轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛曲線通過(guò)動(dòng)態(tài)特性研究

張為黎 陳再剛 王家鑫 王開云

摘要：為了揭示我國(guó)最新研發(fā)的轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛動(dòng)力學(xué)特性，本文綜合考慮車輛三系懸掛與轉(zhuǎn)向架群配置的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立了轉(zhuǎn)向架群配置的高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。仿真分析了空、重車情況下車輛以不同速度通過(guò)曲線的輪軌動(dòng)態(tài)相互作用、車輛運(yùn)行安全性、車輛運(yùn)行平穩(wěn)性等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。研究結(jié)果表明：①無(wú)論空車或重車在本文仿真計(jì)算的曲線工況下其各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均在限值之內(nèi);②輪軌動(dòng)態(tài)相互作用和車輛運(yùn)行安全性隨著速度的增加基本都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，最小值基本都在車速325km/h左右出現(xiàn);③重車輪軌動(dòng)態(tài)相互作用以及傾覆系數(shù)均大于空車，而脫軌系數(shù)則是空車大于重車;④車體垂向加速度以及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨車輛運(yùn)行速度變化較小，橫向加速度隨車速增大而增大，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)則有先增大后減小再增大的趨勢(shì)，垂向或橫向平穩(wěn)性指標(biāo)都為優(yōu)。

Abstract： In order to reveal the dynamic characteristics of the newly developed vehicle in high-speed freight EMU equipped with two bogie groups with each having two double-axle bogies， this paper established the system dynamics model of this railway vehicle based on the multi-body system dynamics theory， where the three suspension units， the structure and function characteristics of the high-speed freight railway vehicle was comprehensively taken into account. The dynamic performance indexes such as wheel-rail interaction， vehicle running safety and vehicle running stability were analyzed by simulation. The studied results indicate that： ①the dynamic indexes of both the empty and the heavy vehicles are less than the corresponding limit values at the curve conditions studied in this paper; ②with increase of the vehicle running speed， the wheel-rail dynamic interaction and vehicle operation safety decrease firstly and then increase in general， and the minimum value basically appears around the speed of 325 km/h; ③the wheel-rail dynamic interaction and overturning coefficient of the heavy vehicle are larger than that of the empty vehicle， while the derailment coefficient is much less than that of the empty vehicle; ④the vertical acceleration and the vertical stability of the vehicle vary little with the running speed of the vehicle， while the lateral acceleration increases with the speed of the vehicle， and the lateral stability tends to increase firstly， then decrease and then increase with speed; and both the vertical and horizontal stability indexes are in the excellent range.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架群配置;高速貨運(yùn)動(dòng)車組;行車安全;曲線通過(guò);系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

Key words： bogie group;high-speed freight EMU;running safety;curve negotiation;system dynamics

0? 引言

為滿足國(guó)內(nèi)電商貨物等對(duì)時(shí)效性要求較高的貨物的運(yùn)輸能力，我國(guó)相關(guān)單位研發(fā)了一種轉(zhuǎn)向架群配置的高速貨運(yùn)動(dòng)車組，設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h及以上。該貨運(yùn)動(dòng)車組的特點(diǎn)是依靠增加轉(zhuǎn)向架數(shù)量來(lái)增加軸數(shù)從而提高動(dòng)車組的載重能力。相比傳統(tǒng)的動(dòng)車組車輛，其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，一節(jié)車包含四個(gè)兩軸轉(zhuǎn)向架，每?jī)蓚€(gè)轉(zhuǎn)向架通過(guò)過(guò)渡構(gòu)架組成一個(gè)轉(zhuǎn)向架群，轉(zhuǎn)向架群通過(guò)第三系懸掛單元與車體相連。由于該貨運(yùn)動(dòng)車組還處在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)動(dòng)車組結(jié)構(gòu)相差較大，且其設(shè)計(jì)運(yùn)行速度高、載重大，其動(dòng)力學(xué)性能尤其是曲線通過(guò)性能如何不得而知，亟需建立其動(dòng)力學(xué)模型開展動(dòng)力學(xué)特性研究，為評(píng)估該高速貨運(yùn)動(dòng)車組動(dòng)態(tài)性能是否滿足要求提供理論參考。

