運(yùn)行速度對馱背運(yùn)輸安全性影響的仿真分析

林武 馮仁錦 張皓 王凱

眉山中車物流裝備有限公司 四川眉山 620020

1 前言

馱背運(yùn)輸是多式聯(lián)運(yùn)模式的一種，它結(jié)合了公路運(yùn)輸與鐵路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，將原有貨物單一的長途汽車運(yùn)輸方式變?yōu)楣疯F路聯(lián)合運(yùn)輸方式，通過貨運(yùn)車輛或半掛車承載貨物后自行駛?cè)牖虻跹b至專用鐵路運(yùn)輸車輛，再通過鐵路完成長途運(yùn)輸，到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)后，汽車自行開下或吊離鐵路專用車輛并駛往最終目的地的一種快捷運(yùn)輸模式。馱背運(yùn)輸模式如圖1所示。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于軌道車輛的運(yùn)行安全性方面做了大量的動(dòng)力學(xué)研究。國外方面，HansTrue等人探討了軌道車輛系統(tǒng)中的一些非線性情況，并提出了軌道車輛非線性臨界速度的基本算法。Schupp利用SIMPACK軟件并通過延續(xù)算法，研究了復(fù)雜軌道車輛系統(tǒng)相關(guān)的穩(wěn)定性問題。國內(nèi)學(xué)者在該軌道車輛運(yùn)行安全領(lǐng)域內(nèi)也做了大量的研究。羅仁等通過建立在三種編組條件下列車的縱向-橫向-垂向耦合模型，對列車車組中每輛車的線性與非線性運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真研究。趙洪倫等人深入研究了眾多優(yōu)化方法，通過縱橫向定位剛度的變化以及對于其臨界速度的分析提高了列車的運(yùn)行安全性。

圖1 馱背運(yùn)輸模式

以上研究均針對的是普通鐵路客運(yùn)和貨運(yùn)車輛，并未針對馱背運(yùn)輸車輛進(jìn)行專門研究。目前馱背運(yùn)輸在我國尚處于起步階段，有關(guān)馱背運(yùn)輸車輛的仿真研究相對較少。本文討論的馱背運(yùn)輸車單車車體長度為19.32 m，轉(zhuǎn)向架中心距為17 m。與計(jì)算車輛相比，車輛定距較小。本文應(yīng)用Simpack軟件及與軌道車輛仿真相關(guān)的理論，對鐵路馱背運(yùn)輸車輛系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析得出鐵路馱背運(yùn)輸車輛運(yùn)行的安全速度。

2 馱背運(yùn)輸車輛仿真

2.1 仿真樣車的選取

本仿真選用的是某型鐵路馱背運(yùn)輸車，動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1所示，單車長度約為19.32 m，車輛承載面長度約為15 m，最大載重不超過49 t，如圖2所示。

表1 鐵路馱背運(yùn)輸車輛整車參數(shù)表

圖2 仿真用馱背運(yùn)輸車輛

2.2 模型建立及簡化

在Simpack軟件的rail_track模塊中依次建立輪對模型、側(cè)架模型、承載鞍模型、虛車體模型、搖枕模型，ZK6轉(zhuǎn)向架模型由以上幾個(gè)子模型組成，接下來在此模塊下建立車體模型，車體模型和前后轉(zhuǎn)向架模型裝配構(gòu)成了鐵路馱背車輛的總體模型。

圖3 半掛車空氣懸掛系統(tǒng)

運(yùn)輸?shù)陌霋燔嚳諝鈶覓煜到y(tǒng)如圖3所示，參考UIC596-5鐵路貨車運(yùn)送公路車輛標(biāo)準(zhǔn)，空氣懸架氣囊在鐵路運(yùn)輸過程中應(yīng)保持無氣狀態(tài)，這是因?yàn)榘霋燔嚿翔F路馱背車輛后，就切斷了供氣系統(tǒng)，在長時(shí)間的運(yùn)輸過程中，由于鐵路馱背車輛顛簸運(yùn)行，氣囊里的氣體在半掛車高度控制閥作用下一點(diǎn)點(diǎn)地排出，會增加運(yùn)輸過程中的不穩(wěn)定性。放氣后半掛車支撐在氣囊緩沖塊上，緩沖塊加上導(dǎo)向臂和阻尼器就是一個(gè)剛性支撐，故半掛車可簡化為一個(gè)質(zhì)量塊模型，整體模型如圖4所示。

