车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究_刘欢.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金牵引动力国家重点实验室自 主课题 大功率交流传动电力机车系统集成国家重 点实验室开放课题 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 刘欢 男硕士生 年生 通信作者 温泽峰 男博士研究员博士生导师 年生 车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究 刘欢 陶功权 蔡晶 罗 陈国胜 温泽峰 西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都 大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室湖南株洲 广东电网规划中心发展研究院广东汕头 摘要某和谐型电力机车车轮运营中表现出较为严重的多边形磨耗对机车的零部件失效乘坐舒适性和运行 安全性产生较大影响为研究车轮多边形态下机车轮轨动态响应规律基于 软件建立了考虑机车牵引行为和 轮对钢轨等部件柔性的刚柔耦合动力学模型利用机车振动试验结果对模型进行验证研究了典型车轮多边形阶次幅 值和运行速度等对轮轨力和振动响应的影响并分析了机车牵引行为对轮轨蠕滑率力和车轮磨耗的影响结果表明速 度等级为 时车轮阶多边形态下激发了轮对一阶弯曲共振出现了轮轨力波动大和机车异常振动的现象机 车牵引状态下显著增大了纵向蠕滑率的波动幅值并提高了纵向蠕滑力导致轮轨磨耗指数相比无牵引工况下大幅增加 加剧车轮多边形磨耗的发展 关键词车轮多边形轮轨力振动响应机车动力学 中图分类号 文献标志码 近年来我国部分机务段某和谐型电力机车出现了 严重的车轮多边形磨耗主要表现为 边形和 边形导致转向架部件断裂和轴箱轴承等零部件失 效司机室与走行部异常振动 和轮对镟修周期 缩短等一系列问题对机车运行安全性运行品质 运营效率和维护成本产生了较大影响车轮多边形将 会导致轮轨间产生较大的冲击载荷引起车辆零部件 和轨道结构破坏因此车轮多边形态下机车轮轨 动态响应研究逐渐引起国内外学者的关注 等通过现场试验研究了车轮不同非圆化 ChaoXing 状态下的轮轨力和轨道响应指出瑞典当时所用车轮 失圆更换准则亟需修正 对我国武广高铁线路 上运行的某高速动车组进行了跟踪测试总结了测试 期间车轮多边形和轴箱振动演变规律测试结果表 明车轮多边形对轴箱振动加速度影响显著从现场 试验角度研究多边形态下车辆轨道动力学行为成本 较高一些复杂问题通常需要借助数值仿真的办法来 解决付彬等对车轮多边形磨耗引起的舒适性开展 了仿真研究发现车轮多边形降低了车体平稳性指标 杨亮亮等分析了车轮多边形等车轮状态对重载货车 轮轨作用力的影响发现随着车速和多边形波深的提 高轮轨垂向力逐渐增大 等利用车辆轨道 耦合动力学理论建立了数值仿真模型研究了车轮非 圆化与轮轨力之间的关系发现轮轨法向力的波动与 车轮非圆化的时变率有很大关系轮轨力峰值出现在 车轮半径增大过程中车轮多边形引起的异常振动 将会导致车辆和轨道系统零部件动应力增大 等利用 动力学软件联合自编的轨道动力 学模型建立了考虑轮对柔性的车辆轨道耦合动力 学模型研究了车轴上各位置处动应力变化情况发现 车轮多边形态下车轴动应力将显著增大崔大宾等 利用 建立了考虑实测车轮非圆化状态下的高 速列车动力学模型研究了车轮多边形对轮轨接触力 和蠕滑行为的影响指出车轮局部缺陷将加快车轮非 圆化的发展上述文献较好地研究了车轮非圆化对轮 轨冲击载荷和振动响应的影响但目前很多模型对研 究机车车轮多边形态下的动力学行为适用性不足机 