機(jī)械式半主動(dòng)控制橡膠節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)仿真

劉高明，沈 鋼

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架和優(yōu)化車輛懸掛系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)，車輛工程師必然要面對(duì)的一個(gè)最基本的矛盾就是車輛運(yùn)行的蛇行穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能兩者之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，同時(shí)考慮鐵道車輛在曲線段的鋼軌及輪緣磨耗問(wèn)題[1-3]。如果城市軌道交通線路復(fù)雜，曲線半徑較小，其輪緣磨耗及鋼軌側(cè)磨問(wèn)題將更為突出，它不僅增加了脫軌事故的可能性，頻繁的鏇輪和鋼軌更換也給城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時(shí)輪緣咬切鋼軌產(chǎn)生的嘯叫聲會(huì)直接影響到車輛的乘坐舒適性，也對(duì)城市環(huán)境造成了噪聲污染。目前解決這一問(wèn)題的主要方法有4種。

1）選用不同的懸掛策略。列車主動(dòng)懸掛控制是自動(dòng)控制理論在列車隨機(jī)振動(dòng)平穩(wěn)性控制上的應(yīng)用，相對(duì)于無(wú)控制的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)而得名。列車主動(dòng)懸掛控制是指列車在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)地檢測(cè)車體和根據(jù)算法需要是否檢測(cè)構(gòu)架振動(dòng)大小，將檢測(cè)出的振動(dòng)值按一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)或控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量，將控制量通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大作用于執(zhí)行元件或執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變列車懸掛系統(tǒng)特性，即實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸掛系統(tǒng)的“軟硬”特性，以適應(yīng)列車不同線路和不同運(yùn)行狀況，最大限度的抑制車體振動(dòng)，從而提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性[4-6]等。主動(dòng)懸掛按其控制過(guò)程中系統(tǒng)是否需要外界提供能量，可分為主動(dòng)懸掛控制和半主動(dòng)懸掛控制[7-9]。沈鋼教授[10-11]和一些業(yè)內(nèi)人士提出了一種采用力作用元件對(duì)輪對(duì)施以搖頭運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制的方法，結(jié)果表明該主動(dòng)控制導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架能根據(jù)轉(zhuǎn)向架在曲線軌道上的受力環(huán)境，使輪對(duì)以較合理姿態(tài)通過(guò)曲線，最佳地利用輪軌間的蠕滑力，減小輪軌磨耗。但是，這些傳統(tǒng)的懸掛控制方式在應(yīng)用上各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，都不能同時(shí)解決車輛的曲線通過(guò)性能與穩(wěn)定性，以及降低輪軌磨耗等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，如全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)因需要油壓和氣壓等動(dòng)力源，存在穩(wěn)定性問(wèn)題和控制系統(tǒng)故障后的安全問(wèn)題，而采用橫向半主動(dòng)懸掛方式將使輪對(duì)動(dòng)力學(xué)性能惡化[12]等。

2）優(yōu)化車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)。周勁松教授等人[13]以轉(zhuǎn)向架軸箱定位剛度為設(shè)計(jì)變量，采用折中優(yōu)化的方法得到了一系定位剛度參數(shù)在可行域內(nèi)的最優(yōu)解；He Yuping等人[14]以輪對(duì)沖角，橫向力和縱向力之間的比值的加權(quán)函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳算法方法自動(dòng)搜索最優(yōu)參數(shù)。這些都是從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度去解決車輛穩(wěn)定性與曲線通過(guò)之間的矛盾。

3）采用液壓阻尼式橡膠襯套。Jerry Evans[15]使用一種液壓阻尼式橡膠襯套來(lái)代替普通徑向轉(zhuǎn)向架的軸箱定位節(jié)點(diǎn)。該橡膠襯套內(nèi)設(shè)有阻尼通道，利用其阻尼特性可實(shí)現(xiàn)低頻低剛度和高頻高剛度的動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)仿真和試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了該橡膠襯套能夠在保證車輛直線穩(wěn)定性的前提下，提高曲線通過(guò)性能。但是該襯套容易產(chǎn)生高溫現(xiàn)象，并且不易散熱，進(jìn)而易使橡膠老化，影響其整體功能的充分實(shí)現(xiàn)。

4）對(duì)輪軌進(jìn)行涂油潤(rùn)滑。在曲線段對(duì)輪軌進(jìn)行涂油潤(rùn)滑，能夠降低輪軌間的摩擦系數(shù)，對(duì)減小輪軌磨耗起到一定作用，且該方法經(jīng)濟(jì)性較高，然而摩擦系數(shù)的降低會(huì)限制車輛牽引力的發(fā)揮，從而影響車輛的動(dòng)力性能，同時(shí)，鋼軌表面的油液會(huì)影響輪軌的滾動(dòng)接觸疲勞特性，為鋼軌和輪對(duì)的疲勞破壞埋下隱患。

這些傳統(tǒng)的方法，對(duì)于解決車輛穩(wěn)定性與曲線通過(guò)性能之間的矛盾，理論分析上比較繁瑣，實(shí)際應(yīng)用上仍有局限性，難以使車輛的動(dòng)力學(xué)性能有進(jìn)一步的改善。

