基于ADAMS 的鐵道車輛脫軌后動(dòng)態(tài)行為研究?

曾一鳴，曾 京，可心萌

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引言

安全是交通運(yùn)輸業(yè)的永恒主題，而脫軌是鐵路運(yùn)輸?shù)牡谝话踩[患，脫軌事故將造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響運(yùn)輸秩序 。迄今為止，對(duì)于脫軌后車輛運(yùn)行行為的研究主要有以下兩種狀況：①列車脫軌后車鉤發(fā)生破壞失效，導(dǎo)致車輛間發(fā)生碰撞；②車輛脫軌后車輪在軌和枕上繼續(xù)運(yùn)行。由于車輛脫軌后將引起翻車，造成人員傷亡和軌道破壞，中斷線路行車，給國(guó)家?guī)砗艽髶p失，因此對(duì)車輛脫軌后運(yùn)行行為的研究非常必要。本文應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)動(dòng)車組動(dòng)車建立了較為詳細(xì)的模型，對(duì)動(dòng)車不同脫軌方式脫軌后齒輪箱和電機(jī)對(duì)運(yùn)行行為的影響進(jìn)行了全面分析，并與轉(zhuǎn)向架低速脫軌后運(yùn)行行為臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到了比較滿意的結(jié)果。

1 動(dòng)力學(xué)模型建立

車輛系統(tǒng)脫軌問題是一個(gè)變拓?fù)涠囿w動(dòng)力學(xué)問題，當(dāng)脫軌發(fā)生后，輪軌接觸關(guān)系不再存在，整個(gè)系統(tǒng)蛻變成一個(gè)包含三維接觸的多體動(dòng)力學(xué)問題，需要建立新的接觸關(guān)系代替原來的輪軌接觸。當(dāng)脫軌后車輪直接與軌道板碰撞，車輪、齒輪箱和電機(jī)等都有可能與鋼軌碰撞，因此需要分別建立其替代模型，并建立相應(yīng)的碰撞關(guān)系。

1.1 整車模型建立

車輛脫軌動(dòng)力學(xué)模型采用高速動(dòng)車組的動(dòng)車參數(shù)進(jìn)行建模，實(shí)車分析模型的車體、構(gòu)架、牽引拉桿、輪對(duì)均取6個(gè)自由度，即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭（其中輪對(duì)垂向和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)是非獨(dú)立運(yùn)動(dòng)）；轉(zhuǎn)臂取1個(gè)自由度，即點(diǎn)頭。整車分析模型共有62個(gè)自由度，如表1所示。

表1 整車分析模型的自由度

最終建立的整車分析模型如圖1所示。

圖1 整車動(dòng)力學(xué)模型

1.2 轉(zhuǎn)向架/軌道接觸模型建立

當(dāng)車輛脫軌后車輪直接與軌道板進(jìn)行接觸，因此需要在模型中建立車輪與軌道、扣件和軌道板之間的接觸模型。車輛脫軌后車輛的運(yùn)行狀態(tài)難以預(yù)測(cè)，因此需要考慮車輛其他零部件與軌道之間的碰撞，在本文的分析計(jì)算中分別考慮了電機(jī)、齒輪箱與軌道之間的碰撞。圖2為模型中的接觸配合。

對(duì)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱、減振器、彈簧、橫向止擋、牽引拉桿按照其動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行建模。齒輪箱、電機(jī)和輪對(duì)在車輛脫軌后會(huì)與線路之間產(chǎn)生碰撞，在建模的過程中將齒輪箱、電機(jī)和輪對(duì)按照實(shí)際動(dòng)車齒輪箱和電機(jī)的尺寸和連接方式進(jìn)行建模。由于ADAMS/Rail中自帶的軌道無法建立接觸模型，因此需要建立替代的假軌道進(jìn)行接觸分析。動(dòng)車脫軌后的運(yùn)行線路采用60型鋼軌、CRTS II型板式軌道板、WJ8型扣件，分別按照實(shí)際尺寸建立模型。

圖2 模型的接觸配合

車輛脫軌后通過設(shè)置各部件間的碰撞參數(shù)，模擬其碰撞關(guān)系。齒輪箱、電機(jī)、車輪與鋼軌之間的碰撞采用鋼與鋼的碰撞參數(shù)；車輪與軌道板、扣件之間的碰撞采用鋼與混凝土的碰撞參數(shù)。