圖4 Simpack鐵路馱背運(yùn)輸車輛模型

2.3 施加約束

通過表2所示的ZK6轉(zhuǎn)向架的具體鉸接方式進(jìn)行約束施加，并定義模型中存在的二系力，車輛系統(tǒng)總體拓?fù)潢P(guān)系如圖5所示。

a.定義一系力作用在鐵路馱背運(yùn)輸車輛承載鞍和側(cè)架之間，在鐵路馱背運(yùn)輸車輛承載鞍和側(cè)架之間建立一系力標(biāo)記點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)即為鉸接點(diǎn)，將車輛一系懸掛的實(shí)際剛度值和阻尼值輸入到Simpack軟件中定義完成一系力。承載鞍與側(cè)架之間通過Simpack軟件中的2號鉸接形式鉸接；

b.定義二系力作用在鐵路馱背運(yùn)輸車輛搖枕和側(cè)架之間，在鐵路馱背運(yùn)輸車輛搖枕與側(cè)架之間建立二系力標(biāo)記點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)即為鉸接點(diǎn)，將二系懸掛實(shí)際剛度值和阻尼值輸入到Simpack軟件中定義完成二系力。搖枕與側(cè)架之間通過Simpack軟件中的25號鉸接形式鉸接。

表2 ZK6轉(zhuǎn)向架的具體鉸接方式

圖5 鐵路馱背運(yùn)輸系統(tǒng)總體拓?fù)鋱D

2.4 仿真條件設(shè)定

當(dāng)車輛系統(tǒng)受到一個(gè)初始激勵(lì)后，分析車輛在不同的運(yùn)行速度下輪對橫移量隨時(shí)間的變化情況，如收斂，則車輛處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖6所示；如發(fā)散，則車輛處于失穩(wěn)狀態(tài)，如圖7所示；如既不收斂，也不發(fā)散，則車輛處于臨界狀態(tài)，如圖8所示，此時(shí)相對應(yīng)的車輛運(yùn)行速度稱為車輛的臨界速度。

圖6 穩(wěn)定狀態(tài)下輪對橫移量隨行程變化曲線

圖7 失穩(wěn)狀態(tài)下輪對橫移量隨行程變化曲線

圖8 臨界狀態(tài)下輪對橫移量隨行程變化曲線

在Simpack軟件中對軌道施加激勵(lì)前，需要先定義輸入的函數(shù)列，新建名稱為“Track-related”和“Rail-related”的函數(shù)列，分別選擇T R E激勵(lì)文件“binary_track_excit_tre”和“binary_rail_excit_tre”，定義完成橫向、垂向、側(cè)滾、軌距、左右橫向和左右垂向8種不平順條件輸入函數(shù)，其中橫向不平順函數(shù)圖如圖9所示。

在Simpack軟件中新建一個(gè)橫向的軌道不平順條件，名稱為“Lat”，在Type中選擇Distance Domain（空間域）里面的“109：From Input Function（Adv）”，因?yàn)檐壍啦黄巾樢话愣际强臻g域的，如果選擇時(shí)域或者頻域的激勵(lì)是施加不到線路上去的。在輸入激勵(lì)功能項(xiàng)中選擇上一步建立的輸入函數(shù)列“I_Lateral”，定義完成軌道橫向激勵(lì)，如圖10所示。用同樣的方法定義其他7種不平順條件。將定義好的激勵(lì)施加與軌道不平順條件中，激勵(lì)開始位置、激勵(lì)平滑長度和激勵(lì)終止位置分別為50m、5m、100m，如圖11所示。接下來進(jìn)行臨界速度分析。使用單次積分法計(jì)算非線性臨界速度，線路是有50 m激勵(lì)的直線，然后讓車輛以一定的速度通過，看左右輪對的橫移量，按2.4章節(jié)所述的評價(jià)原理進(jìn)行判斷，如果收斂，增大此時(shí)的仿真速度，如果出現(xiàn)等幅震蕩，那么可以取兩次仿真速度的中間值，再進(jìn)行計(jì)算，直到找到時(shí)速為akm/h，那么輪對橫移量是穩(wěn)定狀態(tài)，而在（a+1）km/h為臨界狀態(tài)，那么（a+1）km/h為臨界速度。

圖9 橫向不平順函數(shù)定義

圖10 定義橫向激勵(lì)

圖11 施加軌道不平順條件

初始仿真速度設(shè)置為100 km/h，仿真時(shí)間設(shè)置為15 s，采樣頻率設(shè)置為100 Hz，進(jìn)行離線積分，得出輪對橫移量隨時(shí)間的變化曲線。逐漸增加仿真速度，進(jìn)行離線積分，得出輪對橫移量隨時(shí)間的變化曲線。

