快捷貨車抗蛇行減振器性能參數(shù)對動力學(xué)性能影響分析

李振華，王開云，王 超，凌 亮

快捷貨車抗蛇行減振器性能參數(shù)對動力學(xué)性能影響分析

李振華1，王開云2，王 超2，凌 亮2

(1. 蘭州交通大學(xué)，機電工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 西南交通大學(xué)，牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

基于車輛系統(tǒng)動力學(xué)理論，建立160 km/h快捷貨車動力學(xué)模型，仿真分析了抗蛇行減振器的節(jié)點剛度、阻尼系數(shù)和卸荷速度對快捷貨車動力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，適當(dāng)增大減振器的阻尼系數(shù)可顯著提高快捷貨車的臨界速度，并改善快捷貨車的橫向平穩(wěn)性；隨著減振器節(jié)點剛度的增加，快捷貨車的臨界速度先增大后減小，在節(jié)點剛度約為12 MN/m時，臨界速度達(dá)到最大值；快捷貨車的臨界速度隨減振器卸荷速度的增加而降低；抗蛇行減振器性能參數(shù)對輪軌相互作用的影響是有限的。

快捷貨車；抗蛇行減振器；節(jié)點剛度；阻尼系數(shù)；卸荷速度；動力學(xué)性能

0 引 言

隨著高時效要求及高附加價值貨物運輸需求的大幅增長，開行時速160 km/h快捷貨運勢在必行?？旖葚涍\列車為滿足運輸要求，提升鐵路競爭力，運行速度較傳統(tǒng)貨車提高到160 km/h。與傳統(tǒng)貨車不同，快捷貨車轉(zhuǎn)向架安裝有抗蛇行減振器以保證車輛高速運行狀態(tài)下的平穩(wěn)性，在投入運營前分析其抗蛇行減振器性能參數(shù)對快捷貨車動力學(xué)性能的影響尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者針對抗蛇行減振器對車輛動力學(xué)性能的影響進(jìn)行了深入研究，劉建新等[1]基于車輛-耦合動力學(xué)理論，借助TTISIM仿真計算平臺，具體分析抗蛇行減振器失效、第一級卸荷速度、阻尼對機車運行平穩(wěn)性的影響；劉闖等[2]為解決高速動車組異常振動，從車輪踏面與線路狀態(tài)、抗蛇行減振器等方面仿真分析，提出提高抗蛇行減振器動態(tài)剛度的建議；崔澤安等[3]通過試驗驗證油溫對減振器動態(tài)特性的影響，研究了抗蛇行減振器橡膠節(jié)點剛度、卸荷速度、卸荷力對高速列車動力性能的影響；王藝璇等[4]分析了減振器常開阻尼孔徑與其輸出阻尼力的關(guān)系，并利用Adams/Rail建立高速動車組模型，研究了抗蛇行減振器阻尼孔徑變化對高速動車組動力學(xué)性能的影響；郭兆團(tuán)等[5]以我國現(xiàn)役動車組作為研究對象，仿真分析了抗蛇行減振器卸荷速度與卸荷力變化對其臨界速度、車輛運行平穩(wěn)性與安全性的影響；劉雅玲[6]采用AMESIM建立詳細(xì)的液壓減振器模型，從油液密度、油液黏度與節(jié)流孔直徑等角度分析減振器阻尼特性變化規(guī)律，并為提高車輛小半徑曲線通過性能提出優(yōu)化建議；明星宇[7]基于SIMPACK/AMESIM聯(lián)合仿真研究了抗蛇行減振器激勵頻率與激勵振幅對抗蛇行減振器阻尼的變化規(guī)律，并分析了減振器等效線性阻尼與實時阻尼對臨界速度的影響，仿真計算減振器等效線性阻尼、節(jié)點剛度、油液黏度與失效工況車輛動力學(xué)性能變化規(guī)律。金天賀等[8]分析了抗蛇行減振器與二系橫向減振器阻尼特性變化對車輛動力學(xué)性能的影響，并考慮減振器結(jié)合阻尼效應(yīng)，為高速車輛動力學(xué)性能提供優(yōu)化建議；Wang等[9]建立了高速列車抗蛇行非線性液壓減振器模型，并分析了減振器動態(tài)油液剛度、端部橡膠剛度和安裝座剛度對其阻尼特性的影響；于曰偉等[10]建立了高速客車抗蛇行減振器阻尼匹配解析設(shè)計方法，為阻尼系數(shù)的初始設(shè)計提供了參考；文獻(xiàn)[11, 12]分析了抗蛇行減振器特性對高速列車動力學(xué)性能的影響，并對非線性模型進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[13, 14]研究了抗蛇行減振器參數(shù)對機車車輛動力學(xué)性能的影響。

