運(yùn)行速度對(duì)馱背運(yùn)輸安全性影響的仿真分析

林武 馮仁錦 張皓 王凱

眉山中車(chē)物流裝備有限公司 四川眉山 620020

1 前言

馱背運(yùn)輸是多式聯(lián)運(yùn)模式的一種，它結(jié)合了公路運(yùn)輸與鐵路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，將原有貨物單一的長(zhǎng)途汽車(chē)運(yùn)輸方式變?yōu)楣疯F路聯(lián)合運(yùn)輸方式，通過(guò)貨運(yùn)車(chē)輛或半掛車(chē)承載貨物后自行駛?cè)牖虻跹b至專用鐵路運(yùn)輸車(chē)輛，再通過(guò)鐵路完成長(zhǎng)途運(yùn)輸，到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)后，汽車(chē)自行開(kāi)下或吊離鐵路專用車(chē)輛并駛往最終目的地的一種快捷運(yùn)輸模式。馱背運(yùn)輸模式如圖1所示。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于軌道車(chē)輛的運(yùn)行安全性方面做了大量的動(dòng)力學(xué)研究。國(guó)外方面，HansTrue等人探討了軌道車(chē)輛系統(tǒng)中的一些非線性情況，并提出了軌道車(chē)輛非線性臨界速度的基本算法。Schupp利用SIMPACK軟件并通過(guò)延續(xù)算法，研究了復(fù)雜軌道車(chē)輛系統(tǒng)相關(guān)的穩(wěn)定性問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者在該軌道車(chē)輛運(yùn)行安全領(lǐng)域內(nèi)也做了大量的研究。羅仁等通過(guò)建立在三種編組條件下列車(chē)的縱向-橫向-垂向耦合模型，對(duì)列車(chē)車(chē)組中每輛車(chē)的線性與非線性運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真研究。趙洪倫等人深入研究了眾多優(yōu)化方法，通過(guò)縱橫向定位剛度的變化以及對(duì)于其臨界速度的分析提高了列車(chē)的運(yùn)行安全性。

圖1 馱背運(yùn)輸模式

以上研究均針對(duì)的是普通鐵路客運(yùn)和貨運(yùn)車(chē)輛，并未針對(duì)馱背運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行專門(mén)研究。目前馱背運(yùn)輸在我國(guó)尚處于起步階段，有關(guān)馱背運(yùn)輸車(chē)輛的仿真研究相對(duì)較少。本文討論的馱背運(yùn)輸車(chē)單車(chē)車(chē)體長(zhǎng)度為19.32 m，轉(zhuǎn)向架中心距為17 m。與計(jì)算車(chē)輛相比，車(chē)輛定距較小。本文應(yīng)用Simpack軟件及與軌道車(chē)輛仿真相關(guān)的理論，對(duì)鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析得出鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛運(yùn)行的安全速度。

2 馱背運(yùn)輸車(chē)輛仿真

2.1 仿真樣車(chē)的選取

本仿真選用的是某型鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1所示，單車(chē)長(zhǎng)度約為19.32 m，車(chē)輛承載面長(zhǎng)度約為15 m，最大載重不超過(guò)49 t，如圖2所示。

表1 鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛整車(chē)參數(shù)表

圖2 仿真用馱背運(yùn)輸車(chē)輛

2.2 模型建立及簡(jiǎn)化

在Simpack軟件的rail_track模塊中依次建立輪對(duì)模型、側(cè)架模型、承載鞍模型、虛車(chē)體模型、搖枕模型，ZK6轉(zhuǎn)向架模型由以上幾個(gè)子模型組成，接下來(lái)在此模塊下建立車(chē)體模型，車(chē)體模型和前后轉(zhuǎn)向架模型裝配構(gòu)成了鐵路馱背車(chē)輛的總體模型。

圖3 半掛車(chē)空氣懸掛系統(tǒng)

運(yùn)輸?shù)陌霋燔?chē)空氣懸掛系統(tǒng)如圖3所示，參考UIC596-5鐵路貨車(chē)運(yùn)送公路車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)，空氣懸架氣囊在鐵路運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)保持無(wú)氣狀態(tài)，這是因?yàn)榘霋燔?chē)上鐵路馱背車(chē)輛后，就切斷了供氣系統(tǒng)，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸過(guò)程中，由于鐵路馱背車(chē)輛顛簸運(yùn)行，氣囊里的氣體在半掛車(chē)高度控制閥作用下一點(diǎn)點(diǎn)地排出，會(huì)增加運(yùn)輸過(guò)程中的不穩(wěn)定性。放氣后半掛車(chē)支撐在氣囊緩沖塊上，緩沖塊加上導(dǎo)向臂和阻尼器就是一個(gè)剛性支撐，故半掛車(chē)可簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量塊模型，整體模型如圖4所示。

