研削状態におけるレールグラインダーの曲線交渉能力の解析

May 05, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11668 (2022) この記事を引用

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レール研削は鉄道の重要な保守手段となっています。レールグラインダーの動的挙動は、機械・電気・油圧結合に基づく車両と軌道の結合関係によるものです。本論文では,片面研削に基づくモデリングとシミュレーションによるレール研削盤の曲線交渉能力を研究した。シミュレーション結果を以下に示します。一般的なケースでは、レールの研磨により、ホイールセットの横方向の変位、前輪セットの車輪の脱線係数、およびホイールセットの除荷率が増加します。また、研削力の変動を大きくするレール凹凸振幅の増大や波長の短縮は、曲線追従能力にはほとんど影響を与えません。線半径曲率が小さくなると、研削なしの状態に比べて、研削ありの状態の曲線追従性の低下が顕著になります。使用する砥石の数が増加すると、砥石の横変位、前輪の脱線係数、砥石の除荷率が増加します。つまり、レール研削はレールグラインダーの曲線折衝能力を著しく低下させます。

レール研削は、世界中でレール保守の一般的な方法となっています1、2、3。都市の地下鉄ネットワークの拡大に伴い、交通量は飛躍的に増加します。これはレール研削に大きな課題をもたらし、地下鉄線向けの精密研削技術と関連機器の開発と利用を促進します4、5、6、7。長年にわたる車両力学理論の発展のもとで、関連する理論研究モデルは、単純な車輪モデルから、輪軸台車車両モデル、列車編成モデル、車両と軌道（または軌道下の基礎）結合モデルまでを経てきました。 Zhai-Sun model8,9が代表的です。レール研削により車両の動的挙動を改善できます10、11、12。残念なことに、関係する分野と応用範囲の制限により、学者は研削力よりもむしろホイールトラックの関係に焦点を当てています。そのため、研削工程におけるレールグラインダーの動的挙動は海外ではほぼ空白です。研削プロセスは移動プロセスに基づいた動的研削であるため、研削力と動的挙動は相互に影響します。レールグラインダー自体が不安定な場合、研削効果に悪影響を及ぼす可能性があります。極端な場合、一部の動作セクションでレールの不規則性が増加する可能性があります 13。また、曲線調整能力は、レールグラインダーの動的挙動の重要な部分です。

Wang14 は、SIMPACK を使用して PGM-48 レールグラインダーの多剛体動的モデルを確立し、その動的挙動に対するバギー一次剛性の影響を分析しました。 Zhang15 は SIMPACK を使用して GMC-96X レールグラインダーの動的モデルを確立しました。モデルには研削砥石とレール間の研削力や研削油圧システムの圧力変動も考慮されています。油圧システム自体の影響や研削車によるバギーへの影響は考慮しておりません。したがって、レール研削盤（レール研削車、台車、油圧システム、研削砥石を含む）とレールとの間の動的結合関係は、彼のモデルでは実現できません。 Nie16は、AMESimソフトウェアを使用して、常速ライン用レールグラインダーの分野で単一砥石の圧力出力システムを確立し、空気圧システムの圧力変動を低減する方法について提案しました。 Tang17 は、三方比例減圧弁の圧力制御をシミュレートし、レールの波形による研削圧力出力の影響をシミュレートしました。 Zhi18は、レールグラインダーと研削挙動間の連成モデルを確立し、既存ラインで使用されているレールグラインダーを背景とした研削工程におけるバギーの横方向の動きが研削砥石の垂直方向および横方向の変位に及ぼす影響を分析しました。このモデルでは油圧システムの影響は考慮されていません。 Fan19は、研磨ベルト研削の動的モデルを確立し、直線および曲線の下での動的挙動を研究することにより、高速研磨ベルト研削の実現可能性を分析しました。ただし、油圧システムの影響も考慮されていませんでした。

本稿では,レールグラインダーの車両と軌道の結合を機械,油圧および制御システムの結合に基づいて確立した。上記の3つのシステムのリアルタイム相互作用の下でのレールグラインダーの曲線交渉能力を研究した。レールグラインダーの曲線調整能力に対する研削システム全体の影響を包括的に反映できます。

