抗蛇形減振器失效對車輛動力學(xué)性能的影響

摘要： 為研究高速動車組車輛動力學(xué)性能對抗蛇形減振器失效的敏感性，以國內(nèi)某型高速動車組為研究對象，以其實際動力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，建立該型動車組的整車動力學(xué)模型。對抗蛇形減振器不同失效形式下的車輛動力學(xué)性能進行研究，結(jié)論認為：抗蛇形減振器失效對車輛動力學(xué)性能尤其是對列車的橫向動力學(xué)性能影響顯著；當列車行駛速度在250～380 km/h時，車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能各項指標隨列車行駛速度的增大而增大，隨抗蛇形減振器失效個數(shù)的增加而增大。

關(guān)鍵詞：動車組； 抗蛇形減振器； 失效； 安全性； 平穩(wěn)性； 臨界速度

中圖分類號： U213.55

文獻標志碼： B

Abstract：In order to study the sensibility of dynamic performance of high speed electric multiple unit on the failure of anti-yaw damper， taking a type of high speed electric multiple unit in China as the research object， a dynamic simulation model of high speed electric multiple unit based on its actual dynamic parameters is established. The dynamic performance of the vehicle is studied by setting different failure modes of the anti-yaw damper. The results show that the failure of anti-yaw damper has significant influence on the vehicle dynamic performance， especially the lateral dynamic performance of the train. When the train speed is 250～380 km/h， the dynamic performance index increases with the increase of the train speed， and the failure number of the anti-yaw damper also increases.

Key words：electric multiple unit； anti-yaw damper； failure； safety； stability； critical velocity

0 引 言

抗蛇形減振器是高速動車組二系懸掛的重要組成部分，在列車高速行駛過程中發(fā)揮著重要作用。由于鐵路油壓減振器在服役過程中提前出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性、功能性失效，對列車行駛的安全性、穩(wěn)定性和舒適性造成嚴重影響[1]，因此國內(nèi)外很多學(xué)者對其進行研究。宋昊等[2]對六軸電力機車抗蛇形減振器失效時的車輛準線型臨界速度進行計算分析。ALONSO等[3]研究抗蛇形減振器特性對車輛行駛穩(wěn)定性的影響。王成國等[4]建立鐵道車輛減振器的數(shù)學(xué)模型，并進行車輛系統(tǒng)動力學(xué)仿真計算。本文對抗蛇形減振器在不同故障形式下的動力學(xué)性能評價指標進行分析計算，以判斷該車型的常規(guī)動力學(xué)性能對其故障態(tài)的敏感性。

1 仿真模型

該型動車組拖車轉(zhuǎn)向架與車體之間由一系懸掛連接，其中包括：軸箱彈簧、垂向減振器和轉(zhuǎn)臂節(jié)點等。轉(zhuǎn)向架與車體之間由二系懸掛裝置連接，其中包括：空氣彈簧、抗蛇形減振器、橫向減振器和垂向減振器等。此外，車體與轉(zhuǎn)向架之間設(shè)有牽引拉桿、橫向止擋和抗側(cè)滾扭桿等。[5]利用SIMPACK子結(jié)構(gòu)建模方法，將一、二系懸掛裝置的作用力通過各種力元作用實現(xiàn)，充分考慮懸掛裝置的非線性特性，建立該型動車組的動力學(xué)仿真模型，見圖1。

將車體、轉(zhuǎn)向架、輪對軸箱裝置均視為剛體，充分考慮各部件間的連接關(guān)系，其中：車體、轉(zhuǎn)向架和輪對均有6個自由度，即縱向x、橫向y、垂向z、側(cè)滾φ、點頭γ和搖頭ψ；軸箱有1個繞輪對的轉(zhuǎn)動自由度γ。整車動力學(xué)系統(tǒng)共有15個剛體、50個自由度[6]。

在動力學(xué)仿真計算中，以京滬高速實測軌道不平順度為輪軌激勵，模型采樣頻率設(shè)為1 000 Hz，模擬的線路長度設(shè)為10 km，并取30～60 s的計算結(jié)果進行分析。

2 仿真試驗

重點研究減振器出現(xiàn)漏油故障時的動力學(xué)行為。由減振器的工作原理可知，當發(fā)生漏油故障時，減振器會失去衰減振動作用。因此，在本文建立的動力學(xué)模型中考慮抗蛇形減振器功能完全喪失的情況，此時將液壓減振器的阻尼[7]設(shè)為0。

抗蛇形減振器故障設(shè)置5種情況：故障1為前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個抗蛇形減振器失效；故障2為前轉(zhuǎn)向架左側(cè)2個抗蛇形減振器全部失效；故障3為前后轉(zhuǎn)向架左側(cè)2個抗蛇形減振器全部失效；故障4為前轉(zhuǎn)向架兩側(cè)2個抗蛇形減振器全部失效；故障5為全部抗蛇形減振器失效。

2.1 安全性指標計算結(jié)果

脫軌因數(shù)與輪重減載率是評價車輛行駛安全性的基本指標。[8]對這2個指標進行計算分析，車輛行駛速度為250～380 km/h時在不同故障狀態(tài)下的脫軌因數(shù)和輪重減載率分別見圖2和3。

