車(chē)端縱向減振器對(duì)動(dòng)車(chē)組性能的影響

時(shí) 蕾,宋慧娟,郭兆團(tuán),吳佳佳,徐傳波,

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車(chē)車(chē)輛學(xué)院,鄭州 450052; 2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

減振器主要作用就是將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,達(dá)到減小振動(dòng)的目的.減振器根據(jù)其功能、安裝位置不同,可以分為一系垂向減振器、二系垂向減振器、二系橫向減振器、抗蛇行減振器、電機(jī)橫向減振器、車(chē)端縱向及橫向減振器等[1].車(chē)端縱向減振器主要作用就是有效吸收相鄰兩車(chē)之間的振動(dòng),衰減車(chē)輛的搖頭和側(cè)滾運(yùn)動(dòng),提高車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性及乘坐舒適性.

為了提高車(chē)輛平穩(wěn)性以及乘坐舒適性,很多國(guó)家高鐵已經(jīng)在兩輛車(chē)之間安裝了車(chē)端減振器,如日本新干線(xiàn)300X、500系、700系,法國(guó)TGV列車(chē),瑞典X2000,中國(guó)CRH380A及國(guó)內(nèi)外一些低地板車(chē)輛[2]等,均在兩車(chē)之間安裝了車(chē)端縱向減振器.相關(guān)文獻(xiàn)表明,安裝車(chē)端縱向減振器可以有效降低車(chē)輛1～2 Hz的橫向振動(dòng),即可以有效抑制車(chē)體低頻晃動(dòng)[3].文獻(xiàn)[4-5]表明,傳統(tǒng)車(chē)輛的連接方式使得車(chē)間的約束很弱,車(chē)體的搖頭和側(cè)滾振動(dòng)得不到有效的抑制，而安裝車(chē)端減振器可以使車(chē)體搖頭角降低約36.4%,平穩(wěn)性能可以提高約4.4%,磨耗指數(shù)可以降低約2%.由此可知,在高速列車(chē)上,安裝合適剛度和阻尼的車(chē)端縱向減振器可以有效提高車(chē)輛平穩(wěn)性及舒適性.文獻(xiàn)[6-7]對(duì)車(chē)端減振器展開(kāi)了研究,但均未基于減振器參數(shù)設(shè)計(jì)角度考慮.本文通過(guò)SIMPACK仿真,以參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化角度為出發(fā)點(diǎn)展開(kāi)研究.主要針對(duì)如何設(shè)計(jì)車(chē)端減振器參數(shù),對(duì)其懸掛參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.同時(shí)，針對(duì)車(chē)端減振器卸荷速度、卸荷力對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析,根據(jù)動(dòng)力學(xué)性能最優(yōu)化選擇車(chē)端減振器懸掛參數(shù),有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.

1 車(chē)輛系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

為了分析動(dòng)車(chē)組車(chē)端減振器對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能的影響,基于SIMPACK建立了我國(guó)某高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示.該車(chē)輛基本參數(shù):車(chē)輛定距17 500 mm,軸距2 500 mm,車(chē)輪滾動(dòng)圓橫向跨距1 493 mm,車(chē)輪滾動(dòng)圓直徑860 mm,輪對(duì)內(nèi)側(cè)距1 353 mm,車(chē)輪外形為L(zhǎng)MA型踏面,采用60 kg鋼軌.相鄰兩車(chē)體之間裝有車(chē)端縱向減振器,該車(chē)端縱向減振器卸荷速度為0.006 m/s,卸荷力為5 880 N.高速動(dòng)車(chē)組是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng),不但有各部件之間的相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng),而且還有輪軌之間的相互作用關(guān)系.因此,理論計(jì)算分析模型只能根據(jù)研究的主要目的和要求,對(duì)一些次要因素進(jìn)行相應(yīng)的假定或簡(jiǎn)化,而在對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響較大的主要因素上盡可能作出符合實(shí)際情況的模擬.為了更好地模擬高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行性能,在建模時(shí)考慮了車(chē)輛橫向和垂向運(yùn)動(dòng)的耦合.

圖1 我國(guó)某高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型Fig.1 The dynamic model of EMUs of our country

高速動(dòng)車(chē)組每節(jié)車(chē)由1個(gè)車(chē)體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)轉(zhuǎn)臂組成.車(chē)體有6個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭;構(gòu)架有6個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、搖頭、點(diǎn)頭;輪對(duì)有6個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭(其中輪對(duì)垂向和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)是非獨(dú)立運(yùn)動(dòng));轉(zhuǎn)臂只有1個(gè)自由度,即點(diǎn)頭.每節(jié)車(chē)共有50個(gè)自由度.

