大型鐵路養(yǎng)護(hù)車自行與附掛動(dòng)力學(xué)差異性試驗(yàn)研究

謝洪波，郭關(guān)柱

（1. 成都鐵路局 工務(wù)處機(jī)械設(shè)備科，四川 成都 610081；2. 中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司研究院，云南 昆明 650215）

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車自行與附掛動(dòng)力學(xué)差異性試驗(yàn)研究

謝洪波1，郭關(guān)柱2

（1. 成都鐵路局 工務(wù)處機(jī)械設(shè)備科，四川 成都 610081；2. 中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司研究院，云南 昆明 650215）

針對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)為大型鐵路養(yǎng)護(hù)車車輛自行與附掛動(dòng)力學(xué)相當(dāng)?shù)膯?wèn)題，以軌道除雪車為例，開(kāi)展自行和附掛動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究，以判定能否提高其自行速度。結(jié)果表明：車輛附掛時(shí)的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力較大值與自行時(shí)相當(dāng)，2種狀態(tài)下的較大值分別出現(xiàn)在25～80 km/h和15～70 km/h速度區(qū)段；車體在附掛時(shí)的橫向和垂向振動(dòng)加速度最大值低于自行時(shí)，自行時(shí)的車體垂向振動(dòng)加速度最大值達(dá)11.28 m/s2且超過(guò)6.87 m/s2的限度值，超限點(diǎn)均發(fā)生在速度高于110 km/h時(shí)；附掛和自行時(shí)，車體平穩(wěn)性指標(biāo)相當(dāng)且均屬優(yōu)級(jí)。

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車；附掛；自行；動(dòng)力學(xué)；差異性

0 引言

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車主要用于完成鐵路鋼軌在線銑削、軌道除雪等養(yǎng)護(hù)施工任務(wù)，要求具有短途自行（靠自身動(dòng)力行走）功能，能夠牽引其他設(shè)備或自身快速往返于施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與車輛段之間。要求具有附掛（被機(jī)車牽引）功能，通過(guò)貨運(yùn)列車進(jìn)行長(zhǎng)距離附掛轉(zhuǎn)運(yùn)。我國(guó)大型鐵路養(yǎng)護(hù)車從無(wú)到有，從有到大，從大到強(qiáng)，在種類、效率和先進(jìn)性方面得到了快速和高效的發(fā)展，對(duì)鐵路提速和保障安全運(yùn)營(yíng)起到至關(guān)重要的作用[1-3]。

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車為了兼顧自行和附掛2種功能，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，出于結(jié)構(gòu)和成本考慮，常采用一級(jí)彈簧減振結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車作為鐵路工程車，在實(shí)際運(yùn)用中，其最高自行速度定為80 km/h，為了與貨車最高限速相匹配，其最高附掛速度為120 km/h。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，車輛自行動(dòng)力學(xué)與附掛動(dòng)力學(xué)相當(dāng)，同一型轉(zhuǎn)向架，如果最高附掛速度可達(dá)120 km/h，那么只要?jiǎng)恿颍渥孕?20 km/h的動(dòng)力學(xué)性能也能滿足要求。

圖1 一級(jí)彈簧減振轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，隨著鐵路提速和運(yùn)力運(yùn)量增大，鐵路施工養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)間受到壓縮，難以滿足鐵路線路實(shí)際需要。在鐵路線路封閉施工時(shí)間不變的前提下，提高現(xiàn)有大型鐵路養(yǎng)護(hù)車自行速度來(lái)增加鐵路線路施工作業(yè)時(shí)間的呼聲越來(lái)越高，能否提高自行速度，需要研究大型鐵路養(yǎng)護(hù)車自行動(dòng)力學(xué)與附掛動(dòng)力學(xué)的差異性[4]。

1 大型鐵路養(yǎng)護(hù)車動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)與典型參數(shù)

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車主要采取運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行平穩(wěn)性來(lái)評(píng)價(jià)其動(dòng)力學(xué)性能，其中運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)通過(guò)脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力評(píng)價(jià)，運(yùn)行平穩(wěn)性則通過(guò)車體橫向、垂向振動(dòng)加速度及車體橫向、垂向平穩(wěn)性評(píng)價(jià)。

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車由一節(jié)或兩節(jié)組成，車寬3 200 mm，轉(zhuǎn)向架中心距16 500 mm，單節(jié)車質(zhì)量約84 t，軸重約21 t。轉(zhuǎn)向架采用H形整體焊接構(gòu)架式兩軸轉(zhuǎn)向架，采用導(dǎo)框定位，球面心盤(pán)，摩擦減振器，彈簧滾子旁承，一系軸箱懸掛。