目前有關(guān)抗蛇行減振器對車輛動力學(xué)性能的影響研究多是針對機車或高速動車組，而對安裝抗蛇行減振器的快捷貨車的動力學(xué)性能研究較少，且快捷貨車與傳統(tǒng)貨車相比運行速度提高到160 km/h，有必要分析在較高運行速度下抗蛇行減振器性能參數(shù)對快捷貨車動力學(xué)性能的影響。因此本文基于多體動力學(xué)理論，利用Simpack動力學(xué)仿真軟件，建立HZ160C3轉(zhuǎn)向架的快捷貨車動力學(xué)模型，分析抗蛇行減振器橡膠節(jié)點剛度、阻尼系數(shù)、卸荷速度對其臨界速度與動力學(xué)性能的影響，以期為快捷貨車的動力學(xué)性能提升提供參考。

1 動力學(xué)模型的建立

快捷貨車HZ160C3轉(zhuǎn)向架與傳統(tǒng)貨車三大件式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)不同，主要由構(gòu)架、輪對軸箱懸掛裝置、制動裝置、牽引裝置、二系橡膠彈簧、一系垂向減振器、二系橫向減振器、抗蛇行減振器等零部件組成。其中，轉(zhuǎn)臂與構(gòu)架間采用橡膠節(jié)點連接，軸箱頂部設(shè)置雙卷螺旋彈簧，轉(zhuǎn)臂與螺旋彈簧間設(shè)置橡膠隔振墊；構(gòu)架與轉(zhuǎn)臂間設(shè)置垂向液壓減振器；二系采用橡膠彈簧懸掛，車體與轉(zhuǎn)向架間安裝抗蛇行減振器，牽引拉桿座與構(gòu)架間安裝橫向減振器；基礎(chǔ)制動裝置采用軸盤制動，每軸安裝兩套制動單元。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特征在Simpack中建立快捷貨車動力學(xué)模型，如圖1所示，快捷貨車主要動力學(xué)參數(shù)見表1?？旖葚涇噭恿W(xué)模型主要由一個車體、兩個構(gòu)架、兩個牽引拉桿、四個輪對與八個轉(zhuǎn)臂軸箱組成，車體、構(gòu)架、輪對、牽引拉桿均為6自由度，轉(zhuǎn)臂軸箱考慮繞軸旋轉(zhuǎn)自由度，共計62個自由度。仿真計算工況設(shè)置為：速度為160 km/h，通過曲線工況時，曲線半徑為2 200 m，超高為150 mm。既有提速線路是開行快捷貨車的主要線路基礎(chǔ)，美國六級軌道譜與既有提速線路不平順差別不大，故仿真中線路不平順采用美國六級軌道譜[15]。

圖1 快捷貨車動力學(xué)模型

表1 快捷貨車主要動力學(xué)參數(shù)

2 減振器性能參數(shù)對臨界速度的影響分析

圖2展示了抗蛇行減振器節(jié)點剛度對快捷貨車臨界速度的影響，可以看出臨界速度隨節(jié)點剛度的增大呈先增長后降低的趨勢。① 當(dāng)節(jié)點剛度為12 MN/m時，貨車臨界速度達(dá)到最大值420 km/h；② 當(dāng)節(jié)點剛度小于12 MN/m時，貨車臨界速度隨節(jié)點剛度的增大而大幅增加；③ 當(dāng)節(jié)點剛度大于12 MN/m后，臨界速度逐漸減小，且剛度越大，臨界速度的降低趨勢越平緩：當(dāng)節(jié)點剛度由12 MN/m增至50 MN/m時臨界速度降低了19%，當(dāng)節(jié)點剛度由50 MN/m增至90 MN/m時臨界速度降低了6%。

圖2 節(jié)點剛度對臨界速度的影響

抗蛇行減振器阻尼特性與其兩端相對運動速度之間呈一定非線性關(guān)系，阻尼特性曲線如圖3所示。為獲得抗蛇行減振器阻尼特性對臨界速度的影響規(guī)律，本文以原始阻尼系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)阻尼特性，選取原始阻尼特性的20%、60%、140%、160%進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果 如圖4所示?？股咝袦p振器阻尼系數(shù)對貨車臨界速度影響較大，臨界速度隨阻尼系數(shù)的增大呈明顯增長趨勢，且阻尼特性參數(shù)比值越高，臨界速度的增長趨勢越明顯。當(dāng)阻尼系數(shù)為原參數(shù)的160%時，臨界速度達(dá)到618 km/h，較原始參數(shù)臨界速度339 km/h增長了45%。主要原因是阻尼系數(shù)比值越大，對應(yīng)的阻尼力就越大，抑制車輛蛇行運動的趨勢越大，車輛的臨界速度也隨之增大。