關(guān)于列車曲線通過(guò)性能的研究，已有許多學(xué)者開展了大量的研究工作。例如，付茂海[1]等建立了多剛體客運(yùn)列車動(dòng)力學(xué)模型，研究了不同速度、不同曲線、不同懸掛參數(shù)以及車體重心高對(duì)車輛曲線通過(guò)動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律。朱穎[2]等人基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，利用西南交通大學(xué)研發(fā)的TTISIM軟件對(duì)列車不同速度下曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行仿真分析。李敏[3]等人針對(duì)某型內(nèi)燃機(jī)車，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK，仿真分析了該機(jī)車以不同速度通過(guò)小曲線半徑的動(dòng)力學(xué)性能，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。馮仲偉[4]基于多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立了某高速動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型，分析了不同速度、不同曲線半徑、鋼軌類型、曲線超高等因素對(duì)車輛曲線通過(guò)安全性的影響。陳鵬[5]等基于多體動(dòng)力學(xué)理論，分析了車輛運(yùn)行速度、曲線超高等對(duì)曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)以及輪軌磨耗的影響規(guī)律。王開云[6]等基于機(jī)車-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，分析了不同車輛通過(guò)不同半徑，尤其是小半徑曲線下的動(dòng)態(tài)相互作用。

綜上所述，已有許多學(xué)者針對(duì)軌道車輛曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究，這些研究工作為傳統(tǒng)軌道車輛動(dòng)力學(xué)分析尤其是曲線通過(guò)性能分析提供了很好的理論參考和借鑒。因此，本文基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論[7]，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛動(dòng)力學(xué)模型，分析了空、重車在不同速度下通過(guò)曲線的動(dòng)態(tài)特性。研究結(jié)果表明，在本文分析的曲線工況以及速度條件下，該動(dòng)車組車輛空、重車曲線通過(guò)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)均處于安全限值內(nèi)。

1? 轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛動(dòng)力學(xué)模型

轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛包括一個(gè)車體、兩個(gè)過(guò)渡構(gòu)架、四個(gè)構(gòu)架以及八個(gè)輪對(duì)。其中車體與過(guò)渡構(gòu)架之間通過(guò)三系懸掛單元連接，包括三系橡膠堆、三系抗蛇行減振器、三系橫向減振器以及抗側(cè)滾扭桿等。而過(guò)渡構(gòu)架則通過(guò)二系懸掛單元與構(gòu)架相連，包括二系空氣彈簧、二系抗蛇行減振器以及二系垂、橫向減振器等。構(gòu)架之下為輪對(duì)，兩者之間通過(guò)一系懸掛單元相連，包括一系鋼簧以及一系垂向減振器等。各車輛系統(tǒng)主要部件及懸掛單元如圖1所示。

本文在此基礎(chǔ)上，基于多體動(dòng)力學(xué)理論，建立了轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型。該轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛與以往的高速動(dòng)車組車輛不同之處在于其多了過(guò)渡構(gòu)架這一部件，過(guò)渡構(gòu)架向上通過(guò)三系懸掛單元與車體相連，每一過(guò)渡構(gòu)架下有兩個(gè)二軸轉(zhuǎn)向架并通過(guò)二系懸掛單元與之相連。如圖2所示，該動(dòng)力學(xué)模型充分考慮了系統(tǒng)中存在的非線性特性如抗蛇形減振器、橫向減振器、懸掛單元阻尼等，代表主要零部件的剛體擁有5個(gè)自由度：橫移、沉浮、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭，該車輛動(dòng)力學(xué)模型共有75個(gè)自由度。

2? 轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛曲線通過(guò)動(dòng)態(tài)特性分析

為分析轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組通過(guò)曲線的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10098-2017）[8]設(shè)置線路曲線參數(shù)如下：曲線半徑7000m，圓曲線長(zhǎng)度1000m，緩曲長(zhǎng)度680m，直線長(zhǎng)200m，超高175mm;線路隨機(jī)不平順采用我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道譜;曲線通過(guò)速度范圍為200～400km/h。由于軸數(shù)的增加，轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛其載重相比于傳統(tǒng)的動(dòng)車組車輛也有所增加，因此其重車狀態(tài)下通過(guò)曲線的輪軌動(dòng)態(tài)相互作用是否超過(guò)其限值也是我們關(guān)注的重點(diǎn)，因此本節(jié)對(duì)空車以及重車通過(guò)曲線的動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能均進(jìn)行了仿真計(jì)算，不僅計(jì)算了空、重車在曲線狀態(tài)下各指標(biāo)隨運(yùn)行速度的變化趨勢(shì)，也比較了空、重車曲線通過(guò)動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能的差異。