1 機(jī)械式半主動(dòng)控制軸箱定位裝置

機(jī)械式半主動(dòng)控制軸箱定位裝置由離心式控制機(jī)構(gòu)和機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，而其控制的“半主動(dòng)”性，正是由這兩個(gè)特殊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。離心式控制機(jī)構(gòu)安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的部件上，以其轉(zhuǎn)速，即系統(tǒng)內(nèi)的能量，而不是由系統(tǒng)之外的能量作為控制信號(hào)和動(dòng)力源，控制機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)內(nèi)滑閥的移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整橡膠節(jié)點(diǎn)的剛度，以滿足車輛穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能對(duì)橡膠節(jié)點(diǎn)縱向剛度的不同需求。

1.1 離心式控制結(jié)構(gòu)

圖1為離心式控制機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，該控制系統(tǒng)是無(wú)源主動(dòng)懸掛控制系統(tǒng)，即半主動(dòng)控制懸掛系統(tǒng)，其不需要系統(tǒng)外部能量的輸入，而僅僅以輪對(duì)轉(zhuǎn)速為動(dòng)力源，通過(guò)該機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)的剛度值，從而改善懸掛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能。如圖1所示，安裝盤(pán)安裝在軸端的旋轉(zhuǎn)部件上，并由其帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，擺臂在離心力作用下產(chǎn)生擺角，進(jìn)而推動(dòng)拉桿產(chǎn)生一定的位移。預(yù)緊彈簧為拉桿提供回復(fù)力，同時(shí)可以通過(guò)改變彈簧的預(yù)壓縮量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作動(dòng)所需的轉(zhuǎn)速。

1.2 機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)

可變剛度裝置以輪對(duì)速度為控制信號(hào)，由機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)（如圖2所示）的滑閥在芯軸中的位置來(lái)調(diào)控剛度的變化。當(dāng)滑閥無(wú)滑動(dòng)而處于芯軸的中間位置時(shí)，則橡膠節(jié)點(diǎn)的總體剛度由滑閥，芯軸，橡膠體，止擋托盤(pán)，止擋和外套筒共同決定，剛度較大，約為10～12 MN·m-1；而當(dāng)滑閥被拉繩或彈簧拉到芯軸的一側(cè)時(shí)，橡膠節(jié)點(diǎn)的總體剛度由芯軸、橡膠體、止擋托盤(pán)，止擋和外套筒共同決定，此時(shí)的剛度較小，約為3～5 MN·m-1。

圖1 離心式控制機(jī)構(gòu)Fig.1 Centrifugal control mechanism

圖2 機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of mechanical rubber point

1.3 機(jī)械式半主動(dòng)控制懸掛系統(tǒng)控制原理

傳統(tǒng)的半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)是為克服全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)所需的較大控制能量和高成本作動(dòng)器而提出的。該系統(tǒng)由于改變剛度值同樣需要較大的能量，而改變阻尼器的阻尼值相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，所以根據(jù)優(yōu)化車輛動(dòng)力學(xué)性能的需要，如何調(diào)整二系最佳阻尼值使之能夠滿足各動(dòng)力學(xué)性能對(duì)該參數(shù)的需求，是其關(guān)鍵問(wèn)題。與傳統(tǒng)半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)相比，機(jī)械式半主動(dòng)控制軸箱定位懸掛的顯著特點(diǎn)是：通過(guò)測(cè)量裝置對(duì)輪對(duì)的速度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)速度的大小，來(lái)控制橡膠節(jié)點(diǎn)的滑閥位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)橡膠節(jié)點(diǎn)整體剛度，而不需要考慮調(diào)控最佳阻尼值，控制策略簡(jiǎn)單有效。輪對(duì)的速度既是信號(hào)源，又是動(dòng)力源，不存在動(dòng)力源不穩(wěn)定而造成的控制策略失效等問(wèn)題。

2 機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)特性的計(jì)算機(jī)仿真

使用SIMPACK搭建四軸客車整車模型，對(duì)車輛在一般工況下的穩(wěn)定性及曲線通過(guò)性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，以驗(yàn)證該新型定位裝置的工程應(yīng)用價(jià)值，查看其在不同工況下的工程應(yīng)用可行性。表1是整車模型參數(shù)，其中“較優(yōu)剛度Kl”是指新型軸箱定位裝置在半主動(dòng)控制下能夠?qū)崿F(xiàn)的剛度值，該剛度能同時(shí)滿足車輛穩(wěn)定性與曲線通過(guò)對(duì)縱向剛度的需要。“一般剛度Kh”是指?jìng)鹘y(tǒng)情況下，軸箱定位裝置能夠提供的剛度，該剛度不能有效滿足車輛穩(wěn)定性與曲線通過(guò)對(duì)縱向剛度的需求。

表1 車輛模型參數(shù)Tab.1 Parameters of vehicle model

2.1 機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)對(duì)車輛曲線通過(guò)性能的影響

