Direct method for evaluation of wheel derailment in simulation of railway vehicle dynamics
-
摘要: 根据轮轨空间动态耦合关系, 提出了一种根据轮轨接触点位置进行脱轨评定的直接方法, 可用于对机车车辆动力学安全性分析评价。阐述了通过轮轨接触点进行脱轨评判的原理和采用此方法的优点。作为例子, 运用货车-轨道空间耦合模型, 对C62A货车曲线通过进行了脱轨仿真计算。仿真结果表明, 在仿真计算时采用此方法非常行之有效, 评判直观、可靠。Abstract: According to the coupling relation of wheel rail contact, a direct method is proposed to evaluate wheel derailment based on the wheel rail contact point.The advantage and the principle of the method are described. As an example, wheel derailment was simulated for a full scale freight car negotiating a curve from the point of view of vehicle track coupling dynamics.The results show that this principle is a very good method to evaluate vehicle derailment especially in simulation of railway vehicle dynamics.
-
Key words:
- railway vehicle /
- derailment /
- wheel rail contact point /
- safe contact region /
- method of evaluation
-
列车脱轨是危及铁路行车安全的主要因素, 轮轨型铁路运输系统最基本的安全要求就是保证不发生列车脱轨事故。但由于脱轨问题的复杂性和研究的困难性, 至今, 脱轨事故仍时有发生, 特别是在中国, 脱轨事故占铁路行车重大、大事故70%左右, 严重影响着中国铁路运输的经济效益和社会效益。
在对脱轨事故的调查中发现, 脱轨车辆和事故发生点的线路状态往往符合各自的现有安全标准, 按理不应发生脱轨事故, 但脱轨确有发生。而在进行脱轨试验时, 即使运行车辆大大超过现有脱轨评判标准, 车辆也并未发生明显的脱轨现象。由此, 有必要对现行的脱轨评判标准和方法重新认识和分析, 针对现行脱轨评判标准和方法中存在的一些不足, 寻求更为合理和直观的评判方法。本文基于车辆-轨道耦合动力学理论[1], 根据车辆轮轨接触的空间耦合关系[2], 尝试根据轮轨接触点位置进行车辆脱轨评判, 试图找出一种适用于车辆动力学仿真分析的脱轨评判方法。
1. 根据轮轨接触点直接评判脱轨
1.1 轮轨接触点的确定[1~3]
车轮在钢轨上正常运行, 必须满足两个约束条件: 一是轮轨空间接触几何约束条件, 对于轮轨接触点, 即满足: ①左右轮轨垂向距离为零; ②接触点上轮轨曲线具有相同的斜率; 二是动力学条件, 即满足轮对以及钢轨的动力学方程。因此, 当轮对所受的各项悬挂力及其运动学参数已知时, 应用蠕滑理论算出轮轨接触点处的轮轨蠕滑力/力矩, 应用赫兹非线性接触理论算出轮轨法向力后, 就可以由轮对动力学方程求得轮对横向位移、摇头角、垂向位移和侧滚角, 由钢轨动力学方程求得钢轨的垂向位移、横向位移和扭转角; 然后根据轮轨接触几何约束条件, 采用“迹线法”[3], 即可确定轮轨相对位置关系以及轮轨接触点几何坐标值。
由于轮轨外形很难甚至不可能用精确的解析式来表示, 在实际仿真运算过程中, 采用了对车轮踏面和钢轨型面进行有限离散的方法, 形成车轮踏面和钢轨型面的离散数据文件。然后对这些有限的离散数据进行三次样条拟合, 从而得到近似轮轨型面的拟合曲线。实际计算表明, 沿水平方向每隔0.5 mm测取一组数据点, 其计算结果已足够满足工程计算的需要。
1.2 根据轮轨接触点评判脱轨
