高速輪軌關系試驗臺的數字樣機研究

趙 方,王成國

(中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心,北京100081)

輪軌關系問題是軌道交通系統的基礎性問題。輪軌關系試驗臺是研究輪軌關系問題的重要技術裝備。輪軌關系試驗臺按照試驗對象可分為整車試驗臺、轉向架試驗臺、單輪對試驗臺、單車輪試驗臺。按照功能試驗臺可分為滾動試驗臺、振動試驗臺和滾動振動試驗臺。

根據高速鐵路系統試驗國家工程實驗室的建設方案,開展全尺寸單輪對的高速輪軌關系滾動振動試驗臺的數字樣機研究。

與其他類型輪軌關系試驗臺相比,單輪對輪軌關系滾動振動試驗臺具有以下優點:

(1)更專注于輪軌關系的幾何接觸、材料匹配、磨耗、蠕滑等專項研究;

(2)可以進行高速輪對的穩定性試驗和脫軌試驗等動力性能試驗研究;

(3)試驗功能比較全面,性價比高。

1 高速輪軌關系試驗臺的基本技術方案

全尺寸單輪對高速輪軌關系滾動振動試驗臺主要由以下幾部分構成:

(1)軌道輪系統包括軌道輪、軌道輪輪軌測力裝置、軌道輪外圈、軌道輪驅動電機、軌道輪傳動裝置、軌道輪制動盤、附件等組成。

(2)測試輪對系統包括測試輪對、導向梁和懸掛系統、輪對驅動電機、輪對傳動裝置、測試輪對與輪對傳動裝置連接裝置、附件等組成。

(3)液壓激振系統包括必要的液壓源、閥、作動缸、控制元件及管路等,對測試輪對系統動態加載,模擬軌道-車輛在滾動振動情況下輪對運動狀態。

(4)數據測量與控制系統實現試驗數據的采集、處理、存儲和控制。

(5)輪軌接觸界面環境模擬系統用來模擬輪軌接觸表面分別覆蓋水、油脂、沙的情況,系統包括噴水、噴油、撒沙裝置。

(6)龍門架為整個系統提供支撐,其高度可根據測試輪對直徑的大小進行高度調節。

(7)電氣系統為試驗臺提供適配電源,實現電機調速、起停、電制動反饋、機械運動控制和安全監控。系統包括電源裝置、電機調速控制裝置、接觸器、中間繼電器、電氣柜等。

(8)故障應急處理系統可在試驗臺運行出現意外情況時,實現故障報警、緊急停機等功能。以保證試驗臺系統的人員安全和設備安全。

(9)其他輔助設施包括脫軌試驗防護裝置、地基蓋板、通風系統、監視系統等。其總體結構框圖見圖1。

高速輪軌關系試驗臺的主要技術指標如下:

圖1 試驗臺總體結構框圖

最高運行速度:500 km/h;最大軸重:500 kN;橫向載荷:-150～150 kN;軌距:1435 mm;垂向激振最高頻率:15 Hz,最大振幅:±10 mm;橫向激振最高頻率:15 Hz,最大振幅:±10 mm;搖頭激振最高頻率:15 Hz,最大振幅:±6 mm。

2 高速輪軌關系試驗臺的數字樣機

2.1 高速輪軌關系試驗臺機械部分CAD模型的建立

通過CATIA三維建模軟件建立高速輪軌關系試驗臺的機械模型,在建模過程中對試驗臺進行了適當簡化處理,試驗臺機械部分示意圖分見圖2～圖4。

2.2 高速輪軌關系試驗臺機構運動模型的建立

通過MSC.SimDesigner軟件將試驗臺CAD模型導出,然后再將其導入ADAMS/VIEW中加載約束,建立起機構運動模型,其主要約束如下:

(1)軌道輪電機與軌道輪之間采用Revolute Joint約束;

圖2 試驗臺機械部分主視圖

圖3 試驗臺機械部分左視圖

圖4 試驗臺機械部分俯視圖

(2)軌道輪與測試輪對之間采用Contact約束;

(3)輪對電機與測試輪對之間采用Revolute Joint約束;

(4)測試輪對與其左右兩側軸箱之間采用Revolute Joint約束;

(5)左右兩側軸箱與上方導向梁之間采用Translational Joint約束,采用Bushing模擬一系懸掛;

(6)導向梁、龍門架分別與各自一側液壓激振器采用Fixed連接,激振器之間采用Cylindrical Joint約束。

圖5 試驗臺添加約束后

2.3 ADAMS/View中輪軌接觸力計算模型的建立

在試驗臺機構運動模型中,輪軌接觸力計算模型最為重要。

在ADAMS/View中,接觸力計算方法有兩種:一種是恢復系數法(Restitution);另一種是沖擊函數法(Impact)。恢復系數法需要確定兩個參數:懲罰函數(Penalty)和恢復系數(Restitution)。沖擊函數法是根據Impact函數來計算兩個構件之間的接觸力,接觸力由兩部分組成:一個是由兩個構件之間的相互切入而產生的彈性力,另一個是由相對速度而產生的阻尼力。