圖4 阻尼系數(shù)對臨界速度的影響

抗蛇行減振器不同卸荷速度對臨界速度的影響變化見圖5。臨界速度隨抗蛇行減振器卸荷速度的增大呈下降趨勢，卸荷速度0.03 m/s時的臨界速度為301 km/h，較卸荷速度0.01 m/s時的臨界速度339 km/h降低了11%，其原因是，由于卸荷速度的增加，導(dǎo)致同一時間內(nèi)阻尼力不足，減小了抗蛇行減振器對車輛蛇行運動的抑制作用，故臨界速度也隨之減小。

圖5 卸荷速度對臨界速度的影響

綜合以上分析，可知抗蛇行減振器性能參數(shù)對臨界速度具有明顯影響，從提高臨界速度角度可考慮選取抗蛇行減振器節(jié)點剛度為12 MN/m，并適當(dāng)提高阻尼系數(shù)。

3 減振器性能參數(shù)對運行平穩(wěn)性的影響分析

快捷貨車以160 km/h速度在直線軌道上運行時車體加速度、平穩(wěn)性指標(biāo)隨抗蛇行減振器節(jié)點剛度的變化情況如圖6、圖7所示。由圖7可知，車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨節(jié)點剛度的增加呈小幅增加趨勢，10 MN/m與80 MN/m時橫向平穩(wěn)性指標(biāo)分別為2.84和2.95，僅增長了3.9%。此外，抗蛇行減振器節(jié)點剛度的變化對車體垂向加速度、橫向加速度與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)影響較小。

圖6 節(jié)點剛度對車體加速度的影響

圖7 節(jié)點剛度對平穩(wěn)性指標(biāo)的影響

不同抗蛇行減振器阻尼系數(shù)對車體加速度與車體平穩(wěn)性指標(biāo)的影響變化如圖8、圖9所示。

由圖8可知，車體橫向加速度隨阻尼系數(shù)的增加呈降低趨勢，阻尼特性60%～100%范圍內(nèi)降低趨勢最為明顯，原始參數(shù)下車輛橫向加速度為1.51 m/s2，較60%阻尼特性下的加速度2.07 m/s2降低了27%。

圖8 阻尼系數(shù)對車體加速度的影響

由圖9可知，車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨阻尼系數(shù)的增加而逐漸減小，160%阻尼特性下的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)為2.78，較20%阻尼特性下的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)3.28降低了15%。阻尼系數(shù)的變化對車體垂向加速度與垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均無明顯影響。

圖9 阻尼系數(shù)對平穩(wěn)性指標(biāo)的影響

減振器卸荷速度變化對車體加速度影響如圖10所示。隨著卸荷速度的增加，車體橫向加速度呈先降低后增長的趨勢，在卸荷速度為0.01 m/s時達(dá)到最小值1.51 m/s2，低于此值時車體橫向加速度呈緩慢降低趨勢，高于此值時車體橫向加速度的增長趨勢較為明顯。卸荷速度為0.04 m/s時車體加速度為1.96 m/s2，增加了30%，但車體垂向加速度并無明顯變化。

減振器卸荷速度的變化對平穩(wěn)性指標(biāo)的影響如圖11所示，可見隨著卸荷速度的增加，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)呈增長趨勢，當(dāng)卸荷速度增長至0.02 m/s后，橫向平穩(wěn)指標(biāo)的增長趨勢愈為平緩。此外，卸荷速度變化對垂向平穩(wěn)性指標(biāo)并未產(chǎn)生明顯影響。

圖10 卸荷速度對車體加速度的影響

圖11 卸荷速度對平穩(wěn)性指標(biāo)的影響

綜上可見，抗蛇行減振器性能參數(shù)對快捷貨車的垂向動力學(xué)性能影響較低，影響程度與抗蛇行減振器的安裝方式有關(guān)。由于抗蛇行減振器縱向安裝，與垂向偏角小于5°，因此抗蛇行減振器主要限制車輛的搖頭運動，而對車輛的垂向動力學(xué)性能影響較小。

