铁路货车多轴转向架研究论文

国际铁道车辆系统动力研究新进展瑞士Bombar山er公司，研究了采用耦合轮对机车转向架的曲线通过和稳定性优化问题。众所周知，在传统的车辆设计中，曲线通过和稳定性是一对矛盾。研究人员曾采用多种方法试图同时提高这2种基本性能，该文针对机车轮对要传递牵引力的情形，开发了一种轮对交叉耦合机构，可以分离轮对导向和牵引力传递功能，并在瑞士联邦铁路公司460系列机车上成功应用，其车轮旋削周期较以前延长3倍一4倍。 美国运输技术中心(TTCl)H．Wu研究了货车转向架心盘摩擦对曲线通过和横向稳定性的影响，并对目前采用的心盘润滑材料进行了评价。主要结果如下：(1)在正常的车辆和轨道状态下，心盘润滑条件对轮轨横向力影响很小； (2)对于采用滚动接触旁承(RSB)的货车而言，心盘摩擦因数对车辆横向稳定性有重要影响，为了降低货车蛇行危险，心盘摩擦因数最小不能低于0．3； (3)常接触旁承(CCSB)可以有效地改善货车横向稳定性，于采用常接触旁承的货车来说，心盘摩擦对车辆失稳速度影响很小； (4)仿真结果显示，常接触旁承较滚动接触旁承平均提高蛇行失稳速度约16km凡；(5)聚酯作为心盘摩擦材料具有良好的应用前景。 此外，澳大利亚昆士兰中央大学的Y．Handoko等利用VAMPIRE软件首次研究了非对称制动力对货车曲线通过性能的影响。他们简单地采用正负摇头力铁道车辆 第42卷第1期2004年1月矩来模拟非对称制动力的作用。结果表明，货车通过曲线时若施加负的摇头力矩将增大冲角和轮轨横向力，不利于曲线通过。2车辆运动稳定性研究进展 车辆非线性运动稳定性属于理论性很强的研究领域，甚至涉及浑沌、分叉等深层次概念。近2年国际上对此专题的研究仍以理论研究为主，但出现了一些新观点，如曲线上的运动稳定性、轨道体系对车辆运动稳定性的影响等。 丹麦工业大学H．True等在转向架非线性运动稳定性及分叉研究的基础上进一步分析了具有干摩擦悬挂阻尼货车轮对的动力学稳定性问题。 澳大利亚F．Xia和丹麦工业大学H．Tme研究了三大件式货车转向架的动力学问题，其主要特点是考虑了楔块二维干摩擦特性(以前均简化为一维问题)，计算出了三大件式货车转向架的线性和非线性临界速度分别为102．6km凡和73．8km凡。计算结果说明三大件式货车转向架呈现浑沌运动。 澳大利亚Y．Q．Sun等强调在货车蛇行运动稳定性计算中考虑轨道离散支承模型的重要性。结果表明，考虑粘弹性轨道模型计算得出的蛇行失稳临界速度要低于不考虑轨道模型(即“刚性”轨道)之值，一般低10％以下。值得指出的是，这一工作早在2年前已由中国西南交通大学完成[：，引。他们采用车辆—轨道耦合动力学方法求解车辆临界速度，其结果是，采用中国的铁路参数，车辆临界速度差异在8％以下(考虑实际轨道弹性结构时临界速度更低)，结果是类似的。该项研究结果对经典的车辆动力学计算方法(不考虑轨道结构弹性)中车辆临界速度的计算提出了质疑。因为经典方法会过高地估计车辆运行稳定性，因而是偏于危险的。 德国DLR的J．Arn01d等探讨了考虑车轮弹性对铁道车辆运行性能的影响，认为轮对结构弹性会导致较刚性轮对更大的横向振幅，因而也会影响到整车的运行性能。 波兰华沙技术大学K．noinski等认为，考虑铁道车辆在曲线轨道上的运动稳定性是必要的。而在此之前人们研究车辆运动稳定性问题一般是针对直线轨道上车辆自激振动横向稳定性，曲线轨道(半径及超高等)被认为是一种外界激扰源而抑制了自激振动，因此该文必将引起一定争论。 德国G．Schupp从理论上讨论了机械系统数值分叉分析方法在铁道车辆运动稳定性中的应用可能性。3．2国外应用情况 纽约地铁l 080节新车厢，每年补充200节新车厢；美国、加拿大、南非等国重载货物列车数千辆；美英国道比AEA铁路技术公司J．