地铁车辆回转阻力系数的理论计算及试验研究

徐 杰

(上海轨道交通设备发展有限公司,200245,上海∥工程师)



地铁车辆回转阻力系数的理论计算及试验研究

徐 杰

(上海轨道交通设备发展有限公司,200245,上海∥工程师)

建立了地铁车辆在空气弹簧处于不同(充气和失气)工况下所产生回转阻力矩的理论模型,提出了计算方法,并进而计算了车辆在不同载荷和偏转角度的状态下的回转阻力矩和回转阻力系数。利用回转试验台测定车辆在不同工况下的回转阻力矩,通过理论计算和试验结果分析,总结出车辆在不同工况下回转阻力系数的影响因素和变化特征,验证了理论计算方法的合理性和试验结果的可信性。

地铁车辆; 回转阻力矩; 回转阻力系数; 回转试验台

Author′s address Shanghai Rail Traffic Equipment Development Co.,Ltd.,200245,Shanghai,China

回转阻力系数是EN 14363《铁路车辆静态和动态运行试验的验收标准》中定义的关于评价车辆曲线通过性与直线运行稳定性的重要安全性能指标,直接影响车辆运行的平稳性和安全性。适当的回转阻力矩对铁路车辆在直线上的运行是有益的,有利于提高车辆的摇头稳定性和蛇行稳定性。但过大的回转阻力矩会加大轮轨之间的磨耗,增加车辆脱轨的风险,从而恶化车辆的曲线通过性能。因此,在车辆设计过程中应合理选取回转阻力系数,以保证车辆既具有足够的稳定性,又具有良好的曲线通过性能。下面通过理论计算确定车辆的回转阻力矩和回转阻力系数,并利用试验台对理论计算结果进行验证。

1 回转阻力矩的理论模型及计算方法

1.1 回转阻力系数的定义及偏转角度的计算

1.1.1 相关的车辆设计参数

与回转阻力系数计算相关的车辆设计参数见表1。

表1 与回转阻力系数计算相关的车辆设计参数

1.1.2 回转阻力系数的定义和偏转角的计算

根据标准EN 14363,回转阻力系数为:

X=Mzθ/(2a·2Q0)

(1)

式中:

Mz——转向架相对车体转动特定偏转角度θ时所需的力矩。

θ主要受轨道的曲线半径影响,且最大偏转角度是在最小轨道曲线半径时达到的。根据标准EN 14363,当不考虑轮轨间隙限界的影响时,有

当考虑轮轨间隙限界影响时,有

式中:

b——车辆定距的一半;

a——转向架轴距的一半;

R——轨道曲线半径。将最小轨道半径Rmin=190 m 代入上式中,得到:

1.2 不同工况下回转阻力矩理论模型和计算方法

1.2.1 空簧充气工况

在空簧充气工况下,回转阻力矩主要由3部分组成:①由2个空簧径向移动过程中产生的回转阻力矩M1(如图1所示)。②由2个空簧自身转动过程中产生的回转阻力矩M2(如图1所示)。③由中心牵引销橡胶套筒转动过程中产生的回转阻力矩M3(如图2所示)。

图1 空簧充气时由空簧移动和转动而产生的回转阻力矩的模型

图2 中心牵引销橡胶套筒转动时产生的回转阻力矩的模型

根据上述分析得到

(2)

M2=2Kφθ

(3)

M3=Kθθ

(4)

1.2.2 空簧失气工况

在空簧失气工况下,回转阻力矩主要由3部分组成:①由空簧内部的应急簧橡胶块移动过程中的摩擦力产生的阻力矩M4(如图3所示)。②由空簧的应急簧橡胶块转动过程中摩擦力产生的回转阻力矩M5,摩擦力的大小与垂向载荷和摩擦系数相关。③由中心牵引销的橡胶套筒转动过程中产生的回转阻力矩M6(如图2所示)。

图3 空簧失气时由应急簧移动和转动而产生的回转阻力矩的模型

图4 应急簧转动过程中产生的回转阻力矩的模型面积微元ds

施加在每个空簧上的载荷G与车重J及载荷的分布相关。如应急簧摩擦系数为μ,则空簧失气工况下,在车体和转向架相对运动过程中,空簧内部应急簧产生的摩擦力为Gμ,μ值与施加在应急簧上的垂向载荷相关。于是有:

M4=GμLs

(5)

(6)

由于M3及M6均与工况无关,故M6=M3。

1.3 总回转阻力矩及回转阻力系数的计算

空簧充气工况下,总回转阻力矩为:

Mz=M1+M2+M3

(7)

空簧失气工况下,总回转阻力矩

Mz=M4+M5+M6

(8)