车相对其他轨道交通车辆具有以下两个特点 自重 大钢轨轮对和构架等部件在大载荷条件下弹性变形 不可忽略车轮多边形引起的冲击载荷有激发关键零 部件柔性振型的可能 机车需要承担整列车辆的牵 引任务这有加剧多边形磨耗发展的可能文献 建立了考虑轮对车轴弹性变形的机车刚柔耦合动力学 模型并结合现场试验数据从数值仿真和试验两个角 度阐述了轮对柔性对轮轨动力学行为的影响指出车 轴弹性变形对轮轨垂向力和横向力的影响较大文献 指出机车在牵引电制动和紧急制动情况下有可 能造成轴重转移现象同时对轮轨纵向和横向蠕滑力 产生较大影响 基于上述分析针对国内部分机务段某和谐系列 机车车轮多边形问题导致零部件断裂和异常振动这 一现象本文建立了考虑钢轨和轮对柔性以及机车牵 引行为的机车刚柔耦合动力学仿真模型研究车轮多 边形态下轮轨动力学行为以期探明车轮多边形态下 机车轮轨力动态响应规律及轮轨磨耗指数的关键影响 因素为机车后期运营和车轮维护提出相关建议 动力学仿真模型 基于动力学仿真软件 和有限元分析软 件 建立了考虑钢轨轮对柔性变形以及机车牵 引行为的机车刚柔耦合动力学仿真模型 整车刚性模型 模型包含了一个车体两个转向架和四条轮对考 虑到机车需提供整列车的牵引力模型中还建立了四 个电机和两对牵引拉杆装置对电机进行了简化处 理考虑为绕车轴转动的刚性体牵引拉杆装置由水 平拉杆斜拉杆和垂直吊杆组成机车主要部件的自 由度方向如表所示各部件的运动状态通过设置力 元和阻尼的方式约束车轮踏面采用了我国机车主流 踏面 型钢轨采用标准 廓形车轮与钢 轨与间通过 接触法计算轮轨法向力采用 简化理论 算法对轮轨切向力进行 求解 表机车主要部件的自由度 自由度纵向横向沉浮侧滚点头摇头 车体 构架 轮对 电机 水平拉杆 斜拉杆 垂直吊杆 柔性轮对模型 在动力学软件 中刚体单元是由一个具 有独立自由度的节点和多个非独立自由度的节点组 成通过在独立节点上施加铰接约束和力元等定义刚 体单元的运动然而柔性体单元由具有三个方向位移 或转动自由度的主从节点组成通过主节点确定与其 他部件的联系对轮对模型进行柔性体化前必须 建立轮对有限元模型并完成模态分析和子结构分析 的缩减理论确保多个自由度的有限元模型能 够缩减成有限自由度的柔性轮对模型轮对的运动通 过刚性位移和弹性变形表征其中刚性位移由前阶 刚体模态确定柔性变形通过特征振型模态确定本 文建立的柔性轮对模型考虑了 阶特征振型模 态截止频率为 涵盖机车各个速度等级下多边 形的通过频率图给出了轮对有限元模型自由状态 下模态分析结果表给出了轮对有限元模型和轮对 子结构模型前阶模态分析结果同时给出了相应的 模态敲击试验结果 第期刘欢等车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究 ChaoXing 图轮对模态分析结果 由表可知轮对有限元模型计算得到的车轮反 向伞形变形频率与试验结果差异最大仅为 总 体上轮对有限元模型和子结构模型的前阶模态分析 结果与轮对模态敲击试验结果基本一致验证了轮对 有限元模型和轮对子结构模型的准确性 表轮对模态计算及试验结果对比 阶数振型描述有限元子结构试验 扭转 一阶弯曲 车轮横向弯曲 车轮反向伞形 一侧车轮节径变形 柔性钢轨模型 在动力学软件中通常将钢轨与路基视为整体并 处理为刚性体忽略了钢轨弹性变形和扣件参数对轮 轨动力作用的影响机车轴重大引起的钢轨弹性变 形不可忽略加之车轮多边形态下轮轨冲击载荷有加 剧钢轨弹性变形的可能 柔性钢轨模型的建立过程与柔性轮对的建立过程 基本一致但需注意以下几点 钢轨长度方向尺寸远 比其他两个方向尺寸大可以将钢轨简化为梁模型用 梁单元进行钢轨有限元网格划分 在子结构分析过 程中选取主节点时做到沿钢轨纵向分布均匀和数量适 中且保证扣件连接点为主节点为满足 