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摘要:利用多体动力学软件SIMPACK建立了某300km/h速度级别的高速动车组拖车模型,采用德国“低干扰”谱和中国高速铁路无砟轨道谱作为轨道随机激励,研究了其相关动力学性能。通过在直线轨道上施加三种不同轨道激励仿真计算出不同的非线性临界速度,并进行对比分析;采用Sperling指标、ISO2631和平均最大振动加速度分别评价拖车的平稳性;采用脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力三个指标进一步评估拖车的曲线通过性能。结果表明:拖车的非线性临界速度远高于其实际运行速度,具有很好的稳定性,并且高速铁路无砟轨道谱激励下拖车的临界速度最高,德国“低干扰”谱次之,横向正弦不平顺最低;其稳定性指标和平均最大振动加速度均小于标准值,说明其运行平稳性为一级;三个曲线通过性能评价指标证明拖车具有良好的曲线通过性能。
Abstract: A certain 300km/h speed level high-speed EMU trailer model is built by the multibody dynamics software SIMPACK. By applying lateral German high speed low disturbance and China PSD of ballastless track irregularities of high-speed railway on the track, the trailer′s related dynamic performance is studied. The non-linear critical speed is calculated and analyzed by simulations under applying three different track excitions on the straight track; Sperling index, ISO2631 and maximum average acceleration are used to evaluate the trailer′s running steady; Derailment coefficient, unloading ratio and axle lateral force are used to further assess the curving capacity of the trailer. The results show: non-linear critical speed of the trailer is much higher than its actual speed which indicates good stability, and trailer′s critical speed is the highest under China PSD of ballastless track irregularities of high-speed railway, then German high speed low disturbance, followed by sinusoidal irregularity; Running stability index and average maximum vibration acceleration are less than the standard values, indicating the trailer running smoothly; The three curving evaluations prove that the trailer has a good curving capacity.
关键词:高速动车组;多体动力学;拖车;稳定性
Key words: high-speed EMU;multibody dynamics;trailer;stability
中图分类号:U260.11 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)36-0217-04
0 引言
轨道不平顺功率谱是车辆动力学仿真的关键,动力学仿真时所采用的轨道谱,主要有实测线路不平顺谱和反演生成的线路不平顺谱。陈果、翟婉明[1]研究提出了基于频谱功率谱等效的一种轨道不平顺数值模拟方法。王福天等[2]研究了用于高速车辆动态仿真的轨道谱,提出用美国6级轨道谱缩减系数方法在实物振动试验台实现高速轨道谱对机车车辆的激振,并已在实物试验中应用。王开云等[3]分析了秦沈线有碴谱、无碴谱及德国轨道谱,讨论了各轨道谱在整个波长范围内的优劣,并运用动力学仿真技术对轮轨动力学性能的影响。陈果等[4]通过车辆—轨道耦合动力学模型仿真计算比较了我国干线谱与国外典型轨道谱。康熊、翟婉明等[5]研究提出了由轨道不平顺谱拟合公式与倍频能量表共同构成我国高速铁路无砟轨道不平顺谱,为我国高速铁路设计、评估和养护维修等提供了依据。本文以某高速动车组拖车为研究对象,建立了拖车整车的动力学模型,依据德国“低干扰”谱和我国高速铁路无砟轨道谱(TB/T 3352-2014)对其进行了动力学响应分析。
