SIMPACK在動車組工藝轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能分析中的應(yīng)用

河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 唐山學(xué)院 戴 俊

根據(jù)動車組檢修需要，新研制的動車組工藝轉(zhuǎn)向架主要包括車體、構(gòu)架、車輪、軸箱、定位裝置以及U型橫梁等。定位裝置等構(gòu)架坐落在軸箱上面，構(gòu)架上有橫梁用來支撐車體，橫梁上的支撐裝置可以沿寬度方向相對運(yùn)動，滿足不同車體寬度的要求。橫梁為支撐車體的主體機(jī)構(gòu)，由上心盤、中心銷等構(gòu)成，橫梁通過心盤與構(gòu)架連接，它可以相對構(gòu)架搖頭和微幅側(cè)滾。

本文針對動車組工藝轉(zhuǎn)向架工作運(yùn)行的線路特點(diǎn)，對其運(yùn)動穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過安全性進(jìn)行全面校核計(jì)算。本次計(jì)算考慮工藝轉(zhuǎn)向架裝載CRH1、CRH2、CRH3、CRH5四種典型車體工況。考慮帶回轉(zhuǎn)旁承和不帶回轉(zhuǎn)旁承兩種類型，對帶回轉(zhuǎn)旁承的工藝轉(zhuǎn)向架，進(jìn)行9號道岔的通過安全性分析。

1 動力學(xué)說明

依據(jù)國標(biāo)GB5599-85“鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范”，需要達(dá)到的有關(guān)動力學(xué)性能指標(biāo)如下：車輛橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)≤2.5；脫軌系數(shù)Q/P≤1.2（第一限度），Q/P≤1.0（第二限度）；輪重減載率 ΔP/P≤0.65（第一限度） ，ΔP/P≤0.60（第二限度）；傾覆系數(shù)D＜0.8。

輪軸橫向力的限制值：

式(1)中：H——輪軸橫向力（構(gòu)架力），單位kN；Pst1，Pst2——左右車輪靜載荷，單位kN。

據(jù)此，動車組工藝轉(zhuǎn)向架車輪軌力的限制如表1所示。

表1 輪軌橫向力允許值（KN）

另外，要求車輛系統(tǒng)的蛇行失穩(wěn)臨界速度要高于其最高運(yùn)行速度，并且應(yīng)具有足夠的余量。

2 車輛系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型的建立

輪軌接觸幾何參數(shù)表現(xiàn)為輪對橫向位移的線性函數(shù)，因此，用輪對橫向位移量表示輪軌接觸幾何參數(shù)，采用線性插值來計(jì)算中間值。

動車組工藝轉(zhuǎn)向架的鋼軌采用T60鋼軌，車輪踏面為LM踏面，輪對內(nèi)側(cè)距1353mm，采用Simpack中的Kalker程序運(yùn)用非線性簡化蠕滑理論來計(jì)算輪軌間的蠕滑力。

建立數(shù)學(xué)模型，將系統(tǒng)橫向和垂向運(yùn)動進(jìn)行耦合，以前進(jìn)方向作為正方向。坐標(biāo)系的取法如下：車輛的前進(jìn)方向?yàn)閤軸；y軸平行于軌道平面指向右方；z軸垂直向下，整個系統(tǒng)的自由度共計(jì)49個。

3 動力學(xué)性能計(jì)算

在原始計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用多體動力學(xué)分析軟件SIMPACK進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時最高試驗(yàn)速度為3.6km/h，實(shí)際運(yùn)行速度3km/h，軌道譜采用美國5級譜。

3.1 車輛系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定性分析

給定一段有限長的實(shí)際軌道隨機(jī)不平順激擾樣本函數(shù)，先讓車輛在一段以美國5級線路譜為激擾的直線軌道上運(yùn)行，然后去掉激擾，讓車輛在理想平直軌道上運(yùn)行，跑完全程后看它能否趨于平衡位置，從而確定車輛的蛇行失穩(wěn)臨界速度。車輛系統(tǒng)收斂仿真情況見圖1和圖2。

