地铁车辆钢弹簧断裂后的扭曲轨道通过安全性研究_张顺.pdf

2023 年第 42 卷7 月第 7 期机 械 科 学 与 技 术Mechanical Science and Technology for Aerospace EngineeringJulyVol422023No7http:/journalsnwpueducn/收稿日期:20210705作者简介:张顺(1981)，高级工程师，本科，研究方向为车辆电气，kwangup 163com张顺，江超，孙业聪地铁车辆钢弹簧断裂后的扭曲轨道通过安全性研究 J 机械科学与技术，2023，42(7):1050-1054地铁车辆钢弹簧断裂后的扭曲轨道通过安全性研究张顺，江超，孙业聪(南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司，南京210031)摘要:针对地铁车辆转向架常见的一系钢弹簧断裂故障，首先从理论上分析了钢弹簧断裂后的参数变化，然后建立了地铁车辆的动力学仿真模型，考虑弹簧端部支撑圈断裂和弹簧中部有效圈断裂两种故障类型，对比分析了故障车辆和正常车辆通过扭曲轨道的各项安全性指标。研究结果表明:钢弹簧断裂对车辆垂向相关的安全性指标影响明显，主要是轮重减载率和脱轨系数，对轮轴横向力影响很小;此外，不同的钢弹簧断裂类型对车辆的安全性指标影响规律类似，但是数值不同;虽然钢弹簧断裂会恶化车辆的安全性指标，但是各项安全性指标均小于相应的限值，满足标准要求。关键词:地铁车辆;钢弹簧断裂;扭曲轨道;安全性中图分类号:U27011文献标志码:ADOI:1013433/jcnki1003-872820220057文章编号:1003-8728(2023)07-1050-05Safety Analysis of Passing Through Twisted Track AfterSteel Spring Fracture of Metro VehicleZHANG Shun，JIANG Chao，SUN Yecong(Nanjing CC Puzhen Urban ail Vehicle Co，Ltd，Nanjing 210031，China)Abstract:Aiming at the common primary steel spring fracture fault of metro vehicle bogie，the parameter changeafter steel spring fracture is analyzed，and then the dynamic simulation model for the metro vehicle is establishedConsidering two failure types of spring end support ring fracture and spring middle effective ring fracture，the safetyindexes of fault vehicle and normal vehicle passing through the twisted track are compared and analyzed The resultsshow that the steel spring fracture has obvious influence on the vertical related safety indexes of vehicles，mainly thewheel unloading ratio and the derailment coefficient，and has slight impact on the wheel axle lateral force Inaddition，different types of steel spring fracture have similar influence on the vehicle safety index，but the valuesare different The steel spring fracture can worsen the vehicle safety index，but all safety indexes are smaller thanthe corresponding limit values，which meet the requirements of the standardKeywords:metro vehicle;steel spring fracture;twisted track;safety转向架弹性悬挂是保证车辆平稳运行的最关键的零部件，车辆行驶过程中产生的各种振动几乎都需要经过弹簧阻尼系统的过滤，因此弹簧阻尼系统是铁道车辆的主要研究对象。近年来，随着地铁车辆载客量的增加，车辆弹簧所承受的载荷也随之增长，继而出现了多起转向架一系弹簧断裂事故，如图1 所示。一系悬挂是高频振动的主要过滤部件，钢弹簧的断裂势必会加剧轮轨作用，并对构架、车体振动造成较大程度影响，进而危及行车安全1-2。因此对车辆一系弹簧断裂进行针对计算，并对车辆的安全性进行分析显得十分必要。