软件对轮轨接触模型的定义导入钢轨柔性体文件后 需在车轮和钢轨之间引入无质量和无转动惯量的刚性 体哑元哑元通过变形平衡协调条件和力平衡条件 传递车轮与钢轨之间的动作用力且对轮轨系统的相 互作用不产生影响引入哑元后需对轮对钢轨接触 关系进行重新装配轮对与柔性钢轨装配示意如图 所示柔性钢轨通过扣件力元与路基连接扣件力元 具有三个方向的刚度和阻尼同时为防止钢轨发生翻 转现象还定义了绕纵向运行方向的扭转力矩哑元与 柔性钢轨间采用移动 点进行铰接该铰接约束 了哑元横向垂向的移动和绕机车运行方向的转动 车轮和哑元间分别采用 接触算法和 算法对轮轨法向和切向接触进行求解 本文建立的钢轨有限元模型长度为 节点间 距 轨枕间距 除在扣件处选取主节点 外在轨枕间距四等分点处也选取了主节点钢轨有 限元模型和子结构模型模态分析阶数达到阶二 者计算结果差异不超过因此在 中建 立柔性钢轨模型可以选取较高的模态阶数以期提高 模型计算精度 图柔性轮对柔性钢轨耦合关系 模型验证 模型验证时分析了刚性和柔性两种钢轨模型对机 车系统振动响应的差异以此说明模型建立过程中考 虑钢轨等部件柔性变形的必要性通过与轴箱实测振 动加速度进行对比验证机车刚柔耦合动力学模型的 准确性各车轮采用实测多边形机车运行速度为 与现场振动试验速度一致 图为现场振动试验的机车车轮不圆度测试结 果以该车轮轴箱垂向振动试验结果对模型进行验证 图 为极坐标形式表征的车轮不圆度测试结果反 映了滚动圆半径沿车轮周向的变化规律该车轮径跳 值车轮半径最大值与最小值之间的差值较大达到 了 图为采用窄带粗糙度谱分析或阶 次分析后用于表征各阶多边形粗糙度水平的阶次图 由图可知车轮周向非均匀磨耗主要体现为偏心 和 阶多边形其中阶多边形相较阶 阶多边形粗糙度水平更高达到了 从时域和频域角度分析了刚性轨道和柔性轨道模 型轴箱垂向振动计算结果的差异并且通过两种仿真 模型计算结果与现场振动试验结果进行对比验证了 机车刚柔耦合动力学模型柔性轨道的准确性如图 所示由图 可知刚性轨道模型计算出的轴箱 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 图车轮不圆度测试结果 垂向振动幅值约为 比柔性轨道模型和试验结 果要大可见考虑钢轨柔性变形可以吸收部分轮轨间 冲击载荷对机车振动起到衰减作用机车现场振动 试验得到的轴箱垂向振动幅值约为 比柔性轨 道模型计算结果略大是因为柔性轨道模型未考虑轨 道随机不平顺对振动响应的影响 为进一步分析刚性轨道模型和柔性轨道模型计算 结果产生差异的原因对轴箱垂向振动加速度时域结 果进行 频谱分析得到了 轴箱垂向振动频域结果见图由图可 知两种仿真模型计算出的轴箱振动幅值在 内一致振幅大于 时刚性轨道模型计算结果比 柔性轨道模型大该现象导致时域结果中刚性轨道模 型计算出的振动加速度幅值比柔性钢轨模型大同时 说明了模型中考虑钢轨柔性变形对低频动力学行为影 响不大柔性轨道模型对大于 的中高频振动成 分有显著的衰减作用有以下两点原因钢轨弹性 柔性变形和振型阻尼的存在对轮轨间中高频冲击载 荷具备缓冲作用扣件力元和阻尼衰减了轮轨冲 击刚性轨道模型柔性轨道模型计算结果与试验 结果的差异说明重载机车仿真预测模型建立过程中 必须将钢轨等部件视为柔性体必须考虑关键部件 柔性变形的影响两种仿真模型未能准确反映轨枕 参数激振对轴箱振动响应的影响是因为模型对轨枕 支撑作用进行了简化采用线性力元代替轨枕的支 撑作用 图柔性钢轨对轴箱振动响应的影响 机车现场振动试验得到的轴箱振动频域结果与柔 性钢轨模型一致二者均充分反映了轴箱垂向振动特 性图给出的车轮不圆度测试结果中车轮偏 心阶阶和阶多边形现象比较明显根据车 轮多边形通过频率与多边形阶次关系 式中 为多边形通过频率 为多边形阶次 为机车 运行速度 为车轮直径 