CRH5拖車動力學性能分析

劉 宇，王自力

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

近年來，我國高速鐵路得到了飛速的發展，一批具有世界先進水平的國產化動車組和大功率機車投入使用，使既有鐵路的列車速度、運輸能力、服務水平得到大幅提升，這對車輛系統動力學性能提出了越來越多的要求。以CRH5拖車為分析對象，建立動力學模型，對其臨界速度、線路響應進行分析。

1 CRH5拖車動力學仿真模型

CRH5型電力動車組采用動力分散式設計，每列8節編組，共5節動車和3節拖車（5M3T），列車可通過兩組聯掛方式增至16節。設計營運速度為200 km·h-1，最高實驗速度250 km·h-1，適應軌距1 435 mm，最大軸重17 t。

轉向架一系懸掛裝置采用成熟的上、下雙拉桿軸系定位方式，由雙組鋼彈簧雙轉臂定位和液壓減振器組成。二系懸掛由上枕梁、空氣彈簧系統、抗側滾扭桿、二系橫向和垂向減振器、抗蛇行減振器、橫向止擋和Z字形牽引拉桿組成。輪對內側距為1 351 mm，空心車軸，車輪直徑890 mm，采用圓錐滾子軸承［1］。

1.1 模型自由度

利用ADAMS/Rail 多體動力學軟件建立CRH5 拖車動力學仿真模型，如圖1所示。CRH5拖車單車模型中共有15個剛體，即由1個車體、2個構架、4個輪對和8個轉臂組成，車體與轉向架之間的連接彈簧和減振器等看作是無質量的連接單元，單元的剛度和阻尼值與實際參數相同。轉向架上的懸掛部件重量轉化到構架上。車體和轉向架構架均為6個自由度，輪對具有4個自由度，每個轉臂有一個點頭自由度共8個自由度，抗側滾扭桿有一個點頭自由度共2 個自由度，抗側滾扭立桿有側滾和點頭兩個自由度共8 個自由度，故單車系統共有52個自由度。

圖1 CRH5托車動力學仿真模型Fig.1 The dynamic simulation model of CRH5 trailer

1.2 系統中的非線性環節

為了更好的模擬CRH5 拖車實際運行情況，考慮了車輛的懸掛系統、輪軌接觸幾何、蠕滑非線性環節［2-3］。

1.2.1 懸掛系統非線性

CRH5拖車本身存在著懸掛非線性，如二系空氣彈簧剛度非線性，阻尼器阻尼的非線性等，其懸掛剛度和阻尼均按照實測取值。

1.2.2 輪軌接觸幾何非線性

車輪踏面外型選采用LM 磨耗形踏面。車輪與鋼軌接觸幾何關系和輪軌作用力都存在明顯的非線性。根據磨耗型踏面和鋼軌頂面形狀，以1 mm的間隔采集每一踏面外形的平面坐標值，并在ADAMS/Rail軟件環境下計算與60 kg鋼軌匹配、軌底坡為1 ∶40 時的非線性輪軌接觸幾何參數表，LM踏面和鋼軌形狀示于圖2。

1.2.3 蠕滑非線性

根據Kalker線性蠕滑理論可知，在小蠕滑范圍內，蠕滑力和蠕滑率基本上成線性關系，但實驗表明蠕滑力和蠕滑率之間存在著嚴格的非線性，因此為了更準確分析車輛的動力學性能，考慮車輛蠕滑非線性問題。

圖2 LM型踏面和60 kg鋼軌形狀（單位：mm）Fig.2 LM type treads and 60 kg rail shape（Unit：mm）

2 動力學計算分析

利用ADAMS/Rail多體動力學軟件對CRH5拖車進行動力學計算分析，計算內容包括蛇行運動穩定性分析、直線和曲線通過響應分析等內容［4］。

2.1 運行穩定性計算結果及分析

運行穩定性分析主要是指抗蛇行穩定性分析，車輛蛇行運動產生的主要原因是車輪踏面具有斜率并且在運行時與軌道存在著復雜的動力作用。在ADAMS/Rail軟件環境下建立分析模型，并進行計算。求解運行穩定性時，線路長度為2 000 m，通過在430～520 m區間內加2級軌道不平順激勵［5-6］（如圖3）來分析其非線性臨界速度。通過不同速度下的仿真模擬，以輪對的橫向位移的收散性來分析其臨界速度，若在某一速度下收斂，則加大速度，直至找到發散時的速度即為臨界速度。

以一位輪對的橫向位移來評定，從圖4中可知速度為481.8 km·h-1時，輪對橫向位移隨時間的變化歷程是收斂的，再稍加增加速度時，輪對橫向位移明顯發散，如圖5所示，故可知原型參數時，CRH5拖車的穩定運行臨界速度為481.8 km·h-1，該非線性臨界速度遠大于最高運行速度和最高試驗速度，說明CRH5拖車具有足夠的運行穩定性。

