高速動車組柔度系數(shù)測定及方法研究

曹曉寧+王秀剛+張振先+梁海嘯+李海濤

摘 要：柔度系數(shù)是車輛設(shè)計的重要參數(shù)，關(guān)系到車輛的抗側(cè)滾性能，對車輛運(yùn)行的限界安全有直接影響。針對高寒防風(fēng)沙動車組，提出了基于整車振動模擬試驗臺的柔度系數(shù)的測定方法，并運(yùn)用位姿反解的方法對作動器執(zhí)行命令進(jìn)行解算，實現(xiàn)試驗臺的加載；區(qū)別于傳統(tǒng)的測定手段，該方法可得到試驗過程中車體、轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)角的連續(xù)數(shù)據(jù)，是一種動態(tài)的測定手段，獲取柔度系數(shù)隨車體、轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角度變化的規(guī)律；試驗結(jié)果表明，被試車輛柔度系數(shù)最大值0.285，符合UIC505標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時也為高寒防風(fēng)沙動車組的設(shè)計提供數(shù)據(jù)積累和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：高速動車組；整車振動模擬試驗臺；柔度系數(shù)；姿態(tài)解算；試驗方法

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.088

1 前言

隨著我國軌道車輛出口項目的逐年增加，為滿足車輛出口要求，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，或需采用出口目標(biāo)國的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；車輛柔度系數(shù)是車輛運(yùn)行安全、舒適性的重要指標(biāo)，是歐洲（EN）及國際鐵路聯(lián)盟（UIC）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的重要參數(shù)，柔度系數(shù)的測定尤為重要。

傳統(tǒng)的測定方法有重錘法、傾角法、加速度傳感法，其中重錘法、傾角法均需采用不同高度的墊塊進(jìn)行超高模擬，但重錘法受限于墊塊的尺寸，無法實現(xiàn)柔度系數(shù)的動態(tài)測定，且試驗精確較低；傾角法則受制于所采用角度傳感器的精度，不確定因素較大；加速度傳感器法，依托于車輛的線路運(yùn)行工況，且須控制車輛在低速運(yùn)行狀態(tài)，降低車輛慣性加速度的影響，試驗結(jié)果精度低。針對此類問題，本文提出一種依托整車振動模擬試驗臺進(jìn)行柔度系數(shù)測定的方法，可實現(xiàn)柔度系數(shù)的連續(xù)性測定，試驗的精度高。

2 整車振動模擬試驗臺

本試驗方法基于中車青島四方股份公司的整車振動模擬試驗臺，該試驗臺是用于研究車輛裝配狀態(tài)下的特性參數(shù)，再現(xiàn)車輛在線路運(yùn)營時的振動狀態(tài)，為車輛的振動性能設(shè)計優(yōu)化提供試驗平臺，為轉(zhuǎn)向架設(shè)計驗證提供試驗手段。

本試驗臺由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、試驗測試工具組件等組成。機(jī)械系統(tǒng)包括四個運(yùn)動平臺、模擬車體加載平臺、反應(yīng)基座等；控制系統(tǒng)包括Flextest200控制機(jī)柜、主機(jī)和控制線纜等；液壓系統(tǒng)由液壓油源（六臺，約3000升/分鐘）、液壓作動器（31個）、液壓管路及閥、（5個）分油控制單元和多個蓄能器等；試驗測試工具組件包括六自由度力傳感器（4個）、位移傳感器和加速度傳感器、SOMAT數(shù)采設(shè)備、試驗車軸及多種夾具、標(biāo)定框架工裝及砝碼等。試驗臺的核心組成為4個六自由度振動平臺、一個模擬車體加載平臺，每個振動平臺為7缸六自由度系統(tǒng)，可實現(xiàn)車輛運(yùn)行姿態(tài)的模擬，圖1所示。

整車振動模擬試驗臺性能參數(shù)如下：

可實現(xiàn)垂向、橫向、縱向，點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾等自由度運(yùn)動，最大垂向位移+/-100mm，最大橫向位移+/-100mm，最大縱向位移+/-85mm； 振動信號再現(xiàn)頻率范圍0Hz～50Hz，最大加速度10g。

