CRH380B動車組車體高度差對動力學(xué)性能的影響

鄧學(xué)暉,梁靚

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062) *

CRH380B動車組車體高度差對動力學(xué)性能的影響

鄧學(xué)暉,梁靚

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

為研究車體之間高度差對動力學(xué)性能的影響，針對8輛車編組的CRH380B型動車組，考慮典型的輪軌匹配關(guān)系，對無車高差及典型的6種車高差分別建立動力學(xué)仿真模型，針對典型的風(fēng)速和限速，對車高差產(chǎn)生的空氣動力學(xué)影響進(jìn)行數(shù)值分析.同時，以空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)為輸入，分析了車高差對列車系統(tǒng)動力學(xué)性能以及對動車組側(cè)風(fēng)運(yùn)行安全性的影響.在15～30 m/s側(cè)風(fēng)作用下，不同的車體高度差工況對運(yùn)行安全性指標(biāo)的影響一般在10%以內(nèi).車輛動力學(xué)指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行安全性指標(biāo)具有一定的安全裕量.

CRH380B動車組；車體高度差；動力學(xué)仿真

0 引言

在CRH380B動車組的實(shí)際高級檢修過程中發(fā)現(xiàn)，由于動、拖車輪鏇修值不同，且允許新舊輪對混用，可能存在相鄰車的輪徑差達(dá)到42 mm的情況.而由此產(chǎn)生的車鉤高差、車體間靜態(tài)高度差，必然對列車系統(tǒng)的動力學(xué)性能產(chǎn)生影響，將直接關(guān)系到列車在高速條件下的安全平穩(wěn)運(yùn)行.因而，深入研究車體高度差對動力學(xué)性能的影響十分重要.

1 動力學(xué)計(jì)算說明

1.1 動力學(xué)計(jì)算和分析方法

CRH380B高速動車組由8輛車編組組成，其中1、3、6、8車配置動力轉(zhuǎn)向架，2、4、5、7車配置非動力轉(zhuǎn)向架.車輪名義滾動圓直徑為920 mm，最小運(yùn)用至836 mm.以其動力學(xué)性能較差的整備狀態(tài)空車為分析對象，進(jìn)行運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)行安全性分析計(jì)算.

1.1.1 蛇行穩(wěn)定性計(jì)算和分析方法

車輛系統(tǒng)的蛇行穩(wěn)定性是決定車輛能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素[1]，其在直線軌道上的穩(wěn)定性特性通常具有圖1所示的三種主要形式，圖中實(shí)線與虛線分別表示穩(wěn)定、不穩(wěn)定平衡位置或極限環(huán)(蛇行運(yùn)動)，橫坐標(biāo)軸為系統(tǒng)平衡位置.圖中A點(diǎn)車速值VA為線性臨界速度.拐點(diǎn)C為車輛系統(tǒng)等幅蛇行運(yùn)動出現(xiàn)和消失的分界點(diǎn)，車速值VD為非線性臨界速度.

圖1 車輛系統(tǒng)在直線軌道上穩(wěn)定性特性的三種主要形式

車輛在實(shí)際軌道上的臨界速度定義為實(shí)際臨界速度[2](簡稱臨界速度)，其值隨線路條件的優(yōu)劣而在VD和VA之間變動.本文主要對車輛系統(tǒng)的臨界速度進(jìn)行研究.

動車組動力學(xué)仿真分析中，通過構(gòu)架端部橫向加速度對轉(zhuǎn)向架運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行評價，對該加速度通過0.5～10Hz帶通濾波后取最大值，按照一定的準(zhǔn)則判斷轉(zhuǎn)向架是否蛇行失穩(wěn).為了留有一定的安全裕量，給出構(gòu)架橫向加速度濾波后的最大峰值[3].

1.1.2 平穩(wěn)性和舒適度的計(jì)算和分析方法

為了較為完全地反映其實(shí)際動態(tài)響應(yīng)，對平穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算時，先讓動車組在一段無激擾直線軌道上運(yùn)行，然后在一段足夠長的不平順軌道上運(yùn)行.在動車組運(yùn)行一段距離后進(jìn)行車體加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的采樣，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行處理、分析和計(jì)算[4].