2.1 輪軌動(dòng)態(tài)相互作用

空、重車以250km/h速度惰行通過(guò)曲線時(shí)前、后轉(zhuǎn)向架各輪對(duì)的輪軌動(dòng)態(tài)橫向力時(shí)域曲線圖如圖3與圖4所示。空車條件下，前轉(zhuǎn)向架群一、三位輪對(duì)內(nèi)側(cè)輪軌橫向力最大值分別為5.32kN、5.40kN，二、四位輪對(duì)輪軌內(nèi)側(cè)橫向力最大值約為2.37kN、2.61kN;后轉(zhuǎn)向架群一、三位輪對(duì)內(nèi)側(cè)輪軌橫向力最大值分別為5.53kN、5.44kN，二、四位輪對(duì)內(nèi)側(cè)輪軌橫向力最大值分別為2.54kN、2.52kN。由此可知，無(wú)論是前轉(zhuǎn)向架群還是后轉(zhuǎn)向架群，其一、三位輪對(duì)的內(nèi)側(cè)輪軌橫向力均大于二、四位輪對(duì)的內(nèi)側(cè)輪軌橫向力，對(duì)于外側(cè)輪軌橫向力也有類似結(jié)果。而對(duì)于重車而言，其前轉(zhuǎn)向架群一、三位輪對(duì)內(nèi)側(cè)輪軌橫向力最大值分別為9.41kN、9.57kN，二、四位輪對(duì)內(nèi)側(cè)輪軌橫向力最大值分別為4.77kN、4.61kN;后轉(zhuǎn)向架群一、三位輪對(duì)內(nèi)側(cè)輪軌橫向力最大值約為9.71kN、9.48kN，二、四位內(nèi)側(cè)輪對(duì)輪軌橫向力最大值分別為5.25kN以及4.46kN。同樣地，對(duì)于外側(cè)輪軌橫向力也有類似的結(jié)果。且重車各輪對(duì)內(nèi)側(cè)輪軌橫向力稍大于外側(cè)輪軌橫向力，重車各輪對(duì)對(duì)應(yīng)輪軌橫向力均大于空車。

輪軌動(dòng)態(tài)相互作用指標(biāo)隨車輛運(yùn)行速度變化趨勢(shì)如圖5所示，圖中各指標(biāo)為所有輪對(duì)中的峰值。由圖5可知，車輛在曲線運(yùn)行時(shí)，隨著車輛運(yùn)行速度的提升，無(wú)論空車還是重車，各輪軌動(dòng)態(tài)相互作用指標(biāo)基本呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，各指標(biāo)幾乎均在車速325km/h左右達(dá)到最小，重車的輪軌動(dòng)態(tài)相互作用指標(biāo)在各速度等級(jí)下均大于空車輪軌動(dòng)態(tài)相互作用指標(biāo)，重車運(yùn)行各輪軌動(dòng)態(tài)相互作用較之于空車更為惡劣，但無(wú)論空車或重車其輪軌動(dòng)態(tài)相互作用指標(biāo)均小于其限值。