3 柔度系數(shù)試驗方法

3.1 柔度系數(shù)定義

工程上為確定車輛在線路運(yùn)行時的動態(tài)尺寸，需確定車輛因彈簧裝置的柔性作用產(chǎn)生的位移幅度，采用柔度系數(shù)進(jìn)行考核。UIC505標(biāo)準(zhǔn)定義車輛柔度系數(shù)如下：

當(dāng)車輛停在超高為D的線路上時，在彈簧上的車體要傾斜，并與軌面的垂線間形成η角，η角與線路超高角δ的比值η/δ為車輛的柔度系數(shù)，用S表示，且柔度系數(shù)S<0.4。

柔度系數(shù)的公式描述如下：

其中，δi為因軌道超高引起的輪對側(cè)滾角；ηi為車體相對于軌道平面的夾角，n為計算樣本點(diǎn)數(shù)量；由于實際測試的數(shù)據(jù)為車體相對于水平面的夾角θi，因此ηi=θi-δi。

3.2 基于試驗臺的試驗方法

圖2位基于整車振動模擬試驗臺的柔度系數(shù)試驗示意圖。將車輛靜置于試驗臺上，輪對與作動平臺之間無剛性約束（但設(shè)置限位檔）；通過試驗臺位姿的解算方法，得到試驗臺平臺加載試驗譜，模擬曲線軌道的超高、角度，測試車輪側(cè)滾角度、車體側(cè)滾角度等，用于計算柔度系數(shù)。

4 姿態(tài)解算

運(yùn)用姿態(tài)解算技術(shù)，獲取各作動器的執(zhí)行命令，實現(xiàn)相應(yīng)振型的測試。結(jié)合試驗臺結(jié)構(gòu)對稱性，將兩組振動平臺其簡化為圖3形式。O-XYZ為試驗臺基礎(chǔ)坐標(biāo)系，兩振動平臺的坐標(biāo)系O1-x1y1z1及O2-x2y2z2。圖中1～14為作動器下鉸鏈點(diǎn)，1'～14'為作動器上鉸鏈點(diǎn)；l1～l4、v1～v2、h1～h4為試驗臺幾何關(guān)系參量。

5 試驗分析

5.1 振動平臺加載譜

如圖4所示，運(yùn)用位姿解算的方法，得到四個振動平臺單周期內(nèi)的加載譜。結(jié)合車輪實際運(yùn)行線路軌道超高量，計算振動平臺的運(yùn)動（輪對側(cè)滾交）角度最大為6.43°；圖5位試驗現(xiàn)場。

5.2 試驗結(jié)果

圖6及圖7被試動車組柔度系數(shù)試驗結(jié)果，試驗測定了車輛一位側(cè)及二位側(cè)被抬升時的結(jié)果，將被試結(jié)果選定一定的樣本數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到柔度系數(shù)的那你和曲線，可知被試車輛一位側(cè)抬升時柔度系數(shù)值為0.285，二位側(cè)抬升時柔度系數(shù)值為0.249，則被試車輛柔度系數(shù)最大值為0.285，小于UIC505關(guān)于車輛柔度系數(shù)（最大0.4）的要求，被試車輛合格。

6 結(jié)論

本文提出一種整車振動模擬試驗臺的車輛柔度系數(shù)測定方法，并對某高速沙動車組進(jìn)行實際測定，結(jié)論如下：

（1）運(yùn)用姿態(tài)解算方法，試驗得到了振動平臺實際加載的命令譜，振動平臺最大轉(zhuǎn)角位6.43度；

（2）試驗結(jié)果表明，被試車輛柔度系數(shù)最大值0285，符合UIC505標(biāo)準(zhǔn)的要求，為高寒防風(fēng)沙動車組的設(shè)計提供數(shù)據(jù)積累和技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]顧永輝.軌道車輛垂向振動性能研究及減振器阻尼參數(shù)選擇[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[2]嚴(yán)雋耄.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2003：31-32.

[3]王金鳳.鄭西高速鐵路環(huán)境振動衰減特性分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[4]城軌車輛柔度系數(shù)的測定方法研究[J].中國測試，2010：36-06.

[5]周若湘， 匡如華.抗側(cè)滾扭桿裝置在城市軌道車輛中的應(yīng)用[J].鐵道車輛，2001，（12）.

[6]陸冠東.車輛系統(tǒng)動力學(xué)計算方法研究[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[7]張衛(wèi)華.高速列車耦合大系統(tǒng)動力學(xué)理論與實踐[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013： 108.endprint