鐵路道床吸污車動力學性能分析研究

郭俊華

【摘 要】針對鐵路道床吸污車的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)GB/T17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》建立了該車的動力學模型，對該車的運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性進行了計算和分析。結(jié)果表明，該車空車和滿載工況下在120km/h運行速度范圍內(nèi)，各項動力學性能指標均能滿足GB/T17426-1998的要求。

【關鍵詞】鐵路道床吸污車；動力學性能；臨界速度；運行平穩(wěn)性指標；脫軌系數(shù)

【Abstract】According to GB / T17426-1998 "Railway special vehicle and rail machinery dynamic performance evaluation and test method" ， the article establishes the dynamic model of the vehicle in allusion to the bogie feature of railway ballast suction-typ sewer scavenger. The operational stability、smoothness and safety were calculated and analyzed. The results show that the dynamic performance of the vehicle can meet the requirements of GB / T17426-1998 in the range of 120km / h operating speed.

【Key words】Railway ballast suction-typ sewer scavenger；Dynamic performance；Critical velocity；Running stability index；Derailment coefficient

0 引言

為了滿足鐵路建設和鐵路運輸市場的需要，設計了最高連掛運行時速為120km、最高自行時速為100km的鐵路道床吸污車。該車采用焊接構(gòu)架式軸箱懸掛轉(zhuǎn)向架，為了分析和預測該車的動力學性能，本文建立了該車的動力學模型，通過對該車的運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性進行計算和分析，對該車的動力學性能進行了預測和評價。

1 鐵路道床吸污車結(jié)構(gòu)特點

鐵路道床吸污車在前端裝有一臺動力轉(zhuǎn)向架、在后端裝有一臺非動力轉(zhuǎn)向架。動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)基本相同，由輪對、軸箱懸掛裝置、焊接構(gòu)架、常接觸彈性旁承、球面心盤和基礎制動裝置等部件組成。轉(zhuǎn)向架的主懸掛系統(tǒng)采用軸箱懸掛，由軸箱螺旋鋼彈簧和斜楔式摩擦減振器組成；轉(zhuǎn)向架采用球面心盤和常接觸彈性旁承承載，球面心盤還具有傳遞縱向和橫向作用力的功能；轉(zhuǎn)向架的基礎制動裝置采用踏面制動裝置，車輪踏面采用錐形踏面。

2 鐵路道床吸污車動力學模型

鐵路道床吸污車是一個復雜的多體系統(tǒng)，不但有各部件之間的相互作用力和相對運動，而且還有輪軌之間的相互關系。因此，理論計算分析模型只能根據(jù)研究的主要目的和要求，對一些次要因素進行相應的假定或簡化，而在對動力學性能影響較大的主要因素上盡可能做出符合實際情況的模擬。因此，在建立鐵路道床吸污車動力學模型時，將作如下假定：

（1）輪對、構(gòu)架和車體等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多，均視為剛體，即忽略各部件的彈性變形。

（2）不考慮相鄰車輛的作用，即只考慮單獨一輛車的運動。

（3）不考慮鋼軌的彈性變形。

忽略各部件本身的彈性變形后，則該車可模擬為離散的多自由度系統(tǒng)。由于該車垂向和橫向運動是相互藕合的，因此計算中將該車在橫向和垂向的運動綜合起來作為一個系統(tǒng)考慮。由于該車是由剛體和彈性懸掛系統(tǒng)組成的，各剛體之間有相互約束關系，因此剛體的有些運動方式是獨立的，有些運動方式是受約束的。因此整個車輛系統(tǒng)的自由度DOF可用下式來表示：