2 仿真計(jì)算

在40km/h速度等級(jí)下對(duì)車輛爬軌脫軌和跳軌脫軌后的運(yùn)行過程進(jìn)行仿真。圖3為模型俯視示意圖，車輛沿X正方向勻速運(yùn)行0.5s時(shí)在1位輪對(duì)施加一定時(shí)長(zhǎng)的Y正方向的橫向力，使車輛向Y正方向脫軌。當(dāng)橫向力作用時(shí)間小于0.05s時(shí)，車輛脫軌確定為跳軌脫軌，橫向力的大小和作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛脫軌方式見表2。

圖3 模型俯視示意圖

表2 橫向力F對(duì)應(yīng)的脫軌方式

車輛以40km/h的速度運(yùn)行并脫軌，得到的仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可知，爬軌與跳軌脫軌后的運(yùn)行行為基本一致。輪對(duì)發(fā)生脫軌后，齒輪箱與左側(cè)鋼軌連續(xù)碰撞后跳過鋼軌，雖然對(duì)輪對(duì)橫移起到了一定的阻礙作用，減小了橫移的能量，但是無法限制輪對(duì)繼續(xù)橫向移動(dòng)，從而使左車輪運(yùn)行到軌道板外；輪對(duì)橫移到一定位置時(shí)，電機(jī)與左側(cè)鋼軌碰撞，并且在運(yùn)行過程中與鋼軌內(nèi)側(cè)貼靠在一起，從而限制輪對(duì)繼續(xù)橫向移動(dòng)。由轉(zhuǎn)向架和車體的運(yùn)行狀態(tài)可知，脫軌后的轉(zhuǎn)向架橫向位移保持在580mm，繼續(xù)在軌道板上運(yùn)行，并且由于前轉(zhuǎn)向架運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較穩(wěn)定使脫軌后車輛整體橫向位移保持在300mm，可以繼續(xù)在線路范圍內(nèi)行駛。

圖4 輪對(duì)橫向位移

圖5 齒輪箱與軌道橫向碰撞力

圖6 電機(jī)與軌道橫向碰撞力

3 臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證和評(píng)估車輛脫軌后轉(zhuǎn)向架與軌道的碰撞模型，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了轉(zhuǎn)向架低速脫軌后運(yùn)行行為臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)由臺(tái)架、電機(jī)、配重箱、轉(zhuǎn)向架、線路組成，由臺(tái)架帶動(dòng)轉(zhuǎn)向架以一定的速度在線路上運(yùn)動(dòng)，通過脫軌裝置使轉(zhuǎn)向架脫出軌道并繼續(xù)運(yùn)行。

分析試驗(yàn)結(jié)果可得，轉(zhuǎn)向架在低速工況下脫軌后齒輪箱會(huì)與軌道發(fā)生碰撞，從而限制輪對(duì)繼續(xù)橫向移動(dòng)。如圖7所示，記錄了轉(zhuǎn)向架脫軌后齒輪箱與軌道碰撞力的變化，通過分析可知轉(zhuǎn)向架脫軌后齒輪箱不斷與軌道發(fā)生碰撞。

4 結(jié)論

（1）通過車輛脫軌動(dòng)力學(xué)建模和分析可知，在ADAMS中可以建立較詳細(xì)的車輛模型和輪軌相互作用及線路模型；采用接觸模型建立了車輛脫軌后接觸碰撞模型，其結(jié)構(gòu)更接近于實(shí)際，計(jì)算結(jié)果較為合理。

圖7 齒輪箱碰撞載荷波形圖

（2）通過分析計(jì)算結(jié)果可知，車輛爬軌與跳軌脫軌后的運(yùn)行行為基本一致。當(dāng)車輛以40km/h的速度脫軌后，齒輪箱和電機(jī)可以將轉(zhuǎn)向架橫向位移保持在580mm。因此動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的齒輪箱和電機(jī)對(duì)車輛低速脫軌后的運(yùn)行行為有著非常大的影響。

（3）對(duì)轉(zhuǎn)向架低速脫軌后的運(yùn)行行為進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果并且與仿真結(jié)果對(duì)比可得，仿真得到的在低速工況下轉(zhuǎn)向架與軌道的碰撞情況與實(shí)際情況相符。

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