鐵路牽引供電軌距可變轉(zhuǎn)向架的研究

鐵路牽引供電軌距可變轉(zhuǎn)向架的研究

1軌距可變動力轉(zhuǎn)向架軌道距離的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代。1966年,西班牙鐵路首先研制成功輪對內(nèi)側(cè)距可調(diào)的Talgo型轉(zhuǎn)向架,而后,德國、波蘭、俄羅斯及日本等國也相繼研制出各具特色的軌距可變轉(zhuǎn)向架。西班牙Talgo公司研制出的Talgo型自動變軌距轉(zhuǎn)向架,采用結(jié)構(gòu)新穎的無公共軸的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪,利用車輪的軸向移動來改變左右車輪的內(nèi)側(cè)距,以適應(yīng)不同的軌距。日本鐵路為解決其準(zhǔn)軌與窄軌(1067mm)的聯(lián)運(yùn)問題,借鑒Talgo軌距可變轉(zhuǎn)向架的經(jīng)驗(yàn),在20世紀(jì)90年代開發(fā)研制出采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的E30型電動車組軌距可變動力轉(zhuǎn)向架。其車軸上裝有可軸向滑動的外套筒,左右車輪通過軸承裝于套筒上且獨(dú)立旋轉(zhuǎn),外套筒與車軸均不旋轉(zhuǎn)。在外套筒的車軸端部設(shè)有車輪間隔固定用的鎖釘,在軸箱上設(shè)有與之相吻合的孔,利用孔與鎖釘?shù)呐浜蟻砉潭ㄝ唽?nèi)側(cè)距。德國的DBAG/RafilV型軌距可變輪對與波蘭的SUW2000軌距可變輪對的結(jié)構(gòu)形式及變軌距原理基本相似,車輛正常行駛時(shí)左右車輪以整體輪對形式運(yùn)行。俄羅斯為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)送多種液態(tài)化工產(chǎn)品不需倒裝而直通過境運(yùn)輸,研制了一種新型結(jié)構(gòu)的“Восток-Запад”型罐車,這種新型罐車的轉(zhuǎn)向架有軌距可變裝置,能用于1435mm/1520mm的軌距變換,可以在歐洲和亞洲各國的氣候條件下不間斷運(yùn)行。隨著我國加入WTO,同周邊國家的國際貿(mào)易將不斷增長,不同軌距的鐵道線路嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)輸能力。歐洲國家的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)表明,采用軌距可變轉(zhuǎn)向架可以大大提高運(yùn)輸效率。2干預(yù)方案及其變軌距離的機(jī)理2.1基礎(chǔ)制動裝置部分組成為盤對軸箱和控制盤總體上講,軌距可變轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與常規(guī)轉(zhuǎn)向架相似。常規(guī)轉(zhuǎn)向架所具有的輪對軸箱裝置、彈簧減振裝置、基礎(chǔ)制動裝置及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等諸部件,軌距可變轉(zhuǎn)向架同樣具有。只是其為了達(dá)到軌距變換的目的,增設(shè)了一套軌距變換裝置。軌距變換裝置是軌距可變轉(zhuǎn)向架方案研究的重要內(nèi)容,本文將借鑒國外軌距可變轉(zhuǎn)向架的技術(shù)特點(diǎn),提出一種新型的軌距可變轉(zhuǎn)向架方案,如圖1所示。其基本結(jié)構(gòu)由焊接構(gòu)架、中央懸掛裝置、變軌距鎖緊機(jī)構(gòu)、輪對軸箱裝置及盤形基礎(chǔ)制動裝置等部分構(gòu)成。采用兩系懸掛方式,一系由轉(zhuǎn)臂式定位節(jié)點(diǎn)和放置于軸箱頂部的單組雙卷螺旋彈簧組成,二系為全空氣彈簧承載。為了適應(yīng)軌距變換的要求,轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動裝置與傳統(tǒng)的盤行制動裝置有所差異,其制動盤與車軸非固定連接,是通過花鍵進(jìn)行連接,以便左右車輪軸向移動時(shí)保持制動盤的位置不變。為防止車輛正常行使時(shí)制動盤軸向移動,利用一彈簧限止螺釘將其與車軸壓配合聯(lián)結(jié),彈簧有一定的預(yù)緊力,車輛通過軌距變換區(qū)間時(shí),車軸在外力作用下克服彈簧預(yù)緊力而軸向移動,到新的軌距位置時(shí)彈簧限止螺釘又將制動盤壓緊在車軸上某一新的位置。