鉸接式轉向架動車組車輛動力學性能研究

王俊鋒, 張文朝, 李 躍, 趙 陽, 侯躍峰

(中車唐山機車車輛有限公司 轉向架技術中心，河北 唐山 063000)

王俊鋒,張文朝,李躍，等.鉸接式轉向架動車組車輛動力學性能研究[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版),2022,35(1):92-99.

近年來，隨著經(jīng)濟水平快速提升，軌道交通行業(yè)也得到長足發(fā)展[1]，由于受到現(xiàn)場條件的限制，中小半徑曲線、大坡度線路、車內(nèi)噪聲限制、車輛輕量化、車輛對環(huán)境振動影響等問題越來越突出[2]，對軌道車輛設計提出了更多的要求。鉸接式轉向架結構區(qū)別于傳統(tǒng)轉向架，在2節(jié)車體之間布置轉向架，通過轉向架直接連接前后車體。鉸接式轉向架具有噪音低、輪軌沖擊小、曲線通過性能好、結構簡單等優(yōu)點[3]。

鉸接式轉向架車輛在國外已經(jīng)有著幾十年的發(fā)展歷程[4]。最早采用鉸接式轉向架的高速列車為法國阿爾斯通的TGV，在此基礎上，其又推出了一款同樣采用鉸接式轉向架的AGV高速動車組列車[5]。日本953系列新干線列車、E993城際列車、50000特快列車、E331城際列車也都采用了鉸接式轉向架[6-7]。德國ET425系列動車組、瑞士FILRT電力動車組、荷蘭SPRINTER列車均采用了鉸接式轉向架技術[8]。此后隨著技術的不斷發(fā)展，鉸接式轉向架在城軌車輛、動車組、貨車等領域都得到長足發(fā)展[9]。目前中國研發(fā)的采用鉸接式轉向架的車輛主要有出口土耳其伊茲密爾鉸接式輕軌[10]、馬來西亞安邦線輕軌[11]、馬其頓鉸接式動車組[12]以及吉隆坡機場線鉸接式車輛[13]。目前鉸接式轉向架車輛在我國市場還較少見，但鉸接式轉向架車輛在國際軌道交通領域具有十分廣泛的應用前景。因此為開發(fā)“一帶一路”沿線軌道交通市場，在契合“鐵路走出去”的大背景下，開發(fā)一款專門適應國外市場、主要用于出口的鉸接式動車組就顯得尤為必要。

1 車輛結構

傳統(tǒng)的軌道交通車輛通常采用2個轉向架支撐車體，相鄰車體之間通過鉤緩裝置連接。而鉸接式轉向架車輛相鄰的車體共用一個轉向架，只有前后首車采用獨立轉向架。本文鉸接式動車組模型采用兩動一拖編組形式，相鄰車體采用鉸接式轉向架連接，鉸接轉向架為非動力轉向架，采用轉臂式軸箱，一系采用鋼簧配合一系垂向減振器，二系懸掛包括：4個空氣彈簧、橫向減振器、抗蛇行減振器、垂向減振器和抗側滾扭桿，橫向止擋布置在牽引裝置兩側，牽引裝置采用Z字型牽引桿。兩端動車采用傳統(tǒng)動力轉向架，基本結構與鉸接式轉向架相同，只是空氣彈簧數(shù)量為2個。傳統(tǒng)動力轉向架每個轉向架安裝2個電機。車輛前進方向為1車，依次為2車、3車，車輛前進方向為構架1、輪對1，后面依次為2、3、4。1、4轉向架為傳統(tǒng)動力轉向架，2、3 轉向架為非動力鉸接式轉向架。車輛最高運行速度為160 km/h。

2 動力學模型

2.1 鉸接式動車組動力學模型

圖1 車輛多體動力學模型

鉸接式車輛由于結構特點，與傳統(tǒng)車輛相比一般無法分解為單節(jié)車輛，必須以列車形式進行建模。采用SIMPACK軟件進行動力學建模(如圖1所示)，建立三編組鉸接式動車組動力學模型。列車系統(tǒng)共包括3個車體、4個構架、8個輪對、16個軸箱、4個電機，共35個剛體，106個自由度。每個動力轉向架2個電機，通過力元連接在構架橫梁上。車體、構架、輪對等部件均按照剛體考慮，忽略其彈性變形。各個部件之間通過彈簧阻尼力元連接，橫向止擋、二系油壓減振器采用非線性力元構建，一系懸掛、空簧、牽引拉桿采用線性力元構建。輪徑860 mm，車輛踏面選擇LM踏面，鋼軌外形選擇UIC60廓形，軌底坡為1∶20。