机车速度为 时阶阶和阶多边 形的通过频率分别为 和 从图 中试验和仿真得到的频域结果可知在这些频率上 均有不同幅度的振动响应峰值其中 处振动响应 最明显然而该频率对应的阶多边形在不圆度测试 结果中粗糙度水平比阶多边形小是因为在 动力学软件中轮对约束状态下轮对一阶弯曲频 率为 该频率与阶多边形通过频率相近从 而激发了轮对一阶弯曲共振通过以上对比分析发 现本文建立的机车刚柔耦合动力学模型仿真计算结 果与试验结果基本一致能够充分反映车轮多边形态 下关键零部件的振动特性可以用于车轮多边形态下 机车轮轨动态响应研究 车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究 典型实测车轮多边形态下机车轮轨动态响应 分析 车轮不圆度现场调研过程中发现车轮偏心阶 第期刘欢等车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究 ChaoXing 和阶多边形现象较常见因此选取这三种典型实测 多边形分析多边形阶次对轮轨动力学行为的影响 为控制研究变量仅在机车一条轮对左右车轮添加了 实测多边形多边形幅值为 三种车轮不圆度 测试阶次结果如图 所示 仿真中机车运行速度为 采样频率为 计算机车在无激励平直轨道上运行时轮轨力 的波动和振动响应三种典型实测多边形状态下轮轨 法向力计算结果如图所示偏心形态下法向力 波动幅值较小阶多边形态下车轮转动一周的历 程中法向力变化曲线呈现谐波状波数与阶数相同 但波动幅值变化较大图中对应时间段内最大波动 幅值为 阶车轮多边形态下法向力最大 波动幅值为 机车速度等级钢轨激励和不 圆度幅值相同条件下车轮多边形阶次的差异导致 了法向力波动幅值差异显著式给出了多边形 阶次与多边形通过频率的计算关系车轮偏心 阶和阶 多 边 形 态 下多 边 形 通 过 频 率 分 别 为 和 前文给出了轮对有限元模 型模态计算结果和轮对模态敲击试验结果并分析了 轮对一阶弯曲共振的条件轮对一阶弯曲共振是导 致多边形幅值相同前提下不同阶次典型实测多边形 引起的轮轨力波动幅值差异显著的原因车轮 阶多边形引起的轮对一阶弯曲共振现象将导致轮对 振动幅值增大如图 所示和机车系统司机 室轴箱等出现异常振动现象 图典型实测多边形态下轮轨力和轴箱振动响应 速度与波深影响 车轮多边形的阶次波深和相位差以及机车车辆 的速度是研究车轮多边形对轮轨动力学行为影响时着 重考虑的因素现以阶多边形为例分析两种波深 状态下机车以不同速度等级运行时轮轨法向力和轮对 振动响应的影响如图 所示 由图 可知随着机车速度等级提高法向力最 大值呈现先增大后降低的趋势法向力最小值呈现先 降低后增大的趋势速度为 时法向力最大值 和最小值分别达到最大和最小此时法向力的波动幅 值最大波深从 增加至 各速度等级下 轮轨法向力的波动幅值均有增加从图给出的 轴箱振动加速度有效值计算结果可知在 的 速度等级附近轴箱垂向振动加速度有效值表现为先增 大和降低的现象然而随着速度等级不断提高当超 过 时由于轮轨间冲击作用时间缩短且多边 形激励频率接近车轮横向弯曲变形频率导致轴箱振 动加速度不断增大波深从 增加至 各 速度等级下轮对轴箱振动有效值均有增加车轮 阶多边形态下机车以 的速度等级运行时激 发轮轮对一阶弯曲共振从而出现了轮轨力波动幅值 和轴箱振动加速度有效值较大的现象如图所示 图不同速度和波深状态下轮轨力和轴箱振动响应 因此建议机车避免长期以 的速度匀速 运行可以降低车轮多边形激励引起的剧烈轮轨冲击 载荷从而降低零部件的疲劳损伤和改善机车振动过 大的现象 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 机车牵引行为影响 机车通常需要承担较大吨位的牵引任务列车匀 