Analyse der Kurvenbewältigungsfähigkeit des Schienenschleifers im Schleifzustand

May 05, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 11668 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Das Schleifen von Schienen wird zu einem wichtigen Instandhaltungsmittel der Eisenbahn. Das dynamische Verhalten des Schienenschleifers ist auf die Kopplungsbeziehung zwischen Fahrzeug und Gleis zurückzuführen, die auf einer mechanisch-elektrischen-hydraulischen Kopplung basiert. In dieser Arbeit wird die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Schienenschleifers durch Modellierung und Simulation auf der Grundlage des einseitigen Schleifens untersucht. Das Simulationsergebnis ist unten dargestellt. Im typischen Fall erhöht das Schleifen der Schiene die Querverschiebung der Radsätze, den Entgleisungskoeffizienten der Räder im Vorderradsatz und die Entladerate der Radsätze. In anderen Fällen hat die Zunahme der Schienenunregelmäßigkeitsamplitude und die Abnahme ihrer Wellenlänge, die die Schwankung der Schleifleistung verschlimmert, nur geringen Einfluss auf die Kurvenbewältigungsfähigkeit. Wenn die Krümmung des Linienradius im Vergleich zum Zustand ohne Schleifen abnimmt, ist der Rückgang der Kurvenbewältigungsfähigkeit des Zustands mit Schleifen deutlicher. Wenn die Anzahl der Schleifscheiben im Einsatz zunimmt, nehmen die seitliche Verschiebung des Radsatzes, der Entgleisungskoeffizient der Räder im vorderen Radsatz und das Entlastungsverhältnis der Radsätze zu. Kurz gesagt, das Schleifen von Schienen beeinträchtigt die Fähigkeit des Schienenschleifers, Kurven zu bewältigen, erheblich.

Das Schleifen von Schienen wird weltweit zu einer gängigen Methode der Schieneninstandhaltung1,2,3. Mit dem Ausbau des städtischen U-Bahn-Netzes nimmt das Verkehrsaufkommen exponentiell zu. Dies stellt das Schienenschleifen vor große Herausforderungen und fördert die Entwicklung und Nutzung präziser Schleiftechnologie und zugehöriger Ausrüstung für U-Bahnlinien4,5,6,7. Im Zuge der jahrelangen Entwicklung der Fahrzeugdynamiktheorie wurden relevante theoretische Forschungsmodelle entwickelt, die vom einfachen Radmodell zum Radsatz-Drehgestell-Fahrzeugmodell, zum Zugformationsmodell und zum Fahrzeug-Gleis- (oder Gleisfundament-)Kopplungsmodell reichten. Zhai-Sun-Modell 8,9 ist der Vertreter. Das Schleifen von Schienen kann das dynamische Verhalten des Fahrzeugs verbessern10,11,12. Leider konzentrieren sich Wissenschaftler aufgrund der Begrenztheit des beteiligten Feldes und Anwendungsbereichs eher auf die Radspurbeziehung als auf die Schleifkraft. Daher ist das dynamische Verhalten des Schienenschleifers im Schleifprozess in Übersee nahezu unbekannt. Beim Schleifprozess handelt es sich um einen dynamischen Schleifprozess, der auf einem Wanderprozess basiert, sodass sich Schleifleistung und dynamisches Verhalten gegenseitig beeinflussen. Wenn der Schienenschleifer selbst instabil ist, kann dies die Schleifwirkung beeinträchtigen. In extremen Fällen kann es in einigen Betriebsabschnitten zu einer Zunahme der Schienenunregelmäßigkeiten kommen 13. Und die Kurvenbewältigungskapazität ist ein wichtiger Teil des dynamischen Verhaltens beim Schienenschleifen.

