形位誤差對(duì)三大件式轉(zhuǎn)向架曲線通過性能影響分析*

王 萌，隋順琦，高賢波，凌 亮

（1 神華鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100120；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

三大件轉(zhuǎn)向架通過交叉支撐裝置側(cè)架彈性固定，使轉(zhuǎn)向架保持正位狀態(tài)。在車輛實(shí)際運(yùn)用過程中側(cè)架導(dǎo)框的中心會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)進(jìn)而導(dǎo)致輪對(duì)的定位中心偏差，這種偏差稱為形位誤差。目前，關(guān)于形位誤差對(duì)三大件轉(zhuǎn)向架曲線通過性能影響的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)［1］研究了獨(dú)立輪對(duì)安裝偏差對(duì)輪緣磨耗及輪軌橫向力的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［2］基于現(xiàn)場試驗(yàn)研究表明車軸不平行度對(duì)車輛運(yùn)行阻力及車輪磨耗的影響。池茂儒［1-2］研究了形位誤差狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力以及形位誤差對(duì)行車安全性、穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)輪對(duì)偏角對(duì)穩(wěn)定性的影響將其劃分為易穩(wěn)定區(qū)、欠穩(wěn)定區(qū)和亞穩(wěn)定區(qū)。沈鋼［3-4］分析了直線線路條件下形位誤差對(duì)三大件轉(zhuǎn)向架運(yùn)行特性的影響，提出了正位偏差的測量方法。王衛(wèi)東［5］分析了鐵道車輛轉(zhuǎn)向架裝配誤差對(duì)鐵道車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和輪軌動(dòng)作用力的影響。丁軍君［6］分析了初始安裝偏轉(zhuǎn)角、輪徑差對(duì)車輪磨耗的影響。文獻(xiàn)［7］研究軸距誤差對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，并指出廣深線試驗(yàn)中轉(zhuǎn)臂式軸箱定位方式導(dǎo)致輪對(duì)偏磨。文中采用某型貨車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，分析不同形位誤差對(duì)三大件轉(zhuǎn)向架曲線通過性能的影響。

1 形位誤差常見形式

車輛實(shí)際運(yùn)營過程中，形位誤差的表現(xiàn)形式雖然各不相同，如圖1所示，但基本都可由圖1的4種典型形式組合得到。圖1（a）~（d）依次為：前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)、后輪對(duì)偏轉(zhuǎn)、前后輪對(duì)同向偏轉(zhuǎn)、前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)。

圖1 形位誤差種類

2 仿真分析

2.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

基于SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件建立某型貨車動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。車輛及線路設(shè)置見表1，車輪踏面為LM型踏面，軌道為60 kg/m鋼軌，線路為400 m半徑曲線，為分析形位誤差對(duì)車輛曲線通過性能影響，線路未施加不平順。車輛前轉(zhuǎn)向架設(shè)置形位誤差，計(jì)算不同形位誤差下車輛以不同的速度惰行通過曲線，分析前轉(zhuǎn)向架曲線通過性能指標(biāo)最大值隨速度、形位誤差動(dòng)態(tài)演變特性。

表1 車輛及線路設(shè)置

圖2 貨車動(dòng)力學(xué)模型

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1形位誤差與線路方向相對(duì)關(guān)系

為分析曲線線路條件下線路方向與形位誤差偏轉(zhuǎn)方向相對(duì)關(guān)系對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響，以前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)為例，計(jì)算對(duì)稱工況條件下車輛動(dòng)力響應(yīng)，工況設(shè)置見表2。

表2 工況設(shè)置

對(duì)稱工況下一位輪對(duì)輪軌垂向力、橫向力時(shí)程曲線如圖3、圖4所示，對(duì)比可知，對(duì)稱條件下2種工況的輪軌力完全一致。轉(zhuǎn)向架前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)0.3°通過右曲線時(shí)，右輪輪軌力與前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)-0.3°通過左曲線時(shí)的左輪輪軌力一致，左輪反之。因此對(duì)稱條件下可視為同一工況，后續(xù)計(jì)算中以右曲線為例。

圖3 輪軌垂向力

圖4 輪軌橫向力

2.2.2形位誤差對(duì)曲線通過性能影響

（1）前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)

對(duì)于前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差，一位輪對(duì)偏轉(zhuǎn)由-0.4°~0.4°。形位誤差為負(fù)表示一位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，形位誤差為正表示一位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下，曲線通過性能指標(biāo)隨速度、偏角變化如圖5所示。由圖5可知，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力隨速度變化相對(duì)較??；一位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.1°時(shí)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力3項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最小，一位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0°~0.1°范圍內(nèi)輪軸橫向力達(dá)到最小，隨偏轉(zhuǎn)角進(jìn)一步增大或減小4項(xiàng)指標(biāo)均有不同程度增加。車輛運(yùn)行速度超過70 km/h、前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)達(dá)到0.2°，輪重減載率、輪軸橫向力分別隨速度和偏轉(zhuǎn)角的增大而顯著增加。