长期以来, 对脱轨的评判指标主要是脱轨系数和轮重减载率, 即分别是脱轨侧车轮垂向力与横向力的比值(Q/P) 和左右轮轨减载量与静轮重的比值(ΔP/Pst)。这都是从轮轨间的受力特性来加以考虑的, 虽说力是改变轮轨接触状态内在的原因, 但其与轮轨间的初始状态有很大的关系。实际上, 车辆脱轨就是车轮脱离了钢轨对其的约束, 而使车辆无法正常在轨道上运行的现象。因此不妨直接从轮轨接触几何状态来判断车辆是否脱轨, 即根据轮轨接触点位置来进行评判。如图 1 (图示为LM型踏面) 所示, 在车轮踏面区域内定义轮轨安全接触区和危险接触区(图示16 mm和3 mm区域), 即轮轨接触点位置在安全接触区域内时, 车轮与钢轨正常接触, 车辆并无脱轨危险; 当轮轨接触点位置在危险接触区时, 钢轨与轮缘根部接触, 车轮开始出现爬轨现象, 车轮抬升量增大, 车辆出现脱轨危险, 即进入脱轨临界状态, 此时一旦有一个横向力激扰, 即有可能越过临界状态而出现脱轨。
由此, 采用轮轨接触点位置可以清楚界定车辆不脱轨的条件, 即保证轮轨接触点始终在车轮踏面安全接触区内, 最大不能越过危险接触区。为了进行直观判断, 以车轮踏面名义接触点为坐标原点建立横向单坐标系, 考虑一定的安全裕量(3 mm), 则安全接触区的范围为-38~57 mm; 危险接触区的范围为-54~-38 mm和57~60 mm。若轮轨接触点位置在安全接触点范围内则可保证车辆不脱轨。在仿真计算时, 对左侧车轮, 对于图 1所示坐标系, 轮轨接触点坐标(横坐标ycon) 值满足-57 < ycon < 38;对于右侧车轮, 满足-38 < ycon < 57, 则可确保车辆安全运行; 在-60 < ycon < -57或38 < ycon < 50 (左侧) 和在-50 < ycon < -38或57 < ycon < 60 (右侧), 则车辆处于危险状态, 超过此范围, 则车辆已脱轨。
在车辆动力学仿真计算中采用这一方法进行车辆运行安全性评价是恰当的。因为既然仿真计算中可以直接获取轮轨接触点具体位置, 也就能判定车辆是否有脱轨危险, 而没有必要再去通过脱轨系数和轮重减载率这样的间接指标来推断, 加之这类指标的安全限值尚未准确界定。
2. 整车脱轨仿真分析算例
根据车辆-轨道耦合动力学的思想, 详细考虑C62A货车的悬挂特性和轨下基础系统以及其相互作用的动态特征, 可以建立货车-轨道空间耦合动力学仿真分析模型[1, 4]。本文将采用这一模型, 并以轮轨接触点位置作为关键评判指标, 进行货车脱轨仿真分析。
一般而言, 列车脱轨事故易发生在曲线段, 而且大多为空车在缓圆点或圆缓点上。因此对一段直线—缓—圆—缓—直线进行了C62A空车动力学仿真分析(曲线方向考虑为顺时针)。曲线参数为: 曲线半径为350 m, 圆曲线长25 m, 缓和曲线长为45 m, 曲线超高为120 mm, 轨底坡为1/40。当车辆分别以40 km/h、60 km/h、85 km/h和100 km/h通过该曲线时, 并在距第一个缓圆点30 m的缓和曲线上设置一个单一的水平谐波不平顺(波长7 m, 波深5 mm), 仿真结果如表 1 (表中均取各自最大值, 因而左右轮位的值并非出现在同一时刻, 负号表示方向) 所示。
表 1 C62A货车空车曲线脱轨安全性指标的仿真结果Table 1. Simulation results of criterions for derailment when a full-scale C62A freight car negotiates a curve速度/km·h-1 轮位 脱轨系数 轮重减载率 车轮抬升量/mm 轮轨接触点/mm 左轮 右轮 左轮 右轮 左轮 右轮 左轮 右轮 40 Ⅰ 0.3390 0.3265 1.0 1.0 8.445 7.537 24.38 6.648 Ⅱ 0.3374 0.3274 1.0 1.0 3.003 2.808 -15.19 -25.91 Ⅲ 0.3281 0.3333 1.0 1.0 3.475 3.285 28.26 -13.03 Ⅳ 0.3367 0.3309 1.0 1.0 6.620 7.068 18.44 -9.091 60 Ⅰ 0.3390 0.3265 1.0 1.0 8.854 7.959 23.53 -14.49 Ⅱ 0.3374 0.3247 1.0 1.0 2.736 2.420 13.07 -18.34 Ⅲ 0.3281 0.3333 1.0 1.0 2.611 1.754 30.69 -20.07 Ⅳ 0.3307 0.3309 1.0 1.0 6.993 7.713 19.67 -10.32 85 Ⅰ 0.4501 0.3402 1.0 1.0 9.461 8.446 32.10 -31.03 Ⅱ 1.5910 1.4590 1.0 1.0 2.457 2.273 35.94 -35.44 Ⅲ 0.4224 0.3323 