跨装钢轨对钢轨运输平车曲线通过安全性的影响研究.pdf
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1、第5期(总第2 4 0 期)2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号:16 7 2-6 4 13(2 0 2 3)0 5-0 0 52-0 3跨装钢轨对钢轨运输平车曲线通过安全性的影响研究李子昂,付茂海,苏东瑞,俞仕杰(西南交通大学机械工程学院,四川成都6 10 0 31)摘要:利用SIMPACK软件建立钢轨运输车组动力学仿真模型,通过仿真计算,研究跨装钢轨对钢轨运输平车曲线通过安全性的影响。结果表明:跨装钢轨对钢轨运输平车曲线通过安全性有较大的影响,且曲线半径越小,影响越大。关键词:钢轨运输
2、车辆;跨装钢轨;曲线通过安全性中图分类号:U260.11+3:T P391.9文献标识码:A0引言钢轨由于自身长度和重量等原因,在使用铁路运输时,需要两辆或多辆轨道车辆连挂装载。当运输车通过曲线线路时,钢轨在固定装置的约束下会发生弯曲变形,对车辆产生附加作用力,从而影响跨装车辆的运行安全性。国内一些学者对长钢轨运输车的动力学性能进行了相关研究,汪正义等1对50 m长钢轨运输车组侧向通过道岔的安全性进行了仿真研究;马玉坤2 及温克学等3 分别对7 5m长钢轨运输车组和10 0 m长钢轨运输车组侧向通过道岔以及通过小半径曲线的动力学性能进行了仿真计算。然而,现有的研究并没有指出跨装钢轨给运输车辆运
3、行性能造成的影响有多大。因此,本文通过建立由两辆普通平车连挂装载的长钢轨运输车组的动力学仿真模型,采用SIMPACK动力学仿真软件,分别在考虑和不考虑钢轨弯曲变形两种情况下对长钢轨运输车组通过不同半径曲线工况的动力学性能进行仿真计算,以研究跨装钢轨对钢轨运输平车曲线通过安全性的影响。1车辆结构及装载方案1.1车辆结构特点本文以某型满足钢轨跨装运输的轨道平车为研究对象,该车装有整体焊接构架式转向架。转向架由轮对、轴箱悬挂装置、焊接构架、常接触弹性旁承、球面心盘和基础制动装置等部件组成。车辆主要技术参数如表1所示。表1车辆主要技术参数技术参数轨距(mm)车轮半径(mm)车辆定距(m)跨装钢轨长度(
4、m)1.2装载方案以采用两车连挂装载36 根36.6 m长UIC60E1型钢轨方案为例进行动力学性能仿真计算,钢轨装载方案如图1所示。钢轨通过紧固装置锁定在车辆上,钢轨与车体之间可以纵向滑动,横向有少许间隙,其余方向运动锁死。因此,连挂跨装钢轨两车的横移运动、摇头运动、浮沉运动、点头运动和侧滚运动将受到钢轨弹性的影响。18.60011000数值143542513.436.618600110008500图1钢轨装载示意图2计算模型2.1车辆模型铁道机车车辆是质量、阻尼、弹簧等组成的一个复杂多体系统,车辆各部件之间以及轮轨之间均存在相互作用力和相互作用关系,为便于理论计算分析,需要在保证仿真精度的
5、前提下对车辆模型做如下简化:忽略轨道、轮对、轴箱、构架和车体的弹性变形;对于一些质量较小的单元,仅考虑其刚度和阻尼;不考虑收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 3;修订日期:2 0 2 3-0 6-2 1作者简介:李子昂(1999-),男,河南新乡人,在读硕士研究生,研究方向:机车车辆系统动力学性能和结构可靠性。其他车辆的作用,即只考虑两节连挂车辆的匀速运动。遵循以上简化原则,利用SIMPACK动力学仿真软件建立钢轨运输车组动力学性能仿真模型,如图2所示,模型考虑轮轨非线性接触几何关系、非线性轮轨蠕滑及非线性悬挂等问题。为研究跨装钢轨对钢轨运输平车运行性能的影响,将按以下两种仿真工况分别进行分