レール研削は、レールグラインダの一定の移動速度に基づいています。ポジ研削の場合、研削速度は通常 20 km/h 未満です。研削は前研削と修正研削に分かれます。その目的は、レールのプロファイルを要件に合わせたり、レール材料を除去することでレールの不規則性を軽減したりして、研削後の車両のライン間での動的挙動を向上させることです。メトロ線は曲率半径が小さく、移行区間が短いという特徴があり、特に研削が実施される場合、レールグラインダーの曲線調整能力に対する要求が高くなります。表 1 に命名法を示します。

レールグラインダーは機械式、油圧式、制御システムで構成されています。機械系には、研削車、ドローバー、バギー、モーター、砥石などが含まれ、実行部分となります。油圧システムには、油圧シリンダ、油圧ポンプ、アキュムレータ、パイロット比例減圧弁、一方向弁、方向弁などが含まれ、研削に圧力を供給します。制御システムには、電流検出、信号処理、誤差補正、信号出力などが含まれます。これは、一定の電力研削を維持するための重要なコンポーネントです。上記のシステムは相互に関連して、レールグラインダーの機械-電気-油圧結合システムを形成します。図 1 は、一般的なレールグラインダーを示しています。

レールグラインダー。

研削車は台車枠、サスペンション、車輪を介してレールと相互作用するため、研削加工中に振動が発生します。

バギーはサスペンションやガイドホイールを介してレールと相互作用するため、振動も発生します。両者の構造パラメータは一致していないため、動的振動は異なります。それらはドローバーの動作を通じて相互に影響を与えます。バギーは油圧シリンダを介して砥石と接続されており、バギーの振動が砥石の位置に影響を与えます。油圧シリンダーの作用により、砥石車がレールに圧力を加えます。車輪の回転により圧力が研削力に変換され、レール材が切断されます。圧力は近似的にヘルツ力とみなすことができます。レール研削は滑り摩擦プロセスであり、動的解析では摩擦として近似でき、クーロン理論に従います。研削力と中心点の間にモーメントアームがあり、摩擦トルクが発生します。反作用原理により、レールは砥石に圧力、研削力、摩擦トルクを加えます。バギーの場合は、上下力、横力、トルクです。これらの力はバギーや研削車の振動状態に影響を与えます。バギーや研削車の動的挙動は研削圧力にも影響します。

研削の安定性を確保するには、研削プロセスを制御する必要があります。一般的には定動力研削が採用されており、油圧システムと制御システムの連携により実現されます。油圧システムはパイロット比例減圧弁を装備しています。その作用下では、油圧システムの圧力は制御電圧に正比例しますが、遅れがあります。制御システムは研削モーターの電流を検出して実際の研削パワーを取得します。油圧システムの圧力は、閉ループフィードバックを通じてバルブの制御電圧をリアルタイムで調整することによって制御されます。研削力が低い場合、システムはロッドレスキャビティの圧力をロッドキャビティの圧力よりも高く保ち、油圧シリンダのロッドを押し出します。油圧シリンダーを延長すると、より大きなヘルツ接触力が発生し、研削力が増加します。そしてその逆も同じです。しかし、研削力の安定性制御は動的プロセスであり、完全に一定ではありません。

研削モードでは、研削車とバギーはドローバーを介して接続されており、このときサスペンション油圧シリンダーは負荷を共有しません。砥石がレールに接触し、車両全体が等速度で走行します。レールグラインダーはそれぞれ構造が異なりますが、すべてグラインダーカーとバギーで構成されており、どちらもZhai-Sunモデル、つまり車両軌道ダイナミックカップリングモデルに準拠しています。バギーには方向や圧力を調整する油圧シリンダーがたくさんあります。作動油を充填すると油圧シリンダはバネ減衰構造と同等になります。ドローバーもバネ制動構造と同等の構造となります。レールグラインダーの車両軌道連結モデル全体を図2に示します。点Oはクレードルの回転中心です。