4 減振器性能參數(shù)對曲線通過性能的影響分析

快捷貨車以160 km/h通過2 200 m曲線半徑軌道時，抗蛇行減振器節(jié)點剛度變化對曲線通過性能影響結(jié)果如圖12所示。由圖12(a)可知，輪軌橫向力隨節(jié)點剛度的增加呈現(xiàn)“降低—增長—平緩”趨勢，節(jié)點剛度20 kN/mm時輪軌橫向力達(dá)到最小值67.0 kN，輪軌垂向力受節(jié)點剛度變化影響較小。由圖12(b)可知，輪軸橫向力與輪軌橫向力變化趨勢相反，呈“增長—降低—平緩”趨勢，節(jié)點剛度在20 kN/mm時輪軸橫向力達(dá)到最大值37.6 kN；節(jié)點剛度大于20 kN/mm后，輪軸橫向力隨節(jié)點剛度的增加而減?。还?jié)點剛度大于40 kN/mm后，輪軸橫向力受節(jié)點剛度影響較小。由圖12(c)、(d)可知，節(jié)點剛度變化條件下，脫軌系數(shù)與輪重減載率均有一定的變化，整體趨勢較為平緩。脫軌系數(shù)隨節(jié)點剛度的增加呈“增長—降低”的趨勢，在節(jié)點剛度為40 kN/mm時達(dá)到最大值0.55；節(jié)點剛度在10 kN/mm時輪重減載率達(dá)到最小值0.51；節(jié)點剛度大于10 kN/mm后，輪重減載率隨節(jié)點剛度的增加呈現(xiàn)“先降低后增長”的趨勢，在節(jié)點剛度為50 kN/mm時輪重減載率為0.54。

阻尼系數(shù)對快捷貨車曲線通過性能的影響如圖13所示，輪軌橫向力隨阻尼系數(shù)的增大而逐漸增加；輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率隨阻尼系數(shù)的增大呈平緩降低趨勢，但整體變化情況較小；輪軸橫向力呈先降低后增長的趨勢，阻尼特性為80%時輪軸橫向力達(dá)到最小值24.66 kN，阻尼特性由40%增大到80%時，輪軸橫向力明顯降低，降幅為35%；阻尼特性由80%增大至140%時，輪軸橫向力增長明顯，增幅為36%。

圖14為抗蛇行減振器卸荷速度變化對曲線通過性能的影響規(guī)律，輪軌橫向力與輪軌垂向力隨卸荷速度的增加有一定的變化趨勢，但變化范圍較為平緩（見圖a）。輪軸橫向力呈波形趨勢，卸荷速度為0.015 m/s時輪軸橫向力達(dá)到最小值24.66 kN；卸荷速度由0.005 m/s增加至0.015 m/s時，輪軸橫向力隨之減??；卸荷速度由0.015 m/s增加至0.04 m/s時，輪軸橫向力隨之增大（見圖b）。脫軌系數(shù)隨卸荷速度的增大而小幅增加（見圖c），輪重減載率在卸荷速度較大時略有降低（見圖d）。

5 結(jié) 論

本文基于多體動力學(xué)軟件SIMPACK建立快捷貨車動力學(xué)模型，分析了抗蛇行減振器性能參數(shù)對貨車臨界速度、運行平穩(wěn)性與曲線通過性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1)抗蛇行減振器性能參數(shù)對快捷貨車臨界速度有明顯影響，臨界速度隨阻尼系數(shù)的增大而大幅增加，隨卸荷速度的增大而線性減小，隨節(jié)點剛度的增加呈現(xiàn)先增后降趨勢，且抗蛇行減振器節(jié)點剛度為12 MN/m時，快捷貨車臨界速度最優(yōu)。

(2)抗蛇行減振器性能參數(shù)對快捷貨車垂向平穩(wěn)性影響較低，減振器節(jié)點剛度對車輛橫向平穩(wěn)性有較大影響，而抗蛇行減振器阻尼系數(shù)的增大會優(yōu)化車輛橫向平穩(wěn)性，卸荷速度的增加會惡化車輛橫向平穩(wěn)性。

(3)抗蛇行減振器性能參數(shù)對快捷貨車曲線通過性能均有不同程度影響，節(jié)點剛度、阻尼系數(shù)、卸荷速度均對輪軌橫向力、輪軸橫向力有較大影響。

綜上所述，抗蛇行減振器性能參數(shù)對快捷貨車臨界速度、運行平穩(wěn)性、曲線通過性能均有不同程度影響，因此，以其中某一指標(biāo)作為參數(shù)優(yōu)化依據(jù)考慮不夠全面，應(yīng)綜合考慮性能參數(shù)對貨車動力性能的影響。

[1] 劉建新, 王開云. 抗蛇行減振器對機車運行平穩(wěn)性能的影響[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2006, 6(4): 1-4.

