二系橫向減振器失效故障對中國標準動車組性能的影響

于文濤,徐傳波,,郭兆團,吳佳佳

(1.鄭州鐵路職業技術學院 機車車輛學院,鄭州 450052; 2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室,成都 610031)

二系橫向減振器主要橫向安裝于轉向架與車體(或枕梁)之間,其主要作用就是抑制車體與轉向架之間的橫向運動,即橫擺與搖頭運動[1].二系橫向阻尼過小,則無法有效抑制車體與轉向架之間的橫向運動,動力學性能達不到最優化;阻尼過大會導致車體過度的橫向擺動,同時也會誘導車體橫擺和側滾運動.因此,應當選擇合適的二系橫向減振器阻尼.二系橫向減振器阻尼達到最優化時,本文就失效故障對車輛動力學的影響展開了研究,仿真分析了二系橫向減振器失效故障對中國標準動車組(China Electric Multiple Units,CEMU)車輛動力學性能的影響,對CEMU故障狀態分析具有一定指導作用.

相關學者對二系橫向減振器進行了其他相關研究.池毓敢等[2]認為二系橫向減振器失效、過大或者過小均會極大程度上惡化車輛橫向平穩性能.劉建新等[3]認為橫向減振器阻尼可以提高乘坐舒適性,其懸掛位置對車輛平穩性的影響不大.曾恒[4]對高速列車橫向半主動減振器進行了相關設計分析.馮征等[5]對某C0-C0機車轉向架二系橫向減振器對橫向平穩性影響進行了分析.文獻[6-9]也對二系橫向減振器進行了相關方面研究.

1 二系橫向減振器失效故障對其動力學性能影響

為了研究二系橫向減振器失效個數對車輛動力學性能的影響,通過動力學軟件SIMPACK建立了CEMU車輛(拖車)動力學模型,如圖1所示.該CEMU的車輪踏面外形采用LMA踏面,鋼軌采用CN60鋼軌,輪對內側距沿用中國標準1 353 mm.該CEMU動力學模型，每節車由1個車體、2個構架、4個輪對、2個牽引拉桿、8個轉臂組成.車體、構架、牽引拉桿、輪對取6個自由度,即縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭;轉臂取1個自由度,即點頭.每節車共有62個自由度.

圖1 CEMU車輛動力學模型Fig.1 Dynamic model of one of CEMU

1.1 二系橫向減振器失效故障對車輛穩定性的影響

車輛穩定性主要通過車輛蛇行臨界速度來評價.車輛蛇行臨界速度的仿真計算方法:將車輛運行在一段實測不平順軌道譜(本文選擇武漢到廣州實測線路譜)上激發其振動,然后讓車輛運行在理想光滑軌道譜上,通過觀察車輛振動能否衰減到平衡位置來判斷車輛是否出現蛇行失穩.車輛能夠自行恢復到穩定狀態則表示沒有發生蛇行失穩,車輛振動幅值不能自行收斂到平衡位置時對應的速度稱為蛇行臨界速度.

二系橫向減振器全部有效原車狀態下蛇行臨界速度情況，如圖2所示.圖3～圖5分別表示失效1根二系橫向減振器、2根二系橫向減振器(前后轉向架各失效一個)及全部失效下的蛇行臨界速度.由圖2可知,二系橫向減振器全部完好狀態時,其蛇行臨界速度為425 km/h.由圖3和圖4可知,失效1根或2根二系橫向減振器,其臨界速度均為400 km/h.由圖5可知,二系橫向減振器全部失效時,其蛇行臨界速度急劇下降,只有150 km/h.

綜上分析,當二系橫向減振器失效1根或2根時,對車輛穩定性影響不是很明顯;當二系橫向減振器全部失效時,對車輛穩定性影響非常明顯.

圖2 原車狀態下臨界速度Fig.2 Critical speed under normal condition

圖3 失效1根二系橫向減振器臨界速度Fig.3 Critical speed as existing one disabled lateral damper

圖4 失效2根二系橫向減振器臨界速度Fig.4 Critical speed as existing two disabled lateral dampers

圖5 二系橫向減振器全部失效臨界速度Fig.5 Critical speed with all disable lateral dampers

1.2 二系橫向減振器失效故障對車輛平穩性的影響

平穩性指標主要包括橫向、垂向平穩性及乘客乘坐舒適性.本文計算平穩性方法:將該動車組以不同速度(速度從100～400 km/h,以50 km/h遞增)運行在理想的線路上,然后運行在一段足夠長的實測軌道線路譜上(武漢到廣州實測線路譜),通過采集加速度及后期處理來評判車輛平穩性.其中,車體加速度在該高速列車穩定運行一段時間后再進行采集.

圖6～圖8分別表示二系橫向減振器失效故障對車輛橫向平穩性、垂向平穩性及乘坐舒適性的影響.由圖6～圖8可以發現:當二系橫向減振器失效1個或者2個時,橫向平穩性略有變差,垂向平穩性及乘坐舒適性變化則不是很明顯;當二系橫向減振器全部失效時,對車輛橫向平穩性、垂向平穩性、乘坐舒適性的影響非常明顯.

圖6 二系橫向減振器失效故障對車輛橫向平穩性的影響Fig.6 Effect of disable lateral dampers on lateral

圖7 二系橫向減振器失效故障對車輛垂向平穩性的影響Fig.7 Effect of disable lateral dampers on vertical

圖8 二系橫向減振器失效故障對車輛乘坐舒適性的影響Fig.8 Effect of disable lateral dampers on

1.3 二系橫向減振器失效故障對車輛安全性影響

計算CEMU以不同速度(速度從100～400 km/h,以50 km/h遞增)分別通過直線和不同曲線時的安全性指標(輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率).計算中考慮軌道的隨機不平順激擾(武廣線實測譜).其中,計算線路工況為直線200 m—緩和曲線400 m—圓曲線500 m(半徑為7 000 m,超高為180 mm)—緩和曲線500 m—直線200 m.

圖9～圖12分別表示二系橫向減振器失效故障對輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率影響.從圖9～圖12可以發現:當二系橫向減振器失效1個或2個時,對輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率的影響不是很明顯;當二系橫向減振器全部失效時,輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率明顯變差.輪軌垂向力受二系橫向減振器故障的影響較小.

圖10 二系橫向減振器失效故障對輪軌垂向力的影響Fig.10 Effect of disable lateral dampers on wheel-rail

圖11 二系橫向減振器失效故障對脫軌系數的影響Fig.11 Effect of disable lateral dampers on

圖12 二系橫向減振器失效故障對輪重減載率的影響Fig.12 Effect of disable lateral dampers on wheel

2 結論

本文基于動力學軟件SIMPACK建立了CEMU動力學模型,并仿真計算了二系橫向減振器失效故障對車輛穩定性、平穩性和乘坐舒適性、安全性的影響,有助于工程上對CEMU故障狀態分析,具有一定工程應用價值.基于上述仿真分析,可以得到以下結論:

(1) 當二系橫向減振器失效1個或者2個時,對車輛穩定性,影響不是很明顯;當二系橫向減振器全部失效時,車輛穩定性急劇下降,影響非常明顯.

(2) 當二系橫向減振器失效1個或者2個時,橫向平穩性略有變差,垂向平穩性及乘坐舒適性變化則不是很明顯;當二系橫向減振器全部失效時,對車輛橫向平穩性、垂向平穩性、乘坐舒適性的影響非常明顯.

(3) 當二系橫向減振器失效1個或者2個時,對輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率的影響不是很明顯;當二系橫向減振器全部失效時,輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率明顯變差,輪軌垂向力受二系橫向減振器故障的影響較小.