軌距可變轉(zhuǎn)向架的輪對軸箱裝置是完成軌距變換的主要部件,結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)輪對復(fù)雜,圖2所示為其結(jié)構(gòu)簡圖。它是將傳統(tǒng)輪對的車軸從中央切斷,左右成為兩短軸。在兩短軸中央加上套筒,套筒與短軸之間通過軸承聯(lián)結(jié),使左右兩個(gè)車輪可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。軸承外圈與套筒和軸箱均通過花鍵聯(lián)結(jié),使得短軸與軸承一體可以在軸向左右滑動而改變軌距。短軸的一端再另安裝一雙列圓錐滾子軸承,其為限距軸承,在其外圈上設(shè)有兩溝槽(圖2中⑤所示),分別為1435mm和1520mm軌距位置,當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)的滾珠落入某一槽中即將車輪鎖定在某一軌距位置。為了確保軌距變換過程中套筒保持不動,左右軸箱和套筒之間進(jìn)行固定連接。2.2軌距變換系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架是在鎖緊機(jī)構(gòu)和地面上兩種軌距交匯處的軌距變換設(shè)施的共同作用下完成自動變軌距功能的。軌距可變轉(zhuǎn)向架要達(dá)到改變軌距的目的,必須保證其左右車輪能夠沿軸向左右移動,而且移動后的車輪必須有相應(yīng)的鎖緊機(jī)構(gòu)將其鎖緊在新的軌距位置。圖2中的鎖緊機(jī)構(gòu)⑥由緩解盤、復(fù)位彈簧、限位滾珠、卡環(huán)和固定座等部分構(gòu)成。固定座與套筒過盈配合聯(lián)結(jié),軌距變換過程中保持不動。固定座圓周設(shè)有均勻分布的6個(gè)圓柱形孔,限位滾珠置于其中,限位滾珠與軌距限定軸承外圈上的凹槽配合,起限定軌距的作用?？ōh(huán)卡于固定座的卡槽中,其作用是保持緩解盤不脫出。而設(shè)于兩種軌距交匯處的地面軌距變換設(shè)施由若干鋼軌鋪設(shè)而成,其相對位置尺寸經(jīng)精確計(jì)算確定,以確保轉(zhuǎn)向架通過時(shí)恰到好處地完成自動變軌距功能。軌距變換過程是在車輛以不大于15km·h-1速度通過固定的軌距變換設(shè)施時(shí)自動完成的。軌距變換設(shè)施是雙向的,一個(gè)方向執(zhí)行從寬軌到準(zhǔn)軌的變換,在相反方向執(zhí)行從準(zhǔn)軌到寬軌的變換。圖3為轉(zhuǎn)向架從軌距1435mm到1520mm的變換示意圖,其中狀態(tài)①時(shí)輪對軌距為1435mm,狀態(tài)⑦時(shí)輪對軌距為1520mm,其變換過程如圖3。軌距可變轉(zhuǎn)向架車輛駛?cè)胲壘嘧儞Q設(shè)施時(shí),行車鋼軌傾斜向下,隨著車輛的前進(jìn),軸箱逐漸落在支承導(dǎo)軌上,載荷也逐漸由車輪向支承導(dǎo)軌上轉(zhuǎn)移,直到車輪載荷完全卸掉(狀態(tài)②)。當(dāng)車輪載荷完全卸掉后,緩解盤在解鎖軌的作用下向軌道中心方向移動,此時(shí)彈簧受壓,直到緩解盤端部的凹槽移動到限位滾珠處時(shí),緩解盤不再繼續(xù)移動,此時(shí)車輪解鎖,左右車輪軸向處于自由狀態(tài)(狀態(tài)③)。隨著車輛的前進(jìn),車輪在導(dǎo)向軌的壓力作用下把限位滾珠從限距軸承的凹槽中擠出,車輪和短車軸一起在導(dǎo)向軌的壓力作用下向新的軌距位置移動(狀態(tài)④)。當(dāng)車輪和短車軸到達(dá)新的軌距位置時(shí)(狀態(tài)⑤),緩解盤在彈簧的回復(fù)力作用下沿解鎖軌向車輪方向運(yùn)動,并將限位滾珠壓入新的軌距位置處限距軸承的凹槽中,從而將車輪和短車軸鎖定在新的軌距位置(狀態(tài)⑥)。車輛繼續(xù)前行,行車鋼軌傾斜向上,載荷重新加載到車輪上,完成變軌距過程,車輪以軌距1520mm正常向前行駛。3動態(tài)特性分析3.1車輛非線性振動系統(tǒng)動力學(xué)建模在不考慮車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車輪等部件本身的彈性變形時(shí),軌距可變轉(zhuǎn)向架車輛系統(tǒng)可視為一個(gè)復(fù)雜的多剛體、多自由度的非線性振動系統(tǒng),其動力學(xué)方程為:Mx¨+F(x?x˙)={Fc}(1)Μx¨+F(x?x˙)={Fc}(1)式中:x——狀態(tài)矢量,表征車輛系統(tǒng)動力學(xué)計(jì)算模型的自由度;M——質(zhì)量矩陣;F(x,x˙x˙)——非線性懸掛力矢量;Fc——系統(tǒng)激擾矢量。