抬輪器對工程車過道岔動力學(xué)性能的影響

秦曉特， 黃志輝， 楊鴻泰

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著車輛運行速度的提高及載重量的增大，車輛上的一些零部件會發(fā)生裂紋、折斷等故障，特別是輪軸故障，輕者會造成列車晚點或途中甩車，重者可能造成車輛脫軌或列車顛覆等重大鐵路交通事故。車輛在運行過程中發(fā)生輪軸故障時，一般處理辦法為在輪對上打油拖行，爭取盡快使故障車輛脫離現(xiàn)場，以減少對線路上其他運行車輛的行車影響。由于此種救援方式不涉及專用救援器具，具有一定的優(yōu)勢，但不可避免會出現(xiàn)很多的問題：①采用輪軸打油拖行的運行方式，輪軌之間易發(fā)生干摩擦，對車輪和鋼軌會造成較大的磨損；②為了保證車輛的運行安全，車輛以拖行的方式運行時，直線速度不能超過25 km/h，側(cè)向過道岔速度不能超過15 km/h，運行速度較低。

鐵路車輛輪軸故障抬輪器是一種拼裝式的專用救援設(shè)備，主要由側(cè)架、輪組、支撐軸及緊固部件等幾部分組成，可以安裝在輪軸故障的輪對下，代替輪對運行，此裝置結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、易操作，車輛安全性和速度都得到提高，但由于車輛在添加抬輪器后，抬輪器與輪對固接在一起，故障輪對被抬高，整車動力學(xué)性能變差，尤其是在車輛過道岔時，車輛脫軌的可能性大大增加，因此對車輛安裝抬輪器后過道岔的安全性進行研究具有重要意義。

1 輪軸故障救援設(shè)備抬輪器

1.1 抬輪器工作原理

先利用1到2臺千斤頂從輪對車軸中部將故障輪對頂起，放置2個抬輪器在鋼軌上，使支撐軸輪緣槽對準(zhǔn)故障輪對輪緣，然后松開千斤頂卸載閥，將故障輪對落在抬輪器上，最后利用緊固螺栓將故障輪對車輪左右固定，使得故障輪對和抬輪器連接成一體，兩側(cè)的抬輪器代替故障輪對走行，鐵路車輛輪軸故障抬輪器如圖1所示。

圖1 鐵路車輛輪軸故障救援抬輪器

1.2 一位輪對升高高度計算

由于抬輪器在工作時會將輪對抬高，且抬輪高度會伴隨車輪磨耗而降低，因此需要分析抬輪器與輪對的幾何關(guān)系，計算此高度，以便確定動力學(xué)建模時輪對的重心高度。一位輪對相較于其他輪對發(fā)生故障時，車輛的動力學(xué)性能最為惡劣，因此選擇在一位輪對下添加抬輪器，對車輛進行安全性分析。工程車新車車輪半徑R為420 mm，磨耗極限為393 mm，支撐軸軸徑r為40 mm，支撐軸軸心到車輪對稱中心線垂線距離L為228 mm，支撐軸軸心距軌面高度h為96 mm，抬輪器結(jié)構(gòu)圖及一位輪對升高高度計算圖如圖2、圖3所示，通過分析抬輪器與一位輪對的幾何關(guān)系可得

圖2 抬輪器結(jié)構(gòu)圖

圖3 一位輪對升高高度計算圖

cosα=L/(R+r)

(1)

β=α

(2)

sinβ=h/l

(3)

H=(R+r+l)sinβ-R

(4)

式中,α為支撐軸軸心和車輪輪心連線與過支撐軸軸心向車輪對稱中心線所作垂線形成的夾角；β為α的同位角；l為支撐軸軸心與車輪輪心連線延長至軌面的延長線長度；H為一位輪對被抬高高度(一位輪對車輪踏面距軌面高度)。將新車車輪半徑及磨耗極限半徑分別代入，解得一位輪對升高高度分別為75、71 mm，為保留一定余量，動力學(xué)建模時一位輪對升高高度取60、70、80、90 mm。

