鐵路貨車動(dòng)態(tài)限界評(píng)估影響因素研究

王 劍， 張良威

(中車長(zhǎng)江車輛有限公司 產(chǎn)品研究所， 武漢 430212)

鐵路貨車車輛限界為車輛橫斷面設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，充分利用車輛限界可以縮短車輛長(zhǎng)度，增加鐵路貨車每延米質(zhì)量。不同國(guó)家和地區(qū)根據(jù)自身鐵路特點(diǎn)對(duì)車輛限界的要求有所不同，澳大利亞車輛限界分為靜態(tài)限界和動(dòng)態(tài)限界，車輛設(shè)計(jì)過程中需同時(shí)滿足車輛靜態(tài)限界和動(dòng)態(tài)限界，靜態(tài)限界評(píng)估車輛靜止在軌道上時(shí)空車新車狀態(tài)和重車磨耗到限的狀態(tài)下是否侵入限界，動(dòng)態(tài)限界評(píng)估車輛在運(yùn)行過程中是否會(huì)侵入限界。

動(dòng)態(tài)限界與車輛動(dòng)力學(xué)性能和線路條件有關(guān)。以出口澳大利亞某型煤炭漏斗車為例，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AS 7507.2-2009《鐵路貨車限界》，通過線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，采用動(dòng)力學(xué)仿真分析手段對(duì)該車的運(yùn)行動(dòng)態(tài)輪廓進(jìn)行分析計(jì)算[1-2]，分析了車輛狀態(tài)、重心高度、轉(zhuǎn)向架主要懸掛參數(shù)等對(duì)車輛動(dòng)態(tài)輪廓的影響。

1 試驗(yàn)情況

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 7507.2-2009對(duì)鐵路貨車限界進(jìn)行了規(guī)定，由于澳大利亞存在各種軌距和不同設(shè)計(jì)要求的鐵路線路，各線路的參考車輛限界各不相同，但是基本原理相同，均由靜態(tài)限界橫移和側(cè)滾后獲得動(dòng)態(tài)限界輪廓。以文中分析的煤炭漏斗車為例，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和該車運(yùn)行的線路指南，其動(dòng)態(tài)限界由靜態(tài)限界分別左右橫移60 mm和繞限界縱向中心線在距軌面610 mm高的位置分別順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)2.0°獲得，圖1為該車的車輛輪廓、靜態(tài)限界和動(dòng)態(tài)限界圖。

重車試驗(yàn)情況，裝載后總質(zhì)量為95.7 t，試驗(yàn)按照澳大利亞RailCorp路網(wǎng)車輛工程標(biāo)準(zhǔn)RSU 289，由澳大利亞SKM公司選擇在Musswellbrook 288.80到Waratah 166.00區(qū)間線路進(jìn)行，測(cè)試車體相對(duì)軌平面的轉(zhuǎn)角、相對(duì)輪對(duì)的橫向水平位移分別不超過標(biāo)準(zhǔn)AS7507.2-2009規(guī)定的2.0°及60 mm。試驗(yàn)方法為在車體與搖枕、搖枕與側(cè)架之間安裝位移傳感器等，測(cè)試車體相對(duì)于搖枕、搖枕相對(duì)于側(cè)架之間的側(cè)滾角度和橫向位移，如圖2所示。

圖1 車輛限界圖

圖2 位置關(guān)系圖

試驗(yàn)測(cè)得車體相對(duì)輪對(duì)的最大橫向位移為9.1 mm，滿足不超過60 mm的要求，但是在曲線的8、10和11測(cè)試位置處，車體側(cè)滾角度依次為2.86°、2.59°和2.48°，超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.0°，見表1；經(jīng)過對(duì)上述3處曲線位置的車體相對(duì)于搖枕、搖枕相對(duì)于側(cè)架橫向位移的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)側(cè)滾角度最大位置處橫向位移大且波形為平直段，以此判斷各部件間止擋此時(shí)處于接觸狀態(tài)。

表1 車體側(cè)滾角度測(cè)試結(jié)果

由于車體側(cè)滾角度超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.0°，按標(biāo)準(zhǔn)要求需要進(jìn)行橫向位移和車體側(cè)滾角度的疊加計(jì)算以判斷車輛動(dòng)態(tài)輪廓是否符合動(dòng)態(tài)限界的要求。圖3為動(dòng)態(tài)限界輪廓的計(jì)算結(jié)果，車體最大橫移量和車體側(cè)滾角度疊加后，車輛動(dòng)態(tài)輪廓與動(dòng)態(tài)限界最小間隙為29 mm，因此，車輛動(dòng)態(tài)輪廓符合動(dòng)態(tài)限界的要求，但是已經(jīng)非常接近動(dòng)態(tài)限界。

圖3 車輛動(dòng)態(tài)限界校核

2 試驗(yàn)仿真模擬

針對(duì)上述車輛動(dòng)態(tài)輪廓比較接近車輛動(dòng)態(tài)限界的問題，建立了模擬車輛動(dòng)態(tài)限界試驗(yàn)的仿真模型，對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，依據(jù)模擬情況進(jìn)行了限界輪廓影響因素研究[3-4]。