将式(7)及式(8)代入式(1)中即可得到回转阻力系数。

2 不同工况下的理论计算结果

根据理论公式计算出车辆在空簧充、失气以及不同载荷和不同偏转角度工况下的回转阻力矩,即可根据标准EN14363中的定义得到回转阻力系数值。

2.1 空簧充气工况

根据空簧型式试验,可确定Kr及Kφ的取值,进而得到θ不同时的回转阻力矩Mz与回转阻力系数X。计算结果见表2。

表2 空簧充气工况

2.2 空簧失气工况

在空簧失气工况下,由空簧型式试验报告,即可确定μ值,进而得到θ不同时的回转阻力矩Mz与回转阻力系数X取值,计算结果见表3。

表3 空簧失气工况下Mz与X的计算结果

3 回转试验及结果分析

3.1 回转试验流程

转向架回转阻力试验台可模拟车辆通过弯道时转向架和车体之间的相对运动过程。试验台能够测得转向架绕初始位置转动一定角度时所需的力矩。利用测得的力矩可算出回转阻力系数。

图5 转向架回转阻力试验台(侧视示意图)

回转试验测试流程为:

(1) 回转试验台摩擦阻力矩的测量。首先,在试验台上依次加载不同载荷,并分别测出在不同载荷G下匀角速转动时试验台所需的回转阻力矩;然后,通过最小二乘法对数据进行拟合,建立试验台摩擦阻力矩MR和载荷G之间的关系,得到MR=0.014 m×G+0.47 kN·m。

(2) 在称重台上测量车辆的轴重和车重。

(3) 将车辆的被测转向架放置在回转试验台上调整好位置,将另一个转向架放置在另一个平台上并固定好。

(4) 通过动作器以1(°)/s的匀角速度加载,回转试验台在所设定的最大角度范围内正负往复n次(一般3～5次),并记录转向架的偏转角度θ和动作器的输出力距M;则转向架和车体之间Mz=M-MR,计算可得相应的X。

3.2 试验结果

对各种工况进行5次测试,连续记录多个周期数据,取稳定状态下的数据并绘制出Mz与θ的特征曲线如图6～图9所示。

图6 空簧正常充气和空车工况下Mz与θ特征曲线

通过对试验测得的数据进行处理后,得到每种工况下回转阻力系数的结果如表4所示。

对特征曲线、回转阻力系数理论计算和试验结果对比分析得到如下结论:

图7 空簧正常充气和重车工况下Mz与θ特征曲线

图8 空簧失气和空车工况下Mz与θ的特征曲线

图9 空簧失气和重车工况下Mz与θ的特征曲线

工况θ/(°)XAW0时AW3时空簧充气2.380.0400.0562.840.0450.062空簧失气2.380.0400.0642.840.0410.066

(1) 总体上X随着θ和车重的增加而增大。通常在空簧失气和重车工况下,车辆进入弯道时的曲线通过性能最差,安全性指标最低。

(2) 空簧充气工况下Mz的迟滞特性不明显。这主要是因为在正常充气空簧的纵向刚度所引起的Mz与θ之间基本呈线性关系。但在空簧失气工况下Mz的迟滞特征非常明显。这是因为空簧失气时由应急簧橡胶块摩擦力引起的回转力矩基本为常量,受θ的影响不大。

(3)Mz在最大偏转角位置时出现突变点,这主要是回转试验台在最大偏转角位置时因方向变化而产生的惯性引起的。

(4) 将X的理论计算结果和试验结果进行对比可见,理论计算值与试验结果基本相符,且都符合EN 14363标准的要求。这说明了理论模型的建立及计算过程的合理性和试验结果的可信性。

4 结语

首先,建立了车辆在不同工况下产生回转阻力矩的理论模型,并相应给出了Mz和X的理论计算方法。然后利用回转试验台测试车辆在不同工况下的Mz,并绘制出Mz与θ之间的关系曲线。通过比较发现,理论计算结果和试验测定的结果之间具有较高的吻合度。这说明理论模型及计算方法合理,而且试验可信。

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Theoretical Calculation and Experiment of the Rotational Resistance Factor in Metro Vehicle

XU Jie

A theoretical model for rotational resistance torques in different air spring cases of metro vehicle (inflated or deflated) is established,and a new calculation method is used to calculate the relevant rotational resistance torques and factors combined with various conditions,such as different loads and yaw angles of the vehicle. The rotational resistance torque is measured by the rotational test bench for the vehicle under different working conditions.The variation principle and influence elements regarding to rotational resistance factor of vehicle under different working conditions are concluded by theoretical calculation and test result.The reasonability of the theoretical calculation and the reliability of the test are validated as well.

metro vehicle; rotational resistance torque; rotational resistance factor; rotational test bench

U270.1+1

10.16037/j.1007-869x.2017.06.020

2016-04-25)