1 拖车动力学仿真模型
采用多体动力学软件SIMPACK建立了某高速动车组拖车动力学模型。模型考虑了悬挂系统中弹簧和阻尼器的非线性特性、轮轨接触几何非线性和蠕滑非线性。车轮踏面采用LMA磨耗性踏面,钢轨采用我国60kg/m的T60型钢轨。如图1。
1.1 模型简化
由于实际高速动车组系统的复杂性和非线性特性,要准确地建立各个部件模型会增加建模的难度。同时,在进行动力学仿真时,主要关注其动力学性能,而影响动力学性能的主要是部件的质量、转动惯量、相对位置和一些铰接和约束等。部件的外形特征对动力学性能影响较小,故可以在进行动力学建模时进行了如下简化:
①轮对、构架、车体均视为刚体。轮对、构架、车体的弹性比悬挂系统的弹性要小的多,因此把轮对、构架、车体视为刚体是可以接受的;
②不考虑钢轨的弹性变形。钢轨的弹性对于车辆的动力学性能只有在高频时影响才较大,而在线路的低频频率激扰下影响不大,因此对线路只考虑其不平顺的激扰;
③车体、转向架和轮对视为左右前后对称,忽略偏心;
④将一系轴箱弹簧和二系空气弹簧简化为3个方向刚度的弹簧和垂向阻尼器系统;
⑤将二系空气弹簧简化为3个方向刚度的弹簧和垂向阻尼器系统;
⑥将牵引拉杆简化为纵向弹簧,抗侧滚扭杆简化为一个绕X轴的力元;
⑦将轴箱转臂定位装置简化为3个方向平移刚度和3个方向转动刚度的弹性衬套。
1.2 模型自由度
拖车单车模型中共有15个刚体,即1个车体、2个构架、4个轮对和8个转臂。车体和转向架构架均为6个自由度,轮对具有4个自由度,每个转臂有一个点头自由度共8个自由度,故单车系统共有42个自由度。拖车多体动力学模型如图2。
2 动力学仿真计算
引起车辆系统各种动态响应其中一个主要原因就是轨道几何形状的变化。轨道不平顺有:高低不平顺、水平不平顺、方向不平顺和轨距不平顺。利用SIMPACK多体动力学软件对拖车进行动力学计算分析,计算内容包括蛇行运动稳定性分析、直线和曲线通过响应分析等内容。
2.1 蛇形运动稳定性分析
实际临界速度与轨道激扰有关,不同的轨道激扰会有不同的实际临界速度[6]。计算确定实际临界速度的方法:在轨道上加一段随机不平顺,使整个系统的振动被激发,然后使车辆系统在平直无不平顺的轨道上运行,当系统响应不再衰减到平衡位置而是趋于稳定的极限环时,则此时的速度即为车辆临界速度。由蛇形运动极限环图可知,应当采用非线性临界速度作为评价指标,通常以轮对横移量是否收敛来评价。采用三种轨道激扰来确定拖车的非线性临界速度,不同激励下的拖车非线性临界速度如表1。其轮对横向位移如图3-图5。
从图3-图5可得,不同激励下拖车的非线性临界速度产生很大变化。其中,在横向正弦激励下,拖车的临界速度最低,因为横向正弦激励下其幅值最大,轮对横向位移大,拖车更容易出现蛇行失稳;德国“低干扰”高速谱适用于250km/h以上的高速铁路,由于其横向不平顺激励小于横向正弦激励,故其激励下的临界速度高于横向正弦激励下的临界速度;同理,由于高速铁路无砟轨道谱远小于前两者的不平顺幅值,轮对横移量小,引起车体振动能量较低,故其临界速度最高,且随着不平顺幅值的扩大(车轮和钢轨磨损会导致不平顺的幅值加大),拖车的临界速度逐渐降低。
2.2 运行平稳性分析
车辆运行平稳性主要反映车辆的振动程度。客车运行平稳性(旅客乘坐的舒适性)分别按Sperling平稳性指标、ISO2631和平均最大振动加速度评定。Sperling基于大量实验而制定的平稳性指标用于评定车辆本身的运行品质和旅客乘坐舒适度,运行品质由车辆本身来衡量,而舒适度则还与旅客对振动环境的敏感度有关。平稳指标W由下式表示:
根据参考文献[5],测定客车车体垂直和横向加速度的加速度传感器安装在距转向架心盘一侧1000mm的车体地板面上。采用德国“低干扰”高速谱和高速铁路无砟轨道谱激励,以标准运营速度300km/h匀速行驶,其平稳性指标和平均最大振动加速度如表2、表3所示。从表2和表3可以看出,平稳性指标都小于《高速动车组整车试验规范》[8]规定的平稳性指标2.5的标准值,说明该拖车的平稳性是一级,满足旅客的乘坐舒适度要求。同时车体的最大横向加速度和最大垂向加速度均满足要求。同时对拖车直线运行时的轮重减载率、脱轨系数等稳定性指标进行分析,得出直线运行安全性结果。如图6所示。