レールグラインダーの車両軌道連結モデル。

充電油圧シリンダの等価剛性20は次のとおりです。

ドローバーの両側にある 2 つの剛体の変位は次のとおりです。

座標系変換を考慮すると、ドローバーの力は次のようになります。

方向調整用油圧シリンダのトルクは次のとおりです。

油圧シリンダーを研削するときの力は次のとおりです。

砥石とレールの接触力を計算する場合、砥石を平面、レールを曲面として考えることができます。カーター理論 21 によれば、接触バンドの幅は式 2 で表すことができます。 (8) と接触圧力は式 (8) で表すことができます。 (9)。

レールと砥石の間の力は次のとおりです。

その他の部位の力については参考8をご参照ください。すべての部分の運動方程式は、ニュートンまたはダランバーの定理を通じて取得できます。この時点で、レールグラインダーには 20 個の剛体が含まれます: 1 つの研削車、1 つのバギーフレーム、2 つの台車、4 つのホイールセット、4 つのクレードル、および 8 つの砥石車。クレードルは回転自由度のみ、砥石車は伸び自由度のみです。他の部分については、横方向の変位、縦方向の変位、ローリング、ピッチング、およびヨーイングの 5 DOF が考慮されます。したがって、レールグラインダー全体は 52 DOF になります。

図 3 に水力モデルを示します。オイル量は油圧に影響し、その関係は式 1 に示されます。 (11)。式から以下の式が推測できます。 (11)。式(12)はパイロット弁の力の釣り合いです。式(13)は電磁力の計算方法です。式(14)は、油圧流量からパイロット弁圧力を計算する式です。式(15)はメインバルブの力の釣り合い式です。式(16)は油圧シリンダに油を注入するときのメインバルブの流量式です。式(17)は油が油圧シリンダから油タンクに戻るときのメインバルブの流量式です。式(18)は、油圧流量から主弁圧力を計算する式です。式(19)は油圧シリンダ内のピストンロッドの力の釣り合い式です。式(20)はロッドレスキャビティとロッドキャビティにおける油圧シリンダの体積変化式です。式(21)は油圧シリンダの伸び量の計算式です。

油圧モデル。

水圧の形成22:

パイロットバルブ:

メインバルブ：

油圧シリンダー:

研削モーターの電圧Uと力率φはほぼ変化しません。研削力を補償するために閉ループフィードバックが設定されています。実際には、偏差補償にはさまざまな方法がありますが、本論文では線形補償を採用しています。式(22)は研削力の計算式です。式(23)が補償量となります。図 4 に制御モデルを示します。

コントロールモデル。

レールグラインダーはレール上を均一な速度で走行し、研削用油圧シリンダーの上部ヒンジジョイントの座標は車両-軌道モデルを通じてエクスポートされます。制御モデルは研削モーター電流 I を検出して制御電圧 u を油圧モデルにエクスポートします。油圧モデルは制御電圧 u を受け取り、油圧システムの圧力を調整します。その結果、圧力の影響で油圧シリンダの伸び量Lが変化し、それも輸出されます。座標と伸び量Lを受け取ると、プログラムはレールの凹凸と比較して圧縮量δを計算します。研削力は圧縮量δから計算できます。研削力の作用により、横力 Fy、鉛直力 Fz、横トルク Ty、鉛直トルク Tz を車両軌道モデルに出力し、ヘルツ力 Fh を油圧システムに出力できます。この繰り返しサイクルにより、ライン全体のレール研削盤の曲線調整能力が得られます。

レールグラインダーには、車両軌道システム、油圧システム、制御システムの 3 つの部分が含まれており、これらは個別にモデル化する必要があります。インターフェイスプログラムを通じて、3 者はパラメータを転送し、インタラクションを実現できます。図 5 は、機械-電気-油圧結合モデルを示しています。