2 車(chē)端縱向減振器對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響

車(chē)輛穩(wěn)定性一般通過(guò)計(jì)算車(chē)輛蛇行臨界速度來(lái)考察,臨界速度越大,穩(wěn)定性越好,反之越差.本文計(jì)算臨界速度方法為:給定一段有限長(zhǎng)的實(shí)際軌道隨機(jī)不平順激擾樣本函數(shù)(本文實(shí)際選取1級(jí)線(xiàn)路譜),首先，讓列車(chē)運(yùn)行在不平順軌道上并激發(fā)其振動(dòng)；然后,讓列車(chē)運(yùn)行在理想光滑軌道上,通過(guò)觀察系統(tǒng)的振動(dòng)能否衰減到平衡位置,來(lái)判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)蛇行失穩(wěn).如在某一車(chē)速下系統(tǒng)的振動(dòng)不再收斂到平衡位置,則這時(shí)的車(chē)速值即為系統(tǒng)的實(shí)際臨界速度.

圖2和圖3表示車(chē)端減振器卸荷速度、卸荷力對(duì)車(chē)輛蛇行臨界速度的影響,其中卸荷速度變化范圍為0.001～0.100 m/s,卸荷力變化范圍為1～20 kN.從圖2中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)卸荷力一定時(shí),隨著卸荷速度增加,車(chē)輛蛇行臨界速度逐漸減小,即卸荷速度越大,穩(wěn)定性越差.從圖2中還可以發(fā)現(xiàn),卸荷速度在0.001～0.050 m/s變化時(shí),臨界速度下降得較快,即卸荷速度在0.001～0.050 m/s這一范圍內(nèi)對(duì)臨界速度影響較大.當(dāng)卸荷速度大于0.050 m/s時(shí),卸荷速度對(duì)臨界速度影響非常小.從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)卸荷速度一定時(shí),隨著卸荷力增加,臨界速度也有所增加,卸荷速度越小,臨界速度增加的越明顯,即車(chē)輛穩(wěn)定性隨著卸荷力的增加有所改善,且對(duì)應(yīng)的卸荷速度越小,改善效果越明顯.

圖2 車(chē)端減振器卸荷速度對(duì)臨界速度影響Fig.2 The unloading speed of inter-vehicle damper

圖3 車(chē)端減振器卸荷力對(duì)臨界速度影響Fig.3 The unloading force of inter-vehicle damper

3 車(chē)端縱向減振器對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性的影響

為了較為完整地反映高速動(dòng)車(chē)組的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng),計(jì)算時(shí)先讓動(dòng)車(chē)組在一段無(wú)激擾直線(xiàn)軌道上運(yùn)行,然后在一段足夠長(zhǎng)的不平順軌道上運(yùn)行.車(chē)體加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的采樣從高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行一段距離后開(kāi)始進(jìn)行,數(shù)據(jù)的采樣、處理和分析方法及平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算方法則根據(jù)《200 km/h以上速度級(jí)動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,平穩(wěn)性指標(biāo)按照標(biāo)準(zhǔn)GB 5599—85[8]評(píng)價(jià),舒適性按UIC 513[9]評(píng)價(jià).由于車(chē)輛之間的耦合運(yùn)動(dòng),本文選擇研究車(chē)端縱向減振器對(duì)頭車(chē)平穩(wěn)性的影響進(jìn)行分析.平穩(wěn)性計(jì)算分析線(xiàn)路工況為直線(xiàn),運(yùn)行速度為300 km/h,軌道譜為1級(jí)線(xiàn)路普,考察指標(biāo)主要包括橫向、垂向平穩(wěn)性和乘坐舒適性.

圖4和圖5分別為車(chē)端減振器卸荷速度、卸荷力對(duì)車(chē)輛橫向平穩(wěn)性的影響.從圖4中可以發(fā)現(xiàn)：卸荷力一定時(shí),隨著卸荷速度的增加,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)也有所增加,即橫向平穩(wěn)性有所惡化；當(dāng)卸荷速度在0.001～0.020 m/s范圍變化時(shí),卸荷速度對(duì)橫向平穩(wěn)性影響較明顯;當(dāng)卸荷速度大于0.020 m/s時(shí),卸荷速度對(duì)橫向平穩(wěn)性影響逐漸減小.從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：隨著卸荷力增加,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸減小,即橫向平穩(wěn)性越好；卸荷速度越小,卸荷力對(duì)橫向平穩(wěn)性影響越大.

圖6和圖7分別表示車(chē)端減振器卸荷速度、卸荷力對(duì)車(chē)輛垂向平穩(wěn)性影響.從圖6中可以發(fā)現(xiàn)：卸荷力一定時(shí),隨著卸荷速度的增加,垂向平穩(wěn)性有所惡化；平穩(wěn)性指標(biāo)總體在1.90～1.95之間變化,即可認(rèn)為車(chē)端減振器卸荷速度對(duì)垂向平穩(wěn)性影響不是很明顯.從圖7中可以發(fā)現(xiàn)：卸荷速度一定時(shí),隨著卸荷力增加,垂向平穩(wěn)性有所改善,但整體改善也不明顯.

