某出口地鐵車輛傾擺試驗(yàn)與仿真對(duì)比研究

牛成亮,李永生,王 雯

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130062)

某出口地鐵車輛需根據(jù)AS 7507:2017《Rolling Stock Outlines》標(biāo)準(zhǔn)[1]進(jìn)行傾擺試驗(yàn),試驗(yàn)可以是靜態(tài)測(cè)試,即通過抬高靜止車輛的一側(cè)模擬車輛最大超高,也可以是動(dòng)態(tài)測(cè)試,即車輛以較大速度通過特殊曲線模擬最大欠超高。參考GM/RC2641[2]第2.6.15條款的RC140～RC143,采用SIMPACK 多體動(dòng)力學(xué)軟件建立車輛模型進(jìn)行相應(yīng)仿真分析,將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,主要從一系側(cè)滾角、二系側(cè)滾角、車體傾擺量和車體下垂量4個(gè)方面進(jìn)行比較,傾擺試驗(yàn)測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 傾擺試驗(yàn)測(cè)試原理圖

1 試驗(yàn)測(cè)試

出口地鐵車輛定距為16 500 mm,軸距為2 500 mm,最高運(yùn)行速度為130 km/h。進(jìn)行傾擺試驗(yàn)時(shí)需逐步抬升車輪,故采用50 mm、85 mm、120 mm 和140 mm 4種不同厚度的墊塊,需要重點(diǎn)關(guān)注的是最大超高為140 mm 墊塊的試驗(yàn)結(jié)果。為了保證安全,試驗(yàn)時(shí)車輛兩側(cè)用吊帶進(jìn)行二次保護(hù)(圖2),以防止車輛傾覆。

圖2 防止車輛傾覆吊帶

1.1 試驗(yàn)墊塊

試驗(yàn)墊塊的作用是通過墊高輪對(duì)一側(cè)車輪來(lái)模擬線路超高。為了從小到大逐步模擬線路超高,選用4種長(zhǎng)度均為100 mm 的墊塊。墊塊1:厚度為(4×50±1)mm;墊塊2:厚度為(4×85±1)mm;墊塊3:厚度為(4×120±1)mm;墊塊4:厚度為(4×140±1)mm。

為避免試驗(yàn)時(shí)墊塊與輪緣相互干涉,在墊塊上方設(shè)置一個(gè)32.5 mm×15 mm 的倒角。

1.2 千斤頂

千斤頂主要用于抬升車輪,在理想情況下,這種液壓裝置通過可控方式可以同時(shí)抬升所有車輪。

1.3 安全裝置

為避免車輪打滑及車輛傾覆,需根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件設(shè)計(jì)工裝(圖3),以保證人員與車輛安全。

圖3 防止車輛打滑工裝

1.4 試驗(yàn)條件

為了避免室外風(fēng)速等因素影響試驗(yàn)結(jié)果,選擇在室內(nèi)完成傾擺試驗(yàn)。在平直軌道上進(jìn)行傾擺試驗(yàn),其中對(duì)應(yīng)車輛長(zhǎng)度的軌道軌頂面的水平誤差控制在1 mm 以內(nèi)。為防止千斤頂和軸箱間發(fā)生滑動(dòng),操作時(shí)需要在千斤頂上面加一塊橡膠墊,根據(jù)具體墊塊的厚度抬升合適高度,并對(duì)墊塊進(jìn)行更換。在傾擺試驗(yàn)過程中隨時(shí)觀察車輛狀態(tài),一旦車輛有傾覆的風(fēng)險(xiǎn),立即停止試驗(yàn)并調(diào)整墊塊厚度。

1.5 車輛加載

為模擬AW3工況,需要將沙袋擺在合適的位置,根據(jù)相關(guān)研究成果可知[3-4],座椅上的乘客平均重心在距離座椅面235 mm 以上位置,站著的乘客平均重心在距離地板面963 mm 以上位置。在試驗(yàn)前,通過理論計(jì)算,選取合適的沙袋和木質(zhì)托盤進(jìn)行加載,加載示意圖如圖4所示。加載完成后,在稱重臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整,使其重心和慣量等最大限度接近實(shí)際的AW3工況。