速运行时必须克服气动阻力坡道阻力和弯道阻力等 本节着重研究车轮多边形态下机车牵引行为对轮轨动 态相互作用和车轮多边形发展的影响仿真中各轮对 施加的驱动力矩可以通过力系平衡的关系求出而机 车在平直道上匀速运行时的总阻力可以通过以下 阻力计算公式求出 式中 和分别为机车质量和牵引质量 和 分别机车货车的运行单位基本阻力 其计算 公式为 式中 为机车运行速度 以牵引质量 为例分析机车车轮在有牵引 和无牵引两种工况下车轮钢轨间蠕滑特性的差异图 给出了两种工况下蠕滑率的计算结果由图 可知机车牵引工况下纵向蠕滑率波动幅值约为 而无牵引工况下纵向蠕滑率差值仅为 可见机车牵引工况下纵向蠕滑率波动幅值 大幅增加仿真中考虑了轮对结构和钢轨的柔性变 形并且施加了阶车轮多边形在速度为 时车轮多边形激励起了轮对的一阶弯曲振动导致车 轮踏面相对于钢轨踏面发生了横向滑移从而使得横 向蠕滑率出现了波动现象见图 机车牵引状 态引起的蠕滑率变化将对蠕滑力的计算产生影响见 图机车牵引工况下纵向蠕滑力的平均值和波 动幅值相比无牵引工况均有明显提高而横向蠕滑力 差异不大综上所述机车牵引行为显著增加了轮轨 间的纵向蠕滑率力并增大了其波动幅值蠕滑力和 蠕滑率是计算轮轨磨耗的关键参数机车牵引行为导 致轮轨蠕滑特性的变化有加剧车轮多边形磨耗的可 能为此本文计算了轮轨磨耗指数变化曲线见图 对比磨耗指数与非圆化幅值之间的相位关系可 以发现两种工况下轮轨磨耗指数变化曲线的波峰位 置与非圆化幅值曲线的波谷位置对应在车轮非圆化 的波峰位置磨耗指数比波谷小得多这一现象导致车 轮多边形波谷和波峰位置磨耗速率不均波谷处于加 速磨损状态而波峰处于缓慢磨损状态因此多边形 磨耗将逐渐明显波深逐渐增大对比有牵引和无牵 引工况下轮轨磨耗指数的差异可以发现二者相位基 本一致但前者磨耗指数波动幅值大幅提高无牵引 工况下车轮磨耗指数较小且波动不大而在牵引工况 下车轮磨耗指数均值和波动幅值都提高了倍多边 形波谷与波峰磨耗指数差距进一步拉大造成车轮周 向非均匀磨耗加速发展 图不同牵引状态下轮轨蠕滑率力和磨耗指数 图为车轮阶多边形状态下机车牵引质量对 轮轨磨耗指数的影响其中车轮最大磨耗指数曲线反 映了多边形波谷位置的磨耗速率磨耗指数变化幅值 曲线在一定程度上反映了多边形发展的快慢 由图可知随着机车牵引质量逐渐增大施加在各 轮对上的牵引力矩近似线性的增加但轮轨磨耗指数的 变化幅值及最大磨耗指数存在非线性增长趋势表明机 车牵引质量越大或牵引力矩越大车轮波谷和波峰位 置磨耗速率差异越大车轮多边形磨耗发展的速度越快 图不同牵引质量下轮对驱动力矩和磨耗指数 第期刘欢等车轮多边形态下机车轮轨动态响应研究 ChaoXing 结论 建立了考虑钢轨和轮对结构柔性和牵引行为的机 车刚柔耦合动力学模型利用机车振动试验结果对模 型进行了验证分析了车轮多边形阶次波深和机车 速度对轮轨动态响应的影响并且研究了机车牵引状 态对轮轨蠕滑率力和车轮磨耗指数的影响主要结 论如下 考虑钢轨柔性变形可有效衰减轮轨高频冲击 载荷仿真结果与试验结果更为接近车轮多边形态 下机车轮轨动力学响应研究必须考虑关键零部件弹 性变形的影响 速度等级下车轮阶多边形激发 了轮对一阶弯曲共振引起机车异常振动现象多边 形波深的增大加剧了轮轨力的波动建议机车避免长 期以 的速度匀速运行并及时镟修车轮 车轮多边形波谷位置的轮轨磨耗指数最大 波峰位置较小机车牵引行为使轮轨纵向蠕滑率和蠕 滑力波动幅值增大导致多边形波谷位置与波峰位置 车轮磨耗指数的差距拉大机车牵引力矩的提高增大 了车轮磨耗指数的波动幅值加剧了车轮多边形磨耗 的发展 参 考 文 献 程雄陈晓 机车异常振动分析与控制 技术 与市场 周易新 型机车走行部异常振动分析与对策 电力机车与城轨车辆 柳炜颜宁蒲全卫等 型机车轮对多边形发展趋 势探讨 电力机车与城轨车辆