HSM型鋼軌銑磨車動力學(xué)性能仿真分析

史智勇　王開云　呂凱凱　封全保

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　四川成都　610031；2.北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司　北京　100072)

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HSM型鋼軌銑磨車動力學(xué)性能仿真分析

史智勇1王開云1呂凱凱1封全保2

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川成都610031；2.北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司北京100072)

摘要：基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，運(yùn)用TTISIM動力學(xué)仿真軟件計算了HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業(yè)車的動力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，HSM型鋼軌銑磨車動力車非線性臨界速度為187 km/h，作業(yè)車非線性臨界速度為205 km/h；分別以80，70，60 km/h等速度通過半徑為900, 600, 300 m的曲線軌道時，各安全性指標(biāo)均滿足安全行車要求；在60～120 km/h速度范圍內(nèi)，銑磨車在直線軌道上運(yùn)行時，平穩(wěn)性指標(biāo)符合評定要求。

關(guān)鍵詞：HSM型鋼軌銑磨車運(yùn)動穩(wěn)定性動態(tài)曲線通過性直線運(yùn)行平穩(wěn)性TTISIM軟件

鋼軌打磨是軌道養(yǎng)護(hù)的重要手段。鋼軌打磨能夠消除或減弱軌道不平順，帶來巨大的效益，因此被世界各國廣泛采用[1]。銑磨車是一種新型的打磨裝備，在打磨精度、作業(yè)效果等方面均具備較高的優(yōu)越性[2]。文獻(xiàn)[3]評估了SF03-FFS型銑磨車的作業(yè)效果，探討了銑磨車的作業(yè)模式，對銑磨車的實(shí)際作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

我國對于鋼軌銑磨車的研究和運(yùn)用起步較晚，關(guān)于銑磨車的綜合研究尚不完善。為了滿足我國鐵路發(fā)展的需求，某公司研發(fā)了最高運(yùn)行速度為120 km/h的HSM型鋼軌銑磨車，并對轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。而在HSM型鋼軌銑磨車正式投入生產(chǎn)、應(yīng)用之前，有必要對其動力學(xué)性能進(jìn)行全面的仿真計算與評價。鑒于此，本文運(yùn)用車輛-軌道耦合動力學(xué)理論[4]及其空間動力學(xué)仿真系統(tǒng)TTISIM[5]對HSM型鋼軌銑磨車的動力學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析。

1HSM型鋼軌銑磨車轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

HSM型鋼軌銑磨車由前端的動力車和后端的作業(yè)車組成。動力車靠近司機(jī)室一端為非動力轉(zhuǎn)向架，另一端為動力轉(zhuǎn)向架；作業(yè)車的兩個轉(zhuǎn)向架均為非動力轉(zhuǎn)向架。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　HSM型銑磨車結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)向架主要結(jié)構(gòu)由H型整體焊接構(gòu)架、一系懸掛、牽引及驅(qū)動裝置、二系橡膠堆旁承裝置等主要部件組成。構(gòu)架由2根側(cè)梁和1根橫梁組成，且均為箱型斷面。一系懸掛采用轉(zhuǎn)臂式定位方式，軸箱彈簧為單組雙卷螺旋彈簧，其下部串聯(lián)橡膠減震墊，同時軸箱并聯(lián)安裝油壓減振器。旁承裝置是車體與轉(zhuǎn)向架之間的活動關(guān)節(jié)，由7層橡膠和8塊鋼板組成疊層結(jié)構(gòu)。牽引裝置采用中心銷式。動力轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動裝置一端通過兩個軸承支撐在車軸上，一端通過一根彈性吊桿懸掛在構(gòu)架的橫梁上。

表1列出了HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業(yè)車轉(zhuǎn)向架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1　HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業(yè)車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)參數(shù)

2計算分析的理論基礎(chǔ)

車輛-軌道耦合動力學(xué)理論的基本思想[4]是將車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)視為一個相互作用、相互耦合的總體大系統(tǒng)，而將輪軌關(guān)系作為連接這兩個子系統(tǒng)的紐帶，綜合考察車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)的動力學(xué)行為及輪軌相互作用特性?；谠搫恿W(xué)理論，運(yùn)用TTISIM動力學(xué)仿真軟件[5]，以HSM型鋼軌銑磨車為對象，分別對動力車和作業(yè)車進(jìn)行動力學(xué)性能分析。動力車和作業(yè)車動力學(xué)原始參數(shù)由廠家給出，軌道按美國五級譜考慮。與此同時，根據(jù)GB 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動力學(xué)性能評定及實(shí)驗(yàn)方法》[6]對該車的動力學(xué)性能進(jìn)行評估。

3動力學(xué)性能綜合分析

3.1機(jī)車運(yùn)動穩(wěn)定性分析

本文采用文獻(xiàn)[7]中提出的“減速法”確定臨界速度。首先，在軌道上添加一段美國五級譜，以激發(fā)系統(tǒng)振動。接著，使車輛系統(tǒng)在平直平順的軌道上運(yùn)行，設(shè)定遞減的運(yùn)行速度，得到系統(tǒng)響應(yīng)，并根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)判斷臨界速度值。

采用上述方法，對于HSM型鋼軌銑磨車，隨著運(yùn)行速度自250 km/h不斷降低，輪對的橫向振動呈穩(wěn)定的極限環(huán)運(yùn)動。當(dāng)動力車的速度降至187 km/h、作業(yè)車的速度降至205 km/h時，輪對的橫向位移收斂至平衡位置，如圖2所示。由此判斷，HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業(yè)車的臨界速度分別為187，205 km/h。

