zhuǎn)向架試驗臺上,施加過大的蠕滑和輪重變動時,證實產(chǎn)生了波狀磨耗。調(diào)查軌道結(jié)構(gòu)的不同與波狀磨耗關(guān)系時,通過測定波狀磨耗的波長和現(xiàn)場振動發(fā)現(xiàn),枕木軌道上輪軌接觸彈簧系統(tǒng)振動顯著,混凝土軌道上鋼軌反彈跳振動顯著。因此,即使改變軌道結(jié)構(gòu),也只能改變波狀磨耗的波長,而防止它發(fā)生的作用是有限的。由于這些原因,作為防止波狀磨耗的措施,使后軸的縱向蠕滑力比前軸的橫向蠕滑力要小是非常重要的,因此,改善輪軌關(guān)系一般認(rèn)為以下方法是有效的:(1)改變接觸點以取得車輪旋轉(zhuǎn)半徑差;(2)潤滑以減小蠕滑力。這樣,通過實施試驗軌道的加寬、鋼軌非對稱的削正、潤滑等,確認(rèn)了這些措施的效果。5旋轉(zhuǎn)半徑差的穩(wěn)定性,也是保證車輪運行的前提條作為防止波狀磨耗的措施,為了減小蠕滑力,不能僅依靠軌道方面的對策,針對小半徑曲線的轉(zhuǎn)向架的研究也很重要。其設(shè)計原則如下:(1)確保在直線線路上運行的穩(wěn)定性,即使中立點附近的踏面錐度與既有線的相同。(2)確保在曲線上內(nèi)外軌車輪旋轉(zhuǎn)半徑差得到高的曲線通過性能。因此,除了中立點附近,踏面錐度很大。(3)充分利用輪緣根部。增大根部的半徑,擴大軌距以增加車輪的橫向移動量。(4)為了確保運行安全性,采用與以前相同的足夠的輪緣厚度和輪緣高度。(5)不增加接觸壓力。采取以上措施后,車輪旋轉(zhuǎn)半徑差與原有的1/20圓錐踏面相比,多了近3倍。另外,還確認(rèn)了在小半徑曲線的前輪對外軌側(cè)向力也減少到8成。6小半徑曲線的傳遞特性以上都是已經(jīng)實用化的技術(shù),下面介紹作為新一代城市軌道用轉(zhuǎn)向架正在研究中的技術(shù)。與東京大學(xué)等共同進行了后軸為獨立旋轉(zhuǎn)車輪的轉(zhuǎn)向架的研究。在獨立旋轉(zhuǎn)車輪上,由于左右車輪間不傳遞旋轉(zhuǎn)力,所以縱向蠕滑力不起作用。前軸采用普通輪對,確保導(dǎo)向性能;后軸采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪,通過提高高速運行穩(wěn)定性和減小在小半徑曲線上的縱向蠕滑力的影響,來提高導(dǎo)向性能。圖3所示為提高小半徑曲線通過性能的機理。使用最佳化圓弧踏面的效果和在后軸使用獨立旋轉(zhuǎn)車輪的效果見圖4。這是根據(jù)轉(zhuǎn)向架試驗臺的試驗結(jié)果,橫坐標(biāo)軸表示蛇行運動臨界速度即直線運行穩(wěn)定性,縱坐標(biāo)軸表示在半徑200m的曲線上,前軸外軌的側(cè)向力(大小相反),代表曲線通過性能。可以看出使用獨立旋轉(zhuǎn)車輪,并不損害直線運行穩(wěn)定性,但卻可使曲線通過性能大大提高。7內(nèi)軌側(cè)軌道輪噴射裝置改善輪軌邊界的另一個方法是通過潤滑來減小蠕滑力。因此,正在研究利用摩擦調(diào)整材料。本研究中,通過轉(zhuǎn)向架試驗臺,根據(jù)與曲線半徑的關(guān)系弄清了摩擦調(diào)整的效果。這里使用的摩擦調(diào)整材料(FM)是稱之為KELTRACKTMHPF的以水為溶劑的液態(tài)、具有正向波形蠕滑特性,即如果滑動量增大摩擦系數(shù)也增大、摩擦系數(shù)范圍為0.17～0.35的物質(zhì)。試驗中,低速旋轉(zhuǎn)軌道輪一周,期間用噴嘴向內(nèi)軌側(cè)前后軸的軌道輪頂面噴射FM,停止軌道輪旋轉(zhuǎn),使之干燥后再運行。營業(yè)線路上,在列車的尾部安裝噴射裝置,在曲線內(nèi)軌側(cè)噴射并干燥,預(yù)計后面的列車通過時有較好的調(diào)整效果。內(nèi)軌使用FM與未使用FM時,前軸外軌側(cè)脫軌系數(shù)的情況見圖5。可見曲線半徑越小,摩擦調(diào)整的效果越顯著,確認(rèn)了利用摩擦調(diào)整可將脫軌系數(shù)減小到■以下。8主動控制轉(zhuǎn)角機構(gòu)為了降低蠕滑力,回到圖1考慮,提出了如果使轉(zhuǎn)向架構(gòu)架本身導(dǎo)向的更好方案。特點是不控制輪對,利用作動器控制轉(zhuǎn)向架構(gòu)架,其結(jié)構(gòu)見圖6。使用試制的主動控制轉(zhuǎn)角機構(gòu),在轉(zhuǎn)向架試驗臺上進行試驗的結(jié)果見圖7?？梢钥闯鲇捎谠黾幼鲃悠髁Χ箓?cè)向力減小了,曲線半徑越小,作動器力越需要。即使在小半徑曲線上,側(cè)向力也可以減小到0。9輪軌間的調(diào)整以上介紹了日本交通安全環(huán)境研究所“以提高曲線能力為目標(biāo)”從過去到現(xiàn)在的研究概況