Wang14 erstellte mithilfe von SIMPACK ein dynamisches Modell mit mehreren starren Körpern für den Schienenschleifer PGM-48 und analysierte den Einfluss der fehlerhaften Primärsteifigkeit auf sein dynamisches Verhalten. Zhang15 hat mithilfe von SIMPACK ein dynamisches Modell der GMC-96X-Schienenschleifmaschine erstellt. Im Modell werden die Schleifkraft zwischen Schleifscheibe und Schiene sowie Druckschwankungen des Schleifhydrauliksystems berücksichtigt. Der Einfluss des Hydrauliksystems selbst und der Einfluss des schleifenden Autos auf den Buggy werden nicht berücksichtigt. Daher kann in seinem Modell keine dynamische Kopplungsbeziehung zwischen Schienenschleifer (einschließlich Schienenschleifwagen, Buggy, Hydrauliksystem, Schleifscheibe) und Schiene realisiert werden. Nie16 nutzte die AMESim-Software, um ein Druckausgabesystem einer einzelnen Schleifscheibe im Bereich der Schienenschleifmaschine für Normalgeschwindigkeitsstrecken zu etablieren und Vorschläge zur Reduzierung von Druckschwankungen für das Luftdrucksystem vorzulegen. Tang17 simulierte die Drucksteuerung eines Dreiwege-Proportional-Druckminderventils und simulierte den Einfluss des Schleifdruckausgangs, der durch die Riffelung der Schiene beeinflusst wird. Zhi18 erstellte ein Kopplungsmodell zwischen Schienenschleifer und Schleifverhalten und analysierte den Einfluss der seitlichen Bewegung des Buggys auf die vertikale und seitliche Verschiebung der Schleifscheibe im Schleifprozess vor dem Hintergrund des Schienenschleifers, der in einer bestehenden Linie verwendet wird. Der Einfluss des Hydrauliksystems wird in diesem Modell nicht berücksichtigt. Fan19 erstellte ein dynamisches Modell des Schleifbandschleifens und analysierte die Machbarkeit des Hochgeschwindigkeits-Schleifbandschleifens durch Untersuchung des dynamischen Verhaltens unter geraden und gekrümmten Linien. Allerdings wurde auch der Einfluss des Hydrauliksystems nicht berücksichtigt.

In diesem Artikel wird die Fahrzeug-Gleis-Kopplung des Schienenschleifers anhand der Kopplung von Mechanik, Hydraulik und Steuerungssystem erläutert. Untersucht wird die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Schienenschleifers unter Echtzeitinteraktion der oben genannten drei Systeme. Es kann den Einfluss des gesamten Schleifsystems auf die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Schienenschleifers umfassend widerspiegeln.

Das Schienenschleifen basiert auf einer konstanten Fahrgeschwindigkeit des Schienenschleifers. Beim Positivschleifen liegt die Schleifgeschwindigkeit im Allgemeinen unter 20 km/h. Das Schleifen wird in Vorschleifen und Korrekturschleifen unterteilt. Sein Zweck besteht darin, das Schienenprofil den Anforderungen anzupassen oder Schienenunregelmäßigkeiten durch die Entfernung von Schienenmaterial zu reduzieren, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug nach dem Schleifen ein besseres dynamisches Verhalten auf der Strecke aufweist. Die U-Bahn-Linie zeichnet sich durch einen kleinen Krümmungsradius und einen kurzen Übergangsabschnitt aus, was höhere Anforderungen an die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Schienenschleifers stellt, insbesondere wenn Schleifen eingesetzt wird. Tabelle 1 zeigt die Nomenklatur.

Der Schienenschleifer besteht aus einem mechanischen, hydraulischen und Steuerungssystem. Das mechanische System umfasst Schleifwagen, Zugstange, Wagen, Motor, Schleifscheibe usw. Es ist der ausführende Teil. Das Hydrauliksystem umfasst einen Hydraulikzylinder, eine Hydraulikpumpe, einen Akkumulator, ein Pilot-Proportionalreduzierventil, ein Einwegventil, ein Wegeventil usw. Es stellt den Druck zum Schleifen bereit. Das Steuerungssystem umfasst Stromerkennung, Signalverarbeitung, Fehlerkorrektur, Signalausgabe usw. Es ist die Schlüsselkomponente für die Aufrechterhaltung einer konstanten Schleifleistung. Die oben genannten Systeme sind miteinander verbunden, um ein mechanisch-elektrisches-hydraulisches Kopplungssystem für den Schienenschleifer zu bilden. Abbildung 1 zeigt einen typischen Schienenschleifer.

Schienenschleifer.

Der Schleifwagen interagiert über den Drehgestellrahmen, die Aufhängung und das Rad mit der Schiene und erzeugt beim Schleifvorgang Vibrationen.

Der Buggy, der über die Aufhängung und das Führungsrad mit der Schiene interagiert, erzeugt ebenfalls Vibrationen. Die Strukturparameter der beiden sind inkonsistent, daher sind die dynamischen Schwingungen unterschiedlich. Sie beeinflussen sich gegenseitig durch die Wirkung der Zugstange. Der Buggy ist über einen Hydraulikzylinder mit der Schleifscheibe verbunden, und seine Vibration beeinflusst die Position der Schleifscheibe. Durch die Wirkung eines Hydraulikzylinders übt die Schleifscheibe Druck auf die Schiene aus. Durch die Raddrehung wird der Druck in Schleifkraft umgewandelt und Schienenmaterial abgeschnitten. Der Druck kann näherungsweise als Hertzsche Kraft angesehen werden. Das Schienenschleifen ist ein Gleitreibungsprozess, der in der dynamischen Analyse als Reibung angenähert werden kann und der Coulomb-Theorie folgt. Zwischen der Schleifkraft und dem Mittelpunkt besteht ein Momentenarm, der zu einem Reibungsdrehmoment führt. Gemäß dem Reaktionsprinzip übt die Schiene Druck, Schleifkraft und Reibungsmoment auf die Schleifscheibe aus. Beim Buggy handelt es sich um Vertikalkraft, Seitenkraft und Drehmoment. Diese Kräfte beeinflussen den Vibrationszustand des Buggys und des Schleifwagens. Das dynamische Verhalten des Buggys und des Schleifwagens wirkt sich auch auf den Schleifdruck aus.

