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带侧移D型车小曲线轮重减载率分析

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第3O卷第3期 2010年6月 铁道机车车辆 RAII WAY I 0CoM0TIVE&CAR Vo1.30 No.3 Jun. 2010 文章编号:1008—7842(2010 J 03—0032—04 带侧移D型车小曲线轮重减载率分析 熊芯,曲金娟 (中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081) 摘 要 分析了带侧移D型车轮重减载率的特点,总结了各带侧移D型车轮重减载率的情况,并提出了带侧移D 型车适用的轮重减载率限度值。 关键词D型车;轮重减载率;小曲线 文献标志码:A 中图分类号:U270.1 1 目前D型车的发展日新月异,载重量在不断增加, 功能也在不断增多。随着带侧移的大吨位D型车的出 监测的条件下,运输安全性可以得到保障的结论。该车 10年来运行了5O多次约1】万km的大件运输,历次监 现,带侧移D型车通过小曲线时的轮重减载率的评判成 了大家亟待解决的问题。轮重减载率一直以来是参考 通用货车的评判标准GB5599—85《铁道车辆动力学性能 评定和试验鉴定规范》,该标准对于通用车规定的轮重 测结果表明,该车运行平稳,各连接部位可靠。这也进 一步验证了该车的运行安全性是有保障的。 在2003年的I)3。凹底平车试验时专门对小曲线进 行了一次试验。试验速度由3 km/h开始,每2 krn/h 一减载率限度值为0.65。但带侧移的D型车在经过小曲 线时,经常会出现轮重减载率超过0。65的情况,因此使 档,进行了极其详尽的试验,并对试验结果进行了详 细的分析,虽然轮重减载率超过了0.65,但通过对整个 通过曲线的轮轨力关系的分析认为,轮轴横向力指向增 载的一侧,这种特定工况下的减载不会引起车辆的爬轨 可能 。 用0.65的限度将大大制约D型车技术的发展。但限度 值也不能盲目的提高,合适的限度值需要既能保证车辆 的安全又能满足D型车的发展需要,它需要有理论和试 验数据的支持。 1前期研究 鉴于这种情况,在其后的几个带侧移D型车的设计 任务书中将轮重减载率的限值定为0.90。目前对带侧 移D型车通过小曲线时轮重减载率的评判一直使用 1999年D。 型车试验时轮重减载率最大值达到0. 89,当时对轮轨力的试验数据进行了详细分析,提出了 在严格限速、确保装载状态正常、专列运输,并进行安全 熊芯(1 977一)男,湖南湘潭人,助研员(收稿日期;2010—03—24) 0.90的限值,但该限值是否真正符合我国D型车的实 际情况,是否适合我国的国情,对运行安全性的评价是 E13]Bochet 13.Nouvelles Recherches Experimentales Sur le Frotte— ment De GlissementD ̄.Annales des Mines,1981,N38,P27 Research on Digital Prototype of High_Speed Wheel/Rail Relationship Test Rig ZHA0Fang,WANG Cheng guo fRailway Science&Technology Research&Development Center,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China) Abstract:This paper has applied CAE software to research on digital prototype.At first,CAD model of the test rig by CATIA soft— ware is build,and the dynamics mode1 of the test rig has been established in ADAMS multi—body dynamics simulation software.Then the frictional contact model of wheel/rail has been finished by applying multi body friction contact element.At last,numerical adhesion experiment has been done in the digital prototype.The result of simulation provides technical support for technical proj ect and the choice of key technical parameters. Key words:wheel/rail relationship;test rig;high speed railway;digital prototype;adhesion 第3期 带侧移D型车小曲线轮重减载率分析 33 否合理,还需要进一步地研究分析。 