1.0 1.0 2.164 1.564 32.06 -20.60 Ⅳ 0.4217 0.3334 1.0 1.0 7.340 8.463 23.06 -10.32 100 Ⅰ 2.4510 0.2087 1.0 1.0 27.03 31.09 -49.40 25.13 Ⅱ 6.9260 0.3379 1.0 1.0 24.44 36.97 41.66 31.03 Ⅲ 2.1070 0.3178 1.0 1.0 12.35 8.512 38.44 -28.05 Ⅳ 0.4500 0.4152 1.0 1.0 17.53 15.16 28.86 -25.44 从表 1可见, 当C62A货车空车在曲线段运行时, 无论速度较低(40 km/h左右), 还是较高(大于70 km/h), 受一水平谐波激扰后, 其轮重减载率都超过了安全限值0.6, 达到了1.0。由此可见, 单纯用轮重减载率的评判标准(ΔP/Pst < 0.6) 将给车辆正常运营带来制约。随着车辆运行速度的提高, 各项脱轨安全评定指标值都趋于增大。当速度为40~60 km/h时, 除轮重减载率由于谐波激扰瞬时超限外, 其它各项安全限值都在安全范围内, 运行良好, 无脱轨危险。当速度进一步加大到85 km/h时, 不仅轮重减载率超限, 其脱轨系数也超过了安全标准1.0, 二位轮对的左轮和右轮接触点分别达到了35.94 mm和-35.44 mm, 已非常接近38 mm (左轮) 和-38 mm (右轮) 的安全临界限值。当速度达到100 km/h时, 各项指标都已超限, 车辆将发生脱轨。
图 2是车辆以不同速度通过该曲线时外侧轮轨接触点随运行距离的变化情况。从图 2中可以清楚地看到, 车辆在直线运行时轮轨接触点位置变化很小; 在40 km/h速度时, 车辆在30 m处受到谐波激扰后, 发生横向振动, 但振幅较小, 之后平缓地发生轮对外移, 过曲线段后, 轮对接触点又平稳地过渡到车轮踏面名义接触点附近; 速度为60 km/h时, 其变化曲线基本与40 km/h一致, 但振动幅值要大, 振动较剧烈, 且车辆整个轮对曲线外移变大, 在圆曲线上, 车辆基本平稳运行, 过圆缓点后, 轮轨接触点又逐渐回到名义接触点附近正常运行; 当速度为85 km/h时, 车辆运行品质明显恶化, 受谐波激扰后, 车辆在曲线段发生蛇形失稳, 轮轨接触点位置已接近安全接触区临界值, 随时会产生脱轨危险; 当速度为100 km/h时, 其谐波激扰产生的影响很小, 主要是曲线使车辆在高速运行时产生很大的离心加速度, 在运行到60 m左右处(缓圆点), 轮轨接触点位置已超过轮轨踏面安全限值, 车辆随即发生脱轨。
图 3是车辆以85 km/h的速度通过该曲线时常用脱轨评定指标的变化情况。从轮重减载率在谐波位置产生了突变, 达到了最大值1.0, 即发生了轮对瞬时脱离, 但之后平稳变化; 仿真中车辆以较低速度运行时如受到脉冲或者单一的谐波形激扰时, 轮重减载率会发生突变, 往往会超过现有的安全限值, 但轮轨接触点位置都还远远未达到安全限值, 车辆并无脱轨危险; 脱轨系数从谐波激扰处开始呈谐波变化, 且变化幅值越来越大, 已超过安全限值1.2;从轮轨接触角、脱轨系数和轮轴横向力的变化曲线来看, 轮轨接触点的变化曲线与这些常用的脱轨评判指标吻合良好, 这说明以轮轨接触点来进行脱轨判断是准确可行的。在实际车辆运行过程中脱轨系数和轮重减载率由于钢轨不平顺激扰瞬时超限是常常存在的, 但只要轮轨接触点在安全接触区范围, 并无脱轨危险。脱轨仿真计算时, 以轮轨接触点作为评判指标可以避免由脱轨系数和轮重减载率瞬时超限而预报为脱轨的缺陷, 实现准确预报。
图 3 车辆蛇形失稳后常用脱轨指标的变化过程Figure 3. Normal criterions for derailment after vehicle hunting motion3. 结语
(1) 根据轮重减载率和脱轨系数制定的脱轨评定标准在进行脱轨评判时均存在不确定性, 依此对脱轨事故原因分析时, 常常难以直接找到真实的脱轨原因, 而且现有的评判指标存在很大的保守性, 在实际车辆运营中, 可能会成为提速的障碍。
(2) 仿真计算表明, 车辆在通过曲线时, 速度过低和速度太高都有可能引起车辆脱轨, 应根据各曲线段情况采用不同的速度, 尽可能使车辆离心力与其重力横向分力平衡。
(3) 在车辆动力学仿真分析中, 采用轮轨接触点位置进行脱轨判断具有简单、直观和准确的优点。建议在进行车辆动力学分析时将轮轨接触点位置参数作为评判脱轨的直观指标, 从而优化车辆和轨道参数, 进一步保证车辆运行不脱轨或是少脱轨。
-