Um die Stabilität des Mahlens sicherzustellen, muss der Mahlprozess kontrolliert werden. Im Allgemeinen wird mit konstanter Leistung gemahlen, was durch die Zusammenarbeit von Hydrauliksystem und Steuerungssystem erreicht wird. Das Hydrauliksystem ist mit einem Pilot-Proportionalreduzierventil ausgestattet. Unter seiner Wirkung ist der Druck des Hydrauliksystems direkt proportional zur Steuerspannung, es gibt jedoch eine Verzögerung. Das Steuersystem ermittelt die tatsächliche Schleifleistung, indem es den Strom des Schleifmotors erkennt. Der Druck des Hydrauliksystems wird durch die Anpassung der Steuerspannung dieses Ventils in Echtzeit über eine Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis gesteuert. Wenn die Schleifleistung niedrig ist, hält das System den Druck im stangenlosen Hohlraum höher als im Stangenhohlraum und drückt die Stange des Hydraulikzylinders heraus. Durch das Ausfahren des Hydraulikzylinders wird eine größere Hertz'sche Kontaktkraft erzeugt und die Schleifleistung erhöht. Und das Gegenteil ist dasselbe. Die Stabilitätskontrolle der Schleifleistung ist jedoch ein dynamischer Prozess, der nicht absolut konstant ist.

Im Schleifmodus sind Schleifwagen und Buggy über die Zugstange verbunden, und die Hydraulikzylinder der Aufhängung teilen sich zu diesem Zeitpunkt keine Last. Die Schleifscheibe hat Kontakt zur Schiene und das gesamte Fahrzeug fährt mit gleichmäßiger Geschwindigkeit. Verschiedene Schienenschleifmaschinen haben unterschiedliche Strukturen, bestehen jedoch alle aus einem Schleifwagen und einem Buggy, die beide dem Zhai-Sun-Modell entsprechen, einem dynamischen Kopplungsmodell für Fahrzeugschienen. Im Buggy gibt es viele Hydraulikzylinder zur Richtungs- und Druckeinstellung. Wenn Hydrauliköl eingefüllt wird, kann der Hydraulikzylinder einer Federdämpfungsstruktur entsprechen. Die Zugstange kann auch einer Federdämpfungsstruktur entsprechen. Das Gesamtfahrzeug-Gleiskupplungsmodell des Schienenschleifers ist in Abb. 2 dargestellt, während Punkt O das Drehzentrum der Wiege ist.

Fahrzeuggleiskupplungsmodell einer Schienenschleifmaschine.

Die äquivalente Steifigkeit20 des geladenen Hydraulikzylinders beträgt:

Die Verschiebung der beiden starren Körper auf beiden Seiten der Zugstange beträgt:

Unter Berücksichtigung der Koordinatensystemtransformation beträgt die Kraft der Zugstange:

Das Drehmoment am hydraulischen Richtungseinstellzylinder beträgt:

Die Kraft beim Schleifen des Hydraulikzylinders beträgt:

Bei der Berechnung der Kontaktkraft zwischen Schleifscheibe und Schiene kann die Schleifscheibe als Ebene und die Schiene als gekrümmte Fläche betrachtet werden. Nach der Carter-Theorie21 kann die Breite des Kontaktbandes in Gl. dargestellt werden. (8) und der Anpressdruck können in Gl. (9).

Die Kraft zwischen Schiene und Schleifscheibe beträgt:

Informationen zur Kraft anderer Teile finden Sie in Referenz 8. Bewegungsgleichungen aller Teile können durch den Satz von Newton oder Dalamber erhalten werden. Zu diesem Zeitpunkt umfasst der Schienenschleifer 20 starre Körper: 1 Schleifwagen, 1 Buggy-Rahmen, 2 Drehgestelle, 4 Radsätze, 4 Wiegen und 8 Schleifscheiben. Die Wiege verfügt nur über einen Rotations-DOF und die Schleifscheibe nur über einen Erweiterungs-DOF. Für andere Teile werden 5 DOF berücksichtigt: Querverschiebung, Vertikalverschiebung, Rollen, Nicken und Gieren. Der gesamte Schienenschleifer hat also 52 DOF.

