公鐵聯(lián)運多功能運輸車動力學(xué)性能分析

車瑞娟，王勇，吳榮坤

(1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116052)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，運輸企業(yè)以追求高效率、便捷、低成本的運輸方式為目標(biāo)，公鐵聯(lián)運的發(fā)展成為必然。公鐵聯(lián)運主要有集裝箱運輸、馱背運輸?shù)榷喾N方式，在歐、美運輸體系中發(fā)揮著重要作用[1-2]。基于公路和鐵路的優(yōu)點，公鐵聯(lián)運可提供全程一站式物流[3]，實現(xiàn)快速便捷的“門到門”服務(wù)，具有高效、環(huán)保等優(yōu)勢。中國對公鐵聯(lián)運的關(guān)鍵技術(shù)及裝備的可行性也進行了大量的研究，其中，對于馱背運輸?shù)慕７抡嬉延邢嚓P(guān)的研究[4]。公鐵聯(lián)運多功能運輸車在運輸過程中，考慮到重載貨物運輸?shù)陌踩裕枰ＷC車輛良好的運輸狀態(tài)，因此對公鐵聯(lián)運多功能運輸車的動力學(xué)性能研究是必要的。

本文對公鐵聯(lián)運多功能運輸車的結(jié)構(gòu)特點進行分析，利用動力學(xué)仿真軟件建立了車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，對新車和磨耗狀態(tài)下空、重車的運動穩(wěn)定性、曲線通過安全性和運行平穩(wěn)性進行仿真分析。

1 公鐵聯(lián)運多功能運輸車結(jié)構(gòu)特點

公鐵聯(lián)運多功能運輸車為2輛1組，用于運輸公路半掛車，兼顧多規(guī)格集裝箱運輸。車組兩端分別布置手制動裝置和車鉤緩沖裝置，車組中部采用關(guān)節(jié)聯(lián)接器連接，凹底車體承載結(jié)構(gòu)，車上設(shè)有液壓和電氣系統(tǒng)。主要結(jié)構(gòu)由車體、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、空氣制動裝置、手制動裝置、轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架(集成制動)、車鉤緩沖裝置等組成。

該車輛采用的轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架在“三大件”轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上增設(shè)了彈性交叉支撐桿，增大了轉(zhuǎn)向架的抗菱形變形能力，從而提高了臨界速度。在車體和轉(zhuǎn)向架之間的連接采用心盤和常接觸雙作用式彈性滾子旁承聯(lián)合承載方式，增大了車體的回轉(zhuǎn)定位力矩；車組中部采用的關(guān)節(jié)聯(lián)接器為鉸接式，具有水平、垂向、側(cè)向轉(zhuǎn)動功能，能夠滿足車輛正常運行和凹底架旋轉(zhuǎn)、升降的作業(yè)要求。

2 車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型

2.1 動力學(xué)模型建立

車輛系統(tǒng)動力學(xué)主要研究載荷與系統(tǒng)之間的關(guān)系，利用數(shù)值積分方法建立并求解系統(tǒng)的微分方程組或代數(shù)方程組[5]，車輛建模中考慮了系統(tǒng)橫向運動和垂向運動的耦合模型。公鐵聯(lián)運多功能運輸車整車系統(tǒng)由2個車體、1個中部底架、4個搖枕、8個側(cè)架和8個輪對共計23個剛體組成，各剛體的自由度數(shù)如表1所示，共計103個自由度。

表1 車輛系統(tǒng)自由度

在建立公鐵聯(lián)運多功能運輸車系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時作出如下假定：輪對、側(cè)架、搖枕、中部底架和車體等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多，均視為剛體，即忽略各部件的彈性變形。

在模型中充分考慮了輪軌接觸幾何關(guān)系、輪軌間蠕滑力/蠕滑率的非線性因素，以及各種間隙、止檔、斜楔減振器、心盤及旁承的摩擦力和力矩等的非線性特性。

2.2 裝載工況

公鐵聯(lián)運多功能運輸車主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，空車動力學(xué)仿真模型如圖2所示。該車輛在空車和重車狀態(tài)下最高運行速度為120 km/h。在計算時考慮了公鐵聯(lián)運多功能運輸車的7種裝載工況。

圖1 公鐵聯(lián)運多功能運輸車結(jié)構(gòu)

圖2 公鐵聯(lián)運多功能運輸車動力學(xué)仿真模型

工況1：車組空車

工況2：車組重車(裝載49 t公路貨車)

工況3：車組重車(裝載2個20 ft箱，總重57 t)

工況4：車組重車(裝載長度為14 600 mm、總質(zhì)量35 t的公路半掛車)

工況5：車組1空1重(裝載49 t公路貨車)

工況6：車組1空1重(裝載2個20 ft箱，總重57 t)

工況7：車組1空1重(裝載長度14 600 mm、總質(zhì)量35 t的公路半掛車)

