40 t軸重貨車輪軌動力特性分析

楊春雷,李 芾,黃運華,張顯鋒,吳長波

(1 西南交通大學 機械工程學院,四川成都610031;2 南車眉山車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部,四川眉山620032)

按照《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》和鐵路技術(shù)政策,我國部分鐵路將逐步實現(xiàn)客貨分線,鐵路貨運能力得到大幅提升。為做好客貨分線后貨車技術(shù)儲備,滿足鐵路運輸發(fā)展需要,各鐵路貨車設(shè)計制造企業(yè)、科研院所及大專院校,紛紛開展了新型大軸重貨車技術(shù)研究工作,提出了新一代大軸重貨車綜合技術(shù)要求[1-3]。本文即根據(jù)40 t軸重貨車的結(jié)構(gòu)特點,利用車輛—軌道耦合動力學理論[4],建立重載貨車車輛-軌道空間耦合動力學分析模型,針對不同速度和不同線路激擾下40 t軸重貨車的輪軌動力特性進行了仿真計算分析。

1 重載貨車車輛-軌道耦合動力學分析模型

結(jié)合40 t軸重貨車的結(jié)構(gòu)特點,建立的力學分析模型如圖1所示。車體考慮縱向、橫移、沉浮、側(cè)滾、搖頭和點頭6個自由度,并在搖枕和車體間考慮心盤回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩和彈性常接觸旁承摩擦阻力矩;搖枕考慮除點頭外其他自由度,側(cè)架考慮除側(cè)滾外其他自由度,在側(cè)架和搖枕間考慮了摩擦楔塊所提供的摩擦阻尼特性,在軸箱懸掛處考慮軸向剪切墊提供的一系懸掛縱向、橫向和垂向剛度和阻尼;輪對考慮除縱向外所有自由度。而軌道模型采用3層連續(xù)離散點支承無限長Euler梁模型,考慮鋼軌的垂向、橫向和扭轉(zhuǎn)自由度;軌枕視為剛性體,考慮軌枕的垂向、橫向以及剛體轉(zhuǎn)動;道床離散為剛性質(zhì)量塊,道床塊之間由剪切剛度元件和剪切阻尼元件相連,道床和路基之間用線性彈簧和阻尼元件連接,只考慮道床的垂向振動。重載貨車車輛—軌道耦合模型自由度如表1所列。

圖1 重載貨車車輛-軌道耦合作用模型(端視圖)

表1 重載貨車車輛-軌道系統(tǒng)模型自由度

2 輪軌動力特性分析

2.1 直線運行仿真分析

為了重點分析40t軸重貨車在不同速度等級和不同軌道譜激擾下的輪軌動力響應(yīng)情況,文中分別對美國5級譜、中國3大干線譜和德國低干擾譜,在40～100 km/h速度等級下進行了仿真計算。軌道結(jié)構(gòu)均考慮為60 kg/m鋼軌,Ⅱ型混凝土軌枕,普通碎石道床[4]。計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 40 t軸重礦石敞車在不同激擾和速度等級下的輪軌動力響應(yīng)

由圖2各指標來看,德國低干擾譜明顯優(yōu)于美國5級譜和3大干線譜,3大干線譜則處在德國低干擾譜和美國5級譜之間,這與文獻[4]關(guān)于軌道譜研究的結(jié)論是一致的。

從輪軌垂向力響應(yīng)來看,輪軌垂向力隨著速度的增大而增大。在德國低干擾譜激擾下,其值增加較小;在三大干線譜作用下,速度低于60 km/h時,其值變化不明顯;當速度超過60 km/h后,則增加較快,在70 km/h時,已超過英國鐵路BR和文獻[4]所建議的250 kN的限值;在美國5級譜激擾下,速度在40 km/h時,輪軌垂向力就超過了250 kN,隨著速度的增加,垂向力幾乎線性增加,當速度為100 km/h時,最大輪軌垂向力已達到290.5 kN。

從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn),輪軌接觸應(yīng)力隨著速度的增加而增大,在3大干線譜激擾下,其值在1 230～1 270 MPa;在美國5級譜激擾下,其值在1 260～1 300 MPa;而在德國低干擾譜作用下,基本在1 200～1 220 MPa之間。明顯高于25 t軸重車輛在同樣運行條件下的輪軌接觸應(yīng)力值(約1 126 MPa)。這說明大軸重貨車更容易對鋼軌產(chǎn)生疲勞傷損破壞,重載線路必須嚴格控制軌道不平順幅值,車輛應(yīng)以較低速度運行。

圖2(c)是輪軸橫向力的變化關(guān)系。從圖中可以看出,輪軸橫向力隨速度增加有所增大,但幅值較小,最大輪軸橫向力不到40 kN,遠低于GB5599—85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》所要求的許用輪軸橫向力(約119 kN)。這說明該車橫向穩(wěn)定性較好,不會發(fā)生蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖2(d)是鋼軌垂向位移的變化關(guān)系。從圖中可以看出,速度越高,鋼軌垂向位移越大,即對軌道的垂向破壞作用也越大。對比3種線路譜,美國5級線路譜對鋼軌的垂向破壞作用最大(最大為2.1 mm),中國3大干線譜次之,而德國低干擾譜相對較小(最大為 1.735 mm)。所以,從維護線路,延長軌道使用壽命來看,也需要保持鋼軌平直順滑,降低鋼軌不平順幅值。