DOF=6N-R（1）

式中：N——系統(tǒng)中的剛體數(shù)目；R——系統(tǒng)中的剛體約束數(shù)。

鐵路道床吸污車有4個輪對、2個構(gòu)架和1個車體等7個剛體。由于考慮車輛是勻速運動，因此各剛體沿x軸方向的平行移動（伸縮）可以不考慮，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫移位移、浮沉位移、點頭角位移與車體的橫移、浮沉、點頭、搖頭和側(cè)滾位移相關，不是獨立的自由度，輪對的浮沉、側(cè)滾運動是輪對橫移和搖頭角的函數(shù)，因此不是獨立的自由度。

根據(jù)以上分析，鐵路道床吸污車多剛體系統(tǒng)在橫向和垂向共有21個獨立的自由度，其余的非獨立自由度均可用這些自由度來表示。在仿真分析中車輛各剛體的廣義坐標如表1所示，動力學計算力學模型如圖1所示。

根據(jù)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點，在研究中考慮以下非線性因素：

（1）輪軌非線性接觸幾何關系。踏面和軌面之間具有非線性輪軌接觸幾何關系。

（2）輪軌非線性蠕滑。計算中先按Kalker線性理論確定蠕滑力，然后再用試探法修正為非線性值。

（3）懸掛非線性。軸箱懸掛在垂向、橫向和縱向均存在非線性關系；構(gòu)架和車體之間有回轉(zhuǎn)摩擦力矩等。

3 運行平穩(wěn)性計算分析

根據(jù)GB/T17426-1998規(guī)定，特種車輛和軌行機械的最大振動加速度（包括最大推斷值）為貨車振動強度的極限值，對于垂直振動為6.87m/s2（或0.7g），對于橫向振動為4.91m/s2（或0.5g）。特種車輛和軌行機械運行平穩(wěn)性等級見表2所示。

表2 特種車輛和軌行機械運行平穩(wěn)性等級

根據(jù)GB/T17426-1998規(guī)定，帶有動力的軌行機械的運行平穩(wěn)性用司機座位500m范圍內(nèi)地板面上的橫向及垂向平穩(wěn)性指標及最大振動加速度來表示。計算中線路考慮較好線路（美國Ⅴ級線路）和一般線路（美國Ⅲ級線路）兩種線路工況，在60～130km/h速度范圍內(nèi)，鐵路道床吸污車在空車和滿載工況下的橫向和垂向平穩(wěn)性指標Wzy、Wzz如表3～4，橫向及垂向最大加速度Ay、Az如表5～6。

從平穩(wěn)性計算結(jié)果可見，鐵路道床吸污車在空車和滿載污物時：

在較好的干線上（相當于我國Ⅰ級線路），鐵路道床吸污車空車在90km/h速度內(nèi)、滿載時在100km/h速度內(nèi)的橫向平穩(wěn)性指標小于3.0，空車在100km/h速度內(nèi)、滿載時在110km/h速度范圍內(nèi)的垂向平穩(wěn)性指標小于3.0，滿足GB/T17426-1998的優(yōu)級標準；空車和滿載時在130km/h速度內(nèi)橫向和垂向平穩(wěn)性指標小于3.5，達到GB/T17426-1998規(guī)定的良好標準。

在一般的干線上（相當于我國Ⅱ級線路），空車和滿載時在80km/h速度內(nèi)的橫向平穩(wěn)性指標小于3.0，在90km/h速度范圍內(nèi)垂向平穩(wěn)性指標小于3.0，滿足GB/T17426-1998的優(yōu)級標準；空車時在120km/h速度內(nèi)、滿載時在130km/h速度內(nèi)橫向及垂向平穩(wěn)性指標小于3.5，達到GB/T17426-1998規(guī)定的良好標準；空車時在130km/h速度內(nèi)橫向及垂向平穩(wěn)性指標小于4.0，達到GB/T17426-1998規(guī)定的合格標準。

在較好線路和一般線路上，130km/h速度范圍內(nèi)，鐵路道床吸污車空車和滿載時的最大橫向加速度小于0.5g，最大垂向加速度小于0.7g，橫向及垂向最大加速度均滿足GB/T17426-1998的要求。