6、析计算:不考虑跨装钢轨弯曲变形对车体产生的附加作用力;考F2023年第5期虑跨装钢轨弯曲变形对车体产生的附加作用力。图2 钢轨运输车组动力学仿真模型2.2跨装钢轨模型对于1根固定长度的钢轨模型,可将其分成长度相同的n段,通过在每段钢轨间建立扭转弹性单元模拟钢轨的弯曲性能。钢轨模拟模型如图3所示,图中Kr为每段钢轨间的扭转刚度。KTKT图3钢轨模拟模型k-2k-1k2图5悬臂梁离散模型设第k段和k一1段间的夹角为,根据力矩平衡公式,有:T;=Kn0=Fl:Ta-1=Km0k-1=2Fl.由式(2)、式(3)可得:FlKTI2Fl0k-1KT=20k以此类推,则第1段与第2 段间的夹角6 2 为:
7、(k-1)Fl2KTI假设每段钢轨间的夹角均很小,结合图5,可得在载荷F作用下:w1+2+.+(k-1)olWk-12+3+.+(k-1)0,l:(w2(k-1)0kl则有k(k-1)(2k-1)一j1令w=w,由式(1)、式(6)和式(8)可得:k(k-1)(2k-1)EIKm21k3根据钢轨装载方案,取钢轨离散长度1=1.7.m,k=5。U I C 6 0 E1型钢轨截面如图8 所示,已知钢轨弹性模量E=2.061011Pa,钢轨截面对轴的惯性矩为3.0 38 10-5m,对轴的惯性矩为5.12 310-m45。根据式(9)得出单根钢轨离散模型和方向的等效扭转刚度分别为2.6 5X106N
8、m/rad和4.47X105Nm/rad,通过线性叠加可得到36 根钢轨整体各段之间的等效扭转刚度。3仿真分析3.1仿真工况设置计算分析的仿真工况如表2 所示,为了得到更明显的对比结果,计算中不施加轨道不平顺。3.2计算结果根据GB/T5599一2 0 19机车车辆动力学性能评李子昂,等:跨装钢轨对钢轨运输平车曲线通过安全性的影响研究L图4 悬臂梁将长度为L的悬臂梁模型离散为k段长度为l的KTKT=(k-1)0:653为确定每段钢轨间的扭转刚度,取一段长度L=kl的钢轨,将其视为悬臂梁,在其自由端施加载荷F,如图4 所示。设自由端产生的挠度为W,则:(1)3EI其中:E为钢轨的弹性模量;I为钢
9、轨的截面惯性矩。KT刚体,每段之间的扭转刚度为Krl。同样在自由端施n加载荷F,设自由端产生的挠度为w,如图5所示。分别对第k段和k一1段进行受力分析,受力示意图分别如图6 和图7 所示。FTkFyk图6第段受力示意图定及试验鉴定规范6,分别在考虑和不考虑跨装钢轨弯曲变形对车体产生附加作用力两种情况下,将脱轨(2)系数、轮重减载率、轮轴横向力等作为评价指标对钢轨(3)运输车组通过曲线时的安全性进行分析。各项指标计算结果取最大值,列于表3,并根据结果绘制柱状图,如图9所示。(4)(5)(6)(7)(8)(9)FL3Tk-1FkR13R35R1205R120XR120R12091&1:14图8 U
10、IC60E1型钢轨截面表2仿真工况曲线超高量缓和曲线圆曲线欠超高量ho通过速度半径R(m)(mm)长度1,(m)长度l(m)(mm)3001004001006008080060120050对比表3和图9 中的数据可以看出:两种情况下车辆的脱轨系数几乎没有差别;而在考虑跨装钢轨弯k-1F(k-1)图7 第k一1段受力示意图7252.05320.456R300:2.7516515100200100200802006020050200FkTk3515(km/h)7065.77075.97087.37093.970110.554曲变形的情况下,车辆的轮重减载率和轮轴横向力明显比不考虑跨装钢轨弯曲变形时
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