对于带侧移的D型车在曲线上由侧移引起的静态 轮重减载率最大可以达到0.50,这使得这类D型车通 过曲线时轮重减载率几乎不可能小于0.65,D。s及其他 带侧移装置D型车的运用情况说明了用0.65的限度 值来考核带侧移的D型车不尽合理。因此有必要对D 型车经过小陆线时的动力学性能进行详细分析,并系统 分析这种情况下的脱轨安全性。 2轮重减载率特点 车长比较长的D型车,为了控制中部的偏移,一般 具有侧移功能。侧移的实现是依靠两个导向销,由于导 向销的存在,当D型车进入曲线后,两个滑动心盘往曲 线外侧移动,同时中部相对往曲线内侧移动,达到控制 中部偏移的目的。但同时,由于载荷是由滑动心盘往下 传递的,因此侧移的同时也导致了左右轮轮重的变化, 曲线内侧轮减载,曲线外侧轮增载。 侧移量与导向销距和曲线半径有关,侧移量近似计 算公式为: A—L x(L—Z)/4R 式中L为滑动心盘距;z为导向销距。 如DK36A落下孔车滑动心盘距为34 m,中导向销 距为24 m,内导向销距为2O.4 m,其曲线半径与偏移 量的关系如图1。则R180 m曲线上的中导向侧移量约 为472 mm;R250 m曲线上内导向侧移量约为 462 mm。D型车的侧移功能达到了控制中部偏移的目 的,同时由于滑动心盘外移导致车辆重心外移,使得带 侧移的D型车通过曲线时的轮重减载率变化有其特殊 的规律。 对于带侧移功能的D型车低速通过小曲线时轮重 减载率主要由以下几个分量构成:重心侧移、曲线超高、 线路扭曲。由于移动心盘侧移导致重心移动,而重心移 图1 DK36A车偏移量与曲线半径关系图 动引起的轮重减载为曲线外侧增载、曲线内侧减载。具 体的轮重减载约为 △P/P==W /(W +W )×(A/b) 式中w /(w +W )为可移动质量比;b是滚动圆跨距 之半。 目前几种D型车的偏移量最大一般不超过500 mm,可移动质量比按0.75,则由侧移引起的曲线内轨 轮重减载率最大值约为0.50。 由于曲线过超高引起的轮重减载为曲线外轨减载、 曲线内轨增载。引起的曲线外侧轮重减载率约为 PfP—Hh/2b 式中H为重心高;h为过超高。 重心为2 400 mm的车辆通过超高140 mm的曲 线,则由超高引起的外侧轮重减载率约为0.30。 由于线路扭曲造成的轮重减载与通用车规律一致, 当左右侧顺坡不一样时,对于导向轴,顺坡小的一侧减 载(需要考虑正负,不是绝对值)。当车辆在入缓和曲 线,或在出缓和曲线上时,左右侧顺坡不相同,将导致轮 重的变化。具体规律在进缓和曲线时,将导致导向轴曲 线内轨减载,而在出缓和曲线时,将导致导向轴曲线外 轨减载。 综合以上3种情况在曲线的各种位置导向轮轮重 减载侧见表1(其中线路扭曲只考虑理想超高设置,不 考虑线路几何不平顺),其实际轮重减载率由三者合成。 表1 带侧移D型车导向轮在各曲线位置轮重减载特点 3试验数据分析 D型车动力学试验时,除了进行普通小曲线试验 外,一般还进行大超高小曲线(140 mm超高,R300 m)。 表2汇总了目前几个典型D型车大超高小曲线和普通 小曲线的试验结果。下述各车中除DK。 落下孔车外其 他车辆的小曲线大超高均在齐齐哈尔油毡,一专用线上 进行。试验结果表明,除DK。 落下孑L车外,其他D型车 大超高小曲线试验时轮重减载率均超过GB5599—85的 0.65的要求,而通过正线R300m曲线时也有约近一半 车型超过0.65。 (1)分析普通小曲线的结果 图2给出了某车通过R299 m衄线的情况。该车 连续通过两个R299 I"I1曲线,第一个为左曲线,超高h一 80 mm,曲线长L一469 m,缓和曲线l 一80 m,Z 一 80 Ill_,第二个为右曲线,超高h一80 mm,曲线长L一 34 铁道机车车辆 第3O卷 表2 D型车轮重减载率试验数据汇总 车型 20 。szn凹底平车 责詈蛊 D。2凹底平车 DQ35钳夹车 0.75 0.89 0.82 0.86 0.88 0.93 0.45 350 t落下孔车 ~ 车:詈 落下孔车 詈 。。e钳夹车 詈 ss0.57 0.75 0.44 0.60 0.77 0.70 0.59 0.80 0.74 落下孔车 O.85 0.52 注 1]试验速度为10 km・h 1。 