平穩(wěn)性指標(biāo)按下式計(jì)算：

式中：W、A、f和F(f)的定義見GB5599-85《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、《高速動車組整車試驗(yàn)規(guī)范》.

平穩(wěn)性指標(biāo)評價等級見表1.

表1 平穩(wěn)性指標(biāo)等級

舒適度指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中，NMV、a、Wd、Wb等的定義見《高速動車組整車試驗(yàn)規(guī)范》.

舒適度指標(biāo)評價等級見表2.

表2 舒適度指標(biāo)等級

1.1.3 運(yùn)行安全性計(jì)算和分析方法

計(jì)算CRH380B高速動車組以不同速度分別通過由直線和曲線組成的軌道時的安全性指標(biāo)(輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率)[5].計(jì)算中考慮軌道的隨機(jī)不平順激擾，并采用武廣客運(yùn)專線軌道譜.

根據(jù)相關(guān)評定標(biāo)準(zhǔn)，仿真計(jì)算的有關(guān)動力學(xué)

性能指標(biāo)需達(dá)到以下要求：

輪重減載率評定限值：

傾覆系數(shù)≤0.80；

輪軌垂向力評定限值：Qz≤170kN；

輪軸橫向力評定限值采用以下標(biāo)準(zhǔn)：

式中，Hlim為輪軸橫向力限值，kN；P0為靜軸重，kN；對于機(jī)車、客車、動車組車輛為β=1.依據(jù)車輛重量換算得到的輪軸橫向力允許限值見表3.

表3 輪軸橫向力允許值 kN

1.2 車輛系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型的建立

1.2.1 模型中的非線性環(huán)節(jié)

(1)非線性輪軌接觸幾何關(guān)系：CRH380B高速動車組車輪采用S1002CN踏面，標(biāo)準(zhǔn)CN60鋼軌.輪軌接觸幾何參數(shù)表示為輪對橫移量的非線性函數(shù)，中間值采用線性插值計(jì)算[6].運(yùn)用SIMPACK軟件采用插值法處理輪軌接觸幾何關(guān)系;

(2)非線性輪軌相互作用力：輪軌間的蠕滑力運(yùn)用Kalker非線性蠕滑理論計(jì)算，通過迭代計(jì)算得到鋼軌作用于輪對上的橫向力和搖頭力矩.Kalker系數(shù)的比例因子為1.0，輪軌間滑動摩擦系數(shù)為0.35;

(3)非線性懸掛力：減振器阻尼特性考慮為非線性的，其力和振動速度的關(guān)系如圖2所示.二系懸掛的橫向止擋亦為非線性的，其力和振動位移的關(guān)系如圖3所示.

圖2 減振器非線性特性 圖3 橫向止檔非線性特性

1.2.2 車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型

CRH380B高速動車組為復(fù)雜多體系統(tǒng)，各部件間存在相互作用力、相對運(yùn)動以及輪軌之間相互作用關(guān)系[7-8].因此，理論計(jì)算分析模型只對動力學(xué)性能影響較大的主要因素盡可能做出符合實(shí)際情況的模擬，并將輪對、構(gòu)架和車體等彈性較小部件均視為可忽略彈性形變的剛體.CRH380B高速動車組動力學(xué)模型如圖4所示.

圖4 CRH380B高速動車組動力學(xué)模型

1.3 輪軌接觸幾何關(guān)系

輪軌接觸關(guān)系分別采用新踏面和磨耗后實(shí)測車輪踏面外形，與標(biāo)準(zhǔn)60 kg鋼軌、實(shí)測60 kg鋼軌進(jìn)行匹配計(jì)算.隨著運(yùn)營里程的增加，輪軌接觸的等效錐度從0.17增大到0.45.

1.4 計(jì)算工況

在建模時，考慮車間車鉤、風(fēng)擋的耦合作用，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空氣動力學(xué)仿真分析和列車動力學(xué)仿真分析.