圖3 加有部分2級軌道不平順直線軌道Fig.3 The track of some 2-level track irregularity

圖4 收斂時輪對的橫向位移Fig.4 The lateral displacement of the convergence

2.2 乘坐舒適性計算結果及分析

受軌道隨機不平順激擾，車輛-軌道耦合系統會產生隨機振動，會影響旅客乘坐舒適性。采用德國高速低干擾軌道譜，在直線軌道上加上持續的軌距、高低和水平不平順激勵，來評價CRH5拖車的旅客乘坐舒適性。

客車運行平穩性（旅客乘坐的舒適性）分別按平穩性指標和平均最大振動加速度評定。CRH5拖車的最大實驗速度是250 km·h-1，《高速動車組整車試驗規范》［7］規定動車組最大橫加速度是2.5 m·s-2，最大的垂向加速度是2.5 m·s-2。CRH5拖車以250 km·h-1時運行時，車體中心的最大橫向加速度為1.53 m·s-2，車體中心的最大垂向加速度為1.56 m·s-2，均滿足要求。計算求得車體中心的橫向平穩性指標為1.9，垂向平穩性指標為1.8，都小于《高速動車組整車試驗規范》規定的平穩性指標2.5的標準值，說明CRH5托車的平穩性是一級，旅客的乘坐舒適度滿足要求。

同時對CRH5拖車直線運行時的輪重減載率、脫軌系數等穩定性指標進行分析，計算結果和評價標準如表1所示，說明CRH5拖車在直線上有足夠的穩定性。

圖5 發散時輪對的橫向位移Fig.5 The lateral displacement of the divergence

表1 計算結果和評定標準Tab.1 The results of calculation and the evaluation standard

2.3 曲線通過能力計算結果及分析

曲線通過能力主要以CRH5拖車的脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力等穩定性指標進行評價［8］。線路選用1 200，2 000，2 500 m 三種不同半徑曲線，曲線分別為50 m 直線-350 m 緩和曲線-300 m 圓曲線-350 m緩和曲線-50 m直線組成，施加德國高速低干擾軌道激勵，考慮了軌距、高低、方向不平順，運行速度為250 km·h-1。利用ADAMS/Rail軟件仿真，曲線計算結果如表2，CRH5拖車以一定速度運行時，輪軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數隨著曲線半徑的增大而減小。CRH5拖車的穩定性指標滿足《高速動車組整車試驗規范》的評定標準，說明CRH5拖車具有良好的曲線通過性能。

表2 曲線分析結果Tab.2 The results of curve analysis

3 結束語

通過前述計算分析，可以得出結論如下：

1）根據原型參數仿真知，CRH5拖車的非線性穩定運行臨界速度為481.8 km·h-1，遠大于最高運行速度和最高試驗速度，說明CRH5拖車具有足夠的運行穩定性。

2）由直線上運行分析可知，CRH5拖車的橫向和垂向最大振動加速度、平穩性指標均符合標準，說明CRH5拖車乘坐舒適性滿足要求，平穩性等級為一級。

3）由曲線上運行分析可知，CRH5拖車的輪軸橫向力、輪重減載率、脫軌系數的最大值均低于標準值，說明CRH5拖車具有良好的曲線通過性能，并且具有足夠的安全性能。

仿真的結果只是用來分析改進CRH5動車組拖車的動力學性能，與實際運行還有一定的差異，主要表現在線路激擾情況復雜，應進行現場試驗與仿真結果進行對比分析，進而更加準確評價CRH5動車組拖車動力學性能，這一點值得進一步研究。

［1］張衛華.動車組總體與轉向架［M］.北京：中國鐵道出版社，2011：143-152.

［2］王福天.車輛系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，1994：200-212.

［3］嚴雋耄，付茂海.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2008：215-222.

［4］馬衛華，羅世輝，宋榮榮.橫風對高速動車組直線運行動力學性能的影響［J］.重慶工學院學報：自然科學版，2009，23（3）：1-5.

［5］楊震，王效堂，練松良，李再幃.合武客專無砟軌道曲線段不平順譜分析［J］.華東交通大學學報，2010，27（5）：11-16.

［6］陳鑫，練松良，李再幃.軌道交通無砟軌道不平順譜的擬合與特性分析［J］.華東交通大學學報，2013，30（1）：46-51.

［7］李芾，安琪，付茂海，黃運華.高速動車組轉向架的發展及其動力學特性綜述［J］.鐵道車輛，2008，46（4）：5-9+47.

［8］孫勇捷，王伯銘，張海霞.彈性架懸式驅動裝置對高速動車組動力學性能的影響［J］.電力機車與城軌車輛，2012，35（1）：14-18.