“車-貨”耦合的高速貨運動車組動力學(xué)性能分析

徐士恒，王勇，石俊杰

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2. 中車唐山機車車輛有限公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035)

0 引言

交通運輸和物流業(yè)是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和服務(wù)性產(chǎn)業(yè)。近年來隨著經(jīng)濟和電子商務(wù)的發(fā)展，貨物快運市場規(guī)模持續(xù)快速增長，潛力巨大，然而既有的鐵路快運份額很低[1]，加速鐵路快速貨物運輸發(fā)展，不僅可以滿足貨主對高附加值貨物的高時效性要求，更對提高高鐵線路利用率、創(chuàng)造良好的社會效益和經(jīng)濟效益具有重要意義。在貨車上加裝集裝器的模式在國外已有大量實際應(yīng)用[2-3]。集裝器具備運輸效率高、容易聯(lián)運、對貨物種類要求低的優(yōu)點，結(jié)合高速貨運動車組的快速、平穩(wěn)性強等特點，勢必成為未來鐵路貨運的主流方式。

在以往的貨車模型中，往往都是將貨物與車體的連接視作剛性連接，忽略了其中的連接關(guān)系而考慮成一個整體。在高速運行的貨車模型中，貨物的振動愈發(fā)明顯[4]，其與車體的裝載加固關(guān)系使車體和貨物的振動特征耦合。貨物與車體的振動相互作用、相互影響，對整車的動力學(xué)性能會產(chǎn)生一定的影響。本文對裝載集裝器的高速貨運動車組進行分析，通過SIMPACK動力學(xué)仿真軟件建立“車-貨”耦合的高速貨運動車組模型，分析其運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性及曲線通過性能。對不同運行速度下的車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能和貨物的振動響應(yīng)進行校核計算與分析。

1 車-貨耦合的高速貨運動車組特點

一般的多剛體模型，車體與貨物均考慮為一個剛體，忽略了貨物與車體的相互作用，本文基于時速250 km/h以上的貨運動車組模型，結(jié)合集裝器的布置和安裝方式，在所建立的多剛體貨運動車組模型基礎(chǔ)上，將每個集裝器均考慮成單獨的剛體，綜合考慮集裝器與車廂的連接，建立更接近實際的考慮集裝器貨物與車體間的裝載加固關(guān)系的“車-貨”耦合動力學(xué)仿真模型，從而考慮“車-貨”耦合的貨運動車組在不同運行速度下的動力學(xué)性能，用動力學(xué)評價指標(biāo)進行分析對比。

2 車-貨耦合的動力學(xué)模型

2.1 動力學(xué)模型建立

傳統(tǒng)的車輛系統(tǒng)模型是一個復(fù)雜的非線性多剛體模型，本文采用了經(jīng)典的車輛動力學(xué)模型[5]，在模型建立中充分考慮了輪軌接觸幾何關(guān)系、輪軌相互作用力及懸掛元件特性等非線性因素[6]，保證模型的研究內(nèi)容符合實際情況。為了更好地模擬貨運動車組的運行性能，建模時考慮了將車輛橫向運動和垂向運動耦合起來的數(shù)學(xué)模型。多剛體貨運動車組拖車由1個車體、2個構(gòu)架、4個輪對和8個轉(zhuǎn)臂組成。各剛體自由度(以軌道為參考坐標(biāo)系)由表1所示，每節(jié)車共50個自由度。

表1 車輛系統(tǒng)自由度

另外，考慮了承載20個集裝器，其結(jié)構(gòu)外形示意圖如圖1所示[7]。集裝器每個自重163 kg，每個載重625 kg，集裝器容積5.8 m3。集裝器沿車體長度方向并排布置，每個集裝器均為6個自由度的剛體，其與車體的緊固裝置由底部的剛性支撐及橫向、縱向的限位抓鉤組成。

圖1 集裝器結(jié)構(gòu)外形示意圖

集裝器與車體固定的限位抓鉤結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其安裝和布置方式為每個集裝器的左右兩側(cè)各有3個橫向限位抓鉤，具有2 mm的間隙，在模型中以非線性彈簧-阻尼力元模擬，設(shè)置較大剛度參數(shù)以模擬非線性止檔特性；中間18個集裝器縱向每側(cè)有2個抓鉤，和集裝器外壁通過橡膠塊接觸，采用分段線性彈簧-阻尼力元模擬，在小位移范圍內(nèi)為橡膠塊剛度，之外為大剛度；前后端部2個集裝器內(nèi)側(cè)各有2個抓鉤，連接方式與中間集裝器的縱向抓鉤力元一致，外側(cè)抓鉤和集裝器剛性接觸，直接以大剛度力元模擬。