根據(jù)新造采購技術(shù)規(guī)范，CRH380B(L)/CL系列動車組半永久車鉤垂直方向允許擺角為±7°，相鄰兩車在正常故障下，高度最大極限尺寸為82mm，同時中間車鉤轉(zhuǎn)軸點(diǎn)到車鉤前端距離為1131 mm，如圖5所示，因此，中間車鉤垂直方向角度變化為arctan(82/1131)≈4.15°<7°，滿足運(yùn)用要求.

根據(jù)新造車技術(shù)規(guī)范要求，CRH380B(L)/CL系列動車組風(fēng)擋高度差最大值為210 mm>82mm，符合要求.

圖5 車鉤示意圖

(1)7種輪徑差工況

由輪徑差導(dǎo)致的車高差計(jì)算工況如表4.

表4 輪徑差工況

(2)空氣動力學(xué)計(jì)算

在計(jì)算過程中，考慮列車在直線軌道、單列勻速運(yùn)行的情況，且不考慮列車在空氣動力學(xué)作用下的姿態(tài)變化，認(rèn)為側(cè)風(fēng)垂直于車體.在4種典型側(cè)風(fēng)工況[9-10]下(見表5)，針對7種輪徑差工況進(jìn)行計(jì)算分析.輸出空氣對列車每個車體的集中作用力和力矩，坐標(biāo)系原點(diǎn)選擇為兩轉(zhuǎn)向架中心的軌面軌道中心線上，X軸指向列車前進(jìn)方向，Z軸背離車體指向軌道路基方向.

表5 4種側(cè)風(fēng)工況

(3)無側(cè)風(fēng)列車動力學(xué)計(jì)算

在無側(cè)風(fēng)情況下的列車系統(tǒng)動力學(xué)計(jì)算過程中，僅考慮前面的車體高度差計(jì)算工況，仿真中采用S1002CN新踏面、磨耗后踏面與60 kg標(biāo)準(zhǔn)鋼軌、典型打磨鋼軌兩種輪軌匹配關(guān)系，由直線和半徑7 000 m曲線組成的線路，車速分別為：200、225、250、275、300、325 km/h；采用武廣客運(yùn)專線軌道譜進(jìn)行計(jì)算.

考核和對比的7項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)包括：運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)；運(yùn)行舒適性指標(biāo)；構(gòu)架端部橫向加速度(10 Hz低通濾波)；輪軸橫向力最大值；脫軌系數(shù)最大值；輪重減載率最大值；輪軌垂向力最大值.

(4)列車側(cè)風(fēng)運(yùn)行安全性計(jì)算

對應(yīng)側(cè)風(fēng)計(jì)算的多種工況，對CRH380B動車組的運(yùn)行安全性進(jìn)行計(jì)算.為了更加全面的模擬運(yùn)營狀態(tài)，考慮以下幾種列車運(yùn)行條件的組合：

①兩種輪軌匹配關(guān)系：

新S1002CN踏面與打磨鋼軌匹配；

磨耗后S1002CN踏面與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌匹配.

②線路由直線軌道和曲線軌道組成，曲線軌道為：

曲線半徑7 000 m，超高60 mm，側(cè)風(fēng)吹向曲線內(nèi)側(cè)；

曲線半徑7 000 m，超高175 mm，側(cè)風(fēng)吹向曲線外側(cè).

③軌道譜：武廣客運(yùn)專線軌道譜；

考核和對比的5項(xiàng)列車運(yùn)行安全性動力學(xué)指標(biāo)包括：輪軸橫向力最大值；脫軌系數(shù)最大值；傾覆系數(shù)最大值；輪重減載率最大值；輪軌垂向力最大值.

2 列車空氣動力學(xué)計(jì)算模型及結(jié)果

采用空氣動力學(xué)數(shù)值模擬方法，分析車體高度差對列車氣動載荷的影響.包括無側(cè)風(fēng)工況及典型側(cè)風(fēng)限速工況.計(jì)算結(jié)果同時作為列車動力學(xué)計(jì)算的輸入條件.