圖4 車(chē)端減振器卸荷速度對(duì)車(chē)輛橫向平穩(wěn)性的影響Fig.4 The unloading speed of inter-vehicle damper

圖5 車(chē)端減振器卸荷力對(duì)車(chē)輛橫向平穩(wěn)性的影響Fig.5 The unloading force of inter-vehicle damper

圖6 車(chē)端減振器卸荷速度對(duì)車(chē)輛垂向平穩(wěn)性的影響Fig.6 The unloading speed of inter-vehicle damper

圖7 車(chē)端減振器卸荷力對(duì)車(chē)輛垂向平穩(wěn)性的影響Fig.7 The unloading force of inter-vehicle damper

圖8和圖9分別為車(chē)端減振器卸荷速度、卸荷力對(duì)乘坐舒適性影響.從圖8和圖9中可以發(fā)現(xiàn),車(chē)端減振器對(duì)乘客乘坐舒適性能影響比較大.從圖8中可以發(fā)現(xiàn),卸荷力一定,隨著卸荷速度增加,乘坐舒適性能有所惡化;從圖9中可以發(fā)現(xiàn),卸荷速度一定,隨著卸荷力增加,乘坐舒適性能一定改善.

圖8 車(chē)端減振器卸荷速度對(duì)乘坐舒適性的影響Fig.8 The unloading speed of inter-vehicle damper

圖9 車(chē)端減振器卸荷力對(duì)乘坐舒適性的影響Fig.9 The unloading force of inter-vehicle damper

4 車(chē)端縱向減振器對(duì)車(chē)輛安全性的影響

計(jì)算安全性方法為:讓高速動(dòng)車(chē)組以某一速度通過(guò)一段曲線(xiàn),計(jì)算其輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率線(xiàn)等.仿真計(jì)算線(xiàn)路工況為曲線(xiàn),曲線(xiàn)第1段直線(xiàn)200 m,第1段緩和曲線(xiàn)300 m,圓曲線(xiàn)300 m(半徑7 000 m,超高97 mm),第2段緩和曲線(xiàn)300 m,即將出曲線(xiàn)第2段直線(xiàn)200 m,車(chē)輛運(yùn)行速度為300 km/h,軌道譜為1級(jí)線(xiàn)路譜.

圖10～圖12分別為車(chē)端減振器卸荷速度、卸荷力對(duì)其輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率線(xiàn)的影響.從圖10～圖12可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)卸荷速度變化范圍在0.001～0.005 m/s時(shí),隨著卸荷速度增加,輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均有所減小,即安全性有所提高；當(dāng)卸荷速度大于0.005 m/s時(shí),卸荷速度、卸荷力對(duì)輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率線(xiàn)幾乎沒(méi)有什么影響.

圖10 車(chē)端減振器卸荷速度和卸荷力對(duì)輪軸橫向力的影響Fig.10 The unloading speed and unloading force of

圖11 車(chē)端減振器卸荷速度和卸荷力對(duì)脫軌系數(shù)的影響Fig.11 The unloading speed and unloading force of

圖12 車(chē)端減振器卸荷速度和卸荷力對(duì)輪重減載率的影響Fig.12 The unloading speed and unloading force of

5 結(jié)論

車(chē)端縱向減振器可以有效抑制車(chē)體低頻晃動(dòng),還可以抑制車(chē)輛搖頭和側(cè)滾運(yùn)動(dòng),同時(shí)，可以有效提高車(chē)輛平穩(wěn)性及舒適性.本文主要基于動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK，建立了我國(guó)某高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型,仿真分析了車(chē)端減振器對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性的影響,為車(chē)端減振器設(shè)計(jì)選取卸荷速度、卸荷力提供了依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.得到了以下結(jié)論:

(1) 車(chē)輛臨界速度隨著卸荷速度減小而增加,隨著卸荷力增加而增加.

(2) 車(chē)輛平穩(wěn)性隨著卸荷速度增加有所惡化,隨著卸荷力增加有所改善.

(3) 當(dāng)卸荷速度位于0.001～0.005 m/s時(shí),隨著卸荷速度增加,車(chē)輛安全性有所改善;當(dāng)卸荷速度大于0.005 m/s時(shí),對(duì)車(chē)輛安全性的影響不明顯.

(4) 卸荷速度太小,車(chē)輛安全性無(wú)法達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),卸荷速度太大,其穩(wěn)定性、平穩(wěn)性無(wú)法達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),經(jīng)過(guò)上述分析,卸荷速度可以選取在0.005～0.010 m/s.該高速動(dòng)車(chē)組卸荷速度選取值為0.006 m/s,在最優(yōu)化范圍內(nèi).

(5) 卸荷力太小會(huì)影響車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能,過(guò)大卸荷力又會(huì)對(duì)減振器造成一定破壞.為了達(dá)到最優(yōu)化,卸荷力可以選取在10 kN左右,該高速動(dòng)車(chē)組卸荷力為5.88 kN,有些偏小,建立適當(dāng)將卸荷力增大到10 kN左右.