从表2和表3可以发现,高速铁路无砟轨道谱激励下车体的平稳性指标和前后平均最大振动加速度均低于德国“低干扰”谱,说明高速铁路无砟轨道谱的不平顺要优于德国“低干扰”谱。同时,可以发现车体后方平稳性指标均高于车体前方,振动加速度较前方高,车体后方舒适度降低,容易引起人的疲劳,符合人实际乘车感觉。从图6可以看到,拖车在两种激励下的脱轨系数和轮重减载率均小于规定的限值,并且德国“低干扰”谱激励下拖车的脱轨系数和轮重减载率要高于无砟轨道谱。
2.3 曲线通过性能分析
车辆的蛇行运动是车辆的固有属性,而车辆的蛇行运动稳定性和曲线通过性是相互矛盾的,所以在保证高速动车组蛇行运动稳定性的前提下,还要求高速动车组有良好的曲线通过性。我国高速铁路线路为保证运行安全,曲线半径一般设置为R9000m,具有较大安全裕量。根据参考文献[9]设置线路参数:直线(950m)—缓和曲线(240m)—曲线(半径分别设置为R6000m、R7000m、R8000m,长度1440m)—缓和曲线(260m)—直线(1100m),曲线超高全部设置为150mm。采用德国“低干扰”谱和高速铁路无砟轨道谱激励,以标准运营速度300km/h匀速行驶。曲线通过能力主要以拖车的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等稳定性指标进行评价。如表4、表5。
可得,半径为7000m,曲线超高为151.7mm,最接近150mm。所以半径6000m和半径8000m分别为欠超高和过超高状态。从表4和表5中发现,高速铁路无砟轨道激励下拖车在对应半径上的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力均小于德国“低干扰”谱,进一步说明无砟轨道谱的不平顺要优于德国“低干扰”谱。从表4中可以发现,德国“低干扰”谱激励下三种曲线半径的轮重减载率相差不大,脱轨系数以半径6000m最大,半径7000m和8000m的脱轨系数相差不大。轮轴横向力以半径6000m最大,7000m次之,8000m最小。从表5中发现,高速铁路无砟轨道激励下拖车在半径7000m运行时脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力均为最小。
3 结论
本文以德国“低干扰”谱和铁总发布的高速铁路无砟轨道谱(TB/T 3352-2014)为轨道随机激励,研究了某国产动车组拖车的动力学性能。通过分析拖车的各项动力学指标得到以下四个结论:
①拖车的非线性临界速度远高于其实际运营速度300km/h,该拖车具有足够的运行稳定性;同时不同激励下的非线性临界速度有很大变化,以横向正弦激励最小,横向德国“低干扰”谱次之,中国高速铁路无砟轨道谱最高,且随着不平顺幅值增大,拖车临界速度也降低。
②由直线上运行分析可知,该拖车的横向和垂向最大振动加速度、平稳性指标均符合标准,说明该拖车乘坐舒适性满足要求,平稳性等级为一级。
③由曲线上运行分析可知,拖车的轮轴横向力、轮重减载率、脱轨系数的最大值均低于标准值,说明该拖车具有良好的曲线通过性能,并且具有足够的安全性能;且中国高速铁路无砟轨道激励下拖车在对应半径上的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力均小于德国“低干扰”谱。
④仿真的结果只是用来分析改进动车组的动力学性能,与实际运行还有一定的差异,主要表现在车辆-轨道接触复杂的非线性、悬挂参数的非线性等,应进行现场试验与仿真结果进行对比分析,进而更加准确评价拖车的动力学性能[10]。
参考文献:
[1]陈果,翟婉明.铁路轨道不平顺随机过程的数值模拟[J].西南交通大学学报,1999,02:13-17.
[2]王福天,周劲松,任利惠.用于高速车辆动态仿真的轨道谱分析[J].铁道学报,2002,24(5):21-27.
[3]王开云,翟婉明,蔡成标.秦沈客运专线轨道谱与德国轨道谱的比较[J].西南交通大学学报,2007,04:425-430.
[4]陈果,翟婉明,左洪福.仿真计算比较我国干线谱与国外典型轨道谱[J].铁道学报,2001,03:82-87.
[5]康熊,刘秀波,李红艳,杨飞,高建敏,翟婉明.高速铁路无砟轨道不平顺谱[J].中国科学:技术科学,2014,07:687-696.
[6]贾璐.高速车辆动力学性能评价方法研究[D].西南交通大学,2011.
[7]翟婉明.车辆—轨道耦合动力学[M].三版.北京:科学出版社,2007.
[8]李芾,安琪,付茂海,黄运华.高速动车组转向架的发展及其动力学特性综述[J].铁道车辆,2008,04:5-9,47.
[9]刘永强.基于磁流变阻尼器的高速动车组半主动控制与时滞分析[D].北京交通大学,2011.
[10]Jerry Evan, Mats Berg. Challenges in Simulation of Rail Vehicle Dynamics[J]. Vehicle System Dynamics, 2009, 8(6): 1023-1048.