锥型踏面和LM磨耗型踏面对大型养路机械动力学性能影响试验分析

陈政南,张天婴,张树鹏

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

轮对踏面是车轮与钢轨的接触部分,世界各国铁路车辆采用的轮对踏面主要有锥型和磨耗型两大类。在我国机车、通用货车和客车均把磨耗型踏面作为标准踏面,TB/T 449—1976《机车车辆用车轮轮缘踏面外形》取消了锥型轮缘踏面外形。大型养路机械以前多参照欧洲经验采用锥型踏面,考虑到今后采购、检修和维护的方便、会逐步停止使用锥型踏面的轮对,而采用LM磨耗型踏面的轮对。

为了研究分析锥型踏面和LM磨耗型踏面对大型养路机械动力学性能的影响,对装用锥型及LM磨耗型踏面轮对的捣固车分别进行了动力学对比试验研究。

1 对比试验简介

对比试验在装用锥型踏面轮对的连续式捣固车以及装用LM磨耗型踏面轮对的道岔捣固车间进行。连续式捣固车和道岔捣固车使用了完全相同的走行部和车体,除了作业结构——捣固头质量稍有差别以外(相差不到200 kg),其他各个机构布置的位置和质量也完全相同,可以认为两辆被试车只有踏面形状的差别。测试用的测力轮对和非测试用的轮对采用相同踏面型式。

试验线路为武汉铁路局管内汉丹线、京广线、南环线,总里程约163 km,测试线况包括直线,R350 m至R800 m曲线以及9#、12#道岔的正、侧向通过等。直线试验速度分为60,70,80,90,100,110,120,130 km/h各等级,曲线通过速度按曲线最高限速,侧向通过9#为30 km/h,侧向通过12#道岔为 45 km/h。

试验中,测力轮对布置在车体两端第一轴上,振动加速度布置在车体两端中梁距新盘1 m以内。试验时进行往返测试,取前进方向数据进行评估。

2 动力学试验数据分析

踏面外形对车辆动力学性能有较大的影响。锥型踏面通过曲线时,产生踏面及轮缘与钢轨的两点接触,而磨耗型踏面进入曲线时始终是一点接触,磨耗型踏面具有更优良的曲线通过能力。锥型踏面锥度相对较小,临界速度相对较高,而磨耗型踏面的等效锥度通常设计得比锥型踏面大,因此在抑制蛇行运动、车体振动方面锥型踏面更有利。

以下对直线高速区段的振动平稳性及侧线、曲线工况的安全稳定性指标脱轨系数和轮轴横向力进行比较分析。测试数据按照GB/T 17426—1998《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法》进行评价。

2.1 直线高速区段振动平稳性

(1)车体横向平稳性指标最大值和平均值

从图1、图2车体1、2位横向振动平稳性指标散点图及表1车体横向平稳性指标平均值可以看出,在运行速度低于100 km/h以下时,装配锥型踏面轮对的连续式捣固车横向振动平稳性能和装配磨耗型踏面轮对的道岔捣固车相似,但当速度超过100 km/h以后,随着速度的进一步提高,锥型平稳性指标增长缓慢,锥型横向振动明显好于磨耗型。

(2)车体垂向平稳性指标和平均值

表1 车体横向平稳性指标平均值

表2 车体垂向平稳性指标平均值

从图3、图4车体1、2位垂向振动平稳性指标散点图及表2车体垂向平稳性指标平均值可以看出,装配锥型踏面轮对的连续式捣固车和装配磨耗型踏面轮对的道岔捣固车随着速度的提高垂向振动平稳指标性都呈现平稳增大趋势,锥型踏面垂向振动平稳性能略好于磨耗型。

(3)轮对踏面的变化引起横向、垂向振动频域范围分析

图1 1位车体横向加速度散点图

图2 2位车体横向加速度散点图

图3 1位车体垂向加速度散点图

图4 2位车体垂向加速度散点图

为更好地体现轮对踏面对车辆动力学特性的影响,对不同方案下车体横向和垂向振动测试数据进行速度—频谱分析,如图5、图6所示。图中蓝色线表示装配磨耗型踏面的轮对,红色线表示装配锥型踏面的轮对。

从图5中可以看出,锥型踏面车体横向主频约为1.22～1.46 Hz,磨耗型踏面车体主频为2.44 Hz,由于踏面型式不同,车体的横向振动主频差别比较明显。

从图6中可以看出,装配锥型踏面轮对的车体垂向振动主频和装配磨耗型踏面轮对车体垂向振动主频相差不大,两种踏面车体垂向振动主频为3.41～3.66 Hz间,没有明显的区别。

2.2 曲线通过的运行稳定性

(1)脱轨系数

1位车体端脱轨系数最大值及平均值和2位车体端脱轨系数最大值及平均值分别如图7、图8所示,其中图(a)为脱轨系数最大值,(b)为脱轨系数平均值。

图5 车体 1位(a)和车体2位(b)横向振动频率

图6 车体 1位(a)和车体2位(b)垂向振动频率

图7 1位车体端脱轨系数最大值及平均值

图8 2位车体端脱轨系数最大值和平均值

车体1位端和2位端分别在前进方向,通过9#,12#侧线、R350 m至R800 m曲线时往返测试数据统计计算得到的脱轨系数最大值和平均值表明,装配磨耗型踏面轮对的道岔捣固车,在以不同速度通过侧线、曲线时脱轨系数的最大值和平均值明显比装配锥型轮对的连续式捣固车要小,脱轨稳定性要好。

(2)轮轴横向力。

车体1位端轮轴横向力最大值及平均值和2位端轮轴横向力最大值及平均值分别如图9、图10所示,其中图(a)为轮轴横向力最大值,(b)为平均值。

图9 1位车体端轴轮轴横向力最大值和平均值

图10 2位车体端轴轮轴横向力最大值和平均值

车体1位端和2位端分别在前进方向,通过9#,12#侧线、R350 m至R800 m曲线时往返测试数据统计计算得到的轮轴横向力最大值和平均值表明,装配磨耗型踏面轮对的道岔捣固车,在以不同速度通过侧线、曲线时轮轴横向力的最大值和平均值明显比装配锥型轮对的连续式捣固车要小,轮轴横向力稳定性要好。

3 结 论

通过以上动力学试验测试数据分析可知,轮对踏面不同型式会影响车辆动力学性能。

(1)在直线高速区段,装配锥型踏面轮对车辆横向运行平稳性明显好于装配磨耗型踏面轮对车辆,而垂向运行平稳性略好于磨耗型踏面。磨耗型踏面车体横向振动主频更趋近于蛇行主频,两种踏面车体垂向振动主频差别不明显。

(2)在通过侧线曲线时,装配磨耗型踏面轮对车辆脱轨系数、轮轴横向力运行稳定性明显好于锥型踏面轮对车辆。

锥型踏面直线运行稳定性好于磨耗型踏面,而磨耗型踏面侧线、曲线通过能力好于锥型踏面,这也正好证明了车辆动力学性能中运行稳定性与曲线通过性能的确是相互矛盾的。这就要求大型养路机械车辆在采用LM磨耗型踏面轮对时,进一步优化车辆动力学性能参数,提升运行品质,能够兼顾运行稳定性与曲线通过性能。

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