圖1 車輛系統(tǒng)收斂時的情形

圖2 車輛系統(tǒng)失穩(wěn)時的情形

仿真計(jì)算認(rèn)為：裝載CRH2的MC1車的車輛系統(tǒng)的臨界速度為32km/h；四種車型均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最高運(yùn)行速度，并有足夠的裕量。

3.2 車輛系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性分析

參照GB5599-85，根據(jù)車體在運(yùn)行速度V小于等于140km/h，分析車體平均最大振動加速度來評定客車運(yùn)行平穩(wěn)性：

式(2)中，Amax為客車車體平均最大振動加速度（單位：g）；V為客車運(yùn)行速度（單位：km/h）；C為常數(shù)，數(shù)值依據(jù)國標(biāo)按平穩(wěn)性等級確定。

在前后U型梁橫向中心線上方，距車體中心線1m處的車底架中梁下蓋板上選取兩個采樣點(diǎn)；考察指標(biāo)為2個采樣點(diǎn)的橫向和垂向的平穩(wěn)性指標(biāo)及平均值。

圖3為車輛運(yùn)行速度為3km/h情況下，裝載CRH2動車的轉(zhuǎn)向架車體的加速度響應(yīng)，根據(jù)GB5599-85中客車運(yùn)行平穩(wěn)性的等級標(biāo)準(zhǔn)，CRH2車體的橫向和垂向加速度值都達(dá)到一級優(yōu)等的標(biāo)準(zhǔn)。表2為裝載CRH2的動車車體的平穩(wěn)性指標(biāo)。根據(jù)國標(biāo)GB5599-85，裝載CRH2車體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)值都為優(yōu)等。

圖3 支撐CRH2車體時的車體

表2 CHR2車體平穩(wěn)性指標(biāo)

3.3 車輛系統(tǒng)曲線通過性能分析

（1）CRH2動車正向通過9號道岔響應(yīng)分析

計(jì)算時，選擇車輛通過混凝土枕60kg/m鋼軌9號提速單開道岔，9號岔道曲線半徑為R180m小曲線，運(yùn)行速度為3km/h。計(jì)算該道岔運(yùn)行條件下的曲線通過安全性，包含輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率以及傾覆系數(shù)；計(jì)算時取各自的最大值。輪軌橫向力和脫軌系數(shù)均是指輪對曲線外側(cè)（或左側(cè)）車輪輪軌間的最大橫向力和最大脫軌系數(shù)。

表3為動力學(xué)性能分析，可以看出各參數(shù)都能滿足國標(biāo)GB5599-85要求，平穩(wěn)性能優(yōu)等。

表3 CHR2車體平穩(wěn)性指標(biāo)

（2）CRH2動車側(cè)向通過9號道岔分析

表4為支撐CRH2車體時，動車組工藝轉(zhuǎn)向架車輛側(cè)向通過混凝土枕60kg/m鋼軌9號提速單開道岔時的動力學(xué)性能，從表中可見各項(xiàng)系數(shù)都能滿足國標(biāo)GB5599-85《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求，并且安全性指標(biāo)有充分的裕量。

表4 CRH2動車側(cè)向通過9號道岔安全性指標(biāo)

結(jié)論：通過對唐山百川智能機(jī)器有限公司研制的動車組工藝轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能的分析計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

（1）裝載CRH2動車車體的車輛系統(tǒng)的臨界速度為32km/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最高運(yùn)行速度，并有足夠的裕量，滿足運(yùn)動穩(wěn)定性要求。

（2）裝載CRH2的車輛系統(tǒng)，直線及通過9號道岔時的平穩(wěn)性指標(biāo)，能達(dá)到國標(biāo)GB5599-85規(guī)定的優(yōu)等標(biāo)準(zhǔn),曲線通過各項(xiàng)安全性指標(biāo)滿足GB5599-85規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。