图 3 车辆蛇形失稳后常用脱轨指标的变化过程
Figure 3. Normal criterions for derailment after vehicle hunting motion
表 1 C62A货车空车曲线脱轨安全性指标的仿真结果
Table 1. Simulation results of criterions for derailment when a full-scale C62A freight car negotiates a curve
速度/km·h-1 轮位 脱轨系数 轮重减载率 车轮抬升量/mm 轮轨接触点/mm 左轮 右轮 左轮 右轮 左轮 右轮 左轮 右轮 40 Ⅰ 0.3390 0.3265 1.0 1.0 8.445 7.537 24.38 6.648 Ⅱ 0.3374 0.3274 1.0 1.0 3.003 2.808 -15.19 -25.91 Ⅲ 0.3281 0.3333 1.0 1.0 3.475 3.285 28.26 -13.03 Ⅳ 0.3367 0.3309 1.0 1.0 6.620 7.068 18.44 -9.091 60 Ⅰ 0.3390 0.3265 1.0 1.0 8.854 7.959 23.53 -14.49 Ⅱ 0.3374 0.3247 1.0 1.0 2.736 2.420 13.07 -18.34 Ⅲ 0.3281 0.3333 1.0 1.0 2.611 1.754 30.69 -20.07 Ⅳ 0.3307 0.3309 1.0 1.0 6.993 7.713 19.67 -10.32 85 Ⅰ 0.4501 0.3402 1.0 1.0 9.461 8.446 32.10 -31.03 Ⅱ 1.5910 1.4590 1.0 1.0 2.457 2.273 35.94 -35.44 Ⅲ 0.4224 0.3323 1.0 1.0 2.164 1.564 32.06 -20.60 Ⅳ 0.4217 0.3334 1.0 1.0 7.340 8.463 23.06 -10.32 100 Ⅰ 2.4510 0.2087 1.0 1.0 27.03 31.09 -49.40 25.13 Ⅱ 6.9260 0.3379 1.0 1.0 24.44 36.97 41.66 31.03 Ⅲ 2.1070 0.3178 1.0 1.0 12.35 8.512 38.44 -28.05 Ⅳ 0.4500 0.4152 1.0 1.0 17.53 15.16 28.86 -25.44 
下载: 导出CSV
-
[1] ZHAI Wan-ming. Vehicle -Track Coupling Dynamics (The Second Edition)[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2002. [2] SONG Hua. Research of wheel/rail spatially dynamic coupling relationship[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 1998. [3] WANG Kai-wen. Wheel/rail contact trochoid and the calculation of wheel/rail contact geometrical parameters[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 1984, 31(1): 89-98. [4] CHEN Guo. Random vibration analysis of vehicletrack coupling system[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2000. [5] ZHAI Wan-ming, CHEN Guo. Method and criteria for evaluation of wheel derailment based on wheel vertical rise[J]. Journal of the China Railway Society, 2001, 23 (2): 17-25. -
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 379
- HTML全文浏览量: 148
- PDF下载量: 292
- 被引次数: 0
