HSM型鋼軌銑磨車動力學性能仿真分析

史智勇　王開云　呂凱凱　封全保

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室　四川成都　610031；2.北京二七軌道交通裝備有限責任公司　北京　100072)

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HSM型鋼軌銑磨車動力學性能仿真分析

史智勇1王開云1呂凱凱1封全保2

(1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室四川成都610031；2.北京二七軌道交通裝備有限責任公司北京100072)

摘要：基于車輛-軌道耦合動力學理論，運用TTISIM動力學仿真軟件計算了HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業車的動力學性能。研究結果表明，HSM型鋼軌銑磨車動力車非線性臨界速度為187 km/h，作業車非線性臨界速度為205 km/h；分別以80，70，60 km/h等速度通過半徑為900, 600, 300 m的曲線軌道時，各安全性指標均滿足安全行車要求；在60～120 km/h速度范圍內，銑磨車在直線軌道上運行時，平穩性指標符合評定要求。

關鍵詞：HSM型鋼軌銑磨車運動穩定性動態曲線通過性直線運行平穩性TTISIM軟件

鋼軌打磨是軌道養護的重要手段。鋼軌打磨能夠消除或減弱軌道不平順，帶來巨大的效益，因此被世界各國廣泛采用[1]。銑磨車是一種新型的打磨裝備，在打磨精度、作業效果等方面均具備較高的優越性[2]。文獻[3]評估了SF03-FFS型銑磨車的作業效果，探討了銑磨車的作業模式，對銑磨車的實際作業具有一定的指導意義。

我國對于鋼軌銑磨車的研究和運用起步較晚，關于銑磨車的綜合研究尚不完善。為了滿足我國鐵路發展的需求，某公司研發了最高運行速度為120 km/h的HSM型鋼軌銑磨車，并對轉向架懸掛參數進行了優化。而在HSM型鋼軌銑磨車正式投入生產、應用之前，有必要對其動力學性能進行全面的仿真計算與評價。鑒于此，本文運用車輛-軌道耦合動力學理論[4]及其空間動力學仿真系統TTISIM[5]對HSM型鋼軌銑磨車的動力學性能進行了仿真分析。

1HSM型鋼軌銑磨車轉向架特點及主要結構參數

HSM型鋼軌銑磨車由前端的動力車和后端的作業車組成。動力車靠近司機室一端為非動力轉向架，另一端為動力轉向架；作業車的兩個轉向架均為非動力轉向架。其主要結構如圖1所示。

圖1　HSM型銑磨車結構示意圖

轉向架主要結構由H型整體焊接構架、一系懸掛、牽引及驅動裝置、二系橡膠堆旁承裝置等主要部件組成。構架由2根側梁和1根橫梁組成，且均為箱型斷面。一系懸掛采用轉臂式定位方式，軸箱彈簧為單組雙卷螺旋彈簧，其下部串聯橡膠減震墊，同時軸箱并聯安裝油壓減振器。旁承裝置是車體與轉向架之間的活動關節，由7層橡膠和8塊鋼板組成疊層結構。牽引裝置采用中心銷式。動力轉向架的驅動裝置一端通過兩個軸承支撐在車軸上，一端通過一根彈性吊桿懸掛在構架的橫梁上。

表1列出了HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業車轉向架的主要結構參數。

表1　HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業車轉向架結構參數

2計算分析的理論基礎

車輛-軌道耦合動力學理論的基本思想[4]是將車輛系統和軌道系統視為一個相互作用、相互耦合的總體大系統，而將輪軌關系作為連接這兩個子系統的紐帶，綜合考察車輛系統和軌道系統的動力學行為及輪軌相互作用特性。基于該動力學理論，運用TTISIM動力學仿真軟件[5]，以HSM型鋼軌銑磨車為對象，分別對動力車和作業車進行動力學性能分析。動力車和作業車動力學原始參數由廠家給出，軌道按美國五級譜考慮。與此同時，根據GB 17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及實驗方法》[6]對該車的動力學性能進行評估。

3動力學性能綜合分析

3.1機車運動穩定性分析

本文采用文獻[7]中提出的“減速法”確定臨界速度。首先，在軌道上添加一段美國五級譜，以激發系統振動。接著，使車輛系統在平直平順的軌道上運行，設定遞減的運行速度，得到系統響應，并根據系統響應判斷臨界速度值。

采用上述方法，對于HSM型鋼軌銑磨車，隨著運行速度自250 km/h不斷降低，輪對的橫向振動呈穩定的極限環運動。當動力車的速度降至187 km/h、作業車的速度降至205 km/h時，輪對的橫向位移收斂至平衡位置，如圖2所示。由此判斷，HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業車的臨界速度分別為187，205 km/h。

3.2動態曲線通過性能分析

運用TTISIM軟件對HSM型鋼軌銑磨車以不同速度通過曲線軌道時的輪軌動態安全性能進行計算和評估分析，運行工況及曲線軌道的設置如表2所示。表3給出了所有工況下仿真計算得到的輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率及傾覆系數等指標的最大值。

對于動力車而言，工況2中的輪軸橫向力最大，超過40 kN，小于其允許限值(56.28 kN)；脫軌系數最大值峰值出現在工況1中，達到1.1，滿足第一限度；輪重減載率的最大值也出現在工況1中，為0.37，符合限值要求；工況1中的傾覆系數0.29為最大值，小于其安全限值。

