輪軌之間的蠕滑振動(dòng)分析

輪軌之間的蠕滑振動(dòng)分析

為了從輪場(chǎng)接觸機(jī)制中闡明曲線波形成的機(jī)理，建立了一個(gè)詳細(xì)的單輪對(duì)曲線的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了研究。在模型中，模型考慮了車輪的彈性模型、各向彎曲和衰減，采用了與實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)的車輪蠕變特性曲線。全面分析可能導(dǎo)致車輪滑動(dòng)的參數(shù)，如車輪彎曲剛性、旋轉(zhuǎn)剛度、橫向剛度、車輪彎曲粘合水平、運(yùn)行速度、曲線半徑和高速曲線。采用nb-simulik建立了單輪對(duì)的曲線模型，模擬再現(xiàn)了圓形曲線中的車輪滑動(dòng)振動(dòng)現(xiàn)象。1輪對(duì)導(dǎo)向輪對(duì)對(duì)于構(gòu)架式的轉(zhuǎn)向架而言,為了保證一定的蛇形運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,需要將前后輪對(duì)用足夠的一系定位剛度與構(gòu)架相連.當(dāng)這種轉(zhuǎn)向架通過(guò)較小半徑的曲線軌道時(shí),過(guò)大的定位約束剛度使得輪對(duì)很難利用不大的左右輪徑差依靠輪軌間的蠕滑導(dǎo)向力使輪對(duì)以合理的沖角通過(guò)曲線.往往導(dǎo)向輪對(duì)以較大的正沖角和較大的橫移量以擠壓曲線外軌的方式通過(guò)曲線,造成輪軌的磨耗.如圖1所示為一導(dǎo)向輪在通過(guò)曲線時(shí)的受力示意圖,力的大小和方向與通過(guò)小半徑曲線時(shí)導(dǎo)向輪對(duì)的實(shí)際情況相符合.雖然采用目前的磨耗型踏面兩點(diǎn)接觸的可能性很小,但隨著輪軌的磨耗,仍然在曲線上容易發(fā)生兩點(diǎn)接觸,或出現(xiàn)共形接觸現(xiàn)象,因此示意圖中將左輪與外軌的接觸看作兩點(diǎn)接觸,一點(diǎn)在踏面上,另一點(diǎn)在輪緣上.若不考慮回轉(zhuǎn)蠕滑力矩,左側(cè)踏面接觸點(diǎn)有兩個(gè)方向的蠕滑力FcyL和FcxL,還有一個(gè)正壓力NL.左側(cè)輪緣接觸點(diǎn)也有兩個(gè)方向的蠕滑力FcyLF和FcxLF,還有一個(gè)正壓力NLF.右側(cè)踏面接觸點(diǎn)有兩個(gè)方向的蠕滑力FcyR和FcxR,還有一個(gè)正壓力NR.左側(cè)輪緣正壓力的水平分力遠(yuǎn)大于左輪上的橫向蠕滑力合力,且方向相反.本文為了研究波磨機(jī)理,僅以單個(gè)有一系定位的輪對(duì)作為研究對(duì)象.以圖示力的方向?yàn)檎较?根據(jù)輪對(duì)在縱、橫向的靜力平衡得:若不計(jì)較小的踏面接觸角,式(1)和式(2)即為若輪對(duì)以平衡速度通過(guò),可以認(rèn)為FSYSPY=0,則式(3)為若不計(jì)制動(dòng)與牽引工況,可以認(rèn)為FSYSPX=0,則式(4)為即右側(cè)輪子踏面上的橫向蠕滑力為左側(cè)輪緣正壓力和蠕滑力在橫向方向的合力;右側(cè)的縱向蠕滑力等于左側(cè)踏面與輪緣縱向蠕滑力的合力,大小相等,方向相反.可見(jiàn)右側(cè)輪子上的蠕滑力與左側(cè)輪子上的側(cè)壓力和蠕滑力有關(guān);同時(shí)右側(cè)輪子上的蠕滑力的合力又受輪軌粘著規(guī)律及條件的控制.ψw為輪對(duì)的沖角.2輪軌模型的建立輪軌間的蠕滑力是蠕滑率的函數(shù),如圖2所示.當(dāng)蠕滑率很小時(shí),它們之間呈線性關(guān)系;當(dāng)蠕滑率較大時(shí),蠕滑力呈飽和特征;當(dāng)蠕滑率進(jìn)一步增大時(shí),蠕滑力反而下降,出現(xiàn)負(fù)梯度段.當(dāng)曲線半徑較小,而轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能不良時(shí),左右輪軌接觸點(diǎn)很有可能處于這個(gè)負(fù)梯度段區(qū)域.從力學(xué)上看,這一負(fù)梯度段的作用相當(dāng)于一負(fù)剛度.根據(jù)數(shù)學(xué)分析,這是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng),即會(huì)發(fā)生振動(dòng)發(fā)散,由于輪軌蠕滑的強(qiáng)非線性因素,將出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象.