輪軌之間蠕滑力測試及分析

輪軌之間蠕滑力測試及分析

1滾動軸承研究正在進行中，現(xiàn)代交通技術公司的“智能自動車輛開發(fā)”研究項目已經(jīng)完成。研究的目的是設計一種智能車輛,該車輛能檢測自身的運行條件,并獨立控制兩輪轉速而使輪對自動通過線路,原理和設計工作即將結束。為了驗證這種結構設計,必須在實際線路或滾動試驗臺上對輪對進行運行試驗。雖然最終還是要在實際線路上進行鑒定,但由于使用限制和測試的難度,目前不適宜在實際線路上進行研究。運輸安全和公害研究院裝有一臺實尺寸滾動試驗臺,可模擬曲線情況,適合本研究。由于現(xiàn)有滾動試驗臺是用于實尺寸試驗,所以,如果研究用滾動試驗臺,則需用裝有獨立旋轉車輪和具有實際尺寸的控制系統(tǒng)轉向架構架進行試驗,實際控制系統(tǒng)的轉向架構架尺寸較大,而且在研究過程中,需要變換車輪踏面形狀、懸掛系統(tǒng)的結構和控制原理,這些是研究過程中必不可少的,但這不僅需要時間而且也需要經(jīng)費。為了加快研究進程,降低研究的復雜程度,按1∶5的比例制作了只有一個軸的滾動試驗臺。蠕滑力特性對車輛的模擬結果和控制系統(tǒng)有很大影響,所以在研究和開發(fā)智能車輛前,就要了解各種接觸情況下輪軌之間蠕滑力的特性。研究過程中選用了接觸面很干凈和施加液態(tài)磨擦調節(jié)劑(HPF)兩種情況,前者的蠕滑力具有負特性,后者具有正蠕滑力的特性。本文介紹了按比例縮小的滾動試驗臺的設計原理和結構,討論了該設施的測定系統(tǒng)和蠕滑特性的測試結果。2測試設備2.1軌道輪的轉子圖1為按比例縮小的滾動試驗臺的主要部件。把2臺軌道輪裝置單獨裝在試驗臺基座上,每個軌道輪都由矢量控制的內裝減速率為8的行星減速齒輪組的交流感應電機驅動。減速齒輪組有提高軌道輪轉速精度的優(yōu)點,并可使軌道輪一側的驅動力矩加大。最高轉速為312.5r/min,精度誤差為0.03125r/min。軌道輪一側的驅動力矩為700N·m?？筛鶕?jù)模擬的線路情況單獨調節(jié)電動機轉速或兩電機同步進行。當從輪對一側驅動時,安裝在軌道輪一端的電機也可作為發(fā)電機吸收能量。由于滾動試驗臺的尺寸比例為1∶5,所以,軌距、軌道等都按相應比例縮小。這里模擬的軌距是標準軌距,軌道采用50kg鋼軌,圖2所示軌底坡角為1/40,這與日本最常用的墊板傾角一樣。軌道輪的直徑為860mm。在試驗臺上可產(chǎn)生14m/s的最大轉速,這相當于實際線路上的250km/h。試驗臺的基座可在底座上手動繞立軸轉動。由于轉向架固定在底座上,所以試驗臺基座的旋轉會使輪軌之間產(chǎn)生沖角。實際試驗時,試驗臺基座的最大旋轉角為2°。把沖角和轉速差結合起來就可模擬不同曲線半徑時的曲線情況。2.2種輪對的設計為簡化影響參數(shù),設計了單一的輪對和單一的轉向架模型。為研究而設計了3個輪對,這3個輪對的踏面外形不同,車輪裝配技術也不同。第一種是錐形構造、剛性裝配的輪對(圖3),采用完全按比例縮小的日本最常用的輪對,比較試驗臺試驗結果和實際運用情況,來檢驗這種按比例縮小的系統(tǒng)是否與實際情況一致;第二種車輪外形是螺旋構造、剛性裝配的輪對。