機械-電気-油圧結合モデル。

天津地下鉄1号線を例に挙げると、曲線部の上部側レールの波打ちが深刻です。主に長波で構成されており、振幅はmmレベルに達することもあります23。この論文で選択した線を表 2 に示します。式 3 に示すように、レールの波形を模倣するためにレールの垂直方向の不規則性として標準正弦波励起が適用されます。 (24)。本論文ではレール上面をトリミングした研削モード、すなわちクレードルの設定角度を0°とした場合のシミュレーションを行った。実際のレール損傷に合わせて、アウターレール片面研削加工を採用しています。カーブネゴシエーション能力をシミュレーションにより解析できます。

レール研削中に研削パラメータを変更すると、レールグラインダーの曲線調整能力に影響します。これらのパラメータの影響を評価するために、４つのケースを設定した。この時点では、ピーク値に注目します。表 3 に研削パラメータとケースを示します。レールグラインダーの機能に応じて、動的挙動の評価および試験方法は GB/T 17426-1998 に準拠する必要があります。この文書内で説明されているすべての動的動作は、この標準に基づいています。本稿で明記されていない動特性はバギーの動特性を指します。「研削あり」は研削状態のバギーの動特性を指し、「研削なし」は研削状態でないバギーの動特性を指します。

図6、7、8、9、10、11は、典型的な場合のレールグラインダーの機械-電気-油圧結合関係を示しています。初期位置が異なると砥石の位相差が異なり、研削力の変動振幅も異なります。位相差は砥石とバギーホイールの不一致により発生し、研削力の変動振幅はバギーフレームのピッチング運動により発生します。定電力研削の場合、位相差や電力変動は不利な要素となります。

位置と研削力。

研削力と影響因子。

ロッドレスキャビティの圧力と影響要因。

ロッドキャビティの圧力と影響要因。

パラメータと研削力を制御します。

研削力のスペクトル特性。

研削用油圧シリンダーには油圧が、砥石にはヘルツ力が作用します。この構造は近似的に直列バネとみなすことができる。このバネの長さは、クレードルの鉛直座標Zoから油圧シリンダの延長長さLとレール凹凸を差し引いた値となります。研削力は、ばねの長さとばねの呼び長さの差に比例します。研削力を出力とすると、Zoとレールムラは受動的入力、Lは正の入力と考えることができます。したがって、研削力はLによって制御できます。

研削用油圧シリンダ内のロッドレスキャビティの圧力は、その蓄積流量 \(\sum Q\) と \(A_{a} L\) の差に正比例します。ロッドキャビティの圧力は、その蓄積流量 \(\sum Q\) と \(A_{b} L\) の合計に正比例します。仮に L を受動入力とみなした場合、ロッドレスキャビティの \(\sum Q\) を正の入力、ロッドレスキャビティの圧力を正の出力、ロッドキャビティの \(\sum Q\) とみなすことができます。パッシブ入力としてロッドキャビティの圧力をパッシブ出力とみなすことができます。出力 L は 2 つのキャビティ間の圧力差によって制御されます。制御電圧はロッドレスキャビティの圧力に比例し、これはロッドレスキャビティの流れ \(\sum Q\) を変化させることによって実現されます。図8からわかるように、ロッドレスキャビティの圧力に応じて制御電圧を反転させ、研削力の変動を制御します。

レール表面研削の場合、研削力はレールから砥石までの垂直力 Fz とトルク Tz に正比例します。レールから砥石までの横力 Fy とトルク Ty は無視できます。曲線交渉能力は、車両軌道モデルに Fz と Tz を入力することで得られます。

図 12、13、14、15、16、17 は、典型的なケースにおけるバギーの曲線交渉能力を示しています。

ホイールセットの横方向の変位 (典型的なケース)。

前輪セットの左輪のホイールレール力 (通常の場合)。

前輪セットの左輪の脱線係数（典型的な場合）。

前輪セットの右輪のホイールレール力 (通常の場合)。

前輪セットの右輪の脱線係数（典型的な場合）。

荷降ろし率（典型的な場合）。

バギーのホイールベースは長いため、曲線では前輪の横変位がマイナス、後輪の横変位がプラスとなります。図12から、曲線では両方のホイールセットの横方向の変位が増加していることがわかりますが、明らかではありません。これは、片側ウェイにかかる垂直研削力とz方向の研削トルクによって発生します。また、横荷重により発生するx方向のトルクがより寄与します。

