秦曉特， 黃志輝， 楊鴻泰

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著車輛運(yùn)行速度的提高及載重量的增大，車輛上的一些零部件會(huì)發(fā)生裂紋、折斷等故障，特別是輪軸故障，輕者會(huì)造成列車晚點(diǎn)或途中甩車，重者可能造成車輛脫軌或列車顛覆等重大鐵路交通事故。車輛在運(yùn)行過程中發(fā)生輪軸故障時(shí)，一般處理辦法為在輪對(duì)上打油拖行，爭(zhēng)取盡快使故障車輛脫離現(xiàn)場(chǎng)，以減少對(duì)線路上其他運(yùn)行車輛的行車影響。由于此種救援方式不涉及專用救援器具，具有一定的優(yōu)勢(shì)，但不可避免會(huì)出現(xiàn)很多的問題：①采用輪軸打油拖行的運(yùn)行方式，輪軌之間易發(fā)生干摩擦，對(duì)車輪和鋼軌會(huì)造成較大的磨損；②為了保證車輛的運(yùn)行安全，車輛以拖行的方式運(yùn)行時(shí)，直線速度不能超過25 km/h，側(cè)向過道岔速度不能超過15 km/h，運(yùn)行速度較低。

鐵路車輛輪軸故障抬輪器是一種拼裝式的專用救援設(shè)備，主要由側(cè)架、輪組、支撐軸及緊固部件等幾部分組成，可以安裝在輪軸故障的輪對(duì)下，代替輪對(duì)運(yùn)行，此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、易操作，車輛安全性和速度都得到提高，但由于車輛在添加抬輪器后，抬輪器與輪對(duì)固接在一起，故障輪對(duì)被抬高，整車動(dòng)力學(xué)性能變差，尤其是在車輛過道岔時(shí)，車輛脫軌的可能性大大增加，因此對(duì)車輛安裝抬輪器后過道岔的安全性進(jìn)行研究具有重要意義。

1 輪軸故障救援設(shè)備抬輪器

1.1 抬輪器工作原理

先利用1到2臺(tái)千斤頂從輪對(duì)車軸中部將故障輪對(duì)頂起，放置2個(gè)抬輪器在鋼軌上，使支撐軸輪緣槽對(duì)準(zhǔn)故障輪對(duì)輪緣，然后松開千斤頂卸載閥，將故障輪對(duì)落在抬輪器上，最后利用緊固螺栓將故障輪對(duì)車輪左右固定，使得故障輪對(duì)和抬輪器連接成一體，兩側(cè)的抬輪器代替故障輪對(duì)走行，鐵路車輛輪軸故障抬輪器如圖1所示。

圖1 鐵路車輛輪軸故障救援抬輪器

1.2 一位輪對(duì)升高高度計(jì)算

由于抬輪器在工作時(shí)會(huì)將輪對(duì)抬高，且抬輪高度會(huì)伴隨車輪磨耗而降低，因此需要分析抬輪器與輪對(duì)的幾何關(guān)系，計(jì)算此高度，以便確定動(dòng)力學(xué)建模時(shí)輪對(duì)的重心高度。一位輪對(duì)相較于其他輪對(duì)發(fā)生故障時(shí)，車輛的動(dòng)力學(xué)性能最為惡劣，因此選擇在一位輪對(duì)下添加抬輪器，對(duì)車輛進(jìn)行安全性分析。工程車新車車輪半徑R為420 mm，磨耗極限為393 mm，支撐軸軸徑r為40 mm，支撐軸軸心到車輪對(duì)稱中心線垂線距離L為228 mm，支撐軸軸心距軌面高度h為96 mm，抬輪器結(jié)構(gòu)圖及一位輪對(duì)升高高度計(jì)算圖如圖2、圖3所示，通過分析抬輪器與一位輪對(duì)的幾何關(guān)系可得