2.1 空氣動力學(xué)計(jì)算說明

以CRH380B動車組為研究對象，對其在平地上的運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算.用于計(jì)算的幾何模型包括列車模型、轉(zhuǎn)向架模型、 平地模型. 采用實(shí)際編組

的八節(jié)車模型進(jìn)行模擬，整車長約200 m.并對列車車體表面及軌道等細(xì)部特征進(jìn)行簡化，處理為一系列光滑曲面構(gòu)成的幾何體，而僅保留轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋.

建立流場計(jì)算區(qū)域時，為了在提高計(jì)算速度的同時保證計(jì)算精度，選取長、寬和高分別為800、100和40 m的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算.列車正前方入口端距離頭車鼻尖處200 m，列車正后方出口端距離尾車頭鼻尖400 m，頂面距離地面40 m，列車左右側(cè)距離軌道中心線分別為40和60 m，列車車體與軌道所處地面之間的距離為0.376 m.如圖6所示.

圖6 平地計(jì)算區(qū)域及邊界設(shè)置

2.2 空氣動力學(xué)計(jì)算結(jié)果

空氣動力學(xué)計(jì)算結(jié)果見圖7(無側(cè)風(fēng))及表6(有側(cè)風(fēng))：

圖7 車速300 km/h無側(cè)風(fēng)的阻力對比

結(jié)果車速300km/h,側(cè)風(fēng)15m/s車速200km/h,側(cè)風(fēng)25m/s車速160km/h,側(cè)風(fēng)30m/s阻力側(cè)力

表6 各工況空氣動力學(xué)計(jì)算結(jié)果對比 (續(xù)表)

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)列車中各車存在車體高度差時，作用力有差異，尤其是在無側(cè)風(fēng)工況以及外界給車的作用力或者力矩?cái)?shù)值比較小的情況下.在15～30 m/s側(cè)風(fēng)作用、不同車體高度差工況下，空氣動力作用在車體上的阻力、側(cè)力、升力和側(cè)滾力矩差異不顯著，一般在10%以內(nèi)，個別工況影響稍大；只有點(diǎn)頭力矩和搖頭力矩有一定的變化.

3 車高差對動力學(xué)性能的影響

在不考慮空氣動力學(xué)作用的情況下，針對常規(guī)車輛動力學(xué)性能進(jìn)行分析.首先，針對無車高差動車組動力學(xué)模型，進(jìn)行以200～325 km/h速度運(yùn)行的動力學(xué)性能仿真分析，作為對比基準(zhǔn).由仿真分析可得：無車高差時，針對4種典型的輪軌匹配關(guān)系，在計(jì)算速度范圍內(nèi)，車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行安全性都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且有足夠的安全裕量，運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)達(dá)到優(yōu)級.然后，根據(jù)1.4節(jié)給定的車體高差計(jì)算工況，針對300 km/h線路運(yùn)行速度，計(jì)算各種車高差情 況下的動力學(xué)性能，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比.

3.1 運(yùn)行穩(wěn)定性

將構(gòu)架端部橫向加速度10 Hz低通濾波后，以其最大值超過0.8 g作為運(yùn)行穩(wěn)定性判據(jù).由計(jì)算結(jié)果(見圖8)可知，在所計(jì)算的各種車高差和輪軌匹配工況下，構(gòu)架端部橫向加速度10 Hz濾波后最大值均小于0.8 g且有足夠的安全裕量.車高差對構(gòu)架橫向加速度有一定的影響，但影響范圍一般在±10%以內(nèi).

圖8 構(gòu)架橫向加速度對比

3.2 運(yùn)行平穩(wěn)性

運(yùn)行平穩(wěn)性的計(jì)算指標(biāo)包括橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適度指標(biāo).由計(jì)算結(jié)果(見圖9～圖11)可知：各種工況下，動車組各車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值均小于2.5，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.0，達(dá)到優(yōu)級；車體舒適度指標(biāo)均小于2.0.車高差對車體平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)有一定的影響，但影響范圍在±10%以內(nèi).