第 7 期张顺，等:地铁车辆钢弹簧断裂后的扭曲轨道通过安全性研究http:/journalsnwpueducn/图 1地铁车辆钢弹簧断裂Fig 1ailcar steel spring fractures由于一系弹簧断裂故障愈发频繁，且对车辆运行平稳性、安全性均有较大影响，越来越多的专家和学者开始对其进行针对性研究。Prawoto 等3 主要从弹簧的应力分布、材料特性、制造工艺等方面分析了导致弹簧断裂的原因。Maciejewski 等4 通过分析弹簧端口的组织，研究了弹簧材料内部组织对弹簧疲劳强度的影响。Yang 等5 通过研究弹簧断口处的颗粒亮面尺寸，分析了弹簧钢材料中的含氢量对弹簧疲劳寿命的影响。周凯林6 从疲劳断裂的角度出发，通过现场跟车测试，采集车辆运行过程中一系弹簧的动态数据，探究了一系弹簧断裂的原因。龚兰芳等7 针对轨道车辆圆柱弹簧在运行过程中早起疲劳断裂的现象，研究了弹簧断裂的原因。陶曦东等8 采用宏观端口分析等手段，对弹簧断裂原因进行了研究。方配丰等9 针对一系钢弹簧断裂现象，对弹簧进行金相分析以及在线试验，研究了一系弹簧断裂的原因以及其中的内在现象。王军等10 对弹簧断口进行理化分析，提出了弹簧早起疲劳破坏的根本原因。王爱彬等11 对一系弹簧故障对动态限界的影响进行了一定程度的分析和研究。然而弹簧断裂失效往往发生在一瞬间，而车辆高速运行过程中，往往无法立即检测到并停车检查，更无法及时对弹簧进行更换，因此车辆依旧需要保持运行一段时间和距离12。因此，一系弹簧断裂后，车辆的动力学性能和运行安全性是否满足继续运行的条件，需要进一步进行研究和确认，尤其是车辆通过扭曲轨道及三角坑等特殊线路时13。因此，本文从一系弹簧断裂故障角度出发，研究车辆在弹簧断裂后的三角坑通过安全性，对车辆一系弹簧故障后的安全运行具有一定指导建议。1动力学仿真模型铁道车辆是一个复杂的多体系统，不但有各部件之间的相互作用力和相对运动，而且还有轮轨之间的相互作用关系。因此，在动力学模型中考虑了诸多非线性因素，包括有非线性轮轨接触关系、非线性车辆悬挂参数和非线性轮轨作用力14。根据地铁车辆的实际结构组成，模型中包含有 1 个车体、2 个构架、4 条轮对和 8 个转臂轴箱装置，每个车体和构架具有 6 个自由度，每条轮对具有 4 个自由度，每个转臂轴箱装置具有 1 个点头自由度，整个车辆系统具有 42 个自由度，如图 2 所示。图 2地铁车辆动力学仿真模型Fig 2The simulation model for railcar dynamics车辆的扭曲轨道通过安全性试验是车辆静态试验验收的重要项点，此外，轨道三角坑缺陷会引起车辆的侧滚运动，极易引起车轮载重变化，在极端情况下会导致转向架呈现为三轮支撑一轮悬浮的状态，有可能导致车辆倾覆 15。因此，本文开展了钢弹簧断裂后的车辆扭曲轨道通过安全性研究，根据 EN 14363-2016 标准中规定的扭曲轨道进行设置，并且在扭曲轨道上加载轨道三角坑故障，得到如图 3 所示的扭曲轨道。车辆以2 m/s 的低速(即 7.2 km/h)通过扭曲轨道，分析车脱轨系数、轮重减载率等安全性指标。图 3叠加三角坑的扭曲轨道Fig 3Distorted track with overlapped triangular pits2弹簧断裂后参数计算由于弹簧断裂后的模型较为复杂，为了研究钢弹簧断裂下的车辆动力学性能，需要对弹簧及其失效模型进行一定假设，鉴于此，本文对弹簧断裂后的刚度变化计算做出如下假设:1)弹簧断裂后，弹簧总高度降低，两节弹簧相对断面不发生较大的相对转的;1501机 械 科 学 与 技 术第 42 卷http:/journalsnwpueducn/2)支撑圈断裂后，不影响有效圈数，且该端仍能有效支撑;3)弹簧中部断裂，断裂处上下圈接触，相当于总的有效圈数减少一圈;4)弹簧断裂后，因摩擦等因素，水平接触刚度仍起作用。仿真模型关键参数为弹簧刚度 KV以及弹簧自由高度 H0，其中螺旋弹簧刚度计算公式为KV=Gd4/8nD3(1)式中:G 为剪切弹性模量;d 为簧条直径;n 为弹簧有效圈数;D 为弹簧平均直径。弹簧自由高计算公式H0=nt+(n1 05)d(2)式中:t 为弹簧节距;n1为弹簧支撑圈数。基于以上假设可计算得出弹簧支撑圈断裂时螺旋弹簧刚度 KV1=4.26105N/m，弹簧自由高度H01=457 mm。当弹簧有效圈断裂后，弹簧下降一个弹簧间隙的高度，由弹簧自由高公式计算得到弹簧节距弹簧两相邻有效圈之间距离 t=60 mm，弹簧自由高度下的弹簧间隙为弹簧节距减去簧条直径，计算得弹簧自由状态间隙为 22 mm，因此此时弹簧自由高度H02=435 mm。考虑断裂后两截弹簧不会相对转动，其等效刚度会有所增大，因此此时弹簧刚度 KV2=4.97105N/m。同时，结合实际试验结果，弹簧有效圈断裂后期水平刚度同样需按照有效圈减少一圈计算。一系弹簧断裂瞬间，构架和转臂之间的作用力会发生突然变化，断裂瞬间，断裂端弹簧因未和构架接触，此时作用力为零，发生接触后，因弹簧内残余弹性势能未完全释放，仍有一定的作用力存在。考虑这一过程时间极短，并且相对位移较小，在模型建立过程中建立了如图 4 所示的弹簧力元，以还原弹簧断裂时弹簧力的瞬态变化对车辆的影响。