圖2 抬輪器結(jié)構(gòu)圖

圖3 一位輪對(duì)升高高度計(jì)算圖

cosα=L/(R+r)

(1)

β=α

(2)

sinβ=h/l

(3)

H=(R+r+l)sinβ-R

(4)

式中,α為支撐軸軸心和車輪輪心連線與過支撐軸軸心向車輪對(duì)稱中心線所作垂線形成的夾角；β為α的同位角；l為支撐軸軸心與車輪輪心連線延長(zhǎng)至軌面的延長(zhǎng)線長(zhǎng)度；H為一位輪對(duì)被抬高高度(一位輪對(duì)車輪踏面距軌面高度)。將新車車輪半徑及磨耗極限半徑分別代入，解得一位輪對(duì)升高高度分別為75、71 mm，為保留一定余量，動(dòng)力學(xué)建模時(shí)一位輪對(duì)升高高度取60、70、80、90 mm。

2 輪軸故障工程車過道岔動(dòng)力學(xué)模型

2.1 輪軸故障工程車動(dòng)力學(xué)模型

在工程車發(fā)生故障時(shí)，抬輪器代替故障輪對(duì)承擔(dān)走行功能，故障輪對(duì)單側(cè)車輪和抬輪器之間通過2個(gè)支撐軸、4個(gè)緊固螺栓連接在一起，總共有6處連接。為簡(jiǎn)化建模，將抬輪器2個(gè)側(cè)架、4個(gè)緊固螺栓、2個(gè)支撐軸簡(jiǎn)化為1個(gè)平板支撐結(jié)構(gòu)，平板支撐結(jié)構(gòu)將前后兩輪軸連接構(gòu)成抬輪器，且在支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置鉸接連接故障輪對(duì)單側(cè)車輪，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖4所示。此時(shí)，一位故障輪對(duì)相當(dāng)于一個(gè)軸橋，連接左右兩側(cè)抬輪器，但由于抬輪器單個(gè)輪軸結(jié)構(gòu)只有旋轉(zhuǎn)自由度，因此不同于獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪，抬輪器工作狀態(tài)下動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示(圖中車輪與板的外形僅用于示意，其外形的干涉并不影響動(dòng)力學(xué)的計(jì)算)。

圖4 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

圖5 抬輪器工作狀態(tài)下動(dòng)力學(xué)模型

利用SIMPACK軟件建立輪軸故障工程車動(dòng)力學(xué)模型，包括1個(gè)車體、前后2個(gè)構(gòu)架、3個(gè)正常輪對(duì)、1個(gè)故障輪對(duì)、8個(gè)軸箱、4個(gè)抬輪器車軸、4個(gè)抬輪器車輪、2個(gè)支撐結(jié)構(gòu)共計(jì)25個(gè)剛體，軸箱采用雙拉桿軸箱定位方式，軸箱兩側(cè)各設(shè)置1組圓鋼簧，車體采用心盤承載，兩側(cè)設(shè)常接觸橡膠旁承，并設(shè)置抗蛇行減振器，車體、構(gòu)架、正常輪對(duì)及故障輪對(duì)均考慮伸縮、橫移、沉浮、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭6個(gè)自由度，軸箱考慮點(diǎn)頭自由度，抬輪器單個(gè)輪軸考慮點(diǎn)頭自由度，整車共計(jì)54個(gè)自由度，輪軸故障工程車拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 輪軸故障工程車拓?fù)鋱D

2.2 道岔動(dòng)力學(xué)模型建立

道岔是一種使機(jī)車車輛從一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設(shè)備，在道岔大部分區(qū)域內(nèi)，其軌道截面外形會(huì)隨線路長(zhǎng)度發(fā)生變化，由此形成的軌道不平順使得車輛通過道岔時(shí)動(dòng)力學(xué)性能比較差。車輛側(cè)向過道岔時(shí)，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)，車輪會(huì)與尖軌、轍叉和護(hù)軌發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊作用，輪軌作用力相比于車輛正向過道岔和其他區(qū)間線路較大，過道岔的行車安全性是衡量抬輪器性能的關(guān)鍵因素之一[1-2]。