809 ITI,缓和曲线z1—70 rn,z2—70 m。图中最上面为曲 (1)减载率超限在线路上相同位置出现较大值。 该位置约为40 mm超高进入2‰顺坡的变坡点,此处 变坡率为2%0。此处试验线因受现场条件限制,超高变 化与曲线半径变化不一致,该点为圆曲线但变坡已是最 大值。根据前面的分析,在该点由侧移和线路扭曲引起 的轮重减载率均达到最大值,且内轨的轮重减载是两者 的叠加。 线半径(滞后约70 m),下面依次为左轮横向力、左轮减 载率、右轮横向力、右轮减载率。 可以看出减载率的变化与曲线半径一致,进缓和曲 线内侧轮重减载率逐渐增加,圆曲线上达到最大值,出 缓和曲线时内侧轮重减载率逐渐减小。而由前面的分 析在圆曲线上由于重心侧移将导致内侧减载,而欠超高 可以抵消部分内侧减载,而线路扭曲造成的减载相对较 小,这表明对于普通小曲线由于移动心盘侧移导致的重 (2)从试验结果看导向轴轮重减载率在曲线最大 超高上和超高下降时均不大,只在超高增加时较大。由 结果可以看出,在圆曲线上左轮和右轮的轮重减载率均 心侧移是占主导的,而由于超高和线路扭曲造成的轮重 减载是次要的。 (2)分析小曲线大超高的结果 为±0.2左右,这是因为该轴在最大超高时,由侧移引 起的轮重减载和由超高引起的侧移基本相当。 (3)曲线上由于大车侧移使内轨减载、外轨增载。 而在曲线上超高使内轨增载、外轨减载,因此在圆曲线 上轮重减载率并不大;出曲线时负变坡使导向轴内侧增 载,因此出曲线时导向轴的减载率也不大。而进曲线 时,由于侧移和正变坡的作用使导向轮内轨减载叠加, 因而轮重减载率较大。 综合普通小曲线和大超高小曲线试验,可以认为大 上述各车中除DK。。落下孔车外其他车辆的小曲线 大超高均在齐齐哈尔油毡厂专用线上进行,该线路具有 其自身的特点,并且各车特点相同。该条大超高试验线 路条件如下: 大超高试验线路为油毡厂专用线改造而成,曲线半 径R30O m,超高140 mm,顺坡率1.5%0--2%0。路基均 为混沙,43 kg/m轨,木枕1600根/km。 试验线路设置如图3,缓和曲线长约为30 m,进缓 超高对带侧移D型车轮重减载率的贡献不在于圆曲线 上的超高大小,而是因为在进缓和曲线上其线路扭啦较 和曲线时超高以1.5‰的顺坡到40 mm,由于正处于道 口处,有约70 m长的曲线超高为40 mm(在R300 m圆 曲线上),然后以2‰的顺坡到140 mm,出曲线也分别 是2‰的顺坡到40 mm,然后以1.5‰的顺坡到0 mm。 大。历次D型车试验的线路齐齐哈尔油毡厂专用线的 不合理设置加大了线路扭曲对轮重减载率的贡献。 4轮重减载率限度研究 当曲线内轨减载时,曲线外轨增载,对于脱轨安全 性来说,主要考虑曲线内轨(减载侧)的脱轨安全性。 对于带侧移的D型车,均为曲线的内轨减载,而内 图4给出了典型结果,各试验速度级的多次试验结 果基本一致,如图2中3次试验的轮重减载率变化曲线 基本重合,这说明在10 km/h的试验速度下随机振动 对试验的影响很小,主要影响还在于线路条件。 该线路上的各车试验结果有如下特点: 轨一般为负冲角,曲线越小,负冲角越大。 当正冲角较大时,脱轨极限满足Nadal公式,取a 第3期 带侧移D型车小曲线轮重减载率分析 35 0 如 图2 D型车通过普通小曲线典型波形 —68。; 一0.32; P1 一 卫1+tanal・ 1 一12 .’ ^  : i鲁 \ 撕 1 \ / 线毒/半 // \ \\ \ 对应轮重减载率限度满足下式_3],a 一tan (1/ 20);一般来说,轮缘上的接触点清洁度比滚动圆附近清 洁度差,所以一般 2< ,取 2===0.25; 目 目 \ 一线・ 螺 程 寸 …一 1 / / \ l\  }…-^名—— …… ~ 』 // 超 \ .1嗄 ! 些 ± APP 一 Q1— 一o.6o  l tana2+ 2 … P1’1一tana2・/1。 / i 100 15O 200 .、^^, 250 300 当冲角减小时,脱轨系数极限越大,对应的轮重减 载率极限越大。同时该极限也与摩擦系数有关,但当冲 角为零度时,脱轨系数极限与摩擦系数无关,脱轨极限 约为tana1l 3l,即 一2.47。 对应轮重减载率为 一 里程/m 油毡厂专用线线路设置 呈里 ± ! 二 丝ApP 一 Q— 1 l tana2+ 2 一o78 .P1。1一tana2・ 依据“规范”的放大倍数近似取限度为0.80。 因此,认为可以将带侧移D型车轮重减载率限度 值设为0.80。