輪徑對地鐵車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

張暉 黎星光

摘要：本文利用在SIMPACK軟件中建立的地鐵車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析研究了輪徑對地鐵車輛動(dòng)力學(xué)行為的影響。分析結(jié)果表明：隨著輪徑的增大，車輛臨界速度上升，但同時(shí)，輪徑的增大也導(dǎo)致脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)及輪軌橫向力等車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均增大，不利于曲線通過，且降低了車輛運(yùn)行品質(zhì)，加重了對軌道線路的破壞。因此，在設(shè)計(jì)地鐵車輛輪對時(shí)，應(yīng)充分考慮各方面利弊，找出適合輪徑。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；輪徑；動(dòng)力學(xué)性能

輪徑的大小對輪軌接觸面積和接觸應(yīng)力有著直接的影響。車輪直徑的大小，對車輛的影響各有利弊：車輪阻力和輪軌接觸應(yīng)力的大小都隨著輪徑的增大而減小，輪徑大不僅有利于降低踏面磨耗，同時(shí)能夠削弱車輪通過軌道接縫處和凹陷處時(shí)對車輛系統(tǒng)振動(dòng)的影響；但卻提高了車輛重心，減小了車體容積且增加了簧下質(zhì)量，對于地鐵車輛還增大了建筑限界，提高了工程成本[1，2]。由于車輪直徑的不同而導(dǎo)致車輛運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)也有所差別，因此在設(shè)計(jì)地鐵車輛車輪直徑時(shí)必須綜合各方面因素進(jìn)行考慮。我國地鐵車輛一般采用LM 磨耗型踏面與60 kg/m 鋼軌匹配，輪徑為840mm。本文利用在SIMPACK輪軌模塊中建立的地鐵車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析研究輪徑在780mm～960mm范圍內(nèi)變化時(shí)車輛各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的變化，以期對地鐵車輛輪對的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 輪徑對輪軌接觸幾何關(guān)系的影響分析

當(dāng)車輛沿軌道運(yùn)行時(shí)，輪對相對軌道作橫向運(yùn)動(dòng)和搖頭運(yùn)動(dòng)。左右輪軌之間的接觸點(diǎn)位置隨著橫向位移和搖頭角位移的不同而不同，輪軌之間的接觸參數(shù)也出現(xiàn)相應(yīng)變化。影響車輛動(dòng)力學(xué)性能較大的輪軌接觸幾何參數(shù)如圖4-1[3]。

圖1中參數(shù)分別為：

rl、rr——左輪和右輪實(shí)際滾動(dòng)半徑，影響輪軌接觸應(yīng)力；

rrl、rrr——左右軌在輪軌接觸點(diǎn)處的軌頭截面曲率半徑，影響輪軌實(shí)際接觸斑的大小、形狀和輪軌接觸應(yīng)力；

rwl、rwr——左右車輪在輪軌接觸點(diǎn)處的踏面曲率半徑；

δl、δr——左右輪軌在接觸點(diǎn)處的接觸角，影響輪軌之間法向力和切向力在垂向和水平方向分量的大小；

θw——輪對側(cè)滾角，輪對側(cè)滾會(huì)引起轉(zhuǎn)向架和車體側(cè)滾；

Zw——輪對中心上下位移，該量的變化會(huì)引起轉(zhuǎn)向架和車體的垂向位移。

在考慮輪軌接觸幾何關(guān)系時(shí)，采用LM型磨耗踏面和60kg/m鋼軌配合，使輪徑從780mm增大到960mm，同時(shí)考慮輪徑變化引起的輪對質(zhì)量變化，建立輪對質(zhì)量與輪徑的參數(shù)關(guān)系，并且利用SIMPACK軟件本身帶有的編輯器，對輪軌外形進(jìn)行曲線擬合，得到每一個(gè)輪徑值下對應(yīng)的輪軌接觸幾何關(guān)系文件[4]?？梢哉J(rèn)為，在相對應(yīng)的每一個(gè)輪徑值下，左右輪軌接觸點(diǎn)處的踏面曲率半徑、輪軌接觸角、軌頭截面曲率半徑以及輪對側(cè)滾角具有相似的變化規(guī)律。

