地鐵動車組動力學(xué)性能分析

摘 要：基于某型地鐵動車組動力學(xué)參數(shù)，建立SIMPACK車輛動力學(xué)模型，分析了車輛的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、脫軌系數(shù)、輪重減載率4項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)，并根據(jù)鐵道機(jī)車車輛動力學(xué)性能評定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對該軌道車動力學(xué)性能作了全面、綜合評估。研究結(jié)果表明：該軌道車輛非線性臨界速度較高，具有較大的穩(wěn)定性裕度；橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)級要求；動態(tài)曲線通過安全性指標(biāo)能夠滿足安全行車要求。

關(guān)鍵詞：地鐵動車組；動力學(xué)性能；動力學(xué)計(jì)算

地鐵車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、穩(wěn)定性和曲線通過性等是評價(jià)車輛運(yùn)行狀態(tài)的重要動力學(xué)指標(biāo)[1]。通過動力學(xué)軟件仿真計(jì)算可以評定車輛的動力學(xué)指標(biāo)，指導(dǎo)地鐵車輛動車組的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

1 車輛動力學(xué)模型

車輛在實(shí)際運(yùn)營過程中具有大量的非線性因素，其動力學(xué)計(jì)算需要借助于計(jì)算機(jī)的批量處理和專業(yè)車輛動力學(xué)處理軟件。SIMPACK的Wheel/Rail（輪軌）模塊是目前世界上著名的、功能最強(qiáng)大的車輛系統(tǒng)動力學(xué)分析的數(shù)值仿真軟件之一[2]。基于車輛動車組動力學(xué)參數(shù)，利用SIMPACK軟件建立了地鐵動車組模型。本文車輛模型包括輪對、一系懸掛（軸箱和一系減振）、二系懸掛整（空簧、垂向和橫向減振器、抗側(cè)滾扭桿、牽引拉桿）、車體。輪軌接觸部分，車輪踏面采用S1002，鋼軌軌頭型面為UIC60。

2 鐵道車輛動力學(xué)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 臨界速度

在輪軌間蠕滑力的作用下，車輛運(yùn)行到達(dá)某一臨界速度時(shí)會產(chǎn)生失穩(wěn)的自激振動即蛇形運(yùn)動。高速時(shí)的蛇形運(yùn)動表現(xiàn)為輪對和轉(zhuǎn)向架的激烈的橫向振動，它威脅到運(yùn)行安全。為此，要求車輛蛇形運(yùn)動的臨界速度Vc要遠(yuǎn)高于其運(yùn)行速度，以保證有足夠的速度裕量[3]。

2.2 Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)

乘客的舒適度感受也是評價(jià)車輛動力學(xué)性能的一個(gè)主要方面。國際是常用的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是車輛平穩(wěn)性指標(biāo)。GB/T5599-85《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中對平穩(wěn)性評定等級的界限。

2.3 曲線通過性指標(biāo)

2.3.1 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)是指作用在車輪上的橫向力和垂向力的比值，用于評定防止車輪脫離軌道的指標(biāo)。按照TB/T2360-93來評定。

2.3.2 輪重減載率

輪重減載率是指車輪所受垂向力減載量與左右車輪平均垂向力的比值，用于衡量有無可能由于車輪減載過大而導(dǎo)致脫軌。其參照GB5599-85來評定。

3 動力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析

3.1 臨界速度

文章中的地鐵動車組，運(yùn)營最高速度為80km/h。在模型軌道上加入50m的美國5級軌道譜，使整個(gè)車輛系統(tǒng)的振動被激發(fā)后，讓其在平直理想的軌道上運(yùn)行，考察導(dǎo)向輪對的蛇形失穩(wěn)情況。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

車輛模型計(jì)算的速度分別為60km/h、70km/h、80km/h、90km/h、100km/h，由圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車速為100km/h時(shí)，輪對橫移振動可以逐漸衰減到平衡位置，可見車輛的臨界速度Vc大于80km/h。該軌道車穩(wěn)定性能夠滿足設(shè)計(jì)最高時(shí)速的要求。