以較為典型的大型鐵路養(yǎng)護(hù)車GCX-1000型軌道除雪車為例[5]，對(duì)其自行和附掛動(dòng)力學(xué)開(kāi)展試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在昆明鐵路局所轄滬昆線昆明—格以頭區(qū)間進(jìn)行，線路為國(guó)家Ⅰ級(jí)雙線自動(dòng)閉塞電氣化鐵路，最高設(shè)計(jì)速度為160 km/h。

2 運(yùn)行穩(wěn)定性差異性試驗(yàn)研究

2.1 脫軌系數(shù)試驗(yàn)分析

依據(jù)GB/T 17426—1998，被試車脫軌系數(shù)最大值應(yīng)小于1.2，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)結(jié)果表明：附掛狀態(tài)下，脫軌系數(shù)較大值出現(xiàn)在25～80 km/h速度區(qū)段，最大值為0.87，發(fā)生在80 km/h速度通過(guò)R400 m曲線處；自行狀態(tài)下，脫軌系數(shù)較大值出現(xiàn)在15～70 km/h速度區(qū)段，最大值為0.83，發(fā)生在以50 km/h速度通過(guò)R400 m曲線處。

2.2 輪重減載率試驗(yàn)分析

依據(jù)GB/T 17426—1998，被試車輪重減載率最大值應(yīng)小于0.65，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：附掛狀態(tài)下，輪重減載率較大值出現(xiàn)在25～80 km/h速度區(qū)段，最大值為0.55，發(fā)生在80 km/h速度通過(guò)R400 m曲線處；自行狀態(tài)下，輪重減載率較大值出現(xiàn)在15～70 km/h速度區(qū)段，最大值為0.57，發(fā)生在以70 km/h速度通過(guò)R400 m曲線處。

圖2 車輛實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)

圖3 車輛實(shí)測(cè)輪重減載率

2.3 輪軸橫向力試驗(yàn)分析

依據(jù)GB/T 17426—1998，被試車最大輪軸橫向力應(yīng)小于計(jì)算得到的限度值97.75 kN，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)結(jié)果表明：附掛狀態(tài)下，輪軸橫向力較大值出現(xiàn)在25～80 km/h速度區(qū)段，最大值為78.26 kN，發(fā)生在80 km/h速度通過(guò)R400 m曲線處；自行狀態(tài)下，輪軸橫向力較大值出現(xiàn)在15～70 km/h速度區(qū)段，最大值為75.71 kN，發(fā)生在以30 km/h速度側(cè)向通過(guò)9#道岔曲線處。

3 運(yùn)行平穩(wěn)性差異性試驗(yàn)研究

3.1 車體橫向加速度及平穩(wěn)性試驗(yàn)分析

依據(jù)GB/T 17426—1998，被試車車體橫向振動(dòng)最大加速度值≤4.91 m/s2，每100 km試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)超限不大于3處為合格，車體平穩(wěn)性指標(biāo)按優(yōu)、良、合格評(píng)定。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖4 輪軸橫向力

圖5 車輛實(shí)測(cè)橫向振動(dòng)加速度

圖6 車輛實(shí)測(cè)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明：附掛狀態(tài)下，車體橫向振動(dòng)加速度最大值為4.32 m/s2，發(fā)生在以80 km/h速度通過(guò)R400 m曲線處，小于規(guī)范限度值4.91 m/s2；自行狀態(tài)下，車體橫向振動(dòng)加速度最大值為8.34 m/s2，發(fā)生在以130 km/h速度通過(guò)直線處，超過(guò)規(guī)范限度值4.91 m/s2。220 km測(cè)試?yán)锍讨谐撄c(diǎn)最多為6個(gè)，每100 km試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)超限點(diǎn)不大于3處，勉強(qiáng)滿足車體橫向振動(dòng)加速度的規(guī)定。

附掛狀態(tài)下，車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大平均值為2.60；自行狀態(tài)下，車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大平均值為2.53，兩者的平穩(wěn)性指標(biāo)均屬優(yōu)級(jí)。

3.2 車體垂向加速度及平穩(wěn)性試驗(yàn)分析

依據(jù)GB/T 17426—1998，被試車車體垂向振動(dòng)最大加速度值≤6.87 m/s2，每100 km試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)超限不大于3處為合格，車體平穩(wěn)性指標(biāo)按優(yōu)、良、合格評(píng)定。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 車輛實(shí)測(cè)垂向振動(dòng)加速度