這種外形像螺旋構造的車輪可消除橫向及縱向蠕滑力的影響,用以進行蠕滑試驗;第三種是錐形踏面、獨立旋轉車輪的輪對。設計這種輪對是用于最終研究。用柔性連接器直接把直流步進電機連接到輪軸的兩端。2臺電機可單獨轉動也可同步轉動。單獨控制電機以便在將來的研究中控制輪對的轉動。而在蠕滑特性試驗中沒有用輪對一端的驅動電機。裝在底座上的車體只能做垂向振動,可通過彈簧加載。如果需要,車體負載可用測力傳感器監(jiān)測并可裝偏心機構。設計偏心機構是使輪對產(chǎn)生車輪荷載差。線性軸承將轉向架構架與車體縱向和橫向連接,并用彈簧將轉向架構架裝在底座上,以起二系懸掛的作用。輪對與轉向架構架用一系懸掛或剛性連接。在蠕滑特性試驗中,轉向架構架剛性裝在車體上,輪對與轉向架構架用硬懸掛連接。結果,輪對很難沿底座橫向或縱向移動來控制蠕滑率。2.3輪軌之間的接觸力和沖滑率的測量在智能主動車輪的開發(fā)研究中,需要了解車輪本身的運行狀態(tài)。即除車體負載外,還要對輪軌之間的接觸力、位移等進行實時檢測。由于按比例縮小的車輪和輪軌之間按比例縮小的接觸力很小,所以難以像實尺寸試驗中通過測定車輪接觸力來得到輪軌力。而開發(fā)一種測試軌道輪接觸力來得到輪軌力的方法。圖4為專門設計的軌道輪示意圖。軌道輪的剛性輪緣和剛性輪轂用專門設計的輪輻連接,將應變片置于輪輻內。用測定輪輻應變得方法來測定了輪軌之間的垂向力(Q)和橫向力(Y)。為了從應變中找出接觸力的實際值,用精密測力傳感器校核了接觸力和應變輸出的關系。用裝在電機和軌道輪之間的高精密扭矩測量儀測定了軌道輪的驅動力矩。通過驅動力矩計算得到輪軌之間的縱向接觸力(F)。輪軌之間的沖角通過采用與運營線路測試用的類似激光間隙傳感器測試法來測量,該方法可靠性很高。一個軸箱前后各裝有一條連接到軌道輪的安裝臂,該安裝臂與輪對在橫向固結,沒有橫向相對位移。把激光間隙傳感器裝在安裝臂的一端(圖5),由于輪對在中位轉動而軸箱與車輪有固定初始間距,測定了軸箱和軌道輪之間的間距。和輪對的中位相比,如果從激光傳感器測定的間隙變化為L1和L2,激光束的間距為В,輪對精確橫向位移為y,則可計算輪軌之間的沖角?和橫向蠕滑率γy。y=12(L1+L2)?=atan(L1?L2)Bγy=L1?L2By=12(L1+L2)?=atan(L1-L2)Bγy=L1-L2B在軌道輪和輪軸各驅動電機的端部安裝有旋轉編碼器。安裝在電機上的旋轉編碼器的分辨率為8192ppr,而安裝在輪軸上的旋轉編碼器的分辨率則為2000ppr。從軌道輪半徑可計算輪軌之間的縱向蠕滑率,而從旋轉編碼器可測定軌道輪和輪對的轉動。所有這些數(shù)據(jù)都記錄在數(shù)據(jù)記錄器里,同時輸入計算機。試驗完畢,就可立即繪出蠕滑力的特性。3滑動性能試驗的結果3.1橫向壓縮試驗在蠕滑特性測試中,只驅動軌道輪。由于蠕滑特性測定用的輪對為剛性結構,所以,2個軌道輪的轉速差引起輪軌之間的縱向蠕滑。軌道輪的轉速差與曲線半徑有關。