車輛-抬輪器耦合動力學(xué)性能分析

楊鴻泰，黃志輝，鄭志偉，張偉忠

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 河北通海瑞宏鐵路機(jī)具有限公司，河北 石家莊 050000)

車輛運(yùn)行過程中因軸承燒損、齒輪卡死等情況導(dǎo)致輪對卡死，從而造成線路癱瘓，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸秩序。目前主要的救援方法是車載法，即將抬輪器放置在故障輪對下面，支撐輪對并代替輪對運(yùn)行。車載法通用性強(qiáng)，使用方便，但使用過程中選取抬輪器運(yùn)行速度往往憑借經(jīng)驗(yàn)，缺乏相應(yīng)的理論參考，導(dǎo)致救援效率低下，甚至可能發(fā)生二次事故。本文將通過建立車輛-抬輪器耦合模型，對其動力學(xué)性能進(jìn)行分析，以期為今后救援時(shí)選取抬輪器運(yùn)行速度提供理論參考。

1 車輛-抬輪器耦合動力學(xué)模型

抬輪器由抬輪器車輪、抬輪軸和連接板組成。抬輪器安裝在故障輪對下面，前后抬輪軸用來固定和支撐故障輪對，代替故障輪對運(yùn)行。抬輪器在故障輪對下的安裝方式如圖1所示。

圖1 抬輪器在故障輪對下的安裝方式

運(yùn)用多體動力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立車輛-抬輪器耦合動力學(xué)模型，對車輛和抬輪器組成的多體系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算。抬輪器動力學(xué)模型包括2條抬輪器輪對、前后抬輪器輪對之間的連接板。連接板與前后抬輪器輪對耦合在一起，如圖2所示。而車輛動力學(xué)模型中，將車輛輪對分別建立在抬輪器連接板上，通過約束與連接板耦合，二者形成一個(gè)整體。依次建立構(gòu)架、軸箱、車體等剛體，形成整個(gè)車輛-抬輪器耦合動力學(xué)模型，模型中包括1輛車體、2個(gè)構(gòu)架、4條車輛輪對、8個(gè)軸箱、8條連接板、8條抬輪器輪對，如圖3所示。抬輪器輪軌接觸幾何關(guān)系見圖4，車輛動力學(xué)主要計(jì)算參數(shù)見表1，整車自由度情況見表2。

圖2 抬輪器動力學(xué)模型

圖3 車輛-抬輪器耦合動力學(xué)模型

圖4 抬輪器輪軌接觸幾何關(guān)系圖

表1 車輛動力學(xué)主要計(jì)算參數(shù)

表2 整車自由度

2 車輛-抬輪器運(yùn)動穩(wěn)定性分析

2.1 非線性臨界速度計(jì)算方法1

軌道激勵分別采用美國Ⅳ級譜和美國Ⅴ級譜，讓耦合模型通過不平順軌道并激發(fā)其振動，然后再在理想光滑軌道上運(yùn)行，通過觀察抬輪器輪對的橫向振動是否衰減到平衡位置，從而判斷耦合模型是否發(fā)生蛇行失穩(wěn)。

通過計(jì)算，以抬輪器輪對為研究對象，車輛-抬輪器耦合模型在美國Ⅳ級軌道譜、Ⅴ級軌道譜下的蛇行失穩(wěn)臨界速度分別為225 km/h、288 km/h。滿足運(yùn)行要求并具有足夠的安全裕量。

2.2 非線性臨界速度計(jì)算方法2

利用文獻(xiàn)[1]中介紹的UIC 515法研究車輛-抬輪器耦合模型的運(yùn)動穩(wěn)定性。考慮到車輛-抬輪器耦合模型中車輛輪對與抬輪器連接板耦合在一起，故橫向振動加速度采樣點(diǎn)選在抬輪器連接板上[1]，研究抬輪器運(yùn)行速度為5～50 km/h時(shí)的動力學(xué)性能。

計(jì)算結(jié)果如圖5所示，當(dāng)抬輪器運(yùn)行速度小于40 km/h時(shí)，以抬輪器連接板為研究對象，抬輪器穩(wěn)定性符合要求；當(dāng)抬輪器運(yùn)行速度大于40 km/h時(shí)，則存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 連接板橫向振動加速度隨速度變化圖

3 車輛-抬輪器運(yùn)行平穩(wěn)性分析

軌道激勵采用美國Ⅳ級譜，按GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動力學(xué)性能評定及試驗(yàn)方法》的規(guī)定[2]，車輛抬輪器耦合模型在5～50 km/h速度范圍內(nèi)運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7。結(jié)果表明：在美國Ⅳ級譜激擾下，橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)分別為2.42、2.58，均為“優(yōu)”級；橫向、垂向振動加速度最大值分別為1.185 m/s2、0.943 m/s2，均遠(yuǎn)低于限定值。

圖6 整車橫向平穩(wěn)性評價(jià)指標(biāo)隨速度變化圖

圖7 整車垂向平穩(wěn)性評價(jià)指標(biāo)隨速度變化圖

4 車輛-抬輪器曲線通過性能分析

曲線軌道參數(shù)設(shè)置如下：直線段30 m，緩和曲線長度70 m，圓曲線長度60 m，曲線半徑選取600 m、800 m、1 000 m 3種工況，軌道激勵采用美國Ⅳ級譜，車輛-抬輪器運(yùn)行速度為5～50 km/h。計(jì)算結(jié)果見圖8～圖10。從圖8～圖10中可以看出，輪軸橫向力最大值為27.4 kN，小于限定值33.8 kN；脫軌系數(shù)最大值為0.64，小于限定值1.0；輪重減載率最大值為0.28，小于限定值0.6。

圖8 輪軸橫向力

圖9 脫軌系數(shù)

圖10 輪重減載率

5 結(jié)論

(1) 軌道激勵分別采用美國Ⅳ級譜和美國Ⅴ級譜，車輛-抬輪器耦合模型以抬輪器輪對為研究對象時(shí)，非線性臨界速度分別為225 km/h和288 km/h，相比于實(shí)際運(yùn)行速度為5～15 km/h，安全裕量非常大。

(2) 在美國Ⅳ級譜激擾下，車輛-抬輪器耦合模型在5～50 km/h運(yùn)行速度范圍內(nèi)，橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均為“優(yōu)”級，橫向、垂向振動加速度最大值均遠(yuǎn)低于限定值。

(3) 在文中假設(shè)的曲線運(yùn)行工況下，車輛-抬輪器具有良好的曲線通過性能。

(4) 車輛-抬輪器的運(yùn)行速度可由當(dāng)前的5～15 km/h提高至5～35 km/h，進(jìn)而提高救援效率。今后將重點(diǎn)研究車輛-抬輪器的道岔通過性能。