作業中のレールグラインダーの速度は時速20km未満ですが、地下鉄車両の速度は時速80kmに達することがあります。既設線ではレール研削盤に対して横断勾配摺り付けが常に余剰となるため、横力は正となる。垂直研削圧力の存在により、ホイールレールの垂直力を共有し、軽減することができます。研削垂直力の片側荷重を考慮すると、右輪よりも左輪の方が荷重軽減効果が大きくなります。図から。図１３および図１４に示すように、前輪セットの左輪では、横力が増加し、垂直力が減少するため、脱線係数が増加する。図から。図 15 と図 16 では、前輪セットの右輪では、横力が増加しますが、垂直力はほとんど変化しないため、脱線係数は依然として増加します。脱線係数の最大値は、研磨なしの状態と比較して、左輪で約47.1％、右輪で約5.5％増加しました。

図 17 からわかるように、前輪セットの場合、移行セクションに入ると、左輪の垂直力が増加し、右輪の垂直力が減少します。トランジションセクションを離れると、ちょうど反対になります。後輪セットの場合はその逆です。片側荷重による垂直研削圧力の影響を受けると、研削を行わない状態に比べ、左車輪の垂直力は減少し、右車輪の垂直力は基本的に変化しません。ライン全体としては、除荷率の最大値が増加します。研磨なしの状態と比較して、前輪は約40.2％、後輪は34.2％増加します。

さまざまな研削パラメータの影響を研究するために、この論文は分析するピーク点を抽出します。

図18、図19、図20、図21にケース1におけるバギーの曲線追従能力を示します。凹凸振幅が大きくなるにつれて研削力の変動も大きくなります。輪軸の横変位、脱線係数、除荷率はほとんど変化しません。レールの凹凸が大きくなると、砥石とレールとの間のヘルツ力の変動が大きくなり、研削力の変動幅が大きくなります。研削ムラがあると研削効果が悪くなり逆効果となります。不規則性の所定の振幅範囲内では、ヘルツ力の変動はバギーの曲線調整能力に影響を与えるほどではありません。一次縦方向剛性の影響により、前輪セットの横変位は後輪セットの横変位よりも明らかに大きくなります。バギーには次の2つの特徴があるため、1.普通の電車に比べて走行速度が遅い。カーブセクションを通過するとき、線路の横断勾配摺り付けが常に高すぎるため、カーブの通過能力に不利になります。 2.バギーには8つの砥石車を取り付ける必要があります。一般にバギーのホイールベースは砥石を置くスペースを確保するために大きく、これも不利な要素です。上記の特性により、前輪と後輪の横変位の差がさらに大きくなります。

振幅と研削力（ケース1）。

振幅と横方向の変位 (ケース 1)。

振幅と脱線係数 (ケース 1)。

振幅と除荷率 (ケース 1)。

図 22、23、24、25 は、ケース 2 におけるバギーの曲線調整能力を示しています。不規則波長が減少するにつれて、研削力の変動は明らかに増加します。ホイールセットの横変位の変化はほとんどありません。脱線係数は一般にほとんど変化せず、前輪セットの左輪の脱線係数がわずかに増加します。荷降ろし率は増加しますが、明らかではありません。レール凹凸の波長が短くなることで、砥石とレール間のヘルツ力の変動周波数が増加し、バギーの振動振幅が増加します。最終的には研削力の変動幅が著しく大きくなり、研削効果が低下します。不規則性の所定の波長範囲内では、ヘルツ力の変動はバギーの曲線調整能力に影響を与えるほどではありません。

