錐型踏面和LM磨耗型踏面對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能影響試驗(yàn)分析

陳政南,張?zhí)鞁?張樹鵬

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081)

輪對(duì)踏面是車輪與鋼軌的接觸部分,世界各國鐵路車輛采用的輪對(duì)踏面主要有錐型和磨耗型兩大類。在我國機(jī)車、通用貨車和客車均把磨耗型踏面作為標(biāo)準(zhǔn)踏面,TB/T 449—1976《機(jī)車車輛用車輪輪緣踏面外形》取消了錐型輪緣踏面外形。大型養(yǎng)路機(jī)械以前多參照歐洲經(jīng)驗(yàn)采用錐型踏面,考慮到今后采購、檢修和維護(hù)的方便、會(huì)逐步停止使用錐型踏面的輪對(duì),而采用LM磨耗型踏面的輪對(duì)。

為了研究分析錐型踏面和LM磨耗型踏面對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能的影響,對(duì)裝用錐型及LM磨耗型踏面輪對(duì)的搗固車分別進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 對(duì)比試驗(yàn)簡介

對(duì)比試驗(yàn)在裝用錐型踏面輪對(duì)的連續(xù)式搗固車以及裝用LM磨耗型踏面輪對(duì)的道岔搗固車間進(jìn)行。連續(xù)式搗固車和道岔搗固車使用了完全相同的走行部和車體,除了作業(yè)結(jié)構(gòu)——搗固頭質(zhì)量稍有差別以外(相差不到200 kg),其他各個(gè)機(jī)構(gòu)布置的位置和質(zhì)量也完全相同,可以認(rèn)為兩輛被試車只有踏面形狀的差別。測(cè)試用的測(cè)力輪對(duì)和非測(cè)試用的輪對(duì)采用相同踏面型式。

試驗(yàn)線路為武漢鐵路局管內(nèi)漢丹線、京廣線、南環(huán)線,總里程約163 km,測(cè)試線況包括直線,R350 m至R800 m曲線以及9#、12#道岔的正、側(cè)向通過等。直線試驗(yàn)速度分為60,70,80,90,100,110,120,130 km/h各等級(jí),曲線通過速度按曲線最高限速,側(cè)向通過9#為30 km/h,側(cè)向通過12#道岔為 45 km/h。

試驗(yàn)中,測(cè)力輪對(duì)布置在車體兩端第一軸上,振動(dòng)加速度布置在車體兩端中梁距新盤1 m以內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行往返測(cè)試,取前進(jìn)方向數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。

2 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

踏面外形對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能有較大的影響。錐型踏面通過曲線時(shí),產(chǎn)生踏面及輪緣與鋼軌的兩點(diǎn)接觸,而磨耗型踏面進(jìn)入曲線時(shí)始終是一點(diǎn)接觸,磨耗型踏面具有更優(yōu)良的曲線通過能力。錐型踏面錐度相對(duì)較小,臨界速度相對(duì)較高,而磨耗型踏面的等效錐度通常設(shè)計(jì)得比錐型踏面大,因此在抑制蛇行運(yùn)動(dòng)、車體振動(dòng)方面錐型踏面更有利。

以下對(duì)直線高速區(qū)段的振動(dòng)平穩(wěn)性及側(cè)線、曲線工況的安全穩(wěn)定性指標(biāo)脫軌系數(shù)和輪軸橫向力進(jìn)行比較分析。測(cè)試數(shù)據(jù)按照GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)方法》進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 直線高速區(qū)段振動(dòng)平穩(wěn)性

(1)車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值和平均值

從圖1、圖2車體1、2位橫向振動(dòng)平穩(wěn)性指標(biāo)散點(diǎn)圖及表1車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)平均值可以看出,在運(yùn)行速度低于100 km/h以下時(shí),裝配錐型踏面輪對(duì)的連續(xù)式搗固車橫向振動(dòng)平穩(wěn)性能和裝配磨耗型踏面輪對(duì)的道岔搗固車相似,但當(dāng)速度超過100 km/h以后,隨著速度的進(jìn)一步提高,錐型平穩(wěn)性指標(biāo)增長緩慢,錐型橫向振動(dòng)明顯好于磨耗型。

(2)車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)和平均值

表1 車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)平均值

表2 車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)平均值

從圖3、圖4車體1、2位垂向振動(dòng)平穩(wěn)性指標(biāo)散點(diǎn)圖及表2車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)平均值可以看出,裝配錐型踏面輪對(duì)的連續(xù)式搗固車和裝配磨耗型踏面輪對(duì)的道岔搗固車隨著速度的提高垂向振動(dòng)平穩(wěn)指標(biāo)性都呈現(xiàn)平穩(wěn)增大趨勢(shì),錐型踏面垂向振動(dòng)平穩(wěn)性能略好于磨耗型。