图 4弹簧有效圈断裂模拟力元Fig 4Finite element simulation of spring coil fractures3车辆扭曲轨道通过安全性分析(弹簧端部支撑圈断裂)考虑弹簧端部支撑圈断裂情况，对故障车辆扭曲轨道的通过安全性进行分析，并与正常通过扭曲轨道的安全性指标进行比较，得到的结果如图5 所示。图 5车辆安全性指标弹簧端部支撑圈断裂Fig 5Vehicle safety indicator-end part supportcoil section of the spring fracture2501第 7 期张顺，等:地铁车辆钢弹簧断裂后的扭曲轨道通过安全性研究http:/journalsnwpueducn/图 5a)为一位轮对左侧弹簧断裂情况下，车辆各轮对脱轨系数最大值。由图可见当弹簧端部支撑圈断裂时，存在故障的车辆脱轨系数明显大于正常车辆，而故障车辆的后转向架脱轨系数与正常车辆的差异较小;对于一位轮对来说，故障车辆的脱轨系数为 0.728，而正常车辆的数值为 0.643，故障车辆明显大于正常车辆，说明钢弹簧的断裂造成了车辆安全性指标的增大。但是在该工况下车辆下，故障车辆的脱轨系数小于 0.8 的安全限值，仍然满足标准规定的安全验收要求。图 5b)为故障车辆和正常车辆通过扭曲线路下轮轴横向力的比较。从结果上看，故障车辆通过扭曲轨道的轮轴横向力最大值为 23.975 kN，而正常车辆的最大值为 22.236 kN，二者差异很小，故障车辆仅比正常车辆增大了 1.736 kN;对于后转向架来说，故障车辆和正常车辆关于轮轴横向力的差异更小，进一步可以说明钢弹簧的断裂对车辆轮轴横向力的影响较小。故障车辆和正常车辆通过扭曲轨道的轮重减载率对比如图 5c)所示，从图 5c)中可以看出，故障车辆的轮重减载率明显大于正常车辆，故障车辆的最大值出现在一位轮对，数值为 0.371，而正常车辆的最大值为 0.263，增加了 41.06%。从结果上可以看出，弹簧端部支撑圈断裂主要对车辆垂向轮轨力产生明显影响，车辆的轮重减载率明显增大，脱轨系数也有一定的增大，而轮轴横向力变化很小。此外，故障车辆通过扭曲轨道的各项安全性指标仍满足标准的验收要求。4车辆扭曲轨道通过安全性分析(弹簧中部有效圈断裂)同样的，考虑弹簧中部有效圈断裂的情况，对比分析了故障车辆和正常车辆通过扭曲轨道的各项安全性指标，如图 6 所示。从图6a)脱轨系数的比较可以看出，脱轨系数最大值仍然出现在一位轮对，并且故障车辆的脱轨系数最大值0.691 大于正常车辆的 0.643，差值为 0.048，二者之间的差异不明显，并且弹簧中部有效圈断裂工况对脱轨系数的影响小于弹簧端部支撑圈断裂工况。车辆轮轴横向力最大值的对比如图 6b)所示，故障车辆的轮轴横向力最大值为 22.507 kN，而正常车 辆 的 最 大 值 为 22.236 kN，二 者 的 差 值 为0.271 kN，差异很小，甚至正常车辆的后转向架轮轴横向力大于故障车辆。图 6车辆安全性指标弹簧中部有效圈断裂Fig 6Vehicle safety indicator-effective coil sectionin the middle part of the spring fracture图 6c)为故障车辆和正常车辆关于轮重减载率之间的差异，从结果上看，弹簧中部有效圈断裂造成了轮重减载率的增大，故障车辆的最大轮重减载率为 0.322，而正常车辆的最大值为 0.263，增加了22.43%，二者仍然存在明显差异，但是小于弹簧端部支撑圈断裂工况下的差值。从结果上可以看出，弹簧中部有效圈断裂对车辆通过扭曲轨道的影响与弹簧端部支撑圈断裂工况3501机 械 科 学 与 技 术第 42 卷http:/journalsnwpueducn/类似，对安全性指标影响大小排序依次是轮重减载率、脱轨系数和轮轴横向力，对车辆的横向轮轨力基本上没有影响，此外，从两种故障类型与正常车辆的比较可以看出，弹簧端部支撑圈断裂对车辆的安全性影响更大。5结论1)钢弹簧断裂主要对车辆垂向相关的安全性指标影响较大，对横向相关的指标影响较小，对安全性指标的影响排序依次是轮重减载率、脱轨系数和轮轴横向力。2)不同类型的钢弹簧断裂对车辆安全性的影响程度不同，弹簧端部支撑圈断裂的影响大于弹簧中部有效圈断裂。3)钢弹簧断裂恶化了车辆扭曲轨道通过安全性，但是各项安全性指标仍满足限值要求，符合车辆的验收要求。参考文献 1 曾成，陈忠明广州地铁某型车辆一系螺旋钢弹簧断裂问题分析 J 城市轨道交通研究，2018，21(9):145-147ZENG C，CHEN Z M Fracture problem analysis ofseries 1 suspension helical spring on a certain typevehicle in Guangzhou metroJ Urban Mass Transit，2018，21(9):145-147(in Chinese)2 高鹏燕地铁转向架一系簧下盖螺栓断裂分析及改进措施 J 城市轨道交通研究，2019，22(2):48-51GAO P Y Fracture analysis of the primary spring lowercover bolt on metro bogie and improvement measures J 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