日本交通安全環(huán)境研究所設(shè)置曲線(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)的軌道轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)

為了確保高速運(yùn)行的穩(wěn)定性，曲線(xiàn)有時(shí)必須通過(guò)性能。在曲線(xiàn)通過(guò)方面,存在鋼軌波狀磨耗、車(chē)輪輪緣磨耗、噪聲振動(dòng)及跳軌脫軌等維修和安全上的課題。所以,弄清通過(guò)小半徑曲線(xiàn)時(shí)的機(jī)理,以提高曲線(xiàn)通過(guò)性能十分必要。鑒于城市內(nèi)的私營(yíng)鐵路、地鐵線(xiàn)路上小半徑曲線(xiàn)數(shù)量多,以小半徑曲線(xiàn)上不易脫軌及降噪和減振、維修簡(jiǎn)單化等為目標(biāo),對(duì)新一代城市軌道用轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)。1蛇行運(yùn)動(dòng),平直直線(xiàn)小半徑曲線(xiàn),直由于車(chē)輪踏面上有錐度,輪對(duì)靠近鋼軌左側(cè)時(shí),左側(cè)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)半徑就比右側(cè)大,產(chǎn)生右轉(zhuǎn)彎的導(dǎo)向力,輪對(duì)就具有了沿曲線(xiàn)轉(zhuǎn)彎的自導(dǎo)向機(jī)能。但在直線(xiàn)上,常常形成邊橫向振動(dòng)邊前進(jìn)的狀態(tài)(蛇行運(yùn)動(dòng))。雖然踏面錐度越大,越易通過(guò)小半徑曲線(xiàn),但在直線(xiàn)上,由于蛇行運(yùn)動(dòng)周期短,使速度上不去。相反,踏面錐度越小,直線(xiàn)上的速度越高,但不能通過(guò)小半徑曲線(xiàn)。這樣,在直線(xiàn)高速運(yùn)行和小半徑曲線(xiàn)的運(yùn)行上存在矛盾。通常,為了能在直線(xiàn)上以某個(gè)速度運(yùn)行而使踏面錐度小一些,在小半徑曲線(xiàn)上,便利用輪緣來(lái)導(dǎo)向。所以,在小半徑曲線(xiàn)上,存在邊摩擦邊運(yùn)行問(wèn)題,便產(chǎn)生了與曲線(xiàn)運(yùn)行有關(guān)的各種問(wèn)題。2橫向壓縮試驗(yàn)要弄清曲線(xiàn)通過(guò)機(jī)理,首先應(yīng)了解曲線(xiàn)通過(guò)的實(shí)際狀態(tài),對(duì)曲線(xiàn)通過(guò)過(guò)程中的轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)的狀態(tài)、輪軌力等進(jìn)行測(cè)定。典型情況見(jiàn)圖1。轉(zhuǎn)向架在運(yùn)行方向的前軸上向曲線(xiàn)外側(cè)的沖角大,橫向位移外軌側(cè)大,鋼軌和輪緣接觸。另一方面,后軸上沖角、橫向位移都小,車(chē)輪踏面錐度沒(méi)有起作用。由于內(nèi)外軌間車(chē)輪旋轉(zhuǎn)半徑差沒(méi)有消除,所以產(chǎn)生了大的縱向蠕滑力,使曲線(xiàn)外側(cè)的反導(dǎo)向力作用于轉(zhuǎn)向架上。前軸上,由于沖角而引起曲線(xiàn)外側(cè)的橫向蠕滑力起作用,從而使曲線(xiàn)上前軸外軌側(cè)向力變大。3轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模型1988年,日本交通安全環(huán)境研究所的轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)臺(tái),是以從輕軌車(chē)那樣的小型車(chē)輛到既有的大型車(chē)輛為目標(biāo)設(shè)計(jì)的,試驗(yàn)對(duì)象為1臺(tái)轉(zhuǎn)向架半個(gè)車(chē)體,軸距1.4m～2.5m,適應(yīng)最高速度220km/h,通過(guò)給出對(duì)應(yīng)軌道平面曲率的軌道輪角、與內(nèi)外軌道長(zhǎng)度差相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)速度差、離心力和未平衡的橫向力來(lái)模擬曲線(xiàn)通過(guò),其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),除了測(cè)定車(chē)輪和軌道輪間的沖角、橫向位移、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車(chē)體相對(duì)位移、輪重、側(cè)向力、切向力(車(chē)軸扭矩)等,還可以利用電視攝像機(jī)觀(guān)察輪軌接觸狀況。