Abbildung 3 zeigt das hydraulische Modell. Das Ölvolumen beeinflusst den Öldruck, und ihr Zusammenhang ist in Gleichung (1) dargestellt. (11). Die folgenden Gleichungen können aus Gleichung abgeleitet werden. (11). Gleichung (12) ist das Kräftegleichgewicht des Pilotventils. Gleichung (13) ist die Berechnungsmethode der elektromagnetischen Kraft. Gleichung (14) ist die Formel zur Berechnung des Vorsteuerventildrucks durch Hydraulikfluss. Gleichung (15) ist die Kraftgleichgewichtsformel des Hauptventils. Gleichung (16) ist die Durchflussformel des Hauptventils, wenn Öl in den Hydraulikzylinder eingespritzt wird. Gleichung (17) ist die Durchflussformel des Hauptventils, wenn Öl vom Hydraulikzylinder zum Öltank zurückfließt. Gleichung (18) ist die Formel zur Berechnung des Hauptventildrucks durch Hydraulikfluss. Gleichung (19) ist die Kraftausgleichsformel der Kolbenstange im Hydraulikzylinder. Gleichung (20) ist die Volumenänderungsformel des Hydraulikzylinders im stangenlosen Hohlraum und im Stangenhohlraum. Gleichung (21) ist die Berechnungsformel für den Ausfahrbetrag eines Hydraulikzylinders.

Hydraulisches Modell.

Entstehung von hydraulischem Druck22:

Pilotventil:

Hauptventil:

Hydraulischer Zylinder:

Spannung U des Schleifmotors und Leistungsfaktor φ bleiben annähernd unverändert. Zur Kompensation der Schleifleistung ist eine Rückkopplung mit geschlossenem Regelkreis eingestellt. In der Praxis gibt es viele Möglichkeiten zur Abweichungskompensation. In diesem Artikel wird die lineare Kompensation verwendet. Gleichung (22) ist die Berechnungsformel der Schleifleistung. Gleichung (23) ist der Entschädigungsbetrag. Abbildung 4 zeigt das Kontrollmodell.

Kontrollmodell.

Der Schienenschleifer läuft mit gleichmäßiger Geschwindigkeit auf der Schiene und die Koordinaten des oberen Scharniergelenks am Schleifhydraulikzylinder werden über das Fahrzeug-Gleis-Modell exportiert. Das Steuermodell überträgt die Steuerspannung u an das hydraulische Modell, indem es den Schleifmotorstrom I erkennt. Das hydraulische Modell empfängt die Steuerspannung u und passt den Druck des hydraulischen Systems an. Dadurch verändert sich der Auszug L des Hydraulikzylinders unter Druckeinfluss und wird auch exportiert. Nach Erhalt der Koordinaten und des Dehnungsbetrags L berechnet das Programm den Kompressionsbetrag δ durch Vergleich mit der Schienenunregelmäßigkeit. Die Schleifkraft kann aus dem Kompressionsbetrag δ berechnet werden. Unter Einwirkung der Schleifkraft können die Seitenkraft Fy, die Vertikalkraft Fz, das Seitendrehmoment Ty, das Vertikaldrehmoment Tz an das Fahrzeug-Gleis-Modell und die Hertzsche Kraft Fh an das Hydrauliksystem ausgegeben werden. In diesem iterativen Zyklus kann die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Schienenschleifers in der gesamten Linie erreicht werden.

Der Schienenschleifer besteht aus drei Teilen: dem Fahrzeug-Gleissystem, dem Hydrauliksystem und dem Steuerungssystem, die separat modelliert werden müssen. Über ein Schnittstellenprogramm können die drei Parameter übertragen und eine Interaktion realisieren. Abbildung 5 zeigt das mechanisch-elektrisch-hydraulische Kopplungsmodell.

Modell mit mechanisch-elektrischer-hydraulischer Kupplung.

Nehmen wir als Beispiel die U-Bahn-Linie 1 von Tianjin: Die Riffelung der Schienen an der oberen Seitenschiene des Kurvenabschnitts ist schwerwiegend. Es besteht hauptsächlich aus Langwellen und die Amplitude kann mm-Niveau erreichen23. Die in diesem Artikel ausgewählte Linie ist in Tabelle 2 dargestellt, und die standardmäßige sinusförmige Erregung wird als vertikale Unregelmäßigkeit der Schiene angewendet, um die Riffelung der Schiene zu imitieren, wie in Gleichung (1) gezeigt. (24). In diesem Artikel simulieren wir den Schleifmodus der beschnittenen Schienenoberseite, d. h. der eingestellte Winkel der Wiege beträgt 0°. Je nach tatsächlichem Schienenschaden wird die Methode des einseitigen Schleifens der Außenschiene angewendet. Die Fähigkeit, Kurven zu bewältigen, kann durch Simulation analysiert werden.