采用9號(hào)右開固定轍叉心軌道岔結(jié)構(gòu)，尖軌長(zhǎng)12.4 m，導(dǎo)曲線軌長(zhǎng)12.9 m，轍叉長(zhǎng)4.3 m，導(dǎo)曲線半徑為180 m，車輛過道岔時(shí)依次通過尖軌、導(dǎo)曲線軌、有害空間、轍叉區(qū)，最終回到基本軌上，道岔結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。為了準(zhǔn)確將道岔模型在SIMPACK中擬合出來，在道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)擬合了7個(gè)截面，在轍叉及護(hù)軌區(qū)也擬合了7個(gè)截面，其道岔區(qū)關(guān)鍵截面廓形如圖8所示。

圖7 道岔結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 道岔尖軌及轍叉區(qū)部分?jǐn)M合廓形

3 輪軸故障工程車過9號(hào)道岔動(dòng)力特性分析

輪軸故障工程車過道岔主要是安全性問題，9號(hào)道岔限速為30 km/h，輪軸故障車輛在一位輪對(duì)抬高60、70、80、90 mm時(shí)分別以10、20、30 km/h側(cè)向過道岔后，一位輪對(duì)左側(cè)抬輪器前輪脫軌系數(shù)如圖9所示，二位輪對(duì)左側(cè)車輪脫軌系數(shù)如圖10所示。其中左側(cè)抬輪器前輪在過尖軌和轍岔時(shí)，脫軌系數(shù)峰值存在短時(shí)超過限值1.2的情況，但持續(xù)時(shí)間均不超過0.05 s，不滿足GB/T 17426—1998中計(jì)算脫軌系數(shù)時(shí)，橫向力作用時(shí)間應(yīng)大于0.05 s的要求，因此脫軌系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 一位輪對(duì)左側(cè)抬輪器前輪脫軌系數(shù)

圖10 二位輪對(duì)左側(cè)車輪脫軌系數(shù)

在輪軸故障工況下由于抬輪器代替故障輪對(duì)承擔(dān)走行、承載功能，一位輪對(duì)輪重減載率計(jì)算不同于其他輪對(duì)，輪重減載率計(jì)算公式

(5)

PL=P1+P3

(6)

PR=P2+P4

(7)

在輪軸故障輪對(duì)抬高60、70、80、90 mm，車輛以10 km/h側(cè)向過道岔時(shí)，由于速度不高，一、二位輪對(duì)輪重減載率整體峰值數(shù)值低，性能好，受到道岔激擾后波動(dòng)較小；車輛以20 km/h側(cè)向過道岔時(shí)，一位輪對(duì)輪重減載率整體峰值數(shù)值提高，通過道岔后，輪重減載率出現(xiàn)輕微的波動(dòng)，而二位輪對(duì)輪重減載率整體變化不大；車輛以30 km/h側(cè)向過道岔時(shí)，由于車輛運(yùn)行速度的增高，且在道岔的激擾作用下，一、二位輪對(duì)輪重減載率均出現(xiàn)了明顯波動(dòng)，但隨著車輛運(yùn)行距離的增加，波形逐漸收斂，輪重減載率逐漸降低。在輪軸故障輪對(duì)抬高60 mm，車輛以30 km/h側(cè)向過道岔尖軌時(shí)，一位輪對(duì)輪重減載率出現(xiàn)最大值0.61，但不超過限值0.65，輪重減載率滿足GB/T 17426—1998要求，一位輪對(duì)輪重減載率如圖11所示，二位輪對(duì)輪重減載率如圖12所示[4-6]。