4波狀磨耗引起輪軌振動(dòng)的機(jī)理1994年—1995年,將地鐵小半徑曲線(xiàn)部位產(chǎn)生的波狀磨耗作為對(duì)象進(jìn)行了研究。如前所述,在掌握轉(zhuǎn)向架通過(guò)小半徑曲線(xiàn)過(guò)程中的特性后,對(duì)波狀磨耗的產(chǎn)生機(jī)理作出了推論。輪軌間存在過(guò)大的蠕滑時(shí),一旦軸重發(fā)生變化,由于在接觸面內(nèi)可能產(chǎn)生的蠕滑力發(fā)生變化,所以,反復(fù)發(fā)生滾動(dòng)-滑動(dòng)(粘著、滑動(dòng))現(xiàn)象,引起軌頭頂面周期性的磨耗,即波狀磨耗。一般認(rèn)為,在前軸上引起的粘著和滑動(dòng),起因于橫向蠕滑力和鋼軌反彈跳振動(dòng);在后輪對(duì)上引起的粘著和滑動(dòng),起因于縱向蠕滑和(輪軌間)接觸彈簧系統(tǒng)振動(dòng)。為了驗(yàn)證這個(gè)機(jī)理,在轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)臺(tái)上,施加過(guò)大的蠕滑和輪重變動(dòng)時(shí),證實(shí)產(chǎn)生了波狀磨耗。調(diào)查軌道結(jié)構(gòu)的不同與波狀磨耗關(guān)系時(shí),通過(guò)測(cè)定波狀磨耗的波長(zhǎng)和現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)發(fā)現(xiàn),枕木軌道上輪軌接觸彈簧系統(tǒng)振動(dòng)顯著,混凝土軌道上鋼軌反彈跳振動(dòng)顯著。因此,即使改變軌道結(jié)構(gòu),也只能改變波狀磨耗的波長(zhǎng),而防止它發(fā)生的作用是有限的。由于這些原因,作為防止波狀磨耗的措施,使后軸的縱向蠕滑力比前軸的橫向蠕滑力要小是非常重要的,因此,改善輪軌關(guān)系一般認(rèn)為以下方法是有效的:(1)改變接觸點(diǎn)以取得車(chē)輪旋轉(zhuǎn)半徑差;(2)潤(rùn)滑以減小蠕滑力。這樣,通過(guò)實(shí)施試驗(yàn)軌道的加寬、鋼軌非對(duì)稱(chēng)的削正、潤(rùn)滑等,確認(rèn)了這些措施的效果。5旋轉(zhuǎn)半徑差的穩(wěn)定性,也是保證車(chē)輪運(yùn)行的前提條作為防止波狀磨耗的措施,為了減小蠕滑力,不能僅依靠軌道方面的對(duì)策,針對(duì)小半徑曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)向架的研究也很重要。其設(shè)計(jì)原則如下:(1)確保在直線(xiàn)線(xiàn)路上運(yùn)行的穩(wěn)定性,即使中立點(diǎn)附近的踏面錐度與既有線(xiàn)的相同。(2)確保在曲線(xiàn)上內(nèi)外軌車(chē)輪旋轉(zhuǎn)半徑差得到高的曲線(xiàn)通過(guò)性能。因此,除了中立點(diǎn)附近,踏面錐度很大。(3)充分利用輪緣根部。增大根部的半徑,擴(kuò)大軌距以增加車(chē)輪的橫向移動(dòng)量。(4)為了確保運(yùn)行安全性,采用與以前相同的足夠的輪緣厚度和輪緣高度。(5)不增加接觸壓力。采取以上措施后,車(chē)輪旋轉(zhuǎn)半徑差與原有的1/20圓錐踏面相比,多了近3倍。另外,還確認(rèn)了在小半徑曲線(xiàn)的前輪對(duì)外軌側(cè)向力也減少到8成。6小半徑曲線(xiàn)的傳遞特性以上都是已經(jīng)實(shí)用化的技術(shù),下面介紹作為新一代城市軌道用轉(zhuǎn)向架正在研究中的技術(shù)。與東京大學(xué)等共同進(jìn)行了后軸為獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪的轉(zhuǎn)向架的研究。在獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪上,由于左右車(chē)輪間不傳遞旋轉(zhuǎn)力,所以縱向蠕滑力不起作用。前軸采用普通輪對(duì),確保導(dǎo)向性能;后軸采用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪,通過(guò)提高高速運(yùn)行穩(wěn)定性和減小在小半徑曲線(xiàn)上的縱向蠕滑力的影響,來(lái)提高導(dǎo)向性能。圖3所示為提高小半徑曲線(xiàn)通過(guò)性能的機(jī)理。使用最佳化圓弧踏面的效果和在后軸使用獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪的效果見(jiàn)圖4。這是根據(jù)轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果,橫坐標(biāo)軸表示蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度即直線(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定性,縱坐標(biāo)軸表示在半徑200m的曲線(xiàn)上,前軸外軌的側(cè)向力(大小相反),代表曲線(xiàn)通過(guò)性能?？梢钥闯鍪褂锚?dú)立旋轉(zhuǎn)車(chē)輪,并不損害直線(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定性,但卻可使曲線(xiàn)通過(guò)性能大大提高。7內(nèi)軌側(cè)軌道輪噴射裝置改善輪軌邊界的另一個(gè)方法是通過(guò)潤(rùn)滑來(lái)減小蠕滑力。因此,正在研究利用摩擦調(diào)整材料。本研究中,通過(guò)轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)臺(tái),根據(jù)與曲線(xiàn)半徑的關(guān)系弄清了摩擦調(diào)整的效果。這里使用的摩擦調(diào)整材料(FM)是稱(chēng)之為KELTRACKTMHPF的以水為溶劑的液態(tài)、具有正向波形蠕滑特性,即如果滑動(dòng)量增大摩擦系數(shù)也增大、摩擦系數(shù)范圍為0.17～0.35的物質(zhì)。試驗(yàn)中,低速旋轉(zhuǎn)軌道輪一周,期間用噴嘴向內(nèi)軌側(cè)前后軸的軌道輪頂面噴射FM,停止軌道輪旋轉(zhuǎn),使之干燥后再運(yùn)行。營(yíng)業(yè)線(xiàn)路上,在列車(chē)的尾部安裝噴射裝置,在曲線(xiàn)內(nèi)軌側(cè)噴射并干燥,預(yù)計(jì)后面的列車(chē)通過(guò)時(shí)有較好的調(diào)整效果。內(nèi)軌使用FM與未使用FM時(shí),前軸外軌側(cè)脫軌系數(shù)的情況見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)曲線(xiàn)半徑越小,摩擦調(diào)整的效果越顯著,確認(rèn)了利用摩擦調(diào)整可將脫軌系數(shù)減小到■以下。8主動(dòng)控制轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)為了降低蠕滑力,回到圖1考慮,提出了如果使轉(zhuǎn)向架構(gòu)架本身導(dǎo)向的更好方案。特點(diǎn)是不控制輪對(duì),利用作動(dòng)器控制轉(zhuǎn)向架構(gòu)架,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。使用試制的主動(dòng)控制轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu),在轉(zhuǎn)向架試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖7?？梢钥闯鲇捎谠黾幼鲃?dòng)器力而使側(cè)向力減小了,曲線(xiàn)半徑越小,作動(dòng)器力越需要。即使在小半徑曲線(xiàn)上,側(cè)向力也可以減小到0。9輪軌間的調(diào)整以上介紹了日本交通安全環(huán)境研究所“以提高曲線(xiàn)能力為目標(biāo)”從過(guò)去到現(xiàn)在的研究概況