某動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)分析及參數(shù)優(yōu)化

朱丹陽(yáng)

中車大連機(jī)車車輛有限公司 遼寧大連 116000

鐵路運(yùn)輸是一種經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)輸方式，以其安全、舒適、耗能低、污染小、占地少等優(yōu)點(diǎn)備受世界各國(guó)重視，長(zhǎng)久以來(lái)一直充當(dāng)著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展大動(dòng)脈的角色。鐵路運(yùn)輸屬輪軌接觸導(dǎo)向性運(yùn)行結(jié)構(gòu)，它區(qū)別于其他運(yùn)輸方式的特點(diǎn)是輪軌的相互作用?；仡欒F路的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)輪軌載重的數(shù)值幾乎增長(zhǎng)了近十倍，車輛運(yùn)行速度亦提高了十幾倍，鋼軌的重量也由14kg/m提高到50km/m、60kg/m/、75kg/m，在美國(guó)的某些運(yùn)煤路線中，有的鋼軌甚至重達(dá)77kg/m。而隨著列車速度和重量的不斷提高，機(jī)車車輛與軌道結(jié)構(gòu)之間的耦合振動(dòng)問(wèn)題也越來(lái)越強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致機(jī)車車輛運(yùn)行平穩(wěn)性降低，軌道結(jié)構(gòu)承載增大。振動(dòng)反復(fù)作用的結(jié)構(gòu)必將進(jìn)一步導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)部件疲勞破壞更加突出，從而使得部件可靠性下降，加快殘余累積變形和線路幾何形位的變化，而這又將反過(guò)來(lái)加劇車輛的振動(dòng)。因此，我過(guò)鐵路既有線路的提速、客運(yùn)高速化和貨運(yùn)重載化對(duì)機(jī)車車輛和線路結(jié)構(gòu)都提出了更高的要求，這種要求不僅僅是強(qiáng)度方面的要求，更主要的是動(dòng)力特性方面的要求，即，在滿足機(jī)車車輛運(yùn)行安全性的前提下，具有良好的運(yùn)行平穩(wěn)性，并盡可能保持低的輪軌作用力以降低對(duì)軌道的影響。隨著車輛速度的提高和軸重的增加，車輛與軌道、橋梁、地基、弓網(wǎng)以及周邊建筑等結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用必然會(huì)隨之加劇。這無(wú)疑為車輛與軌道相互作用問(wèn)題的研究提出了更多更高的要求。

1 機(jī)車動(dòng)力學(xué)模型及臨界速度

某動(dòng)力車為B0-B0軸式，電機(jī)懸掛方式為輪對(duì)空心軸彈性架懸，軸重19.8噸，機(jī)車由車體、構(gòu)架、輪對(duì)、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引電動(dòng)機(jī)、電機(jī)吊掛裝置、輪對(duì)空心軸、牽引機(jī)構(gòu)組成。每構(gòu)架的二系懸掛裝置由四根高圓彈簧、兩個(gè)垂向減振器、兩個(gè)橫向減振器和兩個(gè)抗蛇行減振器組成。一系懸掛裝置由軸箱彈簧、一系垂向減振器和軸箱定位裝置組成。牽引電機(jī)一端通過(guò)橡膠球關(guān)節(jié)與構(gòu)架連接，另一端通過(guò)兩根擺桿吊掛在構(gòu)架上，每個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)和構(gòu)架間裝有一個(gè)橫向耦合減振器。牽引機(jī)構(gòu)采用單牽引桿方式。輪對(duì)空心軸一端通過(guò)六連桿機(jī)構(gòu)與輪對(duì)連接，另一端通過(guò)六連桿機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置上的大齒輪[1]。非線性臨界速度采用極限環(huán)判定發(fā)。機(jī)車以80km/h-560km/h的速度通過(guò)不平順時(shí)，各輪對(duì)橫向振動(dòng)位移的極限環(huán)幅值變化見(jiàn)圖1。從計(jì)算結(jié)果看出，機(jī)車的在運(yùn)行速度80 km/h-280 km/h范圍內(nèi)機(jī)車具有良好的收斂性。機(jī)車的非線性臨界速度為280 km/h，完全滿足設(shè)計(jì)要求[2-3]。

2 車輛參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)

影響整車動(dòng)力學(xué)性能的因素有很多，其中最重要的就是結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)。本章主要探討了一系彈簧橫向、垂向剛度對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能的影響?？紤]直線軌道，對(duì)比了一系橫向剛度對(duì)司機(jī)室垂向、橫向舒適度指標(biāo)，脫軌系數(shù)的影響[4-5]。

由圖2可見(jiàn)，一系懸掛的橫向剛度對(duì)司機(jī)室的垂向舒適度影響非常小，幾乎可以忽略，而對(duì)司機(jī)室的橫向舒適度影響顯著。除了車輛速度之外，一系橫向剛度也對(duì)脫軌系數(shù)，一般而言，這兩項(xiàng)指標(biāo)均隨著一系橫向剛度的增加而增大，當(dāng)一系橫向剛度最小時(shí)，該項(xiàng)指標(biāo)更安全。一系橫向剛度在500kN/m-4500kN/m的范圍內(nèi)變化時(shí)，整車的大部分動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化范圍均不大；并且指標(biāo)的變化趨勢(shì)各有不同。建議一系橫向剛度在2500kN/m到4500kN/m之間選擇。一系垂向剛度對(duì)整車動(dòng)力學(xué)性能影響較為顯著。建議一系垂向剛度在500kN/m到1600kN/m的范圍內(nèi)選取會(huì)有較好的動(dòng)力學(xué)性能。類似分析二系剛度的影響，綜合各方面考慮，建議二系橫向剛度在200kN/m-300kN/m之間選取，二系垂向剛度在150kN/m-450kN/m內(nèi)選取。

圖1 車輛各部位響應(yīng)極限環(huán)幅值

圖2 不同橫向剛度下脫軌系數(shù)

圖3 不同垂向剛度下脫軌系數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

影響機(jī)車的垂向平穩(wěn)性的因素較多，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、路線平順性狀況、車輛運(yùn)行速度等，一般而言，路況越差、車速越高，其平穩(wěn)性指標(biāo)越大。一系、二系懸掛系統(tǒng)對(duì)車體減震效果較為顯著，尤其二系懸掛，對(duì)司機(jī)室的平穩(wěn)性有著重要的影響。通過(guò)對(duì)機(jī)車主要力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算，建議一系橫向剛度在2500kN/m到4500kN/m之間選擇；一系垂向剛度在500kN/m到1600kN/m的范圍內(nèi)選?。欢禉M向剛度在200kN/m -300kN/m之間選?。欢荡瓜騽偠仍?50kN/m-450kN/m內(nèi)選取。在這些范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠讓整車具有更好的動(dòng)力學(xué)性能。需要注意的是，當(dāng)路線情況以及軌道激勵(lì)狀況不同時(shí)，計(jì)算結(jié)果可能會(huì)存在一定的差異。