R．Evans等针对近年来英国铁路愈来愈严重的轮轨滚动接触疲劳(RCF)问题，从车辆动力学角度分析RCF产生的原因及防止途径。首先开展了准静态曲线通过仿真分析，给出了车辆悬挂设计、轮轨踏面、润滑及车速等因素对轮轨滚动接触疲劳的影响关系；其次，进行了动力学仿真分析，这更有助于确定引起RCF的接触条件，并可分析轨道几何不平顺对RCF的影响。 南非SPOORNET的R．Frohling等从理论分析和运用经验方面介绍了大轴重(30t)条件下车轮踏面磨耗及滚动接触疲劳问题。该项研究主要是结合在瑞典运营的新型货车UNO所出现的车轮磨耗严重及踏面剥离损伤问题而开展的理论分析工作，最后提出了对车轮型面重新设计的方案。 此外，法国J．B．Ayabse和H．C1＼011et对半赫兹条件下轮轨接触斑的求解方法进行了研究。英国I．Persson等采用遗传算法对铁路车轮型面进行了优化，并认为该方法可以用于钢轨断面优化及轮轨型面匹配研究。4 车辆系统动力学其他领域研究进展 在本届国际会议上尚有其他一些与车辆系统动力学相关的论文进行了宣读、交流，主要包括车辆悬挂(主动)、弓网动力学及车辆空气动力学等几个方面。相对而言，这些方面的论文数量较少，但也展示了铁路车辆系统动力学研究中的一些新问题。4．1 车辆悬挂 日本M．Adac山为了同时提高车辆曲线通过性能和运动稳定性，在车辆二系悬挂中增加了辅助弹簧(横向弹簧)，采用VA朋PIRE软件进行了动态仿真，结果显示，该措施可以减小高速曲线通过时车体稳态横向加速度。 中国西南交通大学邬平波等采用柔性车体模型并 考虑半主动悬挂研究了客车的动力学响应。车体模型考虑了一阶垂弯、一阶横弯和一阶扭转模态，车辆其他部件仍视为刚体。计算比较了刚体和柔性车体模型下车体的垂向、横向平稳性指标，并利用滚动振动试验台进行了半主动悬挂试验。 日本H．nunashima等试图采用二系主动悬挂来改善A(>T(自动轨道运输)车辆的乘坐舒适性。采用Ho控制理论实现横向力的主动控制，仿真结果显示A(订车辆乘坐舒适性可以得到明显提高。4．2 弓网动力学 瑞典P．Harell等针对多受电弓受流情形，研究了接触网区段叠合(图8)对弓网动力学的影响，此项研究此前未见报道。接触网叠合区 意大利S．Bru山等讨论了受电弓—接触网系统的中频、高频动态相互作用，主要分析了弓网接触力与离线之间的关系、吊杆对接触力的影响以及接触导线不规则磨耗的成因等问题。4．3 空气动力学 意大利F．Cheli等采用数值仿真和风洞试验的方法研究了给定风场下作用于铁道车辆车体上的空气动载荷及其相应的车辆响应。 日本铁道综合技术研究所M．Suzuh等采用运行试验和数值分析方法研究了列车在隧道中运行时车辆振动与空气动作用力的相互作用，以及减轻空气动力所导致的附加振动的对策。5 车辆系统动力学研究展望 综上所述，近2年来国际上铁道车辆系统动力学研究进展显著，特别是在提高车辆曲线通过性能、提高车辆运行稳定性和解决车辆微道相互作用实际问题等方面研究十分活跃，研究出许多新方法和新技术。结合这些研究进展，笔者认为今后在以下方面将会引国际铁道车辆系统动力学研究新进展 翟婉明起普遍关注并得到进一步发展： (1)随着列车向快速化及高速化方向发展，综合解决车辆直线运动稳定性和曲线通过性能的方法、途径和技术措施将会继续成为广大铁路研究人员研究的热点之一。 (2)主动控制技术是改进铁路机车车辆运行品质的有效方法，在铁路发达国家已得到广泛应用。然而，随着铁路运输与航空、公路运输竞争的进一步激化，不断提高列车运营速度并同时提高乘坐舒适性已成为现代铁路追求的目标。而实现这一目标的手段在很大程度上便是采用先进的主动控制技术。因此，这一领域发展前景广阔。 (3)轮轨接触理论研究已日臻完善，而轮轨运输系统中由于轮轨滚动接触而产生的问题越来越多。因此，如何合理运用轮轨系统动力学(车辆做道系统动力学)理论研究解决这些实际问题(如轮轨不规则磨耗、滚动接触疲劳问题)，必将成为本领域研究的一个重要方面，而要解决不规则的轮轨磨耗难题，需要发展同时考虑车辆俄道高频相互作用和损伤机制的综合模型。 (4)车辆微道相互作用研究已越来越能反映铁路中的各种实际因素，今后将进一步走向实际工程应用，如高速(快速)铁路桥头过渡段轨道设计、大轴重货车对线路的动力作用研究、轮轨磨损及轨道沉陷预测、车辆榇道动态相互作用脱轨研究及安全评判标准确定等。 (5)高速列车运行过程中(特别是通过隧道时)空气动力效应对车辆振动性能的影响问题已日益受到人们的关注，是进一步改善乘坐舒适性(包括降低噪声)不可回避的研究课题。 (6)动力学仿真技术已在国际车辆系统动力学研究与应用领域得到十分广泛的应用，发挥了极大效用。各种车辆动力学仿真软件日益成熟。我国应注意这一趋势，组织开发各种大型通用动力学软件，为机车车辆动力学性能优化提供科学工具。与此同时，必须重视仿真软件的试验验证，只有经过广泛验证的软件才能用于指导生产实际。

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铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗摘要:阐述了铁道机车车辆轮轨摩擦磨损的现状;研究了内燃机车车轮、闸瓦和钢轨的消耗数量及相应的维修费用;指出了采用适当的新技术之后,在节能降耗方面会产生显著的经济效益。关键词:车轮;轮缘;钢轨;摩擦磨损;铁道机车车辆;节能;降耗众所周知,铁路运输是基于轮轨相互作用产生的黏着牵引力和黏着制动力以实现列车运行的,轮轨间因摩擦磨损在铁路运输中消耗的能量和能源很多,耗资也很大。随着铁路运输向高速、重载发展,因摩擦磨损所致的事故风险也在增加。轮轨接触面形成的各种损伤,不但缩短了轮轨的使用寿命,在严重磨损后还会导致轮对和钢轨失效,危及行车安全。在这方面,即使在高速铁路成功应用的国家,也曾付出过惨重代价。例如:1998年,由于轮轴的疲劳断裂而导致德国ICE高速列车脱轨,造成101人死亡,84人重伤,直接经济损失约2亿马克。与此同时,合理利用资源,实行节能降耗,是我国的一项基本战略决策。为了节约能源,降低铁路运输成本和机车车辆的制造与修理费用,对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况,需引起高度的重视。应当采取相应的技术措施,努力将这种磨损造成的损失降低到最小程度,以达到降耗增效的目的。1铁路钢轨的磨耗据铁路工务部门统计,我国铁路有20%~30%的路段钢轨磨损率大于国外严重磨损率指标,有60%的曲线段钢轨因波磨造成严重损伤。摩擦磨损带来的损失很大。钢轨损伤的形态铁路轮轨作用关系复杂,钢轨磨耗损伤的形态主要有钢轨的压溃、侧磨、波磨、剥离等,这些占钢轨总损伤量的80%以上。随着铁路机车车辆的重载与高速化,轮轨间的摩擦磨损也日趋严重,如钢轨的压溃与波磨迅速增长,且发生较为普遍(参见图1)。钢轨的年消耗量据资料记载:“十五”期间,我国铁路钢轨用材每年基本维持在110万t左右,除新线建设之外,其中用于既有线路大修和维修消耗的钢材约为70~80万t/年。据铁道部安检司调查,2003年因钢轨损伤而更换所需的材料及人工费用约为50亿元。其中,因钢轨压溃、侧磨、波磨等导致的损伤,占钢轨总损伤量的80%以上,即40亿元左右。2机车车辆车轮的磨损车轮是铁路机车车辆的重要走行部件。在列车运行中,车轮滚动会使车轮踏面和轮缘发生磨耗,而车轮在钢轨上滑动也会造成踏面损伤。