圖4 AW3加載示意圖

1.6 測(cè)點(diǎn)布置

在車體(包括外部閉路電視攝像頭)、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和軸箱上固定28個(gè)反光膠帶標(biāo)記。這些標(biāo)記的命名規(guī)則是:2位端與2位側(cè)是A 系列,1位端與2位側(cè)是B系列,2位端與1位側(cè)是C 系列,1位端與1位側(cè)是D 系列,如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖

1.7 試驗(yàn)步驟

具體的試驗(yàn)步驟如下:

(1) 記錄車輛相關(guān)信息;

(2) 通過萊卡全站儀,根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況選取合適位置,建立全局坐標(biāo)系[5];

(3) 測(cè)量確認(rèn)軌距及軌頂尺寸,測(cè)量基準(zhǔn)如圖6所示;

圖6 軌距及軌頂尺寸示意圖

(4) 將車輛放置在試驗(yàn)線路上;

(5) 確定車體及轉(zhuǎn)向架上的靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)位置;

(6) 確保車輛中心線與所在軌道中心線重合;

(7) 確保停放制動(dòng)正常開啟;

(8) 將工裝放置在合適位置,保證車輛輪對(duì)不會(huì)產(chǎn)生橫向滑動(dòng)。在車輛兩側(cè)系好高強(qiáng)度吊帶,防止車輛傾覆;

(9) 釋放車輛制動(dòng)使懸掛部件能夠自由工作。檢查閘瓦是否與制動(dòng)盤接觸;

(10) 確認(rèn)所有空氣彈簧處于正常充氣狀態(tài),隔離空壓機(jī),高度調(diào)整閥處于正常狀態(tài);

(11) 采用全站儀分別對(duì)車體、構(gòu)架及軸箱的靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)初始位置進(jìn)行測(cè)量,所有數(shù)據(jù)都是基于前面建立的全局坐標(biāo)系;

(12) 抬升1位側(cè)的車輪,每抬升一個(gè)固定高度都要及時(shí)添加合適厚度的墊塊。所有千斤頂要同時(shí)動(dòng)作,以保證同側(cè)的車輪同步被抬升。當(dāng)抬升到50 mm高度時(shí),通過全站儀對(duì)所有靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并記錄,然后繼續(xù)抬升車輪至下一固定高度85 mm。以此類推,直至完成140 mm 高度的測(cè)量;

(13) 采用千斤頂繼續(xù)抬高車輪,逐步拆除墊片,使被測(cè)面緩慢下降,直至恢復(fù)到車輛水平原始狀態(tài)。在拆除墊片過程中,同樣對(duì)固定高度工況下的車輛靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并記錄。所有的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該由以車輛縱向中線為基準(zhǔn)的橫向坐標(biāo)和垂向坐標(biāo)提供;

(14) 由于試驗(yàn)后車輛未必完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。需將被測(cè)車輛從被測(cè)軌道移走,重新對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)整,可能要前后移動(dòng)車輛,或者對(duì)空氣彈簧充氣或放氣,重新檢查高度閥狀態(tài),直到與試驗(yàn)前狀態(tài)一致;

(15) 將車輛再次放置到被測(cè)軌道上,位置與上次相同,同時(shí)確保車輪中心線與軌道中心線一致;

(16) 重復(fù)第1 次測(cè)試步驟,抬升車輛2位側(cè)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,直至完成所有數(shù)據(jù)采集。在試驗(yàn)過程中,受到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件限制,構(gòu)架或軸箱上靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)如果不容易被測(cè)到,可通過鋼板尺與水平儀等工具找到附近能被測(cè)到的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,通過尺寸換算得到想要的結(jié)果。