3.2動態(tài)曲線通過性能分析

運(yùn)用TTISIM軟件對HSM型鋼軌銑磨車以不同速度通過曲線軌道時的輪軌動態(tài)安全性能進(jìn)行計算和評估分析，運(yùn)行工況及曲線軌道的設(shè)置如表2所示。表3給出了所有工況下仿真計算得到的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率及傾覆系數(shù)等指標(biāo)的最大值。

對于動力車而言，工況2中的輪軸橫向力最大，超過40 kN，小于其允許限值(56.28 kN)；脫軌系數(shù)最大值峰值出現(xiàn)在工況1中，達(dá)到1.1，滿足第一限度；輪重減載率的最大值也出現(xiàn)在工況1中，為0.37，符合限值要求；工況1中的傾覆系數(shù)0.29為最大值，小于其安全限值。

對于作業(yè)車而言，工況1中出現(xiàn)了最大的輪軸橫向力30.5 kN，小于其71.85 kN的限值；工況1中的脫軌系數(shù)也達(dá)到了最大值，為0.95，滿足第二限度；輪重減載率最大值為0.33，也出現(xiàn)在工況1中，符合安全限值；工況1中的傾覆系數(shù)為0.28，屬最大值，小于其安全限值。

3.3直線運(yùn)行平穩(wěn)性分析

為了分析和評估HSM型鋼軌銑磨車的運(yùn)行平穩(wěn)性性能，重點(diǎn)分析在軌道不平順激擾下，HSM型鋼軌銑磨車分別以60,80,100,120 km/h速度在直線軌道上運(yùn)行時的平穩(wěn)性性能。

HSM型鋼軌銑磨車以60～120 km/h速度運(yùn)行時，動力車的平穩(wěn)性指標(biāo)仿真計算結(jié)果如表4所示。

圖2　鋼軌銑磨車輪對橫向位移與速度關(guān)系

工況速度/km·h-1圓曲線半徑/m緩和曲線長/m圓曲線長/m外軌超高/mm180900801001002706008010012036030080100140

表3　HSM型鋼軌銑磨車通過曲線時安全性指標(biāo)的最大值

由表4可知，在60～120 km/h的范圍內(nèi)，隨著行車速度的增加，橫向加速度變化不大，垂向加速度呈上升趨勢，在60 km/h的速度下，動力車橫向加速度出現(xiàn)最大值0.16g，其垂向加速度最大值為0.40g，出現(xiàn)在120 km/h的速度條件下，且均未超出合格的等級限制(0.5g,0.7g)；橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值2.65、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值2.98均小于3.0，屬優(yōu)良等級。

HSM型鋼軌銑磨車以60～120 km/h速度運(yùn)行時，作業(yè)車的平穩(wěn)性指標(biāo)(車體橫向和垂向振動加速度及相應(yīng)的平穩(wěn)性指標(biāo))仿真計算結(jié)果如表5所示。

表4　不同速度下動力車運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)

表5　不同速度下作業(yè)車運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)

由表5可知，在60～120 km/h范圍內(nèi)，隨著行車速度的增加，橫向加速度變化亦不大，垂向加速度呈上升趨勢，動力車橫向加速度最大值0.13g出現(xiàn)在80 km/h的條件下，動力車垂向加速度最大值0.34g出現(xiàn)在120 km/h速度條件下，且均未超出合格的等級限制(0.5g,0.7g)；橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值2.74，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值2.86，均小于3.0，屬優(yōu)級。

4結(jié)論

運(yùn)用TTISIM仿真系統(tǒng)對HSM型鋼軌銑磨車的動力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)動力車的非線性臨界速度為187 km/h，作業(yè)車的非線性臨界速度為205 km/h，均能滿足最大運(yùn)行速度120 km/h的運(yùn)用需求；(2)在本文給定的曲線通過工況下(80 km/h速度通過半徑900 m、70 km/h速度通過半徑600 m及60 km/h速度通過半徑300 m)，HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業(yè)車的輪軌安全性能均滿足運(yùn)用要求；(3)HSM型鋼軌銑磨車以60～120 km/h速度運(yùn)行時，動力車和作業(yè)車的車體橫向、垂向振動加速度均小于規(guī)定限值，運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)均屬于優(yōu)級。

參考文獻(xiàn)

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Simulation Study on Dynamics Performances of HSM Rail Milling Train

SHI Zhi-yong1, WANG Kai-yun1, LV Kai-kai1, FENG Quan-bao2

(1.TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China;

2.BeijingFeb.7thRailwayTransportationEquipmentCo.,Ltd.,Beijing100072,China)

Abstract:Based on the theory of vehicle-track coupled dynamics, the dynamic performances of HSM rail milling train are studied by means of the dynamic simulation software TTISIM. The research result shows that the non-linear critical speed of power car is 187 km/h, and the non-linear critical speed of operating car is 205 km/h. When the milling train passes through 900 m-radius, 600 m-radius, and 300 m-radius curve tracksat speed of 80, 70 and 60 km/h respectively, all the safety requirements can be satisfied. The stability indicescan also meet the standard for the train running on the straight tracks at the speed of 60～120 km/h.

Key words:HSM rail milling train; Dynamics performance; TTISIM software

中圖分類號：U216.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-8755(2015)04-0029-04

作者簡介:史智勇(1990—)，男，碩士研究生。E-mail:shizhiyongswjtu@gmail.com

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué) (51478399)。

收稿日期：2015-07-01