脫軌因數(shù)隨車輛行駛速度的增大而增大，隨減振器失效個數(shù)的增加而增大。當前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個抗蛇形減振器失效時：行駛速度小于300 km/h，脫軌因數(shù)變化不大；行駛速度大于300 km/h時，脫軌因數(shù)迅速增大；行駛速度為325 km/h時，脫軌因數(shù)為0.747，接近安全限值0.8；行駛速度為380 km/h時，脫軌因數(shù)為1.9，遠大于安全限值0.8。在其他故障狀態(tài)下，行駛速度為250 km/h以上時，脫軌因數(shù)最低（故障2）為1.4，遠大于0.8，不滿足行車安全性要求。

輪重減載率隨車輛行駛速度的增大而增大。前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個抗蛇形減振器失效時：在行駛速度為325 km/h以下時，輪重減載率小于0.65，滿足行車安全性要求；在行駛速度為350 km/h以上時，輪重減載率大于0.65，不滿足行車安全性要求。2個及以上抗蛇形減振器失效時，相同速度級的輪重減載率數(shù)值差別不大，行駛速度為300 km/h以下時的輪重減載率均小于0.65，行駛速度為300 km/h以上時的輪重減載率均大于0.65，不滿足行車安全性要求。

2.2 平穩(wěn)性分析

我國評價機車車輛/動車組平穩(wěn)性的指標包括車體橫向、垂向振動加速度和橫向、垂向Sperling平穩(wěn)性指標[9]。行駛速度為250～380 km/h時車體的平穩(wěn)性指標計算結(jié)果見圖4～7。

由圖4可以看出，車輛垂向振動加速度隨車輛行駛速度的增大而增大，隨減振器失效個數(shù)的增加而增大。1個抗蛇形減振器失效對車體垂向振動加速度影響不大，當2個及以上抗蛇形減振器失效時，車體垂向振動加速度明顯大于正常態(tài)的加速度，抗蛇形減振器全部失效時，垂向振動加速度最大值為0.616 m/s2。

由圖5可以看出，車體橫向振動加速度隨車輛

行駛速度的增大而增大。當前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個抗蛇形減振器失效時：行駛速度為300 km/h以下時，車體橫向振動加速度略高于正常態(tài)；行駛速度為325 km/h以上時，車輛橫向振動加速度明顯增大。當2個及以上抗蛇形減振器失效時，相同速度的橫向振動加速度最大值差別不大。當行駛速度為380km/h、前轉(zhuǎn)向架兩側(cè)抗蛇形減振器失效時，車體橫向振動加速最大值為1.131 m/s2。

由圖6可以看出，車體垂向平穩(wěn)性指標隨車輛行駛速度的增大而增大。1個抗蛇形減振器失效對車輛垂向平穩(wěn)性指標影響較小。當2個及以上抗蛇形減振器失效時，垂向平穩(wěn)性指標與正常態(tài)相比增大明顯。全部抗蛇形減振器失效時，車輛垂向平穩(wěn)性指標為2.19。

由圖7可以看出，當前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個抗蛇形減振器失效時：行駛速度為300 km/h以下時，橫向平穩(wěn)性指標略高于正常態(tài)；行駛速度為325 km/h以上時橫向平穩(wěn)性指標明顯增大；行駛速度為350 km/h以上時橫向平穩(wěn)性指標大于2.5，不滿足行車平穩(wěn)性要求。行駛速度為250 km/h以上、2個及以上抗蛇形減振器失效時，橫向平穩(wěn)性指標均大于2.5，不滿足行車平穩(wěn)性要求。

2.3 穩(wěn)定性分析

針對車輛穩(wěn)定性指標，計算發(fā)生故障時列車的抗蛇形臨界速度。在SIMPACK中給車輛模型的第一輪對施加6 mm的初始橫移量，然后使車輛以一定的速度行駛在水平直線線路上，通過觀察第一輪對的橫向位移是否收斂判斷車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]，抗蛇形臨界速度計算結(jié)果見表1。

由表1可以看出，抗蛇形減振器失效時對車輛抗蛇形臨界速度影響較大。當1個抗蛇形減振器失效時，車輛蛇形臨界速度為328 km/h，下降31.8%；當2個轉(zhuǎn)向架左側(cè)抗蛇形減振器失效時，臨界速度為190 km/h，下降60.5%；當抗蛇形減振器全部失效時，臨界速度為201 km/h，下降58.2%。

3 結(jié) 論

對所建立的車輛動力學(xué)模型進行計算分析可知，車輛動力學(xué)性能各項指標隨列車行駛速度的增大而增大，隨抗蛇形減振器失效個數(shù)的增加而增大。

在多種情況下列車脫軌因數(shù)大于0.8、輪重減載率大于0.65，不滿足行車安全性要求，包括：（1）前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個抗蛇形減振器失效、行駛速度在350 km/h以上；（2）前轉(zhuǎn)向架左側(cè)2個抗蛇形減振器失效；（3）2個轉(zhuǎn)向架左側(cè)抗蛇形減振器失效、前轉(zhuǎn)向架兩側(cè)抗蛇形減振器失效；（4）全部抗蛇形減振器失效、行駛速度在250 km/h以上。與此同時，橫向平穩(wěn)性指標大于2.5，也不滿足行車平穩(wěn)性要求。

當抗蛇形減振器失效時，車輛的抗蛇形臨界速度急劇下降，其中2個轉(zhuǎn)向架左側(cè)抗蛇形減振器失效時的臨界速度最低為190 km/h，下降幅度達60.5%。

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（編輯 武曉英）