劉 麗 張衛(wèi)華 梅桂明 吳 娜

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,610031,成都∥第一作者,博士研究生)

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鐵道車輛軸箱彈簧斷裂故障對動力學性能的影響*

劉 麗 張衛(wèi)華 梅桂明 吳 娜

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,610031,成都∥第一作者,博士研究生)

車輛運行過程中,當軸箱彈簧突發(fā)斷裂故障,會造成動力學狀態(tài)和性能突變,一系懸掛剛度突然減小,暫時失去承載能力,會威脅車輛行車安全。結(jié)合整車的動力學仿真,建立了軸箱彈簧斷裂過程的力學模型,對整個斷裂過程進行仿真,模擬了軸箱彈簧突然斷裂工況下車輛動力學性能變化,分析了軸箱彈簧斷裂條件下車輛直線行車安全性以及曲線通過安全性。計算分析結(jié)果表明:軸箱彈簧突然斷裂導致一系懸掛剛度劇變,引起輪軌垂向力先減小后增大,輪重減載率、脫軌系數(shù)等參數(shù)增大直至超限,但對輪軌橫向力影響不大。

鐵道車輛; 軸箱彈簧; 彈簧斷裂故障; 動力學仿真; 粘滑模型; 運行安全性

Author′s address State Key Labratory of Traction Power,Southest Jiaotong Universig,610031,Chengdu,China

軸箱彈簧作為車輛一系懸掛的重要部件,是連接軸箱與構(gòu)架的緩沖裝置。它不僅要支撐車體質(zhì)量,同時起到隔離和衰減輪軌不平順振動的作用,對高速車輛的舒適性和安全性也起著至關(guān)重要的作用。因此,軸箱彈簧在運用過程中失效會對行車安全帶來極大風險[1-3]。

國內(nèi)外學者對軸箱彈簧的失效進行了大量的研究[4-8],但都是針對彈簧斷裂原因著手研究,目前對軸箱彈簧故障過程的研究還很少。本文從彈簧斷裂過程中車輛系統(tǒng)動力學性能變化著手分析車輛運行的安全性。

考慮失效軸箱彈簧在車輛系統(tǒng)工作位置不同,對車輛系統(tǒng)安全性能的影響不同,分析了8種不同位置軸箱彈簧斷裂模型對車輛系統(tǒng)動力學性能的影響,重點分析軸箱彈簧失效對車輛安全性能的影響。參見圖1。

圖1 8種不同位置的車輛軸箱彈簧示意圖

1 軸箱彈簧斷裂過程的動力學模型

1.1 軸箱彈簧斷裂情況

某型動車組運行幾年來累計發(fā)生多起軸箱彈簧斷裂故障,斷裂部位均發(fā)生在與端圈相鄰的工作圈,且多位于距離兩端圈1～1.5圈以內(nèi),如圖2所示。

建立軸箱彈簧有限元模型,固定彈簧下端,在上端施加軸向載荷作用下,對有限元分析進行計算分析。由圖3可以看出:與端圈相鄰的有效圈均為高應力接觸區(qū),加之彈簧在軸向載荷作用下的線接觸區(qū)(圖4所示磨損區(qū)域);在彈簧尾端與相鄰圈為點接觸區(qū)(圖4所示Q點)。在交變載荷作用下點接觸區(qū)出現(xiàn)高交變應力點。該點位置與彈簧發(fā)生斷裂失效的位置非常接近[4]。因此,高應力區(qū)損傷逐漸累積,最終在該交變應力點形成疲勞斷裂失效。

圖2 軸箱彈簧斷裂位置

圖3 彈簧有限元應力分析

圖4 彈簧端圈與工作圈

1.2 軸箱彈簧斷裂過程分析

假定軸箱彈簧在車輛行駛中發(fā)生意外斷裂,軸箱彈簧斷裂成兩段,兩段彈簧都沒有脫落,失效后彈簧串聯(lián)在一起繼續(xù)起到支撐作用,整個過程時間很短。當列車運行到時刻t0,軸箱彈簧發(fā)生意外斷裂,一系支撐作用突然消失。由于突然失去垂向壓力,端彈簧迅速由壓縮高度恢復到自由高度,同時在車體和構(gòu)架的重力作用下,上段彈簧隨車體向下運動,在時刻t1,與下段彈簧接觸,軸箱受到來自構(gòu)架和車體的垂向沖擊,垂向沖擊結(jié)束在時刻t2,兩段在一起支撐車體重量,軸箱彈簧有效承載圈減小一圈,相應串聯(lián)彈簧剛度增大。圖5所示為軸箱彈簧剛度K變化示意圖。