對于作業車而言，工況1中出現了最大的輪軸橫向力30.5 kN，小于其71.85 kN的限值；工況1中的脫軌系數也達到了最大值，為0.95，滿足第二限度；輪重減載率最大值為0.33，也出現在工況1中，符合安全限值；工況1中的傾覆系數為0.28，屬最大值，小于其安全限值。

3.3直線運行平穩性分析

為了分析和評估HSM型鋼軌銑磨車的運行平穩性性能，重點分析在軌道不平順激擾下，HSM型鋼軌銑磨車分別以60,80,100,120 km/h速度在直線軌道上運行時的平穩性性能。

HSM型鋼軌銑磨車以60～120 km/h速度運行時，動力車的平穩性指標仿真計算結果如表4所示。

圖2　鋼軌銑磨車輪對橫向位移與速度關系

工況速度/km·h-1圓曲線半徑/m緩和曲線長/m圓曲線長/m外軌超高/mm180900801001002706008010012036030080100140

表3　HSM型鋼軌銑磨車通過曲線時安全性指標的最大值

由表4可知，在60～120 km/h的范圍內，隨著行車速度的增加，橫向加速度變化不大，垂向加速度呈上升趨勢，在60 km/h的速度下，動力車橫向加速度出現最大值0.16g，其垂向加速度最大值為0.40g，出現在120 km/h的速度條件下，且均未超出合格的等級限制(0.5g,0.7g)；橫向平穩性指標最大值2.65、垂向平穩性指標最大值2.98均小于3.0，屬優良等級。

HSM型鋼軌銑磨車以60～120 km/h速度運行時，作業車的平穩性指標(車體橫向和垂向振動加速度及相應的平穩性指標)仿真計算結果如表5所示。

表4　不同速度下動力車運行平穩性指標

表5　不同速度下作業車運行平穩性指標

由表5可知，在60～120 km/h范圍內，隨著行車速度的增加，橫向加速度變化亦不大，垂向加速度呈上升趨勢，動力車橫向加速度最大值0.13g出現在80 km/h的條件下，動力車垂向加速度最大值0.34g出現在120 km/h速度條件下，且均未超出合格的等級限制(0.5g,0.7g)；橫向平穩性指標最大值2.74，垂向平穩性指標最大值2.86，均小于3.0，屬優級。

4結論

運用TTISIM仿真系統對HSM型鋼軌銑磨車的動力學性能進行仿真分析得到如下幾點結論：(1)動力車的非線性臨界速度為187 km/h，作業車的非線性臨界速度為205 km/h，均能滿足最大運行速度120 km/h的運用需求；(2)在本文給定的曲線通過工況下(80 km/h速度通過半徑900 m、70 km/h速度通過半徑600 m及60 km/h速度通過半徑300 m)，HSM型鋼軌銑磨車動力車和作業車的輪軌安全性能均滿足運用要求；(3)HSM型鋼軌銑磨車以60～120 km/h速度運行時，動力車和作業車的車體橫向、垂向振動加速度均小于規定限值，運行平穩性指標均屬于優級。

參考文獻

[1]金學松,杜星,郭俊,等. 鋼軌打磨技術研究進展[J]. 西南交通大學學報,2010,45(1):1-11.

[2]劉真兵. 鋼軌銑磨車磨削裝置設計及磨削力控制研究[D].中南大學,2013.

[3]金衛鋒. 鋼軌銑磨車作業性能和效果分析[J]. 上海鐵道科技,2009, (4):37-40.

[4]翟婉明. 車輛-軌道耦合動力學(上冊)[M]， 第4版. 北京: 中國鐵道出版社, 2015.

[5]王開云,翟婉明. 車輛-軌道耦合動力學仿真軟件TTISIM及其試驗驗證[J]. 中國鐵道科學,2004,25(6):49-54.

[6]GB /T 17426-1998,鐵道特種車輛和軌行機械動力學評定及試驗方法[S].

[7]鄔平波, 曾京. 確定車輛系統線性和非線性臨界速度的新方法[J]. 鐵道車輛, 2000, 38(5): 1-4.

Simulation Study on Dynamics Performances of HSM Rail Milling Train

SHI Zhi-yong1, WANG Kai-yun1, LV Kai-kai1, FENG Quan-bao2

(1.TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China;

2.BeijingFeb.7thRailwayTransportationEquipmentCo.,Ltd.,Beijing100072,China)

Abstract:Based on the theory of vehicle-track coupled dynamics, the dynamic performances of HSM rail milling train are studied by means of the dynamic simulation software TTISIM. The research result shows that the non-linear critical speed of power car is 187 km/h, and the non-linear critical speed of operating car is 205 km/h. When the milling train passes through 900 m-radius, 600 m-radius, and 300 m-radius curve tracksat speed of 80, 70 and 60 km/h respectively, all the safety requirements can be satisfied. The stability indicescan also meet the standard for the train running on the straight tracks at the speed of 60～120 km/h.

Key words:HSM rail milling train; Dynamics performance; TTISIM software

中圖分類號：U216.6

文獻標志碼：A

文章編號：1671-8755(2015)04-0029-04

作者簡介:史智勇(1990—)，男，碩士研究生。E-mail:shizhiyongswjtu@gmail.com

基金項目:國家自然科學 (51478399)。

收稿日期：2015-07-01