3.2 Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)

以美國5級線路譜隨機(jī)不平順作為直線軌道的激擾源，計(jì)算了該車輛分別以70km/h、80km/h、90km/h、100km/h 4個(gè)速度等級運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性指標(biāo)（車體橫向和垂向振動加速度及相應(yīng)的平穩(wěn)性指標(biāo)），結(jié)果如圖2所示。

在軌道上加上美國5級軌道譜，速度由70、80、90、100km/h變化時(shí)，Y向平穩(wěn)性指標(biāo)小于標(biāo)準(zhǔn)值2.0，Z向平穩(wěn)性指標(biāo)小于標(biāo)準(zhǔn)值1.2。在速度為80km/h時(shí)Y向平穩(wěn)性指標(biāo)小于標(biāo)準(zhǔn)值1.7，Z向平穩(wěn)性指標(biāo)小于標(biāo)準(zhǔn)值1.2。平穩(wěn)性指標(biāo)達(dá)到優(yōu)級。

3.3 曲線通過性計(jì)算

3.3.1 脫軌系數(shù)

車輛速度為80km/h時(shí)，通過半徑為350m、400m、450mm和500m的曲線段。分別計(jì)算各個(gè)曲線半徑下車輛的脫軌系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，隨著曲線半徑的增大圓曲線處車輛的脫軌系數(shù)在逐漸減小，且當(dāng)曲線半徑為350m時(shí)，車輛在圓曲線處的脫軌系數(shù)最大，達(dá)到了0.4。但是遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值0.6，達(dá)到優(yōu)等級。表明車輛的脫軌系數(shù)指標(biāo)達(dá)設(shè)計(jì)要求，可以保證車輛的安全運(yùn)營。

3.3.2 輪重減載率

車輛速度為80km/h時(shí)，通過半徑為350m、400m、450mm和500m的曲線段。分別計(jì)算各個(gè)曲線半徑下車輛的脫軌系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4所示可見，輪重減載率最大值出現(xiàn)在曲線半徑為400m，車輛的第4位輪對。其變化趨勢是1、2、3位輪對的輪重減載率逐漸減小，4位輪對增大。其最大值小于0.5，在安全標(biāo)準(zhǔn)等級0.6以下。表明車輛的輪重減載率指標(biāo)達(dá)設(shè)計(jì)要求，可以保證車輛的安全運(yùn)營。

4 結(jié)束語

基于地鐵動車組動力學(xué)參數(shù)，建立了SIMPACK車輛動力學(xué)模型，通過數(shù)值計(jì)算得到如下結(jié)論：（1）在軌道上加入50m的軌道激勵后，車輛在100km/h的速度下通過該區(qū)域，可以衰減到平衡位置，表明車輛蛇形運(yùn)動的臨界速度Vc高于其運(yùn)營最高速度80km/h，車輛的動力學(xué)性能可以保證該車運(yùn)營穩(wěn)定性。（2）以美國5級線路譜隨機(jī)不平順作為直線軌道的激擾源，計(jì)算了該車輛分別以70km/h、80km/h、90km/h、100km/h 4個(gè)速度等級運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性，平穩(wěn)性指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)級。（3）車輛速度為80km/h時(shí)，通過半徑為350m、400m、450m和500m的曲線段。計(jì)算了車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率。結(jié)果表明各項(xiàng)曲線通過動力學(xué)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)，表明車輛的各項(xiàng)動力學(xué)參數(shù)是合格的。

參考文獻(xiàn)

[1]肖廣文，肖新標(biāo)，溫澤峰，等.高速客車輪對動力學(xué)性能的比較[J].鐵道學(xué)報(bào)，2008，6.

[2] 炳榮，羅仁，王哲，等.SIMPACK動力學(xué)分析高級教程[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[3]王福天.車輛系統(tǒng)動力學(xué)[M].