蠕滑測試中模擬的最小曲線半徑為15m,這相當于實際線路的75m,這造成各輪1.5%的最大縱向蠕滑率。輪軌之間的橫向蠕滑是由試驗臺的轉動而產(chǎn)生的。試驗臺的最大轉動角為0.6°,這造成1.2%的最大橫向蠕滑率。軌道輪的運行速度為10km/h,這相當于實際線路的50km/h。為找出車輪負載對蠕滑特性的影響,在試驗中各轉向架分別施加了500N和1000N的負載。除了研究非常干凈的接觸情況外,還選用液態(tài)摩擦調節(jié)劑(HPF)作為又一種接觸情況,該調節(jié)劑由加拿大公司生產(chǎn),據(jù)說在實際運用中有正的蠕滑特性,對降低接觸噪聲、減少鋼軌褶皺等都是有效的。要使輪軌間產(chǎn)生非常潔凈的接觸情況,首先要用300號砂紙打磨車輪和軌道外形,然后用丙酮清洗。用丙酮清洗表面后,立即進行清潔情況測試。由于把滾動試驗臺安裝在大型實驗室內,所以不用控制溫度和濕度。在施加HPF的試驗中,在軌道輪上用刷子刷一層很薄的HPF。HPF干燥后再進行試驗。每次試驗都要在軌道輪上刷一層HPF。為了消除曲線和車輪轉動方向(因系統(tǒng)制造不對稱而引起的)的影響,在橫向蠕滑試驗中,把試驗臺基座的+0.6°的旋轉角變?yōu)?0.6°;在縱向蠕滑試驗中,把模擬的曲線半徑從+75m變?yōu)?75m。在加大和減小這些參數(shù)的過程中進行試驗。3.2負氧滑特性的特性圖6為在1000N的負載時測試的縱向蠕滑力的特性。圖6(a)為接觸表面干凈情況下的測試結果;圖6(b)則為施加HPF情況下的測試結果。在接觸表面干凈的情況下,蠕滑力與蠕滑率是成比例增加的,直至線性時蠕滑率達到0.3%,非線性時達到0.7%。蠕滑率大于0.7%時,蠕滑力隨著蠕滑率的上升而稍有增加。這就是我們所說的“負蠕滑力的特性”。F/Q的最大值約為0.46,并被視為表面干凈接觸情況下的軌道輪和車輪之間的摩擦系數(shù)。在施加HPF的情況下,蠕滑力隨著蠕滑率的上升而增加,直至蠕滑率達到1.2%也沒有出現(xiàn)負蠕滑力的特性。蠕滑率達到1.2%時,F/Q的值約為0.16。圖7為在1000N的負載時,測定的橫向蠕滑力的特性。圖7(a)為表面干凈的接觸情況下的測試結果;圖7(b)則為施加HPF情況下的測試結果。在表面干凈的接觸情況下,蠕滑特性與縱向蠕滑特性有一些差別。蠕滑率小時,橫向蠕滑特性為“負”。Y/Q的最大值也小于F/Q值。而在施加HPF情況下,蠕滑力隨著蠕滑率的上升而增加,即使蠕滑率達到1.3%也沒有出現(xiàn)負蠕滑特性。蠕滑率達1.3%時,Y/Q的值約為0.21。在縱向和橫向蠕滑率變化中,也檢測了HPF的耐久性。蠕滑率越小,意味著曲線半徑大,耐久時間更長。如果蠕滑率相同,則縱向蠕滑狀態(tài)時的耐久時間,要比在橫向蠕滑狀態(tài)時的耐久時間更長。4縱向模流輪對重塑規(guī)則動態(tài)模式分析為了進行“智能主動車輪”的開發(fā)研究而按的比例制作了滾動試驗臺模型。用一些特殊技術就可精確測試車輪和軌道輪之間的接觸力和蠕滑率。用滾動試驗臺模型和按比例縮小的輪對,測試了各種接觸情況下的軌道輪和