圖5 前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差對(duì)曲線通過性能指標(biāo)影響

當(dāng)三大件式轉(zhuǎn)向架存在前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差，一位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.1°通過右曲線時(shí)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力更小，更有利于曲線通過。

（2）后輪對(duì)偏轉(zhuǎn)

對(duì)于后輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差，二位輪對(duì)偏轉(zhuǎn)由-0.4°~0.4°。形位誤差為負(fù)表示二位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，形位誤差為正表示二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

后輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差下，曲線通過性能指標(biāo)隨速度、形位誤差變化如圖6所示。由圖6可知，后輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.1°~0.2°（-0.1°~-0.2°）范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對(duì)較小且隨速度先減小后增大。后輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)超過0.2°、運(yùn)行速度達(dá)到60 km/h時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力分別隨速度、偏轉(zhuǎn)角的增大而顯著增加。后輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，輪重減載率變化相對(duì)較??；后輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.3°時(shí)，輪軸橫向力達(dá)到最小。

圖6 后輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差對(duì)曲線通過性能指標(biāo)影響

當(dāng)三大件式轉(zhuǎn)向架存在后輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差，二位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時(shí)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力更小，二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.3°時(shí)，輪軸橫向力更小。

（3）前后輪對(duì)同向偏轉(zhuǎn)

對(duì)于前后輪對(duì)同向偏轉(zhuǎn)形位誤差，一、二位輪對(duì)偏轉(zhuǎn)由-0.4°~0.4°。形位誤差為負(fù)表示一、二位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)；形位誤差為正表示一、二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

前后輪對(duì)同向偏轉(zhuǎn)形位誤差下，曲線通過性能指標(biāo)隨速度、形位誤差變化如圖7所示。由圖7可知，前后輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.15°至順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.3°（-0.15°~0.3°）范 圍 內(nèi) 脫 軌 系 數(shù)、輪 軌 橫 向 力相對(duì)較小且隨速度增大先減小后增大。前后輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.1°~0.2°范圍內(nèi)輪重減載率、輪軸橫向力相對(duì)較小。前后輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)超過0.15°、運(yùn)行速度達(dá)到60 km/h時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪軸橫向力分別隨速度、偏轉(zhuǎn)角的增大而顯著增加。

圖7 前后輪對(duì)同向偏轉(zhuǎn)形位誤差對(duì)曲線通過性能指標(biāo)影響

當(dāng)三大件式轉(zhuǎn)向架存在前后輪對(duì)同向偏轉(zhuǎn)形位誤差，前后輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪重減載率、輪軸橫向力相對(duì)更小，更有利于曲線通過。

（4）前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)

對(duì)于前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)形位誤差，一、二位輪對(duì)偏轉(zhuǎn)由-0.4°~0.4°。形位誤差為負(fù)表示一位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)、二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)；形位誤差為正表示一位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)、二位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)形位誤差下，曲線通過性能指標(biāo)隨速度、形位誤差變化如圖8所示。由圖8可知，前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)0°~0.1°范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對(duì)較小，隨偏轉(zhuǎn)角增大而增大。前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)-0.1°~0.1°范圍內(nèi)輪重減載率相對(duì)較小。一位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)、二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)（即前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)角小于0）狀態(tài)下通過曲線時(shí)輪重減載率對(duì)速度、偏轉(zhuǎn)角變化更敏感。一位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)、二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，輪軸橫向力相對(duì)較小，前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)角-0.25°通過曲線時(shí)，輪軸橫向力達(dá)到最小。

圖8 前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)形位誤差對(duì)曲線通過性能指標(biāo)影響

當(dāng)三大件式轉(zhuǎn)向架存在前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)形位誤差，前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)0°~0.1°范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對(duì)較?。灰晃惠唽?duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)、二位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時(shí)，輪重減載率相對(duì)更小；一位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)、二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時(shí)，輪軸橫向力相對(duì)更小。

3 結(jié)論

文中分析了不同種類形位誤差的分布方式對(duì)三大件式轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)曲線通過的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）形位誤差分布方式對(duì)三大件式轉(zhuǎn)向架曲線通過性能有較大影響，不同種類形位誤差對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過的影響規(guī)律有所不同。

（2）對(duì)于前輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差，一位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.1°通過右曲線時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軸橫向力更小，更有利于曲線通過。

（3）對(duì)于后輪對(duì)偏轉(zhuǎn)形位誤差，二位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力更小，二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0.3°時(shí)，輪軸橫向力更小。

（4）對(duì)于前后輪對(duì)同向偏轉(zhuǎn)形位誤差，前后輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪重減載率、輪軸橫向力相對(duì)更小，更有利于曲線通過。

（5）對(duì)于前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)形位誤差，前后輪對(duì)反向偏轉(zhuǎn)0°~0.1°范圍內(nèi)脫軌系數(shù)、輪軌橫向力相對(duì)較??；一位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)、二位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時(shí)，輪重減載率相對(duì)更小，一位輪對(duì)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)、二位輪對(duì)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)通過右曲線時(shí)，輪軸橫向力相對(duì)更小。