圖5 剛度變化規(guī)律

上下兩段彈簧接觸后,可能產(chǎn)生3種行為:垂向脫離、縱向和橫向相對滑動。在上下兩段彈簧不發(fā)生錯動時,一系懸掛相當于由一剛度較大,工作高度減小的串聯(lián)彈簧提供懸掛剛度;當上下兩段發(fā)生錯動時,一系懸掛由上下兩段串聯(lián)彈簧與簧條之間的摩擦共同起定位作用。在進行軸箱彈簧斷裂工況仿真時,采用粘滑接觸-彈簧模型來模擬軸箱彈簧失效,建立高速車輛軸箱彈簧斷裂過程的力學模型。由于彈簧工作時相鄰簧圈之間距離(0.02 m)遠小于車輛定距18 m,因此不考慮軸箱彈簧斷裂造成車體姿態(tài)變化。

1.3 剛度衰變模型

彈簧剛度對車輛運行性能有極大影響[9-10],彈簧斷裂勢必導致彈簧剛度變化。斷裂前彈簧垂向剛度為Kpsz,斷裂后失效彈簧串聯(lián)垂向剛度為Kppz。軸箱彈簧斷裂瞬間一系懸掛剛度從Kpsz突變?yōu)?,然后從0呈直線增至Kppz。軸箱彈簧斷裂過程中,一系懸掛垂向剛度變化如式(1)和圖5所示,橫向剛度和縱向剛度變化規(guī)律與垂向相同。

(1)

1.4 粘滑接觸力元

當軸箱彈簧上下兩段彈簧接觸后,垂向可能產(chǎn)生脫離。上下兩段彈簧之間摩擦系數(shù)較低,在縱向和橫向會產(chǎn)生相對滑動,具有“干摩擦”力學特點。設一系懸掛垂向為彈簧力元,則橫向和縱向為摩擦與彈簧-阻尼串聯(lián)的粘滑力元模型,如圖6所示。圖6中:Cpsz為串聯(lián)彈簧垂向阻尼;Kppxy為串聯(lián)彈簧橫向剛度;Cppxy為串聯(lián)彈簧橫向阻尼;上下兩段彈簧之間摩擦面的摩擦系數(shù)為μ,上下兩段彈簧在粘著與滑動狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。在粘著摩擦狀態(tài)下,表現(xiàn)為彈簧力元特性,而在滑動摩擦狀態(tài)下,表現(xiàn)為干摩擦屬性。

圖6 粘滑接觸模型

粘滑力元的數(shù)學模型為

式中:

Fxy——橫向或縱向力;

Fn——垂向力;

vij——橫向或縱向力元兩端相對速度。

2 軸箱彈簧斷裂過程仿真分析

2.1 軸箱彈簧斷裂故障模型運動分析

建立軸箱彈簧斷裂過程故障工況仿真模型,即粘滑接觸模型,來模擬軸箱彈簧斷裂后的故障狀態(tài)。結(jié)合車輛動力學仿真模型,對軸箱彈簧斷裂過程進行車輛動力學安全性分析,分析斷裂過程中各項動力學性能指標的變化。模型垂向為彈簧力元,橫向為摩擦與彈簧力元串聯(lián),有3種狀態(tài):粘著、滑動和脫離狀態(tài),其數(shù)學模型如式(2)所示。斷裂過程仿真參數(shù)如表1所示。

車輛系統(tǒng)一位軸箱彈簧失效的計算結(jié)果如圖7、圖8所示。在軸箱彈簧斷裂瞬間由于垂向剛度陡降,故障彈簧垂向力迅速減小,車體下沉,經(jīng)過一段時間振動達到平衡。一位軸箱彈簧穩(wěn)定在起始位置下面1 cm附近。二位軸箱彈簧在故障初期有一個較小幅的振蕩,最后穩(wěn)定在起始位置下面0.5 cm附近。一位軸箱彈簧垂向力經(jīng)過先減小到0,由于構(gòu)架的沖擊作用又急劇增大,再很快衰減到39 kN,小于軸箱起始垂向力47.6 kN。二位軸箱垂向力先增大后減小到5 kN,大于軸箱起始垂向力。其他位置軸箱彈簧變化較小。輪軌垂向力變化規(guī)律與軸箱彈簧垂向力類似,彈簧斷裂瞬間,輪軌垂向力有一個高達90 kN沖擊力,輪軌橫向力受到影響相對較小,但是在彈簧斷裂瞬間,失效軸箱另一側(cè)的橫向力明顯增大,穩(wěn)態(tài)時回復到斷裂前水平。