圖4 Simpack鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛模型

2.3 施加約束

通過(guò)表2所示的ZK6轉(zhuǎn)向架的具體鉸接方式進(jìn)行約束施加，并定義模型中存在的二系力，車(chē)輛系統(tǒng)總體拓?fù)潢P(guān)系如圖5所示。

a.定義一系力作用在鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛承載鞍和側(cè)架之間，在鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛承載鞍和側(cè)架之間建立一系力標(biāo)記點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)即為鉸接點(diǎn)，將車(chē)輛一系懸掛的實(shí)際剛度值和阻尼值輸入到Simpack軟件中定義完成一系力。承載鞍與側(cè)架之間通過(guò)Simpack軟件中的2號(hào)鉸接形式鉸接；

b.定義二系力作用在鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛搖枕和側(cè)架之間，在鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛搖枕與側(cè)架之間建立二系力標(biāo)記點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)即為鉸接點(diǎn)，將二系懸掛實(shí)際剛度值和阻尼值輸入到Simpack軟件中定義完成二系力。搖枕與側(cè)架之間通過(guò)Simpack軟件中的25號(hào)鉸接形式鉸接。

表2 ZK6轉(zhuǎn)向架的具體鉸接方式

圖5 鐵路馱背運(yùn)輸系統(tǒng)總體拓?fù)鋱D

2.4 仿真條件設(shè)定

當(dāng)車(chē)輛系統(tǒng)受到一個(gè)初始激勵(lì)后，分析車(chē)輛在不同的運(yùn)行速度下輪對(duì)橫移量隨時(shí)間的變化情況，如收斂，則車(chē)輛處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖6所示；如發(fā)散，則車(chē)輛處于失穩(wěn)狀態(tài)，如圖7所示；如既不收斂，也不發(fā)散，則車(chē)輛處于臨界狀態(tài)，如圖8所示，此時(shí)相對(duì)應(yīng)的車(chē)輛運(yùn)行速度稱為車(chē)輛的臨界速度。

圖6 穩(wěn)定狀態(tài)下輪對(duì)橫移量隨行程變化曲線

圖7 失穩(wěn)狀態(tài)下輪對(duì)橫移量隨行程變化曲線

圖8 臨界狀態(tài)下輪對(duì)橫移量隨行程變化曲線

在Simpack軟件中對(duì)軌道施加激勵(lì)前，需要先定義輸入的函數(shù)列，新建名稱為“Track-related”和“Rail-related”的函數(shù)列，分別選擇T R E激勵(lì)文件“binary_track_excit_tre”和“binary_rail_excit_tre”，定義完成橫向、垂向、側(cè)滾、軌距、左右橫向和左右垂向8種不平順條件輸入函數(shù)，其中橫向不平順函數(shù)圖如圖9所示。

在Simpack軟件中新建一個(gè)橫向的軌道不平順條件，名稱為“Lat”，在Type中選擇Distance Domain（空間域）里面的“109：From Input Function（Adv）”，因?yàn)檐壍啦黄巾樢话愣际强臻g域的，如果選擇時(shí)域或者頻域的激勵(lì)是施加不到線路上去的。在輸入激勵(lì)功能項(xiàng)中選擇上一步建立的輸入函數(shù)列“I_Lateral”，定義完成軌道橫向激勵(lì)，如圖10所示。用同樣的方法定義其他7種不平順條件。將定義好的激勵(lì)施加與軌道不平順條件中，激勵(lì)開(kāi)始位置、激勵(lì)平滑長(zhǎng)度和激勵(lì)終止位置分別為50m、5m、100m，如圖11所示。接下來(lái)進(jìn)行臨界速度分析。使用單次積分法計(jì)算非線性臨界速度，線路是有50 m激勵(lì)的直線，然后讓車(chē)輛以一定的速度通過(guò)，看左右輪對(duì)的橫移量，按2.4章節(jié)所述的評(píng)價(jià)原理進(jìn)行判斷，如果收斂，增大此時(shí)的仿真速度，如果出現(xiàn)等幅震蕩，那么可以取兩次仿真速度的中間值，再進(jìn)行計(jì)算，直到找到時(shí)速為akm/h，那么輪對(duì)橫移量是穩(wěn)定狀態(tài)，而在（a+1）km/h為臨界狀態(tài)，那么（a+1）km/h為臨界速度。

圖9 橫向不平順函數(shù)定義

圖10 定義橫向激勵(lì)

圖11 施加軌道不平順條件

初始仿真速度設(shè)置為100 km/h，仿真時(shí)間設(shè)置為15 s，采樣頻率設(shè)置為100 Hz，進(jìn)行離線積分，得出輪對(duì)橫移量隨時(shí)間的變化曲線。逐漸增加仿真速度，進(jìn)行離線積分，得出輪對(duì)橫移量隨時(shí)間的變化曲線。