3 動力學(xué)性能分析

3.1 蛇行運動穩(wěn)定性

公鐵聯(lián)運多功能運輸車的蛇行運動穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的固有屬性，是決定車輛能否高速運行的關(guān)鍵因素。通過實際臨界速度(文中簡稱臨界速度)的計算方法判定車輛系統(tǒng)運動穩(wěn)定性[6]，看剛體振動位移和速度是否逐漸衰減到平衡位置。車輛以正常速度運行時，應(yīng)盡可能避免蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)，要求車輛系統(tǒng)的蛇行失穩(wěn)臨界速度高于其設(shè)計制造速度一定裕量。在計算仿真過程中，選用一段為1 000 m的美國五級譜作為軌道不平順的輸入，對新車和磨耗狀態(tài)下公鐵聯(lián)運多功能運輸車各工況的臨界速度進行對比分析。

根據(jù)仿真分析可得到公鐵聯(lián)運多功能運輸車在新車和磨耗狀態(tài)下各不同裝載工況的蛇行失穩(wěn)臨界速度，如表2所示。可見在新車和磨耗狀態(tài)下，公鐵聯(lián)運多功能運輸車各種工況下蛇行失穩(wěn)臨界速度均超過132 km/h，能夠滿足空車、重車不同裝載工況120 km/h設(shè)計速度的要求，并具有一定的速度裕量。

表2 公鐵聯(lián)運多功能運輸車蛇行失穩(wěn)臨界速度 單位：km/h

3.2 曲線通過安全性分析

車輛系統(tǒng)運行在曲線線路上時，除受到線路不平順的激擾以外，還要受到曲線曲率變化、超高變化、離心力等因素的影響[7]。因此，車輛系統(tǒng)通過有限長度曲線時的響應(yīng)是一個動態(tài)過程。結(jié)合線路條件，計算公鐵聯(lián)運多功能運輸車以不同速度分別通過不同半徑的曲線線路，計算過程中采用美國五級線路譜，考慮軌道的隨機不平順激擾，分析該車輛的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等曲線通過安全性指標(biāo)。

在新車和車輪磨耗狀態(tài)下，以曲線半徑為300 m，線路超高為120 mm的工況4車組為例，給出公鐵聯(lián)運多功能運輸車以不同的速度通過該曲線時，一位輪對的最大輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的計算結(jié)果，如圖3所示。由計算結(jié)果可知輪軸橫向力最大值為49.769 kN、脫軌系數(shù)最大值為0.411、輪重減載率最大值為0.375，均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全限度要求，說明公鐵聯(lián)運多功能運輸車能在曲線上安全運行。

圖3 R300 m半徑曲線通過安全性指標(biāo)

本文選用的磨耗后車輪踏面等效錐度在0.4左右，較大的等效錐度使車輛在通過小半徑曲線時輪軌安全性指標(biāo)相比新輪有所降低，而在通過較大半徑曲線和直線時輪軌作用力和脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)則有所增大，但均滿足安全限度要求。

3.3 運行平穩(wěn)性分析

本文對公鐵聯(lián)運多功能運輸車分別在新車和磨耗狀態(tài)下直線線路上動態(tài)響應(yīng)進行了計算，空車、重車不同裝載工況的計算速度均為40 km/h～132 km/h。新車和磨耗狀態(tài)下的平穩(wěn)性計算結(jié)果如圖4-圖7所示。由圖4-圖7發(fā)現(xiàn)，隨著速度的提高，車輛系統(tǒng)的平穩(wěn)性指標(biāo)基本呈增大的趨勢。在新車和磨耗狀態(tài)下，空車、重車不同裝載工況的運行平穩(wěn)性指標(biāo)在132 km/h速度范圍內(nèi)均滿足良級標(biāo)準(zhǔn)(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

圖4 新車狀態(tài)下平穩(wěn)性指標(biāo)計算結(jié)果(前車)

圖5 新車狀態(tài)下平穩(wěn)性指標(biāo)計算結(jié)果(后車)

圖6 磨耗狀態(tài)下平穩(wěn)性指標(biāo)計算結(jié)果(前車)

圖7 磨耗狀態(tài)下平穩(wěn)性指標(biāo)計算結(jié)果(后車)

4 結(jié)語

基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論，建立了公鐵聯(lián)運多功能運輸車兩節(jié)車組仿真模型，對該車組進行了動力學(xué)性能仿真。由計算結(jié)果可知，在新車和車輪磨耗狀態(tài)下，空車、重車不同裝載工況的臨界速度均>132 km/h，能夠滿足空車、重車不同裝載工況車輛120 km/h設(shè)計速度的要求，并具有一定的速度裕量；曲線通過安全性各指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全限度要求，車輛可以在曲線和直線上安全運行；空車、重車不同裝載工況的運行平穩(wěn)性指標(biāo)滿足GB/T 5599-1985的良級標(biāo)準(zhǔn)要求，能保證空車、重車不同裝載工況車輛在120 km/h設(shè)計速度范圍內(nèi)平穩(wěn)運行。