但此限度只可用于小曲线内侧轮重减载 率,对于目前的几个车型一般最小通过曲线为R250 m 以下,最大侧移量一般控制在500 mm以内,前述分析 图4大超高试验导向轴轮重减载率结果 (试验速度10 km/h) 指出,当可移动质量比仍按0.75,则由侧移引起的曲线 内轨轮重减载率最大值约为0.50,当曲线半径增加到 36 铁道机车车辆 第3O卷 R5OO m时,由侧移引起的曲线内轨轮重减载率减小约 0.25,因此轮重减载率限度可以控制在0.65以内,同时 曲线过大,曲线内轨的冲角越大,甚至有可能为正,此时 再用0.8O的限度值就不合理了,因此考虑适当裕量将 曲线半径不大于600 m的曲线使用0.80的限度。 上”[3],这种设置是不符合这个要求的,前述分析又表 明,这种设置是造成轮重减载较大的重要原因。分析图 4的情况,如果将这项因素扣除应该能使轮重减载率限 制在0.80的范围内;同时,DK。。落下孔车内导向正线 最大值0.66,大超高时最大值0.54,该试验线路是在线 路设置符合要求的正线进行,试验结果就完全符合0.80 的限度要求,这进一步验证了油毡厂大超高试验时线路 △P,f0.8O (R≤600 m曲线,适用于曲线内轨) P 、【0.65(其他工况) 5对原有车型评判 (1)正线小曲线试验的8种车各导向中的试验结 不合格是轮重减载率超限的重要原因,在正常线路下应 该能使轮重减载率在0.80的限度范围内。 6 结论 果仅有两车内导向的轮重减载率超过0.8O,分别为 DK 落下孔车内导向0.88,D。。钳夹车内导向0.89。 对DK 落下孔车内导向的情况进行仔细分析发 现,试验时超过0.80的共计4处,均出现在R3OO m曲 线,且每处仅超限一点。试验时对此段线路进行了往返 对于带侧移的D型车轮重减载率有如下特点:曲 线内侧轮重减载;内侧为轮缘贴靠侧。 对于带侧移D型车,通过R6OO m以内曲线时,提 出了0.80的轮重减载率限度值,该限度值可以保证运 行安全性,同时现有各带侧移D型车在线路条件满足 拉锯试验,出现超限的位置不重复。考虑到在试验了约 200 km的试验线路仅出现了4个单点,且重复试验时 超限点不重复出现,因此认为这4个大值是一种比较偶 然的情况,应结合试验时的具体线路情况进行单独分 要求的情况下基本能满足该限度值。 参考文献 E1]铁道科学研究院.320 t凹底平车小曲线及大超高动力学 性能试验研究报告2003年机研字第23号JR].2003. 析,该车除去这4个点,其他情况均符合本文提出的 0.8O的限度值。 [2]松尾雅树.轮对脱轨极限[c]//铁路行车安全译文集.铁 道部科学研究院.1 998. [3] 中华人民共和国铁道部.铁运[2oo1]23号.铁路线路维 修规则[s].中国铁道}lJ版社.2001. [4]GB5599—85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 (2)对于大超高的情况,由于各车基本在同一条线 路上进行,分析已表明,该线路因受现场条件限制,超高 变化与曲线半径变化不一致,曲线超高顺坡在圆曲线上 进行,而对曲线超高顺坡的要求是“曲线超高应在整个 Es].北京:叶1国铁道出版社,1986. 缓和曲线内顺完,如缓和曲线不足,顺坡可延伸至直线 Analysis of the rate of wheel load reduction of D type freight car with lateral sway XIoNG Xi,QU Jin—Juan (I.ocomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China) Abstract:The rate of whee1 load reduction of D type freight car with lateral sway is analyzed,the testing result of each D type freight car’s the rate of whee1 load reduction is summarized,and the appropriate limited criterion of the rate of wheel load reduction is put for— ward. Key words:D type freight car;rate of wheel load reduction;small radius curve 毒 菩 苕 鱼 鱼乏 苕鱼 重要更正 本刊2010年第2期11页右栏正文第14行 原为:“该车刚度符合澳方要求的AAR刚度标准,”。 现更正为:“该车刚度符合澳方要求的ARA刚度标准,”。 

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