2 仿真分析模型建立

采用SIMPACK 多體動(dòng)力學(xué)軟件建立車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型[6](圖7),車輛前進(jìn)方向上的第1個(gè)輪對(duì)被定義為第1輪對(duì),車輛向前行駛方向?yàn)閄軸,Y軸平行于軌道平面且指向右側(cè),Z軸垂直于軌道平面且方向向下。本文研究的地鐵車輛,每輛車由1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、4個(gè)輪對(duì)與8個(gè)軸箱組成,車體、每個(gè)轉(zhuǎn)向架與每個(gè)輪對(duì)各有6個(gè)自由度,即縱向、橫移、浮沉、側(cè)滾、搖頭與點(diǎn)頭,其中輪對(duì)縱向和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)為非獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

圖7 SIMPACK 車輛動(dòng)力學(xué)模型

為使動(dòng)力學(xué)車輛模型與實(shí)車最大程度保持一致,需輸入試驗(yàn)工況下的實(shí)車相關(guān)參數(shù),包括車體重心、一系懸掛剛度、二系懸掛剛度、加載沙袋質(zhì)量與排列、重心位置以及基于全局坐標(biāo)系的靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)位置等。

建立SIMPACK 模型時(shí),工況與試驗(yàn)測(cè)試要保持一致,輸出結(jié)果包括一系懸掛在不同工況下的側(cè)滾角度、二系懸掛在不同工況下的側(cè)滾角度、不同超高下靶標(biāo)測(cè)點(diǎn)的傾擺量與下降量。

3 試驗(yàn)測(cè)試與仿真分析結(jié)果對(duì)比

3.1 仿真與試驗(yàn)對(duì)比原則

根據(jù)GM/RC 2641:2009《Recommendations for Vehicles Static Testing(第二版)》的要求,仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比時(shí),需滿足以下兩點(diǎn)要求:(1)側(cè)滾角誤差絕對(duì)值小于等于0.23°;(2)位移量誤差絕對(duì)值小于等于10 mm。

理論上,車體與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的初始角和最終角均為零。但是,不可能把目標(biāo)標(biāo)記放在兩側(cè)并使它們完全處于水平高度,如圖8所示。

圖8 原始測(cè)點(diǎn)布置示意圖

在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中,初始角度存在負(fù)值或正值。假設(shè)測(cè)試設(shè)備的原始數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致了異常的側(cè)滾角,為了得到本報(bào)告的相關(guān)性結(jié)論,忽略這些數(shù)據(jù)是合理的。

3.2 仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí),利用徠卡全站儀根據(jù)測(cè)試坐標(biāo)系得到反射靶標(biāo)和測(cè)試軌道的初始坐標(biāo),然后轉(zhuǎn)入全局坐標(biāo)系,計(jì)算得到一系懸掛轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角和二系懸掛車體側(cè)滾角。輪對(duì)抬高到140 mm 時(shí),一系懸掛轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試差值最大為0.16°,二系懸掛車體側(cè)滾角仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試差值最大為0.11°,均小于GM/RC 2641中規(guī)定的0.23°要求,結(jié)果見表1,詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖9～圖12。

表1 側(cè)滾角誤差絕對(duì)值仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比(°)

圖9 一系懸掛轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角(2位端)

圖10 一系懸掛轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角(1位端)

圖11 二系懸掛車體側(cè)滾角(2位端)

圖12 二系懸掛車體側(cè)滾角(1位端)

當(dāng)輪對(duì)抬高到140 mm 時(shí),2位側(cè)傾擺量仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試差值最大為8.12 mm,1位側(cè)下降量仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試差值最大為4.70 mm,小于GM/RC 2641中要求的10 mm,位移量誤差絕對(duì)值仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 位移量誤差絕對(duì)值仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文基于AS 7507:2017標(biāo)準(zhǔn)要求開展了傾擺試驗(yàn)測(cè)試,同時(shí)采用SIMPACK 多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了車輛模型并進(jìn)行了仿真分析,最后對(duì)比了試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明,傾擺試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致,對(duì)以后利用仿真分析取代試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了有益探索。