Während des Schienenschleifens wirken sich Änderungen der Schleifparameter auf die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Schienenschleifers aus. Um den Einfluss dieser Parameter zu bewerten, werden 4 Fälle festgelegt. In diesem Moment konzentrieren wir uns auf den Spitzenwert. Tabelle 3 zeigt Schleifparameter und Fälle. Je nach Funktion des Schienenschleifers müssen die Bewertungs- und Testmethode seines dynamischen Verhaltens GB/T 17426-1998 entsprechen. Alle in diesem Dokument behandelten dynamischen Verhaltensweisen basieren auf diesem Standard. Die in diesem Artikel nicht spezifizierten dynamischen Eigenschaften beziehen sich auf die des Buggys. „mit Schleifen“ bezieht sich auf die dynamischen Eigenschaften des Buggys im Schleifzustand und „ohne Schleifen“ bezieht sich auf die dynamischen Eigenschaften des Buggys im nicht schleifenden Zustand.

Die Abbildungen 6, 7, 8, 9, 10 und 11 zeigen die mechanisch-elektrische-hydraulische Kopplungsbeziehung des Schienenschleifers in einem typischen Fall. Die Phasendifferenz für Schleifscheiben in verschiedenen Ausgangspositionen ist unterschiedlich, und auch die Schwankungsamplitude der Schleifleistung ist unterschiedlich. Der Phasenunterschied wird durch die Nichtübereinstimmung von Schleifscheibe und Schleifscheibe verursacht, und die Schwankungsamplitude der Schleifleistung wird durch die Nickbewegung des Schleifrahmens verursacht. Beim Schleifen mit konstanter Leistung sind Phasendifferenz und Leistungsschwankungen ungünstige Faktoren.

Position und Schleifleistung.

Schleifleistung und Einflussfaktor.

Druck des stangenlosen Hohlraums und Einflussfaktoren.

Druck im Stabhohlraum und Einflussfaktoren.

Kontrollparameter und Schleifleistung.

Spektrumeigenschaften der Schleifleistung.

Im Schleifhydraulikzylinder herrscht hydraulischer Druck und in der Schleifscheibe herrscht Hertz-Kraft. Diese Struktur kann näherungsweise als Serienfeder angesehen werden. Die Länge dieser Feder ist der Wert aus der vertikalen Koordinate Zo der Wiege minus der Ausfahrlänge L des Hydraulikzylinders und der Schienenunregelmäßigkeit. Die Schleifleistung ist proportional zur Differenz zwischen Federlänge und Federnennlänge. Wenn die Schleifleistung als Output betrachtet wird, können Zo und die Schienenunregelmäßigkeit als passiver Input betrachtet werden, während L als positiver Input betrachtet werden kann. Somit kann die Schleifleistung durch L gesteuert werden.

Der Druck des stangenlosen Hohlraums im Schleifhydraulikzylinder ist direkt proportional zur Differenz zwischen seinem akkumulierten Durchfluss \(\sum Q\) und \(A_{a} L\). Der Druck im Stabhohlraum ist direkt proportional zur Summe zwischen seinem akkumulierten Durchfluss \(\sum Q\) und \(A_{b} L\). Wenn L vorübergehend als passiver Eingang betrachtet wird, kann \(\sum Q\) des stablosen Hohlraums als positiver Eingang betrachtet werden, der Druck des stablosen Hohlraums kann als positiver Ausgang betrachtet werden, \(\sum Q\) des stablosen Hohlraums kann betrachtet werden als passiver Eingang und der Druck des Stabhohlraums kann als passiver Ausgang betrachtet werden. Der Ausgang L wird durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Hohlräumen gesteuert. Die Steuerspannung ist proportional zum Druck des stangenlosen Hohlraums, was durch die Änderung des Durchflusses \(\sum Q\) des stangenlosen Hohlraums erreicht wird. Wie aus Abb. 8 ersichtlich ist, wird die Steuerspannung mit dem Druck des stangenlosen Hohlraums umgekehrt, um eine Kontrolle der Schleifleistungsschwankungen zu erreichen.