3 仿真結(jié)果分析

仿真速度設(shè)置為100 km/h時(shí)，輪對橫移量隨時(shí)間的變化曲線如圖12所示。

圖12 100 km/h時(shí)輪對橫移量隨時(shí)間變化曲線

由圖12可以看出：鐵路馱背運(yùn)輸車在仿真進(jìn)行4 s后速度達(dá)到100 km/h，此時(shí)輪對橫移量隨著速度的增大而增加，從圖中可以看出最大橫移量數(shù)值約為12 mm，之后車輛仍然安全運(yùn)行，在6 ～15 s內(nèi)車輛處于恒定速度狀態(tài)，輪對橫移量也逐漸有規(guī)律的減小，此時(shí)車輛進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，說明100 km/h為安全運(yùn)行速度。

圖13 110 km/h時(shí)輪對橫移量隨時(shí)間變化曲線

由圖13、14可以看出：隨著仿真速度設(shè)定值增大，車輛進(jìn)入穩(wěn)定速度前的4～6 s內(nèi)，輪對橫移量數(shù)值較大，最大橫移量約為17 mm，仍然處于安全范圍內(nèi)，6 s之后車輛運(yùn)行速度穩(wěn)定，橫移量逐漸呈規(guī)律性減小，說明車輛仍然處于安全運(yùn)行速度下的穩(wěn)定狀態(tài)。6～15 s時(shí)，輪對橫移量曲線隨時(shí)間的變化越來越趨于平穩(wěn)，證明此時(shí)車輛運(yùn)行速度符合安全性要求。

圖14 119 km/h時(shí)輪對橫移量隨時(shí)間變化曲線

圖15 120 km/h時(shí)輪對橫移量隨時(shí)間變化曲線

由圖15可以看出：在速度處于恒定狀態(tài)以前，最大橫移時(shí)間出現(xiàn)在6 s左右，最大橫移量為43 mm左右，6 s后當(dāng)速度處于恒定狀態(tài)時(shí)，輪對橫移量也處于恒定狀態(tài)，根據(jù)圖6所示的原理圖，速度為120 km/h時(shí)，6 s后的輪對橫移量隨時(shí)間變化曲線既不收斂也不發(fā)散，說明此時(shí)的速度為臨界速度。

由圖16所示，將仿真速度設(shè)置為121 km/h時(shí)，速度在進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，輪對橫移量隨時(shí)間變化曲線呈發(fā)散狀態(tài)，最大橫移時(shí)間出現(xiàn)在仿真時(shí)間的15 s左右，最大橫移量約為43 mm處，之后根據(jù)圖線呈現(xiàn)的規(guī)律可看出，輪對橫移量將隨時(shí)間逐漸增大，直至輪對橫移量超出安全橫移范圍，車輛失穩(wěn)。

由上述仿真結(jié)果總結(jié)：在仿真速度120 km/h前輪對橫移量隨時(shí)間變化逐漸降低，說明車輛系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)速度達(dá)到120 km/h時(shí)，輪對橫移量隨時(shí)間變化保持一個(gè)不變的值，圖線既不現(xiàn)收斂也不發(fā)散，說明此時(shí)車輛系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，當(dāng)速度大于120 km/h時(shí)，輪對橫移量曲線波峰開始逐漸增大趨于發(fā)散狀態(tài)，說明此時(shí)車輛系統(tǒng)正趨于失穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié)語

a.通過Simpack軟件對鐵路馱背運(yùn)輸車輛系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真，可通過軟件自帶的離線積分功能快速地計(jì)算出所需要的各種數(shù)據(jù)，包括本文所得到的運(yùn)行速度相關(guān)數(shù)據(jù)，也可得到運(yùn)行過程中車輛結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的力的大小，為實(shí)際的車輛系統(tǒng)試驗(yàn)提供了一定的依據(jù)。

b.通過單次積分法計(jì)算運(yùn)行速度，再通過輪對橫移結(jié)果圖判定車輛系統(tǒng)的臨界速度，仿真得出該鐵路馱背運(yùn)輸車輛系統(tǒng)的最大運(yùn)行速度為120 km/h，對于該車輛系統(tǒng)的安全運(yùn)輸具有指導(dǎo)性作用。

c.隨著仿真軟件的逐步升級，仿真技術(shù)不斷發(fā)展，對于車輛仿真的精確度要求越來越高，仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相符程度決定了對于仿真結(jié)果的一系列應(yīng)用，所以對于該鐵路馱背運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，是接下來要做的工作。

圖16 121 km/h時(shí)輪對橫移量隨時(shí)間變化曲線