表1 斷裂過程仿真參數(shù)值

圖7 一系垂向位移及垂向力

2.2 軸箱彈簧斷裂故障模型直線行車安全性分析

本文模擬了車輛系統(tǒng)軸箱彈簧動態(tài)失效過程,分析了動態(tài)失效工況下車輛直線安全性。圖9是8種不同位置軸箱彈簧斷裂的輪重減載率及脫軌系數(shù),從輪重減載率可以看出,輪對在軸箱彈簧斷裂瞬間出現(xiàn)較大的減載現(xiàn)象,輪重減載率都較大,最大輪重減載率接近限定值0.8,說明在斷裂瞬間車輛安全裕量很小,需要采取相應的防范措施。速度較低時,脫軌系數(shù)在限定范圍之內(nèi),但速度達到300km/h時,一位軸箱彈簧斷裂的脫軌系數(shù)嚴重超標,因此,在出現(xiàn)軸箱彈簧斷裂的情況下,應保持較低速的運行速度,一位軸箱彈簧斷裂的情況尤其危險。

圖8 輪軌橫向力及輪軌垂向力

圖9 失效軸箱彈簧位置與安全性

從彈簧斷裂時刻t0到上下兩段彈簧接觸時刻t1的時長為te,圖10顯示了不同te對應的車輛系統(tǒng)直線安全性。從輪重減載率可以看出,隨著te的增大減載率指標也越大,當te為50 ms時輪重減載率非常接近限定值0.8,說明te越大車輛安全裕量越小,需要采取相應的防范措施。te的大小與斷裂前后彈簧高度差相關(guān),因此,彈簧失效前后高度差越小,輪重減載率越小,反之越高。脫軌系數(shù)與te的關(guān)系和輪重減載率類似,速度低于280 km/h時,脫軌系數(shù)均在限定范圍之內(nèi),但速度達到300 km/h時,脫軌系數(shù)嚴重超標。

從上下兩段彈簧接觸時刻t1到簧上質(zhì)量完全作用于彈簧時刻t2的沖擊作用時長為tp。圖11分析了不同tp對應的車輛系統(tǒng)直線行車安全性。tp對安全性的影響與te相似,在te一定的情況下,tp對輪重減載率的影響有限,車輛安全裕量較大。

圖10 斷裂時長te與安全性

圖11 沖擊時長tp與安全性

綜上所述,車輛超過280 km/h運行,脫軌系數(shù)超限,因此,車輛直線運行時,當出現(xiàn)軸箱斷裂失效時,應以較低的速度運行。

2.3 軸箱彈簧斷裂故障模型曲線通過安全性分析

彈簧斷裂故障出現(xiàn)在曲線通過過程中是比較危險的工況。本文對不同工況下,車輛系統(tǒng)行車安全進行分析,找出最危險的斷裂工況。采用一位軸箱彈簧(軌道內(nèi)側(cè)彈簧)失效工況計算車輛系統(tǒng)曲線通過安全性。線路工況如表2所示。

表3為直線段、前緩和曲線段和圓曲線段發(fā)生斷裂工況的動力學性能指標。從表3可以看出,軸箱彈簧在直線段斷裂時可以保證車輛正常運營;但斷裂故障發(fā)生在曲線段時,車輛系統(tǒng)非常危險,特別是在圓曲線段,脫軌系數(shù)已經(jīng)超限,需要采取降速運行等措施。