2.2 車輛運(yùn)行安全性

圖6以及圖7分別為空、重車以250km/h的速度惰行通過(guò)曲線時(shí)前、后轉(zhuǎn)向架群各輪對(duì)的輪重減載率時(shí)域圖，由于脫軌系數(shù)和傾覆系數(shù)時(shí)域曲線類似，限于篇幅，這里就不一一列舉。當(dāng)空車運(yùn)行時(shí)，前轉(zhuǎn)向架群四個(gè)輪對(duì)的內(nèi)側(cè)輪重減載率最大值分別約為0.3、0.3、0.29以及0.3，而對(duì)應(yīng)的外側(cè)輪重減載率最大值分別約為0.34、0.26、0.32以及0.27;后轉(zhuǎn)向架各位輪對(duì)的內(nèi)側(cè)輪重減載率最大值分別約為0.29、0.3、0.29和0.3，而對(duì)應(yīng)的外側(cè)輪重減載率最大值依次約為0.31、0.26、0.3和0.27。對(duì)于重車而言，其前轉(zhuǎn)向架群四個(gè)輪對(duì)的內(nèi)側(cè)輪重減載率最大值依次約為0.32、0.32、0.33以及0.32，而對(duì)應(yīng)的外側(cè)輪重減載率最大值依次約為0.34、0.34、0.35以及0.33;后轉(zhuǎn)向架四個(gè)輪對(duì)的內(nèi)側(cè)輪重減載率最大值依次約為0.31、0.32、0.32和0.32，而對(duì)應(yīng)的外側(cè)輪重減載率最大值依次約為0.34、0.33、0.34和0.32。由此可見，當(dāng)該轉(zhuǎn)向架群配置的動(dòng)車組車輛以250km/h的速度在該曲線惰行時(shí)，空車各輪對(duì)輪重減載率均稍小于重車，但空、重車輪重減載率均小于限值。

圖8所示為車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)隨車輛運(yùn)行速度的變化趨勢(shì)，圖中各指標(biāo)為所有輪對(duì)中的峰值。從圖7中可以看出，車輛在曲線運(yùn)行時(shí)，隨著車輛運(yùn)行速度的提升，各輪軌運(yùn)行安全性指標(biāo)（即脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)）基本呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，各指標(biāo)幾乎均在325km/h左右達(dá)到最小（空車輪重減載率在275km/h達(dá)到最小）。此外，空車脫軌系數(shù)在各速度等級(jí)下均大于重車，而傾覆系數(shù)則基本是重車大于空車，空、重車在各車輛運(yùn)行速度下輪重減載率最大達(dá)到0.6左右，但仍小于其限值。

2.3 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性

圖9所示為車體垂、橫向加速度以及車體垂、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在曲線運(yùn)行時(shí)隨車輛運(yùn)行速度的變化趨勢(shì)。由圖可知，車速對(duì)車體垂向加速度的影響十分微小，而橫向加速度則隨著速度的增加而增加，且空、重車橫向加速度幾乎一致。同時(shí)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)也受車速影響不大，而橫向平穩(wěn)性指標(biāo)則有先增大后減小再增大的趨勢(shì)，但無(wú)論垂向或橫向平穩(wěn)性指標(biāo)都為優(yōu)。

3? 結(jié)論

本文根據(jù)我國(guó)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組實(shí)際結(jié)構(gòu)和功能，基于多體動(dòng)力學(xué)理論建立了轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組車輛動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比分析了空、重車狀態(tài)下車輛通過(guò)曲線的動(dòng)態(tài)特性，主要研究結(jié)論總結(jié)如下：

①該轉(zhuǎn)向架群配置高速貨運(yùn)動(dòng)車組空、重車200～400km/h運(yùn)行速度下通過(guò)本文中給定的曲線時(shí)，空、重車各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均在限值之內(nèi);

②輪軌動(dòng)態(tài)相互作用指標(biāo)隨著車輛運(yùn)行速度的提升，基本呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，各指標(biāo)幾乎均在325km/h左右達(dá)到最小，且總體上重車各指標(biāo)大于空車;

③車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)隨著車輛運(yùn)行速度增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，各指標(biāo)也幾乎都在325km/h左右達(dá)到最小。其中，空車脫軌系數(shù)在各速度等級(jí)下大于重車，而傾覆系數(shù)則是重車大于空車，空、重車輪重減載率最大能達(dá)到0.6左右;

④曲線通過(guò)時(shí)，車體垂向加速度以及平穩(wěn)性指標(biāo)受車速影響較小，而橫向加速度則隨著速度的增加而增加，且空、重車橫向加速度幾乎一致，而橫向平穩(wěn)性指標(biāo)則有先增大后減小再增大的趨勢(shì)，但無(wú)論垂向或橫向平穩(wěn)性指標(biāo)都為優(yōu)。

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