车轮损伤的形态据失效分析统计,铁道机车车辆车轮损伤的主要类型有轮缘磨耗、轮辋疲劳裂纹、热损伤、车轮踏面剥离和崩裂等(参见表1和图2)。因磨耗造成车轮部件失效的主要原因是轮轨接触应力集中、制动热应力疲劳、累积塑性流动变形、夹杂物应力集中、内部缺陷应力集中等。车轮的消耗目前,我国铁路机车、客车和货车约有500万个车轮在运营中。这里所讲的车轮消耗,主要是指磨损后车轮的维修和更换以2006年为例,全路的机车、客车和货车就消耗新轮63·1万只,平均以0·5万元/只计算,所需费用约为31·55亿元。在为完成中国工程院下达的“摩擦磨损与工程应用咨询项目”时,笔者曾于2006年11月赴北京铁路局丰台机务段进行过“铁路机车车辆关键零部件摩擦磨损”的现场调研。从丰台机务段调查了解到:以DF4型机车为例,由于车轮维修或全部更换,该段平均每台机车每年所需人工费和材料费分别为3·3万元和42·4万元,这尚不包括因修理或更换时机车的停运损失。有关该段DF4型机车的旋轮与换轮费用参见表2和表3;若按2005年全路机车保有量17 500台推算,仅机车车轮的维修费用就近5·8亿元。制动闸瓦的消耗在机车车辆制动系统的摩擦制动中,主要有踏面闸瓦制动和盘形制动。我国目前除新造的提速客车和厂修改造的25型客车采用盘形制动外,其他的机车车辆都是采用踏面制动,这对车轮的磨耗是比较严重的。铸铁闸瓦相比合成闸瓦,可以获得较高的黏着系数且摩擦系数稳定,但是磨耗快,成本较高。以丰台机务段DF4、DF4D型机车为例,在1个大修期内,每台DF4型机车需更换闸瓦8次,DF4D型机车需更换闸瓦10次。因此,每台机车的换瓦费用分别为1·2万元和1·5万元。按该段现有DF4型机车35台和DF4D型机车23台计算,这些机车在1个大修期内换瓦的总费用为76·5万3降低轮轨磨耗的技术措施我国《铁路节能技术政策》第11·1条指出:“应注意抗磨减阻材料的推广使用。在全世界生产的能量中,约有30%~40%的能量是消耗在与摩擦有关的场合;我国与摩擦有关的能源消耗约占1/3 ~1/2。任何减轻摩擦、降低磨损的措施,都会直接或间接地节约能源。”针对目前机车车辆轮轨摩擦磨损严重、修理费用高的现象,如果进一步推广应用淬火钢轨、轨面打磨、磨耗型车轮、径向转向架和安装轮轨润滑装置等现有的成熟技术,不但可以明显改善轮轨摩擦磨损的现状,而且可以节约能源和原材料,大大降低消耗,取得显著的经济效益。采用淬火钢轨与维护钢轨波磨问题是轮轨相互作用过程中极其复杂的系统问题,根据不同的线路或区段,合理地选择钢轨,有助于预防钢轨的波磨。例如:淬火钢轨就很少发生波磨,因为它有较高的强度和硬度。因此,建议在轨道波磨区段采用屈服强度较高的钢轨。此外,轨面打磨也是主要防护手段,轨面打磨可减小车体的振动和车轮对钢轨冲击力所造成的磨损。实践表明,它可延长波磨轨寿命50%以上。从调查得知,若采用淬火钢轨、侧面涂油和适时的钢轨打磨等技术,仅钢轨材料一项每年就可节约费用20亿元左右,因减磨而节约的能耗费用也是很大的。采用磨耗型车轮踏面车轮磨损失效的形式主要有踏面磨耗到限和轮缘磨耗到限。铁道部对机车车辆车轮踏面的使用与维修都有相应的标准,如《DF4型内燃机车段修规程》第3·11·6·8条中规定:踏面磨耗深度不大于7 mm;而采用轮缘高度为25 mm的磨耗型踏面时,踏面磨耗深度不大于10 mm。磨耗达到或超过这些标准,就会危及行车安全。早期的车轮踏面为锥型踏面。锥型踏面在使用初期磨损很快,当磨损到一定程度后,磨损速率开始减缓,踏面形状趋于稳定。通过长期观察和试验发现,如果在车轮踏面设计时就采用磨耗型的车轮踏面廓形,可有效地减轻轮轨接触应力,迅速降低轮轨磨耗,有效延长轮轨使用寿命。