圖11 一位輪對(duì)輪重減載率

圖12 二位輪對(duì)輪重減載率

為進(jìn)一步了解抬輪器及抬輪高度對(duì)工程車過道岔動(dòng)力學(xué)性能影響，設(shè)置了正常工程車過道岔的工況，并設(shè)置抬輪器抬輪高度為5、10、40、80、120 mm輪軸故障工程車過道岔的工況，保持車輪半徑420 mm不變，車輛以30 km/h過道岔，一位輪對(duì)左側(cè)抬輪器前輪脫軌系數(shù)如圖13所示，一位輪對(duì)輪重減載率如圖14所示。由圖13可見，在不同的抬輪高度下脫軌系數(shù)曲線趨勢(shì)相似，抬輪器的抬輪高度對(duì)車輛脫軌系數(shù)影響并不明顯，但相比于正常工程車過道岔，添加了抬輪器的故障工程車脫軌系數(shù)明顯增大，在車輛過尖軌、轍叉時(shí)脫軌系數(shù)峰值存在短時(shí)超過限值1.2的情況，但持續(xù)時(shí)間均不超過0.05 s，脫軌系數(shù)滿足GB/T 17426—1998要求。

圖13 一位輪對(duì)左側(cè)抬輪器前輪脫軌系數(shù)

圖14 一位輪對(duì)輪重減載率

由圖14可見，在輪軸故障工程車添加抬輪器后，相比于正常工程車過道岔輪重減載率變化不明顯，但輪軸故障工程車在抬輪高度為40、80、120 mm時(shí)，一位輪對(duì)受到道岔激擾后，輪重減載率波動(dòng)較為明顯，且波幅較大，而在抬輪高度為5、10 mm時(shí)，由圖14中局部放大圖可見，受到道岔激擾后，輪重減載率波動(dòng)幅值較小，收斂較快，在一定程度上較低的抬輪高度對(duì)工程車的動(dòng)力學(xué)性能有益。

4 結(jié)論

通過建立正常工程車、輪軸故障工程車、抬輪器、9號(hào)右開道岔模型，對(duì)輪軸故障工程車通過9號(hào)右開道岔性能進(jìn)行分析，比較分析了輪軸故障工程車在一位輪對(duì)被抬高60、70、80、90 mm時(shí)分別以10、20、30 km/h側(cè)向過道岔時(shí)，一位輪對(duì)左側(cè)抬輪器前輪的脫軌系數(shù)、二位輪對(duì)左側(cè)車輪的脫軌系數(shù)以及一、二位輪對(duì)的輪重減載率，并且分析了正常工程車和輪軸故障工程車一位輪對(duì)被抬高5、10、40、80、120 mm以30 km/h側(cè)向過道岔時(shí)，一位輪對(duì)左側(cè)抬輪器前輪的脫軌系數(shù)和一位輪對(duì)的輪重減載率，得出以下結(jié)論：

(1)工程車在一位輪對(duì)發(fā)生輪軸故障時(shí)，放置抬輪器后能以10、20、30 km/h側(cè)向安全通過9號(hào)右開道岔。

(2)輪軸故障工程車在放置抬輪器后以30 km/h側(cè)向過道岔，相比于正常工程車以此速度過道岔，脫軌系數(shù)明顯增加，而輪重減載率則變化較小。

(3)輪軸故障工程車在一位輪對(duì)被抬高60、70、80、90 mm時(shí)，過道岔的速度對(duì)輪軸故障車輛的動(dòng)力學(xué)性能影響較為明顯，而抬輪高度則對(duì)其影響較小。

(4)輪軸故障工程車以30 km/h側(cè)向過道岔，在抬輪高度5、10 mm時(shí)，一位輪對(duì)輪重減載率波動(dòng)較小，收斂較快；抬輪高度為40、80、120 mm時(shí)，一位輪對(duì)輪重減載率波動(dòng)較大，收斂較慢，說明較低的抬輪高度在一定程度上對(duì)輪軸故障工程車過道岔動(dòng)力性能有益。