2 輪軸故障工程車過道岔動力學(xué)模型

2.1 輪軸故障工程車動力學(xué)模型

在工程車發(fā)生故障時，抬輪器代替故障輪對承擔(dān)走行功能，故障輪對單側(cè)車輪和抬輪器之間通過2個支撐軸、4個緊固螺栓連接在一起，總共有6處連接。為簡化建模，將抬輪器2個側(cè)架、4個緊固螺栓、2個支撐軸簡化為1個平板支撐結(jié)構(gòu)，平板支撐結(jié)構(gòu)將前后兩輪軸連接構(gòu)成抬輪器，且在支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置鉸接連接故障輪對單側(cè)車輪，結(jié)構(gòu)簡化圖如圖4所示。此時，一位故障輪對相當(dāng)于一個軸橋，連接左右兩側(cè)抬輪器，但由于抬輪器單個輪軸結(jié)構(gòu)只有旋轉(zhuǎn)自由度，因此不同于獨立旋轉(zhuǎn)車輪，抬輪器工作狀態(tài)下動力學(xué)模型如圖5所示(圖中車輪與板的外形僅用于示意，其外形的干涉并不影響動力學(xué)的計算)。

圖4 結(jié)構(gòu)簡化圖

圖5 抬輪器工作狀態(tài)下動力學(xué)模型

利用SIMPACK軟件建立輪軸故障工程車動力學(xué)模型，包括1個車體、前后2個構(gòu)架、3個正常輪對、1個故障輪對、8個軸箱、4個抬輪器車軸、4個抬輪器車輪、2個支撐結(jié)構(gòu)共計25個剛體，軸箱采用雙拉桿軸箱定位方式，軸箱兩側(cè)各設(shè)置1組圓鋼簧，車體采用心盤承載，兩側(cè)設(shè)常接觸橡膠旁承，并設(shè)置抗蛇行減振器，車體、構(gòu)架、正常輪對及故障輪對均考慮伸縮、橫移、沉浮、側(cè)滾、點頭、搖頭6個自由度，軸箱考慮點頭自由度，抬輪器單個輪軸考慮點頭自由度，整車共計54個自由度，輪軸故障工程車拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 輪軸故障工程車拓?fù)鋱D

2.2 道岔動力學(xué)模型建立

道岔是一種使機車車輛從一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設(shè)備，在道岔大部分區(qū)域內(nèi)，其軌道截面外形會隨線路長度發(fā)生變化，由此形成的軌道不平順使得車輛通過道岔時動力學(xué)性能比較差。車輛側(cè)向過道岔時，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)，車輪會與尖軌、轍叉和護軌發(fā)生強烈的沖擊作用，輪軌作用力相比于車輛正向過道岔和其他區(qū)間線路較大，過道岔的行車安全性是衡量抬輪器性能的關(guān)鍵因素之一[1-2]。

采用9號右開固定轍叉心軌道岔結(jié)構(gòu)，尖軌長12.4 m，導(dǎo)曲線軌長12.9 m，轍叉長4.3 m，導(dǎo)曲線半徑為180 m，車輛過道岔時依次通過尖軌、導(dǎo)曲線軌、有害空間、轍叉區(qū)，最終回到基本軌上，道岔結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。為了準(zhǔn)確將道岔模型在SIMPACK中擬合出來，在道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)擬合了7個截面，在轍叉及護軌區(qū)也擬合了7個截面，其道岔區(qū)關(guān)鍵截面廓形如圖8所示。

圖7 道岔結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 道岔尖軌及轍叉區(qū)部分?jǐn)M合廓形

3 輪軸故障工程車過9號道岔動力特性分析

輪軸故障工程車過道岔主要是安全性問題，9號道岔限速為30 km/h，輪軸故障車輛在一位輪對抬高60、70、80、90 mm時分別以10、20、30 km/h側(cè)向過道岔后，一位輪對左側(cè)抬輪器前輪脫軌系數(shù)如圖9所示，二位輪對左側(cè)車輪脫軌系數(shù)如圖10所示。其中左側(cè)抬輪器前輪在過尖軌和轍岔時，脫軌系數(shù)峰值存在短時超過限值1.2的情況，但持續(xù)時間均不超過0.05 s，不滿足GB/T 17426—1998中計算脫軌系數(shù)時，橫向力作用時間應(yīng)大于0.05 s的要求，因此脫軌系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 一位輪對左側(cè)抬輪器前輪脫軌系數(shù)

圖10 二位輪對左側(cè)車輪脫軌系數(shù)

在輪軸故障工況下由于抬輪器代替故障輪對承擔(dān)走行、承載功能，一位輪對輪重減載率計算不同于其他輪對，輪重減載率計算公式

(5)

PL=P1+P3

(6)

PR=P2+P4

(7)