Beim Schienenoberflächenschleifen ist die Schleifleistung direkt proportional zur Vertikalkraft Fz und dem Drehmoment Tz von der Schiene zur Schleifscheibe. Querkraft Fy und Drehmoment Ty von der Schiene zur Schleifscheibe können vernachlässigt werden. Die Fähigkeit zur Kurvenbewältigung kann durch Eingabe von Fz und Tz in das Fahrzeugspurmodell erreicht werden.

Die Abbildungen 12, 13, 14, 15, 16 und 17 zeigen die Fähigkeit des Buggys, Kurven in einem typischen Fall zu überwinden.

Seitliche Verschiebung von Radsätzen (typischer Fall).

Radschienenkraft des linken Rades im Vorderradsatz (typischer Fall).

Entgleisungskoeffizient des linken Rades im Vorderradsatz (typischer Fall).

Radschienenkraft des rechten Rades im Vorderradsatz (typischer Fall).

Entgleisungskoeffizient des rechten Rades im Vorderradsatz (typischer Fall).

Entladeverhältnis (typischer Fall).

Da der Radstand des Buggys in Kurven groß ist, ist die Querverschiebung des Vorderradsatzes negativ und die des Hinterradsatzes positiv. Aus Abb. 12 ist ersichtlich, dass in der Kurvenlinie die Querverschiebungen beider Radsätze zunehmen, dies ist jedoch nicht offensichtlich. Dies wird durch die einseitig ausgeübte vertikale Schleifkraft und das Schleifdrehmoment in z-Richtung verursacht. Und das Drehmoment in x-Richtung, das von der seitlichen Last erzeugt wird, trägt mehr dazu bei.

Bei der Arbeit liegt die Geschwindigkeit des Schienenschleifers unter 20 km/h, während die Geschwindigkeit eines U-Bahn-Fahrzeugs 80 km/h erreichen kann. In der bestehenden Strecke zum Schienenschleifer ist die Überhöhung immer überhöht, sodass die Querkraft positiv ist. Aufgrund des vertikalen Schleifdrucks kann die vertikale Kraft der Radschiene geteilt und reduziert werden. Unter Berücksichtigung der einseitigen Belastung durch die vertikale Schleifkraft ist der Lastreduzierungseffekt der linken Scheibe größer als der der rechten Scheibe. Aus Abb. 13 und 14: Für das linke Rad des Vorderradsatzes nimmt die Seitenkraft zu, die Vertikalkraft nimmt ab, sodass der Entgleisungskoeffizient zunimmt. Aus Abb. 15 und 16: Für das rechte Rad des Vorderradsatzes nimmt die Seitenkraft zu, die Vertikalkraft ändert sich kaum, sodass der Entgleisungskoeffizient immer noch zunimmt. Der Maximalwert des Entgleisungskoeffizienten im linken Rad erhöht sich im Vergleich zum Zustand ohne Schleifen um etwa 47,1 % und im rechten Rad um 5,5 %.

Wie aus Abb. 17 ersichtlich ist, nimmt beim Vorderradsatz beim Eintritt in den Übergangsbereich die Vertikalkraft des linken Rads zu und die des rechten Rads ab. Beim Verlassen des Übergangsbereichs ist es genau umgekehrt. Und das Gegenteil gilt für den Hinterradsatz. Wenn der Einfluss des vertikalen Schleifdrucks durch eine einseitige Belastung ausgeübt wird, verringert sich im Vergleich zum Zustand ohne Schleifen die vertikale Kraft der linken Scheibe und die der rechten Scheibe bleibt im Wesentlichen unverändert. Für die gesamte Linie erhöht sich der Maximalwert des Entladeverhältnisses. Im Vergleich zum Zustand ohne Schleifen erhöht sich der Wert des Vorderradsatzes um etwa 40,2 % und der des Hinterradsatzes um 34,2 %.

Um den Einfluss verschiedener Schleifparameter zu untersuchen, werden in diesem Artikel Spitzenpunkte zur Analyse extrahiert.