2.2 曲線通過運行仿真分析

為了分析40 t軸重貨車的曲線通過性能,本文對該車進行了曲線通過仿真分析。由于在直線仿真計算時已考慮了不同軌道譜對輪軌動力特性的影響,這里就不再進行不同軌道譜間的對比分析,而只是對比有無線路軌道譜的輪軌動力響應(yīng)差別。曲線工況如表2。軌道結(jié)構(gòu)為60 kg/m鋼軌,Ⅱ型混凝土軌枕,普通碎石道床。計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

表2 曲線仿真計算工況

圖3(a)是輪軌橫向力曲線通過時的動態(tài)變化情況。從圖中可以看出,內(nèi)外側(cè)輪軌橫向力方向始終相反,內(nèi)側(cè)向內(nèi),外側(cè)向外。速度為40 km/h時,輪軌橫向力外側(cè)值較內(nèi)側(cè)值小;在速度為55 km/h時,內(nèi)外側(cè)值基本一致;當速度為65 km/h時,外側(cè)值則大于內(nèi)側(cè)值。這是由于對于曲線半徑為300 m,超高為120 mm的曲線線路,向心力與離心力平衡的速度約是55 km/h[6]。所以,在速度為55 km/h時,內(nèi)外輪軌橫向力大小基本一致,而速度為40 km/h和65 km/h時,則分別產(chǎn)生過超高和欠超高現(xiàn)象,從而造成內(nèi)外輪軌橫向力差異。

從圖3(b)看,速度為55 km/h時,左右車輪均載,輪軌垂向力都在196 kN(靜輪載)左右;在40 km/h時,外側(cè)減載,內(nèi)側(cè)增載;在 65 km/h時,外側(cè)增載,內(nèi)側(cè)減載。從圖3(d)來看,鋼軌的橫移與輪軌橫向力變化一致,即在40 km/h時,內(nèi)側(cè)值較大;在65 km/h時,外側(cè)值較大;而在55 km/h時,因內(nèi)外輪軌橫向力一致,內(nèi)外鋼軌橫向變形也比較平均。

圖3 曲線通過時的輪軌動力響應(yīng)(無激擾)

圖4是車輛在3大干線譜激擾下曲線通過時的輪軌動態(tài)變化情況,為清晰反映軌道不平順對輪軌產(chǎn)生的影響,圖中對無線路激擾和添加激擾兩種情況進行了對比分析。從輪軌力的動態(tài)變化來看,軌道不平順并不影響車輛曲線通過的基本規(guī)律,只影響輪軌響應(yīng)輸出的幅值。速度為40 km/h時,最大輪軌橫向力從57.64 kN增大到71.72 kN(內(nèi)側(cè)),最大輪軌垂向力從224.2 kN增大到263.6 kN(內(nèi)側(cè));在55 km/h,最大輪軌橫向力從50.49 kN增大到77.72 kN,最大輪軌垂向力從201.2 kN增大到251.8 kN;而在65 km/h,最大輪軌橫向力從58.97 kN增大到79.57 kN,最大輪軌垂向力從215.3 kN增大到268.4 kN(外側(cè))。從圖示和以上數(shù)據(jù)可以看出,重載車輛在曲線通過時,速度過低和過高都會使某一側(cè)車輪增載或減載,在有不平順激擾時就更為突出。所以,為降低輪軌垂向相互作用,根據(jù)曲線超高和曲線半徑選定適當?shù)倪\行速度是必要的,盡可能使向心力和離心力平衡。

3 結(jié)論及建議

本文根據(jù)40 t軸重重載貨車的主要技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)特點,利用車輛-軌道耦合動力學原理,建立了重載貨車車輛-軌道耦合模型,對車輛輪軌動力特性進行了仿真分析,可以得出如下結(jié)論及建議:

(1)大軸重貨車輪軌相互作用特別是垂向相互作用明顯加大,不同的軌道譜和不同的車輛運行速度將產(chǎn)生不同的輪軌動力響應(yīng)。速度越高,輪軌動力作用越大,線路狀況越惡劣,輪軌動力作用也越大。根據(jù)我國現(xiàn)有重載線路狀況,按照英國鐵路BR和文獻[4]所建議的輪軌垂向力為250 kN的限值,則40 t軸重重載貨車的運行速度以不超過70 km/h為宜。

(2)仿真計算表明,車輛在通過曲線時,速度過低和速度過高都將引起車輛某一側(cè)增載,應(yīng)根據(jù)各曲線段情況采用適當?shù)乃俣?盡可能使車輛離心力與向心力平衡。

(3)我國尚缺乏重載鐵路相關(guān)評價標準,應(yīng)開展重載鐵路基礎(chǔ)性研究工作,盡快制定出重載鐵路輪軌相互作用評價指標體系,如輪軌垂向力、輪軌接觸應(yīng)力、輪軌磨耗功、鋼軌振動加速度等評價指標限度。

[1] 鐵道部運輸局.關(guān)于新型大軸重鐵路貨車技術(shù)研究有關(guān)工作的通知[S].運裝貨車[2009]318號,2009.

[2] 南車眉山車輛有限公司.40 t軸重礦石敞車設(shè)計方案說明[R].2009.

[3] 南車眉山車輛有限公司.40 t軸重轉(zhuǎn)向架設(shè)計方案說明[R].2009.

圖4 曲線通過時的輪軌動力響應(yīng)(3大干線譜激擾)

[4] 翟婉明 著.車輛-軌道耦合動力學(第2版)[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[5] 西南交通大學.40 t軸重轉(zhuǎn)向架動力學性能計算報告[R].2008.

[6] 嚴雋耄 主編.車輛工程(第3版)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.