建立上述車輛系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程后,可利用數(shù)值積分方法進(jìn)行求解。3.2動力學(xué)特性分析根據(jù)建立的運(yùn)動方程,應(yīng)用動力學(xué)計(jì)算程序?qū)λ岢龅男滦蛙壘嗫勺冝D(zhuǎn)向架車輛進(jìn)行動力學(xué)特性分析。計(jì)算中所使用的參數(shù)與我國現(xiàn)有客車轉(zhuǎn)向架參數(shù)基本一致,且軌距取1435mm進(jìn)行計(jì)算。3.2.1軌距可變轉(zhuǎn)向架沒有產(chǎn)生蛇行運(yùn)動現(xiàn)象圖4所示為軌距可變轉(zhuǎn)向架車輛在摩擦系數(shù)μ=0.1的無不平順直線軌道上運(yùn)行時(shí)第一輪對的橫向階躍響應(yīng)。其中階躍輸入是同時(shí)施加在4個(gè)輪對上的橫向5mm瞬時(shí)輸入。由圖4可以看出,在階躍輸入的激勵作用下,軌距可變轉(zhuǎn)向架只是在初始有不規(guī)則的振動,而后沒有明顯的振動現(xiàn)象,但逐漸向軌道中心線靠近,最后達(dá)到平衡位置(軌道中心線)。而當(dāng)車輛行駛速度增加到176km·h-1時(shí),其階躍響應(yīng)特性與車速為36km·h-1時(shí)十分相似,沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)輪對的蛇行運(yùn)動現(xiàn)象,其根本原因在于軌距可變轉(zhuǎn)向架采用的是獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪。傳統(tǒng)輪對之所以產(chǎn)生蛇行現(xiàn)象,是因其左右車輪的縱向蠕滑力形成一個(gè)力矩,在此蠕滑力矩作用下使得輪對發(fā)生搖頭運(yùn)動,此搖頭運(yùn)動與輪對橫移運(yùn)動的耦合即產(chǎn)生了蛇行運(yùn)動。而獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的縱向蠕滑力很小甚至為零,形成的蠕滑力矩很小,輪對的搖頭很小,幾乎是零,因此,采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的軌距可變轉(zhuǎn)向架沒有蛇行運(yùn)動現(xiàn)象產(chǎn)生。圖5所示為軌距可變轉(zhuǎn)向架車輛在不同摩擦系數(shù)下的初始5mm橫移響應(yīng)情況,其中,車輛運(yùn)行速度為36km·h-1。如圖所示,當(dāng)摩擦系數(shù)較小時(shí),車輪的橫向運(yùn)動經(jīng)一定的阻尼運(yùn)行一段距離后回到軌道中心線,但并沒有明顯的蛇行運(yùn)動現(xiàn)象產(chǎn)生。當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到一定值時(shí),如圖中μ為0.2時(shí),由于相應(yīng)的蠕滑力增大,且車輪踏面的錐度產(chǎn)生重力的橫向分量與摩擦系數(shù)增加無關(guān),二者的作用使得輪對在偏離軌道中心的某一位置就已經(jīng)達(dá)到平衡,因而不再回到軌道中心線上。此結(jié)果表明,由于軌距可變轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪,其對中性能隨摩擦系數(shù)增加而降低,但沒有產(chǎn)生明顯的蛇行運(yùn)動。實(shí)際運(yùn)用中,輪軌間的摩擦系數(shù)在正常情況下均大于0.2,故一般情況下,輪對偏離軌道中心線后,車輪踏面的錐度產(chǎn)生重力的橫向分量是難以克服輪軌間橫向摩擦力使輪對繼續(xù)沿軌道中心運(yùn)行的。解決上述問題的有效措施是采用等效斜度較高的踏面、降低輪軌間的摩擦系數(shù)及兩輪間加裝彈性耦合機(jī)構(gòu)。3.2.2軌道不順行性分析文獻(xiàn)對采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪車輛的直線軌道不平順響應(yīng)作了詳細(xì)研究,本文軌距可變轉(zhuǎn)向架采用的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪型式與其相同,故響應(yīng)特性相似,在此僅以其第一輪對的軌道不平順響應(yīng)為例加以說明。