4 運行穩(wěn)定性計算分析

不同的車輪踏面等效錐度λ情況下，鐵路道床吸污車的蛇行運動失穩(wěn)臨界速度Vcr（km/h） 如表7中。

從表7中可見，鐵路道床吸污車空車和滿載工況在新輪軌時的臨界速度較高，能滿足運行的要求。隨著車輪踏面的磨耗，車輛臨界速度下降，當車輪踏面磨耗至等效錐度為0.35時，蛇行失穩(wěn)臨界速度將接近最高聯(lián)掛速度。但在一般情況下，經(jīng)常使用的踏面等效錐度在0.10～0.3范圍之內(nèi)，車輪踏面等效錐度大于0.35的情況只有當車輪輪緣接觸鋼軌時（如車輛通過曲線工況）才可能出現(xiàn)，而車輛通過曲線時車輪總是貼靠鋼軌一邊，不會出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。所以，鐵路道床吸污車的運行穩(wěn)定性能滿運行要求。

5 曲線通過性能計算分析

根據(jù)GB/T17426-1998規(guī)定，軌行機械應進行300～600m的小半徑曲線試驗，并通過12號或9號道岔。

計算曲線通過時線路條件如下：

（1）曲線半徑R=300m，曲線外軌超高h=100、150mm，緩和曲線長度LS=70m，圓曲線長度LC=60m，最大欠超高取90mm，運行速度V=69.5、78.1km/h。

（2）曲線半徑R=400m，曲線外軌超高h=100mm，緩和曲線長度LS=70m，圓曲線長度LC=60m，最大欠超高取90mm，運行速度V=80.3、90.2km/h。

（3）曲線半徑R=600m，曲線外軌超高h=80、150mm，緩和曲線長度LS=70m，圓曲線長度LC=60m，最大欠超高取90mm，運行速度V=93.0、110.5km/h。

（4）曲線半徑R=800m，曲線外軌超高h=80、150mm，緩和曲線長度LS=70m，圓曲線長度LC=60m，最大欠超高取90mm，運行速度V=107.4、120.0km/h。

（5）以80km/h速度通過由18號道岔組成的渡線。

（6）以45km/h速度通過由12號道岔組成的渡線。

（7）以30km/h速度通過由9號道岔組成的渡線。

根據(jù)鐵路技術管理規(guī)程，200km/h速度級客運專線鐵路區(qū)間最小曲線半徑為2000m，250km/h速度級客運專線鐵路區(qū)間最小曲線半徑為3500m，因此應考慮該車在客運專線上運行時的線路工況，如工況（8）、（9）。

（8）曲線半徑R=2000m，曲線外軌超高h=150、180mm，緩和曲線長度LS=150m，圓曲線長度LC=100m，運行速度V=120km/h。

（9）曲線半徑R=3500m，曲線外軌超高h=150、180mm，緩和曲線長度LS=150m，圓曲線長度LC=100m，運行速度V=120km/h。

計算中輸出鐵路道床吸污車通過曲線時的輪軌橫向力Q（kN）、脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率△P/P、輪軸橫向力H（kN）和傾覆系數(shù)D的最大值。

傾覆系數(shù)是用以評定車輛在側(cè)向風力、離心力和橫向振動慣性力等載荷的作用下是否會傾覆。根據(jù)TX-C道床吸污車技術條件，可承受的最大風速為25m/s，風速v與風壓P之間的換算關系為P=ρ（2）

式中：v——風速（m/s）

ρ——空氣密度（kg/m3），查表得氣溫20℃時的空氣密度為1.205kg/m3，可以算出風壓為：

P=376.56Pa

用風壓乘以車體側(cè)墻面積所得的力，即為計算傾覆系數(shù)時加在車體上的風力。

鐵路道床吸污車空車和滿載工況下通過半徑為300m、400m、600m、800m、2000m、3500m的圓曲線和由18號、12號、9號道岔組成的渡線時的各項動力學性能指標如表8、9。