[2] 劉闖, 劉濤, 韓慶利, 等. 高速動車組橫向穩(wěn)定性問題研究[J]. 機車電傳動, 2019(6): 18-22.

[3] 崔澤安, 徐騰養(yǎng), 鄔平波. 抗蛇行減振器動態(tài)特性分析以及對車輛動力學(xué)性能影響研究[J]. 設(shè)計與研究, 2018, 45(2): 1-5.

[4] 王藝璇, 陳恩利, 戚壯, 等. 抗蛇行減振器阻尼孔徑變化對高速車輛動力學(xué)性能的影響分析[J]. 機車電傳動, 2018(2): 32-36.

[5] 郭兆團(tuán), 池茂儒, 陳龍, 等. 抗蛇行減振器卸荷特性對動力學(xué)性能的影響[J]. 鐵道機車與動車, 2018(01): 26-29.

[6] 劉雅玲. 高速動車組變阻尼抗蛇行減振器特性研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2019, 46-51.

[7] 明星宇. 抗蛇行減振器動態(tài)參數(shù)對動車組動力學(xué)性能影響研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2016: 50-68.

[8] 金天賀, 劉志明, 任尊松, 等. 高速列車減振器組合阻尼特性效應(yīng)研究[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018, 46(9): 116-124.

[9] WANG W L, HUANG Y, YANG X J, et al. Nonlinear parametric modeling of a high-peed rail hydraulic yaw damper with series clearance and stiffness[J]. Nonlinear Dynamics, 2011, 65(1/2): 13-34.

[10] 于曰偉, 周長城, 趙雷雷. 高速客車抗蛇行減振器阻尼匹配的解析研究[J]. 機械工程學(xué)報, 2018, 54(2): 159-168.

[11] TENG W X, SHI H L, LUO R, et al. Improved nonlinear model of a yaw damper for simulating the dynamics of a high-speed train[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2019, 233(7): 651-665.

[12] HUANG C, ZENG J. Dynamic behaviour of a high-speed train hydraulic yaw damper[J]. Vehicle System Dynamics, 2018, 56(12): 1922-1944.

[13] WANG W L, YU D S, HUANG Y, et al, A locomotive’s dynamic response to in-service parameter variations of its hydraulic yaw damper[J]. Nonlinear Dynamics, 2014, 77(4): 1485-1502.

[14] ALONSO A, GIMENEZ J G, GOMEZ E. Yaw damper modelling and its influence on railway dynamic stability[J]. Vehicle System Dynamics, 2011, 49(9): 1367-1387.

[15] 任尊松. 輪軌多點接觸及車輛-道岔系統(tǒng)動態(tài)相互作用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014.

Influence of Performance Parameters of Anti-yaw Damper on the Dynamic Performance of Fast Freight Wagon

LI Zhen-hua1, WANG Kai-yun2, WANG Chao2, LING Liang2

(1. School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Based on the theory of vehicle system dynamics, the model of the 160 km/h freight car has been established. The effect of key parameters of anti-yaw damper, including joint stiffness, damping coefficient and unloading rate, on dynamic performance of the wagon has been investigated. It is indicated that the proper increase of damping coefficient can increase the critical speed and improve lateral ride comfort of the fast freight wagon significantly. The critical speed of the wagon increases first and then decreases with increasing joint stiffness of the damper, and the critical speed attains its maximum at the joint stiffness of 12MN/m. Besides, the critical speed decreases as the unload rate of the damper increases. The effect of performance of the anti-yaw damper on wheel-rail interaction is limited.

fast freight wagon; anti-yaw damper; joint stiffness; damping coefficient; unloading rate; dynamic performance

U272.1

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2020.11.008

1672-4747(2021)04-0118-08

2020-10-10

2020-11-27

2021-02-17

國家重點研發(fā)計劃子任務(wù)資助課題：基于車-線耦合的快捷貨車輪軌低動力作用設(shè)計技術(shù)(2017YFB1201302-09)

李振華(1990—)，女，博士研究生，研究方向為車輛系統(tǒng)動力學(xué)，E-mail：578749241@qq.com

王開云(1974—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為機車車輛—軌道耦合動力學(xué)，E-mail：kywang@swjtu.edu.cn

李振華，王開云，王超，等. 快捷貨車抗蛇行減振器性能參數(shù)對動力學(xué)性能影響分析[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報，2021, 19(4): 118-125.

LI Zhen-hua, WANG Kai-yun, WANG Chao, et al. Influence of Performance Parameters of Anti-yaw Damper on the Dynamic Performance of Fast Freight Wagon[J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(4): 118-125.

(責(zé)任編輯：劉娉婷)