2.2 計算工況設置

車輛動力學性能評價主要由直線通過性能和曲線通過性能組成。按照現(xiàn)場要求計算不同工況下的車輛動力學性能指標，并對結果進行綜合分析評價。具體工況如下：

(1)直線工況。長度1 000 m，在美國6級軌道譜軌道激勵下車輛以不同的速度(40～180 km/h，步長20 km/h)通過線路分析其動力學性能。

(2)曲線工況。正線曲線半徑R=300 m，外軌加寬5 mm，曲線外軌超高h=120 mm，圓曲線長度200 m，緩和曲線長度L=100 m，曲線段軌道要差于直線段，因此曲線段軌道不平順選用美國5級軌道譜，車輛以73 km/h速度通過曲線段。

(3)S曲線工況。車場線小半徑S曲線，曲線半徑150 m，無超高，緩和曲線長度L=15 m，夾直線長度20 m，圓曲線段長度100 m，軌道不平順選用美國5級軌道譜，車輛以15 km/h速度通過曲線段。

(4)扭曲線路工況。根據(jù)標準要求，通過設置三角坑來模擬軌道扭曲工況。在半徑150 m曲線線路上，緩和曲線60 m，超高0.09 m，圓曲線100 m，在外軌進緩和曲線位置設置了20 mm深度的凹坑。車輛通過速度為5 km/h，不考慮軌道不平順。

3 仿真結果分析

車輛動力學性能評價存在很多標準，運用比較廣泛的有英國EN 14363、鐵路聯(lián)盟UIC 518、美國AAR系列、澳大利亞AS 7509、中國GB/T 5599—2019、TB 2360等。本文的車輛主要用于出口，因此各項動力學指標以UIC 518為主，兼顧GB/T 5599—2019。

3.1 穩(wěn)定性分析

圖2 構架橫向加速度RMS值

校核過程中，將車輛以20～180 km/h速度在AAR6的直線線路運行工況作為判定條件，得到各個構架橫向加速度隨速度的變化過程，見圖2。結果表明，新輪新軌條件下車輛構架橫向加速度低于規(guī)定的限值，且仍有一定的安全裕度，所以動車組的運行穩(wěn)定性滿足160 km/h的設計要求。

3.2 直線運行性能分析

根據(jù)UIC 518—2009標準規(guī)定，車輛運行平穩(wěn)性可由橫向和垂向加速度最大值及加速度均方根值來表示。車體最大橫向和垂向加速度均不能超過[Aymax,Azmax]lim=2.5 m/s2，而橫向加速度均方根值的限度為[Ayrms]lim=0.5 m/s2，垂向加速度均方根值的限度為[Azrms]lim=1 m/s2。此外，根據(jù)車軸橫向力之和標準規(guī)定，車輛運行平穩(wěn)性的評定采用司機室座椅上方位置的平穩(wěn)性指標來表示，新車平穩(wěn)性需要達到優(yōu)秀，即不超過2.5。

車體橫向最大加速度Ay、垂向最大加速度Az、橫向加速度均方根值Ayrms、垂向加速度均方根值Azrms、橫向平穩(wěn)性指標Wzy和垂向平穩(wěn)性指標Wzz分別繪于圖3～圖5中。

圖3 車體最大加速度

圖4 車體加速度均方根值

圖5 車體平穩(wěn)性指標

結果表明，AAR6線路條件下，在180 km/h速度以內(nèi)的車體橫向及垂向振動加速度最大值均低于2.5 m/s2，橫向振動加速度均方根值低于0.5 m/s2，垂向振動加速度均方根值低于1 m/s2，滿足UIC 518—2009中的要求。AAR6線路條件下，各個速度下車體橫向和垂向加速度均方根值均未超出UIC 518—2009中規(guī)定的限值。此外，AAR6線路條件下，在180 km/h速度以內(nèi)的車體橫向及垂向平穩(wěn)性指標均小于2.5，達到GB/T 5599—2019規(guī)定的優(yōu)秀標準。