波長と研削力（ケース2）。

波長と横方向変位 (ケース 2)。

波長と脱線係数 (ケース 2)。

波長とアンロード比 (ケース 2)。

図 26、27、28、29 にケース 3 のバギーの曲線通過能力を示します。曲率半径が減少するにつれて、変動パワーはわずかに減少します。ホイールセットの横方向の変位が増加し、後輪セットの横変位が非常に顕著になります。脱線係数が増加し、前輪セットの左輪の脱線係数が明らかに増加します。荷降ろし率が異なります。研削を行わない場合、曲率半径が減少するにつれてホイールセットの除荷率が増加します。研削により曲率半径が減少すると、前輪セットの曲率は減少し、後輪セットは増加します。これは主に片面研削により移行部に垂直方向の力が加わった影響によるものです。トランジションセクションに入るときと出るときの動的動作は異なります。曲線の曲率半径が小さくなると、研削ありと研削なしの状態の曲線交渉能力は両方とも低下しますが、研削ありの状態の低下の方が大きくなります。研削加工により曲線の折衝能力が低下します。

曲率半径と研削力（ケース3）。

曲率半径と横方向の変位 (ケース 3)。

曲率半径と脱線係数（ケース 3）。

曲率半径と除荷率（ケース 3）。

図 30、31、32、33 は、ケース 4 におけるバギーの曲線調整能力を示しています。作業する砥石の数が増加するにつれて、研削力の変動はほとんど変化せず、砥石の位置にのみ関係します。概ね単独研削の挙動に準じます。作業する砥石の数が増加すると、砥石セットの横方向の変位が増加し、前砥石セットの増加範囲は後砥石セットの増加範囲よりも明らかです。脱線係数が増加し、前輪セットの左輪の脱線係数が前輪セットの右輪の脱線係数よりも顕著になります。荷降ろし率も上がります。作業中の砥石車の数が増えると、総研削圧力が大幅に増加し、必然的にレールグラインダーの曲線調整能力に影響を与えます。

砥石と研削力（事例4）

砥石車と横方向の変位 (ケース 4)。

砥石と脱線係数 (ケース 4)。

砥石と除荷率（ケース 4）。

レールグラインダーの動的挙動は、機械、電気、油圧結合に基づいて構築された車両と軌道の結合関係によるものです。本論文では,アウターレール片面研削下のシステム全体のモデル化とシミュレーションを行った。結果は以下のようになります。

一般的なケースでは、バギーのホイールセットの横方向の変位が増加します。前輪の左側では横力が増加し、垂直力が減少するため、脱線係数が増加します。前輪の右輪では、横力が増加しますが、垂直力はほとんど変化せず、脱線係数は依然として増加します。ホイールセットの無負荷率が増加します。これは主に片側軌道に垂直研削力が加わり、車輪と軌道の接触関係が変化することが原因です。

他の 4 つのケースでは、不均一の振幅と波長のみが研削力の変動に影響します。凹凸振幅の増加や凹凸波長の減少は研削力の変動を悪化させますが、レール研削盤の曲線追従能力にはほとんど影響しません。曲率半径の減少は研削力の変動にはほとんど影響しませんが、車輪セットの横変位と前輪セットの車輪の脱線係数が増加し、前輪セットの除荷率が減少し、後輪セットの除荷率が増加します。研磨あり、研磨なしの状態ではいずれも曲線追従能力が低下しますが、研磨ありの状態の低下幅が大きくなります。作業中の砥石車の数が増加すると、ホイールセットの横方向の変位、前輪セットのホイールの脱線係数、およびホイールセットの除荷率が増加します。

つまり、レール研削はレール研削盤の動的挙動に影響を与え、曲線調整能力を大幅に低下させることになります。また研削状態での曲線追従性も標準の範囲内にあります。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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本研究は四川省科学技術プログラム(2021YJ0026)の支援を受けました。

西南交通大学機械工学部、北 1 セクション、2 環状道路、成都市、610031、中国

Luqing Zeng、Dabin Cui、Yaodong Fu、Li Li、Zhanghong Liu

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LZ がこの論文を書きました。 DC と LL は家庭教師として、LZ がこの記事を完成できるように指導しました。 YF と ZL がこの論文の翻訳に協力してくれました。

Dabin Cui または Li Li への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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Zeng、L.、Cui、D.、Fu、Y. 他。研削状態におけるレールグラインダーの曲線交渉能力の解析。 Sci Rep 12、11668 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13712-1

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受理日: 2022 年 5 月 26 日

公開日: 2022 年 7 月 8 日

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