圖2 限位抓鉤結(jié)構(gòu)示意圖

考慮集裝器及貨物與車體連接關(guān)系的“車-貨”耦合貨運動車組動力學(xué)仿真模型如圖3所示。

圖3 “車-貨”耦合模型

2.2 仿真工況設(shè)置

高速貨運動車組的仿真計算工況分為直線工況與曲線工況，對設(shè)計時速為250 km/h的動車組在不同速度下的動力學(xué)性能進行分析。

工況1：前段直線軌道采用武廣譜為激擾，后段為理想平直的軌道，運行速度為100 km/h～600 km/h，計算車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度。

工況2：全程采用武廣譜的直線軌道和R7000 m半徑曲線軌道，運行速度為100 km/h～400 km/h，計算車輛運行平穩(wěn)性和曲線通過安全性。

3 動力學(xué)性能分析

3.1 運動穩(wěn)定性

本文用輪對橫向運動的極限環(huán)幅值來分析貨運動車組的運動穩(wěn)定性，當(dāng)極限環(huán)幅值超過1 mm，即判定系統(tǒng)出現(xiàn)蛇行運動失穩(wěn)。由圖4可見，正常工況下新輪貨運動車組拖車在600 km/h速度范圍內(nèi)輪對橫移無諧波，在激擾消失后輪對穩(wěn)定在平衡位置，其臨界速度超過600 km/h，滿足最高運行速度250 km/h的要求，且有較大的安全裕量。

圖4 極限環(huán)幅值

3.2 運行平穩(wěn)性

貨運動車組車輛的運行平穩(wěn)性數(shù)據(jù)的采樣、處理和分析方法及平穩(wěn)性指標(biāo)計算方法根據(jù)《高速動車組整車試驗規(guī)范》進行，對單節(jié)貨運動車組拖車前后測點的振動響應(yīng)和平穩(wěn)性指標(biāo)進行校核。由于在動車組運行過程中，貨物的振動、沖擊隨著車輛運行速度加快而愈發(fā)劇烈，本節(jié)對車廂中前、中、后3個集裝器的振動加速度也進行了對比計算分析。由圖5和圖6(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)可以看出車輛的運行平穩(wěn)性指標(biāo)隨著速度升高呈現(xiàn)增大的趨勢，但在400 km/h的運行速度下，平穩(wěn)性指標(biāo)仍然<2.5，為優(yōu)級。前后端部的集裝器測點橫向振動加速度明顯大于車體地板對應(yīng)位置測點的結(jié)果，垂向振動加速度也比車體地板位置的大，說明在貨運動車組高速運行時考慮集裝器及貨物與車體耦合的動力學(xué)模型更趨近實際情況，并可更準(zhǔn)確地對所運送貨物的完整性和安全性進行評估。

圖5 車體測點的平穩(wěn)性指標(biāo)和振動加速度

圖6 集裝器最大加速度

3.3 曲線通過性能

本節(jié)采用脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)、輪軸橫向力、輪軌垂向力及磨耗指數(shù)等指標(biāo)，對考慮“車-貨”耦合模型貨運動車組拖車的曲線通過性能進行校核。由圖7結(jié)果可見，所計算的速度通過7000 m半徑曲線時貨運動車組拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)、輪軸橫向力等指標(biāo)均小于規(guī)范規(guī)定的安全限度，說明時速250 km/h以上貨運動車組可以在7000 m半徑曲線上以400 km/h以內(nèi)的速度安全運行。

圖7 曲線通過性能

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)高速貨運動車組多剛體模型的基礎(chǔ)上考慮了集裝器的裝載加固及排列方式，對集裝器及貨物和車輛進行了耦合振動特征動力學(xué)建模，并對該“車-貨”耦合模型進行了動力學(xué)仿真分析。通過計算可知，“車-貨”耦合的動力學(xué)模型更貼近實際情況。動車組拖車的臨界速度在600 km/h以上，滿足最高運行速度為250 km/h的設(shè)計要求，并且留有足夠的安全裕量；車體的運行平穩(wěn)性在400 km/h范圍內(nèi)都符合標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)級要求，耦合模型下集裝器的橫向、垂向振動加速度總體上比車體大，更符合實際情況，也利于真實評估貨物的完整性和安全性；在曲線通

過安全性方面，在7000 m半徑曲線上和400 km/h運行速度范圍以內(nèi)，各項評價指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全限度要求，具有良好的曲線通過性能。綜上所述，“車-貨”耦合的高速貨運動車組能夠滿足250 km/h范圍內(nèi)的安全平穩(wěn)運行要求。