表2 曲線計算工況

表3 不同斷裂工況的安全性指標

表3是軌道內(nèi)側(cè)彈簧失效得到的數(shù)據(jù),結(jié)果證明,圓曲線上失效比直線段和緩和曲線段都更危險。為考察內(nèi)外側(cè)彈簧在圓曲線上失效的安全性,對內(nèi)外側(cè)彈簧兩種工況進行比較計算,如圖12所示。由圖12可見,軸箱彈簧在圓曲線上發(fā)生意外斷裂時,由輪重減載率曲線可以看出內(nèi)側(cè)彈簧斷裂大于外側(cè),由脫軌系數(shù)曲線可以看出內(nèi)側(cè)彈簧斷裂發(fā)生時,運行速度越低越危險,而發(fā)生在外側(cè)彈簧則脫軌系數(shù)在合格線以內(nèi)可以保證車輛正常運營。綜上所述,在圓曲線上發(fā)生意外斷裂時,內(nèi)側(cè)彈簧斷裂的工況非常危險,在運行速度較低時無法保證正常運營,反而速度提高到300 km/h以上時能保證正常運營;外側(cè)相對安全,無論速度高低均可保證正常運營。

圖12 內(nèi)外側(cè)軸箱彈簧斷裂安全性

3 結(jié)論

車輛系統(tǒng)運行過程中,意外發(fā)生軸箱彈簧斷裂的故障,會給行車安全帶來意想不到的后果。為評估車輛在軸箱彈簧斷裂過程中的安全性能,建立了軸箱彈簧斷裂失效模型,對車輛系統(tǒng)在軸箱彈簧斷裂過程中的動力學變化進行評價。研究表明:在軸

箱彈簧斷裂瞬間,軸箱受到來自構(gòu)架和車體的垂向沖擊,單輪垂向沖擊力達到90 kN,動力學性能發(fā)生突變,安全性指標惡化。

在直線上發(fā)生斷裂故障時,一位軸箱彈簧發(fā)生斷裂的工況最危險,表現(xiàn)在速度達到300 km/h時,脫軌系數(shù)超限,已不能安全行駛。考察彈簧失效前后高度差大小對車輛安全性帶來的影響,采用斷裂開始到兩斷裂彈簧接觸的時長te對車輛安全性的影響進行研究。當te小于10 ms時,車輛系統(tǒng)輪重減載率及脫軌系數(shù)均在限定范圍內(nèi),te為20～50 ms時但速度低于280 km/h時,車輛系統(tǒng)安全性指標均合格,但速度為300 km/h時,脫軌系數(shù)嚴重超標,不能安全行駛。由于彈簧斷裂,軸箱受到來自構(gòu)架和車體的垂向沖擊,沖擊作用時長為tp,tp越大安全性指標越大。與te的影響規(guī)律相似。在直線上發(fā)生軸箱彈簧斷裂故障時,速度較低均能保證車輛正常運營,斷裂前后高度差越小,安全裕量越大。

在車輛曲線通過時,出現(xiàn)軸箱彈簧斷裂故障,較直線上要更危險,尤其是失效工況發(fā)生在圓曲線上時更需特別注意。斷裂發(fā)生在圓曲線上,內(nèi)側(cè)彈簧斷裂的工況非常危險,在運行速度較低時無法保證車輛正常運營,反而速度提高到300 km/h以上時能保證車輛正常運營;外側(cè)彈簧斷裂的工況相對安全,無論速度高低均可保證車輛正常運營。

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Influence of Spring Broken Fault in Railway Vehicle Axle Box on Dynamics Performance

LIU Li, ZHANG Weihua, MEI Guiming, WU Na

During vehicle's running, when the axle box spring suddenly broken, the fault will cause dynamics performance mutation and threaten the driving safety. As a result, the suspension stiffness will suddenly decrease and temporarily lose bearing capacity. Combined with vehicle dynamics simulation, a mechanics model of axle box spring broken process is established to simulate the whole process of the dynamic performance changes. The vehicle safety when driving on straight and curving lines is calculation and analyzed, the results show that the spring broken fault will cause great changes of the primary suspension stiffness,then the wheel/rail vertical force decreases first and then increases, finally the wheel load reduction rate and parameter derailment coefficient increase continuously until exceed their limit,but little impact on the wheel/rail lateral force is observed.

railaway vehicle; axle box spring; spring broken fault; dynamic simulation; stick-slip model; driving security

*國家自然科學基金委員會-鐵道部高速鐵路基金研究聯(lián)合基金項目(U1234208)

U 270.1+1

10.16037/j.1007-869x.2016.08.006

2015-01-15)