恢復系數模型是基于沖量理論的。如果能得到準確的材料恢復系數,而材料的剛度和阻尼系數不知道時以及對不連續型接觸問題適合采用該模型。由于它基于沖量定律,其速度場是不連續的,從而加速度不能完全定義,接觸力也就不能完全定義。因此,如果要得到比較準確的沖擊力,或者碰撞速度對接觸行為不起重要影響時(如連續型接觸問題),此時就不適合采用恢復系數模型。

沖擊函數模型用位移、速度來定義接觸力,它可以用在連續型接觸和不連續型接觸兩種情況上;而且,剛度k與材料特性相關物理意義明確;當剛度取值較大造成收斂困難時,可以通過調整穿透深度來改善收斂,計算比較穩定。所以計算沖擊力時要采用該模型。

ADAMS中沖擊函數模型用一個彈簧—阻尼模型來表示,沖擊力函數表示為:

采用Impact沖擊函數法來計算輪軌接觸力,各參數定義對話框如下:

(1)Contact Type:選擇接觸類型。采用Solid to Solid類型,然后再選取接觸構件,見圖6。

圖6 接觸模型的定義

(2)Normal Force:確定接觸力計算方法。各項參數見圖7。

圖7 計算接觸力時需要定義的參數

(3)Friction Force:確定摩擦力計算方法。采用庫侖摩擦定律,各項參數見圖8。

圖8 摩擦力的計算參數

庫侖摩擦定律需要設定4個參數:靜摩擦系數μs、摩擦系數 μd、靜滑移速度vs、動滑移速度vd。

Bochet根據Poiree在里昂鐵路上車輛沿鋼軌滑動的制動試驗數據(試驗時輪軌滑動速度高達22 m/s)得出輪軌動摩擦系數與相對滑動速度的經驗公式:

式中μd為動摩擦系數;μs為靜摩擦系數;vh為滑動速度。

對于非常干燥的鋼軌μs=0.45,對于潮濕鋼軌 μs=0.25。圖9和圖10分別為 μs取上述兩值時摩擦系數與滑動速度的關系曲線。

圖9 干燥狀態

圖10 潮濕狀態

3 應用數字樣機進行高速輪軌黏著性能的數字試驗

3.1 輪軌黏著的數字試驗方案

輪軌黏著數字試驗方案如下:將輪對置于中央位置,在導向梁上施加垂向方向的力,以模擬軸重。軌道輪采用加速度控制方式,由零逐漸加速至試驗速度(參見圖11第1階段)。等到達試驗速度、系統穩定后(參見圖11第2階段),由輪對電機對測試輪對施加一力矩作為驅動力矩,該驅動力矩采用函數控制,從零開始逐漸加大,從而使輪軌間產生黏著力,直至達到黏著極限。此時,輪軌間黏著力達到最大值,即輪軌Contact X方向接觸力達到最大值(參見圖11第3階段)。此時若再加大驅動力矩,則輪軌間黏著條件將被破壞,黏著力反而降低(參見圖11第4階段)。

圖11 輪軌黏著性能的數字試驗

3.2 輪軌黏著數字試驗

試驗工況參數如下:車輪直徑860 mm,LMA踏面外形,軸重14 t,軌道輪外圈采用 CHN60鋼軌廓形,軌距1 435 mm,軌道輪直徑3 m,試驗速度 350 km/h,不考慮軌底坡。

Contact接觸法向力參數取值參見圖7,摩擦系數采用圖9所示干燥狀態下動摩擦系數與滑動速度關系曲線。仿真試驗結果見圖11。

3.3 輪對驅動電機功率大小的選取

在進行黏著試驗,特別是進行干燥、清潔輪軌表面狀態下的黏著試驗時,由于輪軌間的黏著系數較高,產生的輪軌黏著力會很大,因此輪對驅動電機的特性能否滿足試驗要求,必須進行深入的分析。

在無變速傳動裝置,不考慮機械損失的前提下,有

在電機功率為定值(6 000 kW)的情況下,軸重、速度和黏著系數之間有如下關系,見圖12。表1為輪軌黏著計算與試驗結果對比。

圖12 軸重、速度和黏著系數關系

表1 輪軌黏著計算與試驗結果對比

4 結束語

(1)數字樣機已經成為現代科學的重要研究方法。高速輪軌關系試驗臺的數字樣機為輪軌關系試驗臺的建設方案選擇提供技術支持,為關鍵技術參數的優化提供論證手段。

(2)通過數字樣機進行高速輪軌黏著試驗,分析了試驗臺黏著試驗方案的可行性。并通過輪軌黏著數字仿真試驗與理論計算的相互印證,為試驗臺輪對電機的選型提供了參考依據。

(3)目前的數字樣機輪軌接觸力模型還比較簡單,需要進一步改進和完善。

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