3.3 曲線通過能力

3.3.1 標準要求

根據(jù)要求，該車輛安全性指標應符合UIC 518—2009和GB/T 5599—2019標準規(guī)定的相關要求，主要動力學性能應達到以下指標：

(2)脫軌系數(shù)采用UIC 518—2009進行評定。[(Q/P)2m]lim=0.8。

3.3.2 R300曲線通過性能

R300曲線車軸橫向力計算結果如圖6(a)所示。結果表明，當車輛以73 km/h通過R300曲線時車軸橫向力未超過標準限值。輪對減載側輪重減載率和脫軌系數(shù)的計算結果繪于圖6(b)和圖6(c)中。在所計算工況中，各輪對脫軌系數(shù)和減載側輪重減載率均未超過UIC 518—2009中規(guī)定的0.8限值，各輪對輪重減載率均未超過標準中規(guī)定的限值0.6。

圖6 R300曲線車輛通過性能

3.3.3 半徑150的S曲線通過性能

圖7、圖8、圖9分別為動車組以15 km/h通過S形小半徑曲線時對應的車軸橫向力、減載側輪重減載率和脫軌系數(shù)。如圖7所示，當動車組通過半徑為150 m的S曲線時，各輪對的車軸橫向力均小于UIC 518—2009中規(guī)定的限值。

圖7 S150小半徑曲線車軸橫向力

各個輪對對應的輪重減載率的計算結果如圖8所示。結果表明，在所計算的工況中，各輪對的輪重減載率均未超過標準規(guī)定的第一限值0.6。

圖8 S150小半徑曲線輪重減載率

脫軌系數(shù)Q/P的計算結果繪于圖9中。結果表明，在所計算的工況中，各輪對的脫軌系數(shù)均未超過UIC 518—2009中規(guī)定的限值0.8。

圖9 S150小半徑曲線脫軌系數(shù)

車輛以15 km/h速度通過150 m的S形小半徑車場線時，在AAR5線路條件下，對各個輪對的車軸橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)指標進行計算發(fā)現(xiàn)，其各項指標均小于標準中規(guī)定的限值?？傮w看，鉸接式轉向架動車組能夠安全通過150 m半徑S形曲線。

3.4 車輛抗扭曲和抗傾覆能力

圖10、圖11、圖12為動車組以5 km/h速度通過施加三角坑的R150曲線時對應的各個輪對車軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)。4個轉向架對應車軸橫向力計算結果如圖10所示，其中高軌代表在過曲線時的外側輪，低軌代表在過曲線時的內(nèi)側輪。結果沒有發(fā)現(xiàn)高于56.6 kN的峰值，計算結果滿足UIC 518標準的要求。

圖10 R150三角坑工況車軸橫向力

各個輪對對應減載側輪重減載率計算結果如圖11所示，其中左側輪對通過曲線的外側高軌，右側輪對通過曲線內(nèi)側低軌。如圖11所示，結果沒有發(fā)現(xiàn)高于0.6的峰值，計算結果滿足UIC 518標準的要求。各個輪對對應脫軌系數(shù)計算結果如圖12所示，也均未超標。

圖11 R150三角坑工況輪重減載率

圖12 R150三角坑工況脫軌系數(shù)

如仿真所示結果，鉸接式轉向架車輛具有良好的抗側滾、抗線路扭曲能力，在通過施加三角坑的小半徑曲線時各項動力學指標均未超過標準的要求。

4 結論

介紹了鉸接式轉向架動車組，并進一步研究了極限工況下其車輛動力學性能，分析結果表明，鉸接式轉向架車輛具有較好的曲線通過性能，在正線曲線和小半徑S曲線工況其脫軌系數(shù)、輪重減載率、車軸橫向力等指標都滿足標準要求。鉸接式轉向架車輛具有較高的適應線路扭曲能力，在通過三角坑工況時，鉸接式轉向架車輛輪對受到的輪軌沖擊遠小于標準要求。

通過分析各個輪對對應曲線通過性能發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)轉向架不同，鉸接式轉向架在作為前車后轉向架同時也是后車前轉向架，因此鉸接式轉向架輪對對應的車軸橫向力、脫軌系數(shù)等數(shù)值與前部獨立轉向架輪對幅值相差很小，這個是值得注意的。綜上所述，鉸接式轉向架車輛具有曲線通過性能好、輪軌作用力小、抗線路扭曲能力強、運行平穩(wěn)等特點，充分說明鉸接式轉向架車輛在技術上已經(jīng)成熟，是一種適應軌道交通需求的新型車輛。