圖9 S1002CN-實(shí)測鋼軌匹配的橫向平穩(wěn)性

圖10 S1002CN-實(shí)測鋼軌匹配的垂向平穩(wěn)性

圖11 S1002CN-實(shí)測鋼軌匹配的舒適度指標(biāo)

3.3 運(yùn)行安全性

對每條輪對的運(yùn)行安全動力學(xué)指標(biāo)值進(jìn)行了計(jì)算分析并以最大值給出.由計(jì)算結(jié)果(見圖12)可知，各項(xiàng)指標(biāo)均小于標(biāo)準(zhǔn)給定限值.車高差對各項(xiàng)運(yùn)行安全性指標(biāo)有一定的影響，但對輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率的影響范圍在±10%以內(nèi)，脫軌系數(shù)最大值均在0.2以內(nèi)，均具有足夠的安全裕量.

圖12 S1002CN-實(shí)測鋼軌匹配下的運(yùn)行安全性指標(biāo)

4 結(jié)論

由空氣動力學(xué)和列車動力學(xué)仿真分析得：動車組以限速運(yùn)行時，在15～30 m/s的側(cè)風(fēng)作用、不同車體高度差工況下，空氣動力作用在車體上的阻力、側(cè)力、升力和側(cè)滾力矩差異不顯著，一般在10%以內(nèi)；只有點(diǎn)頭力矩和搖頭力矩有一定的變化.同時，各個車輛的動力學(xué)指標(biāo)變化范圍及車體高度差對運(yùn)行安全性指標(biāo)的影響一般在10%以內(nèi)，且均低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制值，具有足夠的安全裕量，各項(xiàng)安全性指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.

[1]JOSEPH A SCHRTZ,胡宗民,張德良,等. 高速列車空氣動力學(xué)[J].力學(xué)進(jìn)展, 2003, 33(3):404-423.

[2]錢翼稷.空氣動力學(xué)[M].北京.北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

[3]李雪冰,楊征,張繼業(yè)，等.強(qiáng)風(fēng)中高速列車空氣動力學(xué)性能[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2009(2):66-73.

[4]秦淼.高速列車空氣動力學(xué)性能的研究[D].北京：北京交通大學(xué), 2011.

[5]陳友偉.高速列車在側(cè)風(fēng)中會車的空氣動力特性研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(3):186-191.

[6]李雪冰,楊征,張繼業(yè).強(qiáng)風(fēng)中高速列車空氣動力學(xué)性能[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2009(2)：66-73.

[7]肖京平,黃志祥,陳立.高速列車空氣動力學(xué)研究技術(shù)綜述[J].力學(xué)與實(shí)踐,2013(2)：1-12.

[8]陳燕榮,肖友剛.高速列車空氣動力學(xué)性能計(jì)算[J].鐵道車輛,2009(1)：14-16.

[9]王一偉,王洋,安亦然.基于LBM方法的高速列車空氣動力學(xué)計(jì)算[J].中國科學(xué), 2008(11)：1795-1804.

[10]黃志祥,陳立,蔣科林.高速列車空氣動力學(xué)特性的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].鐵道車輛,2011(12)：1-6.

Influence of Vehicle Hight Difference on Dynamic Performance of CRH380B

DENG Xuehui,LIANG Liang

(CRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd, Changchunn 130062, China)

In order to study the influence of vehicle height difference on dynamic performance of 8 vehicles of CRH380B, typical wheel and track matching relationship are considered, and the dynamic simulation models of 7 different vehicle heights are established. Numerical analysis of aerodynamic impact on vehicle height is conducted under typical wind speed and the speed limit. With aerodynamic data as input, the effect of vehicle height difference on the dynamic performance of the train system and crosswind running safety of EMU is analyzed. On the effect of 15 m/s to 30 m/s crosswind, the influence of vehicle height difference conditions on the operation safety indicators is generally less than 10%. The vehicle dynamic indexes meet the requirements of relevant standards, and the operation safety indicators have certain safety margin.

EUMs; CRH380B; vehicle height difference; dynamics index

1673- 9590(2017)02- 0027- 07

2016-08-30

鄧學(xué)暉(1980-)，男，高級工程師，碩士，主要從事動車組檢修技術(shù)研究，總體設(shè)計(jì)的研究 E- mail:dengxuehui@cccar.com.cn.

A