Die Abbildungen 18, 19, 20 und 21 zeigen die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Buggys im Fall 1. Mit zunehmender Unregelmäßigkeitsamplitude nehmen die Schwankungen der Schleifleistung zu. Die seitliche Verschiebung des Radsatzes, der Entgleisungskoeffizient und das Entladeverhältnis ändern sich kaum. Eine Zunahme der Schienenunregelmäßigkeit erhöht die Schwankung der Hertzschen Kraft zwischen Schleifscheibe und Schiene, sodass die Schwankungsamplitude der Schleifleistung zunimmt. Ungleichmäßiges Schleifen verschlechtert die Schleifwirkung, was einen nachteiligen Effekt darstellt. Innerhalb des gegebenen Amplitudenbereichs der Unregelmäßigkeit reicht die Schwankung der Hertzschen Kraft nicht aus, um die Kurvengängigkeit des Buggys zu beeinträchtigen. Unter dem Einfluss der primären Längssteifigkeit ist die seitliche Verschiebung des Vorderradsatzes offensichtlich größer als die des Hinterradsatzes. Da Buggys die folgenden zwei Eigenschaften aufweisen: 1. Im Vergleich zu normalen Zügen ist die Fahrgeschwindigkeit langsam. Beim Durchfahren von Kurvenabschnitten ist die Überhöhung der Linie immer zu hoch, was sich nachteilig auf die Fähigkeit zur Kurvenbewältigung auswirkt. 2. Am Buggy müssen 8 Schleifscheiben installiert werden. Der Radstand von Buggys ist im Allgemeinen groß, um Platz für Schleifscheiben zu schaffen, was ebenfalls ein nachteiliger Faktor ist. Die oben genannten Eigenschaften erhöhen den Unterschied in der seitlichen Verschiebung zwischen Vorder- und Hinterradsatz weiter.

Amplitude und Schleifleistung (Fall 1).

Amplitude und seitliche Verschiebung (Fall 1).

Amplitude und Entgleisungskoeffizient (Fall 1).

Amplitude und Entladeverhältnis (Fall 1).

Die Abbildungen 22, 23, 24 und 25 zeigen die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Buggys im Fall 2. Mit abnehmender Wellenlänge der Unregelmäßigkeit nehmen die Schwankungen der Schleifleistung offensichtlich zu. Die seitliche Verschiebung des Radsatzes ändert sich kaum. Der Entgleisungskoeffizient ändert sich im Allgemeinen kaum und der des linken Rades im Vorderradsatz steigt leicht an. Das Entladeverhältnis steigt, aber es ist nicht offensichtlich. Die Verringerung der Wellenlänge der Schienenunregelmäßigkeiten erhöht die Schwankungsfrequenz der Hertzschen Kraft zwischen Schleifscheibe und Schiene und erhöht die Schwingungsamplitude des Wagens. Schließlich nimmt die Schwankungsbreite der Schleifleistung deutlich zu und die Schleifwirkung wird beeinträchtigt. Innerhalb des gegebenen Wellenlängenbereichs der Unregelmäßigkeit reicht die Schwankung der Hertzschen Kraft nicht aus, um die Kurvengängigkeit des Buggys zu beeinträchtigen.

Wellenlänge und Schleifleistung (Fall 2).

Wellenlänge und seitliche Verschiebung (Fall 2).

Wellenlänge und Entgleisungskoeffizient (Fall 2).

Wellenlänge und Entladungsverhältnis (Fall 2).

Die Abbildungen 26, 27, 28 und 29 zeigen die Kurvenfähigkeit des Buggys im Fall 3. Mit abnehmendem Krümmungsradius nimmt die Schwankungsleistung leicht ab. Die Querverschiebung des Radsatzes nimmt zu, und die des Hinterradsatzes ist sehr deutlich. Der Entgleisungskoeffizient erhöht sich, und der des linken Rades im Vorderradsatz erhöht sich deutlich. Das Entladeverhältnis ist differenziert. Ohne Schleifen erhöht sich das Entlastungsverhältnis des Radsatzes mit abnehmendem Krümmungsradius. Beim Schleifen nimmt der Krümmungsradius des Vorderradsatzes ab und der Hinterradsatz zu, wenn der Krümmungsradius abnimmt. Dies ist hauptsächlich auf den Einfluss der vertikalen Kraft zurückzuführen, die auf die Übergangsabschnitte durch einseitiges Schleifen ausgeübt wird. Das dynamische Verhalten beim Betreten und Verlassen des Übergangsabschnitts ist unterschiedlich. Mit der Verringerung des Kurvenkrümmungsradius verringert sich sowohl die Kurvenbewältigungsfähigkeit der Zustände mit Schleifen als auch ohne Schleifen, die Verschlechterung des Zustands mit Schleifen ist jedoch größer. Der Schleifprozess verschlechtert die Kurvengängigkeit.

Krümmungsradius und Schleifleistung (Fall 3).

Krümmungsradius und seitliche Verschiebung (Fall 3).

Krümmungsradius und Entgleisungskoeffizient (Fall 3).

Krümmungsradius und Entlastungsverhältnis (Fall 3).