2 輪徑對車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

車輛的動(dòng)力學(xué)性能主要包括運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和曲線通過能力等三個(gè)方面，其中運(yùn)行穩(wěn)定性主要研究車輛蛇形運(yùn)動(dòng)臨界速度[5，6]。

2.1 輪徑對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

在計(jì)算非線性臨界速度的時(shí)候一般在某一段線路上給定一個(gè)初始激擾，當(dāng)車輛以某一速度運(yùn)行時(shí)，觀察輪對橫移量是否能夠快速收斂。當(dāng)車輛的運(yùn)行速度超過某個(gè)臨界值后，輪對橫移量不收斂，使車體或轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)。蛇形運(yùn)動(dòng)由穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)過渡到不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度為車輛系統(tǒng)臨界速度。

由表1可以看出，當(dāng)輪徑從780mm變化到960mm時(shí)，車輛的蛇形臨界速度從202km/h增加到210km/h，呈上升趨勢，但是上升幅度較小。即，輪徑改變對車輛的臨界速度影響不大。

2.2 輪徑對運(yùn)行平穩(wěn)性的影響

車輛平穩(wěn)性采用Sperling平穩(wěn)性指數(shù)來評定。在研究計(jì)算中，按照GB5599—1985規(guī)定，在車體前后轉(zhuǎn)向架中心上方橫向1m的車體地板上安放傳感器，作為評估車體舒適性指標(biāo)的加速度的采集位置。仿真條件設(shè)置為：直線軌道運(yùn)行，軌道長度300m，積分時(shí)間10s，車輛運(yùn)行速度90km/h，軌道激勵(lì)為德國高干擾軌道譜。圖2為德國高干擾軌道譜時(shí)域內(nèi)不平順波形。

如表2所示，當(dāng)輪徑增大時(shí)，車輛前、后端橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化甚微，即輪徑改變對車輛運(yùn)行平穩(wěn)性幾乎沒有影響。

2.3 輪徑對曲線通過能力的影響

主要分析不同輪徑下車輛的曲線通過能力，包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)、輪軌橫向力等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。曲線由直線段、進(jìn)緩和曲線段、圓曲線段、出緩和曲線段和直線段組成，曲線參數(shù)如表3。軌道激勵(lì)為德國高干擾軌道譜。

仿真結(jié)果顯示，當(dāng)車輪直徑從780mm增大到960mm時(shí)，車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)及輪軌橫向力均呈增大趨勢，但是增大幅度不明顯，即車輛曲線通過能力略微有所下降。這是由于增大輪徑，使得車輛重心升高，轉(zhuǎn)向架固定軸距增大，且加重了車輛簧下質(zhì)量而造成的。

3 結(jié)論

就地鐵車輛輪徑對輪軌接觸和車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響做了較深入的研究。仿真分析結(jié)果表明：一方面，隨著輪徑的增大，輪軌接觸面積增加、輪軌接觸應(yīng)力降低、車輛蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度增大，有助于改善車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性；但同時(shí)，輪徑的增大也導(dǎo)致脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)及輪軌橫向力等車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均增大，不利于曲線通過，而且磨耗增大，降低了車輛運(yùn)行品質(zhì)；輪軌橫向力增大，加重了對軌道線路的破壞。因此，在設(shè)計(jì)地鐵車輛輪對時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合各方面的影響，找出適合的輪徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王福.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)第二版.北京：中國鐵道出版社，1994，2：15～16，70～71，79.

[2] 嚴(yán)雋耄.車輛工程.北京：中國鐵道出版社，1999.222～230 .

[3] 金學(xué)松，沈志云.輪軌滾動(dòng)接觸力學(xué)的發(fā)展.力學(xué)進(jìn)展，2001，31（1）：33～46.

[4] 繆炳榮，羅仁，王哲，陽光武.SIMPACK動(dòng)力學(xué)分析高級(jí)教程（軌道車輛）.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.25～300.

[5] 孫彰，羅世輝.地鐵車輛懸掛參數(shù)優(yōu)化與動(dòng)力學(xué)性能評價(jià)方法.城市軌道交通研究，2005，4：39～41.

[6] K.Zboinski，M.Dusza.Analysis and method of the analysis of nonlinear lateral stability of railway vehicles in curved track.Vehicle System Dynamics，2004，41（Suppl.）：222～231.

（作者單位：無錫地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司）