整車模型分別在3種曲線計(jì)算工況下運(yùn)行，如表2所示。

表2 曲線通過(guò)計(jì)算工況Tab.2 Parameters of calculation cases for curve passing

圖3～圖6分別是不同動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的仿真結(jié)果，圖中Kl和Kh分別是車輛在曲線段時(shí)，新型橡膠節(jié)點(diǎn)和傳統(tǒng)軸箱定位裝置能夠提供的縱向剛度，R1～R3則是不同的曲線半徑，V1～V3是在相應(yīng)工況下的試驗(yàn)速度。

圖3 輪對(duì)外輪沖角Fig.3 Attack angles of the outer wheels

圖4 輪對(duì)外輪磨耗功Fig.4 Wear of the outer wheels

圖5 輪對(duì)外輪橫向力Fig.5 Lateral force of the outer wheels

圖6 輪對(duì)外輪脫軌系數(shù)Fig.6 Derailment coefficient of the outer wheels

從圖3，圖4，圖5可以看出，輪對(duì)的沖角，橫向力及磨耗量隨曲線半徑的增大而減小，穩(wěn)定性增強(qiáng)，反之亦然。當(dāng)曲線半徑較小時(shí)，新型橡膠節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)軸定位節(jié)點(diǎn)相比，能夠有效降低輪對(duì)沖角，輪對(duì)橫向力、輪軌磨耗量。如表3所示。

表3 新型橡膠節(jié)點(diǎn)對(duì)車輛曲線通過(guò)性能的影響Tab.3 Influences of new rubber nodal points on curve passing performance

從表3可以看出，與傳統(tǒng)軸箱定位節(jié)點(diǎn)相比，車輛通過(guò)曲線半徑較小的路徑時(shí)，該機(jī)械式半主動(dòng)控制軸箱定位節(jié)點(diǎn)對(duì)車輛曲線通過(guò)性能的改善很明顯。當(dāng)曲線半徑為400 m時(shí)，機(jī)械式半主動(dòng)控制軸箱定位節(jié)點(diǎn)能使輪對(duì)沖角降幅達(dá)到77.2%，橫向力降幅達(dá)到67.9%，磨耗量降幅達(dá)到64.6%，車輛的脫軌系數(shù)降幅達(dá)到99%；當(dāng)曲線半徑為800 m時(shí)，機(jī)械式半主動(dòng)控制軸箱定位節(jié)點(diǎn)能使輪對(duì)沖角降幅達(dá)到77.2%，橫向力降幅達(dá)到46.4%，磨耗量降幅達(dá)到85.9%，車輛的脫軌系數(shù)降幅達(dá)到93.8%。由此可見(jiàn)，機(jī)械式半主動(dòng)控制橡膠節(jié)點(diǎn)適用于小曲線半徑的工況。

2.2 機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響

由于車輛的穩(wěn)定性隨著輪對(duì)等效斜度的增大而降低，所以為了考察機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響，在此采用等效斜度為0.4的磨耗型踏面與60 kg·m-1的鋼軌組合，計(jì)算了當(dāng)一系縱向定位剛度為3 MN·m-1和橫向定位剛度為22.5 MN·m-1，輪軌粘著系數(shù)為0.6時(shí)的非線性臨界速度，以考察其在較壞工況下的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果顯示車輛的初始速度約為170 km·h-1，經(jīng)過(guò)一段軌道激勵(lì)后出現(xiàn)蛇形失穩(wěn)現(xiàn)象，然后到達(dá)133 km·h-1時(shí)明顯收斂，最低值約為100 km·h-1。由此可見(jiàn)，機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)能明顯提高車輛在較壞工況下的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

四軸客車軸箱定位裝置，引入機(jī)械式半主動(dòng)控制橡膠節(jié)點(diǎn)后，用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK對(duì)車輛在不同工況下的曲線通過(guò)性能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出以下結(jié)論：

1）在車輛通過(guò)曲線時(shí)，機(jī)械式半主動(dòng)控制橡膠節(jié)點(diǎn)能夠有效降低輪對(duì)沖角，輪對(duì)橫向力、輪軌磨耗量，改善車輛曲線通過(guò)性能及安全性，有效克服傳統(tǒng)懸掛控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。引入機(jī)械式半主動(dòng)控制橡膠節(jié)點(diǎn)的車輛，尤其適用于小曲線半徑的工況。當(dāng)曲線半徑為200 m時(shí)，機(jī)械式半主動(dòng)控制軸箱定位節(jié)點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)軸箱定位節(jié)點(diǎn)而言，能使輪對(duì)沖角降幅達(dá)到37.2%，橫向力降幅達(dá)到12.6%，磨耗量降幅達(dá)到38.9%，車輛的脫軌系數(shù)降幅達(dá)到10.6%。

2）機(jī)械式橡膠節(jié)點(diǎn)能顯著提高車輛在較壞工況下的穩(wěn)定性能，使其維持在較高的運(yùn)行速度。

3）通過(guò)對(duì)機(jī)械式半主動(dòng)控制橡膠節(jié)點(diǎn)在四軸客車模型上的仿真分析，證實(shí)了該設(shè)計(jì)方案為解決車輛穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能之間的矛盾提供了新的方法，而其應(yīng)用的可行性和可靠性還有待在實(shí)踐中做進(jìn)一步的論證。

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