試驗(yàn)結(jié)果表明：附掛狀態(tài)下，車體垂向振動(dòng)加速最大值為6.38 m/s2，發(fā)生在以110 km/h速度通過(guò)直線處，小于規(guī)范限度值6.87 m/s2；自行狀態(tài)下，車體垂向振動(dòng)加速度最大值為11.28 m/s2，發(fā)生在以130 km/h速度通過(guò)直線處。在220 km測(cè)試?yán)锍讨熊圀w垂向振動(dòng)加速度值超過(guò)6.87 m/s2限度值的點(diǎn)為9個(gè)，超限點(diǎn)均發(fā)生在速度高于110 km/h時(shí)，車體垂向振動(dòng)加速度每100 km試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)超限點(diǎn)大于3處，不滿足規(guī)定。

圖8 車輛實(shí)測(cè)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

附掛狀態(tài)下，車體垂向振動(dòng)平穩(wěn)性指標(biāo)最大平均值為2.74；自行狀態(tài)下，車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大平均值為2.76，兩者的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均屬優(yōu)級(jí)。

4 結(jié)論與展望

以GCX-1000型軌道除雪車為例開(kāi)展大型鐵路養(yǎng)護(hù)車附掛和自行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：

（1）車輛附掛時(shí)的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力的較大值與自行時(shí)相當(dāng)，兩種狀態(tài)下的較大值分別出現(xiàn)在25～80 km/h和15～70 km/h速度區(qū)段；

（2）車體附掛時(shí)的橫向和垂向振動(dòng)加速度最大值低于自行時(shí)，自行時(shí)車體垂向振動(dòng)加速度最大值達(dá)11.28 m/s2，超過(guò)6.87 m/s2的限度值，超限點(diǎn)均發(fā)生在速度高于110 km/h時(shí)；

（3）車體在附掛和自行時(shí)的平穩(wěn)性指標(biāo)均屬優(yōu)級(jí)。

因此，提高垂向減振性能、降低車體在自行100～132 km/h速度區(qū)段的垂向振動(dòng)加速度，是未來(lái)大型鐵路養(yǎng)護(hù)車動(dòng)力學(xué)研究的主要方向，有望在垂向減振技術(shù)和轉(zhuǎn)向架芯盤(pán)摩擦減振研究方向取得突破性進(jìn)展。

[1] 肖增斌，王曉剛．我國(guó)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械行業(yè)的發(fā)展與思考[J]．中國(guó)鐵路，2015(1)：8-10．

[2] 趙文芳．鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展歷程及展望[J]．中國(guó)鐵路，2012(11)：5-10．

[3] 許建明．鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)及展望[J]．中國(guó)鐵路，2014(11)：5-8．

[4] 賈曉紅，季林紅．高速機(jī)車轉(zhuǎn)向架萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，39(8)：49-52．

[5] 郭關(guān)柱．新型閉式液壓驅(qū)動(dòng)六輸入兩輸出走行系統(tǒng)的牽引特性研究[J]．中國(guó)鐵道科學(xué)，2015，36(6)：97-103．

責(zé)任編輯 高紅義

An Experimental Study on Dynamics Difference Between Self-Propelling and Attachment Modes of Large Railway Maintenance Vehicles

XIE Hongbo1，GUO Guanzhu2
（1. Department of Mechanical Equipment，Track Maintenance Division，Chengdu Railway Administration，Chengdu Sichuan 610081，China；2. CRCC High-Tech Equipment Corporation Limited，Kunming Yunnan 650215，China）

Traditionally, the driving force of large-scale railway maintenance vehicles under self-propelling and attachment modes are considered to be equal. This paper takes track snow plows as an example, and carries out an experimental study to examine the dynamics and possible acceleration of the vehicles under both modes. The results show that the larger values of derailment coeff cient, wheel unloading rate and axle lateral force are basically the same under both modes, as the larger values occurred on sections with speed of 25 to 80 km/h and 15 to 70 km/h under individual modes respectively. When the maximum accelerations of the lateral and vertical vibration of the vehicle body under attachment mode are less than those under the other one, under which the maximum vertical vibration acceleration of the vehicle body is 11.28 m/s2, higher than the upper limit of 6.87 m/s2, and the cases where the acceleration is higher than the limit all occur at speeds higher than 110 km/h. Under both modes, the riding indexes of the vehicle body, both of which are superior, are basically the same.

large railway maintenance vehicle；attachment；self-propelling；dynamics；difference

U216.6

A

1001-683X（2017）01-0066-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.01.066

2016-11-17

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2011G017-E）

謝洪波（1973—），男，工程師，本科。

郭關(guān)柱（1973—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士。E-mail：guoguanzhu_616@126.com