Die Abbildungen 30, 31, 32 und 33 zeigen die Kurvenbewältigungsfähigkeit des Buggys im Fall 4. Mit zunehmender Anzahl der arbeitenden Schleifscheiben ändert sich die Schwankung der Schleifleistung nur geringfügig, was nur mit der Position der Schleifscheibe zusammenhängt. Es entspricht im Allgemeinen dem Verhalten des unabhängigen Schleifens. Während die Anzahl der Schleifscheiben im Einsatz zunimmt, nimmt auch die seitliche Verschiebung des Radsatzes zu, und der Vergrößerungsbereich des vorderen Radsatzes ist deutlicher als der des hinteren Radsatzes. Der Entgleisungskoeffizient steigt und der des linken Rads im Vorderradsatz ist deutlicher zu erkennen als der des rechten Rads im Vorderradsatz. Auch das Entladeverhältnis erhöht sich. Eine zunehmende Anzahl von Schleifscheiben im Einsatz erhöht den Gesamtschleifdruck erheblich, was sich zwangsläufig auf die Kurvengängigkeit des Schienenschleifers auswirkt.

Schleifscheiben und Schleifleistung (Fall 4).

Schleifscheiben und seitliche Verschiebung (Fall 4).

Schleifscheiben und Entgleisungskoeffizient (Fall 4).

Schleifscheiben und Entladeverhältnis (Fall 4).

Das dynamische Verhalten des Schienenschleifers ist auf die Kopplungsbeziehung zwischen Fahrzeug und Gleis zurückzuführen, die auf einer mechanisch-elektrischen-hydraulischen Kopplung basiert. In dieser Arbeit werden Modellierung und Simulation des gesamten Systems beim einseitigen Schleifen der Außenschiene durchgeführt. Das Ergebnis ist wie folgt dargestellt.

Im typischen Fall nimmt die Querverschiebung der Radsätze im Buggy zu. Am linken Rad des Vorderradsatzes nimmt die Seitenkraft zu und die Vertikalkraft ab, sodass der Entgleisungskoeffizient zunimmt. Am rechten Rad des Vorderradsatzes nimmt die Seitenkraft zu und die Vertikalkraft ändert sich kaum, und der Entgleisungskoeffizient steigt weiterhin. Das Entladeverhältnis der Radsätze erhöht sich. Dies wird hauptsächlich durch die einseitig ausgeübte vertikale Schleifkraft verursacht, wodurch sich die Kontaktbeziehung zwischen Rad und Spur verändert.

In den anderen 4 Fällen beeinflussen die Amplitude und Wellenlänge der Unregelmäßigkeit nur die Schwankung der Schleifleistung. Eine Erhöhung der Unregelmäßigkeitsamplitude und eine Verringerung der Unregelmäßigkeitswellenlänge verstärken die Schwankung der Schleifleistung, haben jedoch nur geringe Auswirkungen auf die Fähigkeit des Schienenschleifers, Kurven zu bewältigen. Die Verringerung des Krümmungsradius hat kaum Auswirkungen auf die Schwankung der Schleifleistung, erhöht jedoch die Querverschiebung der Radsätze und den Entgleisungskoeffizienten der Räder im Vorderradsatz, verringert die Entladerate des Vorderradsatzes und erhöht die Entladerate des Hinterradsatzes. Die Kurvenbewältigungsfähigkeit ist sowohl im Zustand mit Schleifen als auch im Zustand ohne Schleifen verringert, aber der abfallende Bereich des Zustands mit Schleifen ist größer. Durch die Erhöhung der Schleifscheibenbelastung wird die seitliche Verschiebung der Radsätze, der Entgleisungskoeffizient der Räder in den Vorderradsätzen und die Entladegeschwindigkeit der Radsätze erhöht.

Kurz gesagt, das Schleifen von Schienen hat Auswirkungen auf das dynamische Verhalten des Schienenschleifers, was seine Fähigkeit, Kurven zu bewältigen, erheblich beeinträchtigt. Und die Kurvenbewältigungsfähigkeit im Schleifzustand liegt immer noch im Standardbereich.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die vorliegende Arbeit wurde vom Sichuan Science and Technology Program (2021YJ0026) unterstützt.

School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, North 1st section, 2nd Ring Road, Chengdu City, 610031, China

Luqing Zeng, Dabin Cui, Yaodong Fu, Li Li und Zhanghong Liu

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LZ hat diesen Artikel geschrieben. Als Tutoren unterstützten DC und LL LZ bei der Vervollständigung dieses Artikels. YF und ZL haben bei der Übersetzung dieses Artikels geholfen.

Korrespondenz mit Dabin Cui oder Li Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zeng, L., Cui, D., Fu, Y. et al. Analyse der Kurvenbewältigungsfähigkeit des Schienenschleifers im Schleifzustand. Sci Rep 12, 11668 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13712-1

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Eingegangen: 20. Januar 2022

Angenommen: 26. Mai 2022

Veröffentlicht: 08. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13712-1

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