2.1 仿真模型

由于車輛系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，需要根據(jù)實(shí)際條件選擇各剛體的自由度，各剛體通過約束和力元進(jìn)行連接。將轉(zhuǎn)向架作為子結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在主模型中調(diào)用該子結(jié)構(gòu)兩次，圖4(a)為該車輛系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系圖，包括虛物體，共計(jì)11個(gè)剛體，共68個(gè)自由度。各剛體間通過等效彈簧或阻尼單元進(jìn)行連接，其中，懸掛系統(tǒng)具有兩級(jí)剛度特性；側(cè)架和搖枕之間有橫向及縱向間隙，當(dāng)兩者相對(duì)位移達(dá)到間隙時(shí)產(chǎn)生剛性接觸；搖枕和車體之間為回轉(zhuǎn)摩擦力矩，方向隨搖枕與車體的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度方向的變化隨時(shí)變化。該準(zhǔn)軌煤炭漏斗車動(dòng)態(tài)限界仿真模型如圖4(b)所示。

圖4 車輛模型

2.2 試驗(yàn)?zāi)M

采用仿真分析模擬試驗(yàn)，車輛分別以27.3，27.1和30.2 km/h的速度通過曲線工況8，10，11，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，工況8、工況10和工況11的車體最大側(cè)滾角度計(jì)算結(jié)果依次為：-2.59°、-2.64°和2.65°。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，工況8計(jì)算結(jié)果偏差為9.44%，工況10計(jì)算結(jié)果偏差為1.93%，工況11計(jì)算結(jié)果偏差為6.85%，綜合評(píng)估，偏差均小于10%。因此，采用仿真獲得的車輛外形輪廓限界評(píng)估參數(shù)與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常接近，則可采用該方法進(jìn)行對(duì)動(dòng)態(tài)限界的相關(guān)影響因素進(jìn)行分析研究。

圖5 車體側(cè)滾角度計(jì)算結(jié)果

3 相關(guān)影響因素分析

車輛動(dòng)態(tài)限界評(píng)估參數(shù)主要為車體側(cè)滾角和相對(duì)于輪對(duì)的橫移量，車體側(cè)滾角與車輛重心、懸掛參數(shù)等相關(guān)，車體相對(duì)于輪對(duì)的橫移量與各部件之間的橫向間隙有關(guān)，一般考慮為各間隙之和為車體橫斷面最大橫移量[5-6]，不考慮輪對(duì)的橫向運(yùn)動(dòng)。以上述仿真模型為研究對(duì)象，分析車體重心高度、中央懸掛系統(tǒng)垂向剛度、旁承剛度和間隙對(duì)車輛動(dòng)態(tài)限界的影響，分析過程以曲線工況8為設(shè)置條件。

車體重心高度的變化范圍考慮為初始重心高度的0.5～1.5倍。該煤炭漏斗車通過曲線工況8的車體側(cè)滾角度計(jì)算結(jié)果見圖6，可知車體側(cè)滾角度隨著車體重心高度的增加而迅速遞增，降低車體重心高度有利于改善車體曲線通過的側(cè)滾角度。對(duì)建立的仿真模型而言，當(dāng)車體的重心高度降低到初始重心高度的0.8°時(shí)，車體側(cè)滾角度可滿足限度值2.0°的要求。

圖6 車體重心高度對(duì)車體側(cè)滾角的影響

常接觸彈性旁承垂向剛度和間隙對(duì)車體側(cè)滾角度的影響如圖7和圖8所示。當(dāng)常接觸彈性旁承間隙為初始值16 mm，垂向剛度由初始值0.5倍增加到1.5倍的過程中，車體側(cè)滾角度呈遞減規(guī)律，但降幅較小。當(dāng)常接觸彈性旁承垂向剛度取初始值，間隙由8 mm變化到24 mm的過程中，車體側(cè)滾角度呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)間隙小于8 mm時(shí)，車體側(cè)滾角度為1.96°，符合限度值2.0°的要求。

圖7 常接觸彈性旁承垂向剛度對(duì)車體側(cè)滾角的影響

圖8 常接觸彈性旁承間隙對(duì)車體側(cè)滾角的影響

中央懸掛垂向剛度對(duì)車體側(cè)滾角度的影響如圖9所示，由圖可知，隨著垂向剛度的增加而大幅降低。當(dāng)垂向剛度為初始剛度的0.5倍時(shí)，車體側(cè)滾角度達(dá)到了6.604 0°；當(dāng)垂向剛度為初始剛度的1.4倍時(shí)，車體側(cè)滾角度為1.928 7°，符合限度值2.0°的要求。

圖9 中央懸掛垂向剛度對(duì)車體側(cè)滾角的影響

4 結(jié) 論

車體側(cè)滾角度和橫向位移是評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)限界的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于該型煤炭漏斗車而言，降低車輛重心高度、減少常接觸彈性旁承垂向間隙和增加中央懸掛系統(tǒng)垂向剛度均可以明顯降低車體側(cè)滾角度，縮小車輛動(dòng)態(tài)輪廓，提高車輛限界利用率。