四方车辆研究所在对北京、广州、济南等铁路局的机车车轮外形轮廓实测的基础上,设计了小半径曲线区段使用的JM磨耗型车轮踏面。长期的运用结果表明,应用该外形设计后,与原锥型踏面车轮相比,轮缘减磨可达30%~70%.一些铁路局根据各自所管辖线路的特点,也分别研制了多种形式的车轮踏面。如上海铁路局研发的ST系列磨耗型踏面,就取得了很好的减磨效果(参见表5)。表5上海铁路局DF11型0072号机车车轮磨耗数据对比由表5可知,采用ST-2型踏面后,机车每万公里的轮缘磨耗率从0·304 mm降至0·190 mm,降低了38%,车轮踏面剥离的故障也明显减少。据有关资料分析:机车车辆若采用磨耗型车轮踏面,每台机车每年可节约费用1·5万元。采用径向转向架传统的机车转向架,因传递牵引力和保证直线上走行性能的需要,各轴基本上是被约束成相互平行的。在通过曲线时,这种刚性定位的轮对与钢轨之间会形成明显的冲角,从而使轮、轨都产生严重的磨耗。曲线半径越小,磨耗越严重。为降低轮、轨的磨耗,近年来国内外开展了机车径向转向架研究,并取得了很好的效果。两种不同转向架通过曲线时的运行示意图见图3。再举几个例子,以说明装用径向转向架后轮缘的磨耗情况。戚墅堰机车有限公司生产的首台装用径向转向架的DF8B型7001号机车,在上海铁路局进行的线路运用考核结果表明:与同轴重、装有传统转向架且带轮轨润滑装置的DF8B型机车相比,前者的轮缘磨耗仅为16%。【下转第8页】【上接第4页】资阳机车有限公司对径向转向架机车与传统转向架机车在曲线上的冲角也进行了对比测试。测试结果表明:仅就径向转向架冲角减少的程度而言,轮缘磨耗至少降低了45%。大连机车车辆有限公司生产的DF4D型径向转向架机车,在柳州至怀化区段的客、货运牵引数据表明,与装用传统转向架相比,机车车轮的轮缘磨耗下降了74%。据有关资料分析:若采用径向转向架技术,每台机车每年可节约费用5·8万元。安装轮轨润滑装置润滑对减磨起着十分重要的作用。我国《铁路节能技术政策》第3·6条强调指出:“内燃机车和电力机车要加装新型轮轨自动润滑装置,减少磨耗和阻力,降低机车能耗。”以丰台机务段为例,安装轮轨自动润滑装置取得了较好的效果。该段有118台机车在安装了铁道科学研究院研制的华宝2号轮轨润滑装置后,使每台机车的旋轮公里数由10万km延长至18万km,车轮寿命由30万km延长至80万km。除机车因车轮寿命延长产生的巨大社会效益和经济效益之外,每台机车每年可节省旋轮(或换轮)费用1万元。丰台机务段的118台机车,每年可直接节省旋轮(或换轮)费用118万元。按全路17 500台机车推算,每年可直接节省旋轮(或换轮)费用1·75亿元。其投入产出比为1∶20。事实说明:通过安装轮轨自动润滑装置,对轮轨进行润滑后,不但可以减缓轮缘的磨耗,而且经济效益十分可观。4结语综上所述,在铁路运输中,机车车辆轮轨的摩擦磨损已成为相当严重的问题。大量的钢轨与车轮磨损,不但增加了材料的消耗,提高了修理成本而且降低了运输的效率,增加了能源的消耗。为此提出以下建议。(1)从设计、制造到运输、修理,所有与此相关的人员,对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况,都应当高度重视,并采取相应的对策。(2)对目前已被证实具有良好减磨效果的措施,应进一步加大推广应用力度。例如:对钢轨进行适当的热处理和打磨,开发新型闸瓦,扩大磨耗型踏面车轮、径向转向架和轮轨润滑装置的装车应用等。(3)在今后的技术引进或产品自主创新的研发中,应更加重视对产品的摩擦副及磨损件标准的研究。与此同时,应寻求和开发更适应轮轨摩擦副的新材料、新技术、新工艺,以延长关键摩擦磨损件的使用寿命,进而达到节能、降耗和增效的目的。