(3)輪對(duì)踏面的變化引起橫向、垂向振動(dòng)頻域范圍分析

圖1 1位車體橫向加速度散點(diǎn)圖

圖2 2位車體橫向加速度散點(diǎn)圖

圖3 1位車體垂向加速度散點(diǎn)圖

圖4 2位車體垂向加速度散點(diǎn)圖

為更好地體現(xiàn)輪對(duì)踏面對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)特性的影響,對(duì)不同方案下車體橫向和垂向振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行速度—頻譜分析,如圖5、圖6所示。圖中藍(lán)色線表示裝配磨耗型踏面的輪對(duì),紅色線表示裝配錐型踏面的輪對(duì)。

從圖5中可以看出,錐型踏面車體橫向主頻約為1.22～1.46 Hz,磨耗型踏面車體主頻為2.44 Hz,由于踏面型式不同,車體的橫向振動(dòng)主頻差別比較明顯。

從圖6中可以看出,裝配錐型踏面輪對(duì)的車體垂向振動(dòng)主頻和裝配磨耗型踏面輪對(duì)車體垂向振動(dòng)主頻相差不大,兩種踏面車體垂向振動(dòng)主頻為3.41～3.66 Hz間,沒有明顯的區(qū)別。

2.2 曲線通過的運(yùn)行穩(wěn)定性

(1)脫軌系數(shù)

1位車體端脫軌系數(shù)最大值及平均值和2位車體端脫軌系數(shù)最大值及平均值分別如圖7、圖8所示,其中圖(a)為脫軌系數(shù)最大值,(b)為脫軌系數(shù)平均值。

圖5 車體 1位(a)和車體2位(b)橫向振動(dòng)頻率

圖6 車體 1位(a)和車體2位(b)垂向振動(dòng)頻率

圖7 1位車體端脫軌系數(shù)最大值及平均值

圖8 2位車體端脫軌系數(shù)最大值和平均值

車體1位端和2位端分別在前進(jìn)方向,通過9#,12#側(cè)線、R350 m至R800 m曲線時(shí)往返測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到的脫軌系數(shù)最大值和平均值表明,裝配磨耗型踏面輪對(duì)的道岔搗固車,在以不同速度通過側(cè)線、曲線時(shí)脫軌系數(shù)的最大值和平均值明顯比裝配錐型輪對(duì)的連續(xù)式搗固車要小,脫軌穩(wěn)定性要好。

(2)輪軸橫向力。

車體1位端輪軸橫向力最大值及平均值和2位端輪軸橫向力最大值及平均值分別如圖9、圖10所示,其中圖(a)為輪軸橫向力最大值,(b)為平均值。

圖9 1位車體端軸輪軸橫向力最大值和平均值

圖10 2位車體端軸輪軸橫向力最大值和平均值

車體1位端和2位端分別在前進(jìn)方向,通過9#,12#側(cè)線、R350 m至R800 m曲線時(shí)往返測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到的輪軸橫向力最大值和平均值表明,裝配磨耗型踏面輪對(duì)的道岔搗固車,在以不同速度通過側(cè)線、曲線時(shí)輪軸橫向力的最大值和平均值明顯比裝配錐型輪對(duì)的連續(xù)式搗固車要小,輪軸橫向力穩(wěn)定性要好。

3 結(jié) 論

通過以上動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知,輪對(duì)踏面不同型式會(huì)影響車輛動(dòng)力學(xué)性能。

(1)在直線高速區(qū)段,裝配錐型踏面輪對(duì)車輛橫向運(yùn)行平穩(wěn)性明顯好于裝配磨耗型踏面輪對(duì)車輛,而垂向運(yùn)行平穩(wěn)性略好于磨耗型踏面。磨耗型踏面車體橫向振動(dòng)主頻更趨近于蛇行主頻,兩種踏面車體垂向振動(dòng)主頻差別不明顯。

(2)在通過側(cè)線曲線時(shí),裝配磨耗型踏面輪對(duì)車輛脫軌系數(shù)、輪軸橫向力運(yùn)行穩(wěn)定性明顯好于錐型踏面輪對(duì)車輛。

錐型踏面直線運(yùn)行穩(wěn)定性好于磨耗型踏面,而磨耗型踏面?zhèn)染€、曲線通過能力好于錐型踏面,這也正好證明了車輛動(dòng)力學(xué)性能中運(yùn)行穩(wěn)定性與曲線通過性能的確是相互矛盾的。這就要求大型養(yǎng)路機(jī)械車輛在采用LM磨耗型踏面輪對(duì)時(shí),進(jìn)一步優(yōu)化車輛動(dòng)力學(xué)性能參數(shù),提升運(yùn)行品質(zhì),能夠兼顧運(yùn)行穩(wěn)定性與曲線通過性能。

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