在輪軸故障輪對抬高60、70、80、90 mm，車輛以10 km/h側(cè)向過道岔時，由于速度不高，一、二位輪對輪重減載率整體峰值數(shù)值低，性能好，受到道岔激擾后波動較??；車輛以20 km/h側(cè)向過道岔時，一位輪對輪重減載率整體峰值數(shù)值提高，通過道岔后，輪重減載率出現(xiàn)輕微的波動，而二位輪對輪重減載率整體變化不大；車輛以30 km/h側(cè)向過道岔時，由于車輛運行速度的增高，且在道岔的激擾作用下，一、二位輪對輪重減載率均出現(xiàn)了明顯波動，但隨著車輛運行距離的增加，波形逐漸收斂，輪重減載率逐漸降低。在輪軸故障輪對抬高60 mm，車輛以30 km/h側(cè)向過道岔尖軌時，一位輪對輪重減載率出現(xiàn)最大值0.61，但不超過限值0.65，輪重減載率滿足GB/T 17426—1998要求，一位輪對輪重減載率如圖11所示，二位輪對輪重減載率如圖12所示[4-6]。

圖11 一位輪對輪重減載率

圖12 二位輪對輪重減載率

為進一步了解抬輪器及抬輪高度對工程車過道岔動力學(xué)性能影響，設(shè)置了正常工程車過道岔的工況，并設(shè)置抬輪器抬輪高度為5、10、40、80、120 mm輪軸故障工程車過道岔的工況，保持車輪半徑420 mm不變，車輛以30 km/h過道岔，一位輪對左側(cè)抬輪器前輪脫軌系數(shù)如圖13所示，一位輪對輪重減載率如圖14所示。由圖13可見，在不同的抬輪高度下脫軌系數(shù)曲線趨勢相似，抬輪器的抬輪高度對車輛脫軌系數(shù)影響并不明顯，但相比于正常工程車過道岔，添加了抬輪器的故障工程車脫軌系數(shù)明顯增大，在車輛過尖軌、轍叉時脫軌系數(shù)峰值存在短時超過限值1.2的情況，但持續(xù)時間均不超過0.05 s，脫軌系數(shù)滿足GB/T 17426—1998要求。

圖13 一位輪對左側(cè)抬輪器前輪脫軌系數(shù)

圖14 一位輪對輪重減載率

由圖14可見，在輪軸故障工程車添加抬輪器后，相比于正常工程車過道岔輪重減載率變化不明顯，但輪軸故障工程車在抬輪高度為40、80、120 mm時，一位輪對受到道岔激擾后，輪重減載率波動較為明顯，且波幅較大，而在抬輪高度為5、10 mm時，由圖14中局部放大圖可見，受到道岔激擾后，輪重減載率波動幅值較小，收斂較快，在一定程度上較低的抬輪高度對工程車的動力學(xué)性能有益。

4 結(jié)論

通過建立正常工程車、輪軸故障工程車、抬輪器、9號右開道岔模型，對輪軸故障工程車通過9號右開道岔性能進行分析，比較分析了輪軸故障工程車在一位輪對被抬高60、70、80、90 mm時分別以10、20、30 km/h側(cè)向過道岔時，一位輪對左側(cè)抬輪器前輪的脫軌系數(shù)、二位輪對左側(cè)車輪的脫軌系數(shù)以及一、二位輪對的輪重減載率，并且分析了正常工程車和輪軸故障工程車一位輪對被抬高5、10、40、80、120 mm以30 km/h側(cè)向過道岔時，一位輪對左側(cè)抬輪器前輪的脫軌系數(shù)和一位輪對的輪重減載率，得出以下結(jié)論：

(1)工程車在一位輪對發(fā)生輪軸故障時，放置抬輪器后能以10、20、30 km/h側(cè)向安全通過9號右開道岔。

(2)輪軸故障工程車在放置抬輪器后以30 km/h側(cè)向過道岔，相比于正常工程車以此速度過道岔，脫軌系數(shù)明顯增加，而輪重減載率則變化較小。

(3)輪軸故障工程車在一位輪對被抬高60、70、80、90 mm時，過道岔的速度對輪軸故障車輛的動力學(xué)性能影響較為明顯，而抬輪高度則對其影響較小。

(4)輪軸故障工程車以30 km/h側(cè)向過道岔，在抬輪高度5、10 mm時，一位輪對輪重減載率波動較小，收斂較快；抬輪高度為40、80、120 mm時，一位輪對輪重減載率波動較大，收斂較慢，說明較低的抬輪高度在一定程度上對輪軸故障工程車過道岔動力性能有益。