如圖6所示,軌距可變轉(zhuǎn)向架的車輪受軌道激擾后,沒有明顯的蛇行運(yùn)動,只是在某一時(shí)段貼靠某一軌道行駛,在某一時(shí)段貼靠另一軌道行駛,這也再次證明采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的軌距可變轉(zhuǎn)向架缺乏自動對中能力。由于軌距可變轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪,其縱向蠕滑力很小,使得其搖頭角比較小,小的搖頭角使得車輪與前進(jìn)方向的夾角幾乎為零,因而沒有蛇行現(xiàn)象產(chǎn)生,故軌距可變轉(zhuǎn)向架有較好的蛇行穩(wěn)定性。3.2.3獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架車輛曲線通過的動力學(xué)性能對于傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架,因其存在縱向蠕滑力,故曲線通過時(shí)縱向蠕滑力產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩能夠起到導(dǎo)向作用。而獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪理論上不存在縱向蠕滑,因而其將失去傳統(tǒng)輪對具有的曲線上自動導(dǎo)向功能,基本上只能靠輪緣導(dǎo)向。由于本文軌距可變轉(zhuǎn)向架采用的是獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪,故其曲線通過性能與傳統(tǒng)輪對轉(zhuǎn)向架相比有較大的差異。文獻(xiàn)利用數(shù)值模擬方法對獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架車輛曲線通過的動力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究,本文軌距可變轉(zhuǎn)向架車輛的曲線通過性能與其相似。由于獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪左右車輪缺乏自動導(dǎo)向功能,因而其導(dǎo)向軸的輪對沖角和輪軌橫向力都較大,從而導(dǎo)致其輪軌磨耗較大。解決此問題的有效措施是采用迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu),使轉(zhuǎn)向架徑向通過曲線,從而改善軌距可變轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能。4軌距可變轉(zhuǎn)向架鐵路運(yùn)輸是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹饕绞街弧＝陙?跨國間及跨地區(qū)間的客貨運(yùn)輸隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展而迅猛增長,鐵路運(yùn)輸以其特有的優(yōu)勢為振興各國經(jīng)濟(jì)作出了積極的貢獻(xiàn)。但各地區(qū)及國家間鐵道線路的軌距差異一直是阻礙鐵路國際聯(lián)運(yùn)的關(guān)鍵因素之一,行之有效的方法是采用軌距可變轉(zhuǎn)向架技術(shù)。本文簡要介紹了近年來國外軌距可變轉(zhuǎn)向架的發(fā)展及其運(yùn)用概況,在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的軌距可變轉(zhuǎn)向架方案,并對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和變軌距機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析和說明,且對其動力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。計(jì)算結(jié)果表明:由于軌距可變轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪,其具有較好的橫向