3 仿真結(jié)果分析

仿真速度設(shè)置為100 km/h時(shí)，輪對(duì)橫移量隨時(shí)間的變化曲線如圖12所示。

圖12 100 km/h時(shí)輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化曲線

由圖12可以看出：鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)在仿真進(jìn)行4 s后速度達(dá)到100 km/h，此時(shí)輪對(duì)橫移量隨著速度的增大而增加，從圖中可以看出最大橫移量數(shù)值約為12 mm，之后車(chē)輛仍然安全運(yùn)行，在6 ～15 s內(nèi)車(chē)輛處于恒定速度狀態(tài)，輪對(duì)橫移量也逐漸有規(guī)律的減小，此時(shí)車(chē)輛進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明100 km/h為安全運(yùn)行速度。

圖13 110 km/h時(shí)輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化曲線

由圖13、14可以看出：隨著仿真速度設(shè)定值增大，車(chē)輛進(jìn)入穩(wěn)定速度前的4～6 s內(nèi)，輪對(duì)橫移量數(shù)值較大，最大橫移量約為17 mm，仍然處于安全范圍內(nèi)，6 s之后車(chē)輛運(yùn)行速度穩(wěn)定，橫移量逐漸呈規(guī)律性減小，說(shuō)明車(chē)輛仍然處于安全運(yùn)行速度下的穩(wěn)定狀態(tài)。6～15 s時(shí)，輪對(duì)橫移量曲線隨時(shí)間的變化越來(lái)越趨于平穩(wěn)，證明此時(shí)車(chē)輛運(yùn)行速度符合安全性要求。

圖14 119 km/h時(shí)輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化曲線

圖15 120 km/h時(shí)輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化曲線

由圖15可以看出：在速度處于恒定狀態(tài)以前，最大橫移時(shí)間出現(xiàn)在6 s左右，最大橫移量為43 mm左右，6 s后當(dāng)速度處于恒定狀態(tài)時(shí)，輪對(duì)橫移量也處于恒定狀態(tài)，根據(jù)圖6所示的原理圖，速度為120 km/h時(shí)，6 s后的輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化曲線既不收斂也不發(fā)散，說(shuō)明此時(shí)的速度為臨界速度。

由圖16所示，將仿真速度設(shè)置為121 km/h時(shí)，速度在進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化曲線呈發(fā)散狀態(tài)，最大橫移時(shí)間出現(xiàn)在仿真時(shí)間的15 s左右，最大橫移量約為43 mm處，之后根據(jù)圖線呈現(xiàn)的規(guī)律可看出，輪對(duì)橫移量將隨時(shí)間逐漸增大，直至輪對(duì)橫移量超出安全橫移范圍，車(chē)輛失穩(wěn)。

由上述仿真結(jié)果總結(jié)：在仿真速度120 km/h前輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化逐漸降低，說(shuō)明車(chē)輛系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)速度達(dá)到120 km/h時(shí)，輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化保持一個(gè)不變的值，圖線既不現(xiàn)收斂也不發(fā)散，說(shuō)明此時(shí)車(chē)輛系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，當(dāng)速度大于120 km/h時(shí)，輪對(duì)橫移量曲線波峰開(kāi)始逐漸增大趨于發(fā)散狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)車(chē)輛系統(tǒng)正趨于失穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

a.通過(guò)Simpack軟件對(duì)鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真，可通過(guò)軟件自帶的離線積分功能快速地計(jì)算出所需要的各種數(shù)據(jù)，包括本文所得到的運(yùn)行速度相關(guān)數(shù)據(jù)，也可得到運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輛結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的力的大小，為實(shí)際的車(chē)輛系統(tǒng)試驗(yàn)提供了一定的依據(jù)。

b.通過(guò)單次積分法計(jì)算運(yùn)行速度，再通過(guò)輪對(duì)橫移結(jié)果圖判定車(chē)輛系統(tǒng)的臨界速度，仿真得出該鐵路馱背運(yùn)輸車(chē)輛系統(tǒng)的最大運(yùn)行速度為120 km/h，對(duì)于該車(chē)輛系統(tǒng)的安全運(yùn)輸具有指導(dǎo)性作用。

c.隨著仿真軟件的逐步升級(jí)，仿真技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)于車(chē)輛仿真的精確度要求越來(lái)越高，仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相符程度決定了對(duì)于仿真結(jié)果的一系列應(yīng)用，所以對(duì)于該鐵路馱背運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，是接下來(lái)要做的工作。

圖16 121 km/h時(shí)輪對(duì)橫移量隨時(shí)間變化曲線