左側(cè)輪子由于輪緣的接觸,不可能在輪軌間發(fā)生橫向的運(yùn)動(dòng),而右側(cè)的輪子處于彈性運(yùn)動(dòng)的自由狀態(tài),輪軌間有較大的橫向間隙和縱向轉(zhuǎn)動(dòng)彈性體自由度.據(jù)此,建立了考慮輪對(duì)兩種柔體振型的單輪對(duì)的動(dòng)態(tài)仿真模型,如圖3和圖4所示.模型中還考慮了多種可能參與耦合振動(dòng)的因素,包括輪對(duì)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、鋼軌橫向剛度、輪軌粘著水平、運(yùn)行速度、曲線半徑和曲線超高等.采用Matlab/Simulink建立了單輪對(duì)的曲線通過(guò)模型.等效的輪軌蠕滑特性曲線圖5所示的曲線表達(dá).如圖6所示.在特定條件下可以模擬出如圖6所示的輪軌間的粘滑振動(dòng)現(xiàn)象.圖7和圖8為右側(cè)輪子上的縱橫向蠕滑力.一般該振動(dòng)在緩和曲線的后半段開(kāi)始發(fā)生,在圓曲線上出現(xiàn)穩(wěn)定的振蕩,到出緩和曲線的后半段消失.不同的負(fù)梯度,開(kāi)始出現(xiàn)振動(dòng)的半徑會(huì)不同.不同的軌道剛度和粘著水平對(duì)振動(dòng)的產(chǎn)生也有很大影響.通過(guò)大量計(jì)算分析表明,該粘滑振動(dòng)的發(fā)生規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的波磨發(fā)生規(guī)律相吻合,即這種振動(dòng)容易出現(xiàn)在曲線內(nèi)軌的圓曲線上、容易出現(xiàn)在曲線半徑較小的區(qū)段、容易出現(xiàn)在輪軌粘著條件較好的地下洞內(nèi)的軌道上、容易出現(xiàn)在軌道剛度較大的整體道床上.表1為仿真時(shí)采用的參數(shù).圖9為現(xiàn)場(chǎng)曲線內(nèi)軌上測(cè)量得到的有波磨區(qū)段的橫向加速度信號(hào),可見(jiàn)具有明顯的周期振動(dòng)成份.3粘滑振動(dòng)發(fā)生的條件采用仿真軟件對(duì)幾個(gè)主要因素進(jìn)行了多方案的定性分析.主要結(jié)果有:影響粘滑振動(dòng)的首要因素是蠕滑率和蠕滑力之間的負(fù)梯度特性,對(duì)粘滑振動(dòng)形成與否有著決定性作用.當(dāng)蠕滑力飽和后若蠕滑力-蠕滑率特性曲線的負(fù)斜率不同,可能產(chǎn)生輪對(duì)的粘滑振動(dòng)的頻率也不同.蠕滑力飽和后如特性曲線無(wú)下降,無(wú)論其它條件如何,均不會(huì)發(fā)生粘滑振動(dòng).其次是軌道的橫向剛度和輪對(duì)的扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度,軌道的剛度低到一定程度就會(huì)使耦合振動(dòng)消失.調(diào)查也發(fā)現(xiàn)采用木枕的道岔上沒(méi)有這種波磨,而整體道床的道岔上有嚴(yán)重的波磨.同樣輪對(duì)扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度的減小也會(huì)使耦合振動(dòng)消失.輪軌間的粘著水平對(duì)粘滑振動(dòng)的發(fā)生也有影響,計(jì)算分析表明,當(dāng)粘著水平下降時(shí),作用在輪踏面上的合成蠕滑力不容易達(dá)到負(fù)梯度段,因而粘滑振動(dòng)不會(huì)發(fā)生.曲線半徑越小會(huì)使輪軌蠕滑率越大,使輪軌接觸進(jìn)入負(fù)梯度段,發(fā)生粘滑振動(dòng).現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)500m以上的曲線基本沒(méi)有波磨現(xiàn)象.車輛的一系定位剛度對(duì)粘滑振動(dòng)基本無(wú)影響.整車仿真模型的計(jì)算也表明,二系懸掛參數(shù)對(duì)波磨發(fā)生也沒(méi)有影響,因此采用單一輪對(duì)研究波磨的是合理的.4波磨的發(fā)生機(jī)制若所有的車輛具有極好的一致性,且運(yùn)行速度一致,則容易在所經(jīng)過(guò)的曲線上,特別是在圓曲線上形成有規(guī)律的振動(dòng),這種振動(dòng)往往使右側(cè)輪子與內(nèi)軌間發(fā)生大的滑動(dòng),當(dāng)輪軌接觸面的切向力足以破壞軌道頂面的金屬材料時(shí),或使其發(fā)生低周疲勞,則波磨就會(huì)產(chǎn)生.因此在一定外界條件共同作用下的粘滑振動(dòng)是地鐵曲線波浪型磨耗發(fā)生的重要原因.任何一個(gè)外界條件的消失,都能夠使波磨消失.5粘滑振動(dòng)結(jié)果的初步分析在考慮輪對(duì)的彈性體