基于UM的CRH2型車曲線通過性能分析

陳祺，火巧英，劉艷，劉曉良

(中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

0 引言

近年來，隨著鐵路技術的不斷發展，列車逐步邁向高速化，輪軌間的動力學性能特別是車輛的曲線通過性能，是關乎行車安全的重要因素。

本文以CRH2為研究對象，根據其構造特征及技術參數，基于多體動力學軟件UM建立車輛動力學模型，在不同的線路工況下對其曲線通過性能進行仿真分析，結合高速動車組曲線通過性能的相關評價標準，分析CRH2型車的曲線通過能力。

1 車輛動力學模型

1.1 動力學評價標準

評價高速客車曲線通過車性能的指標主要有：脫軌系數、輪重減載率、傾覆系數、輪軌垂向力、輪軌橫向力、輪軸橫向力和車體振動加速度[10]，如表1所示。

表1 高速客車曲線通過能力評價指標

1.2 CRH2力元簡化及建模

CRH2轉向架采用SKTB-200，其中輪對為子系統，軸箱有1個旋轉自由度，構架為6個自由度的體。輪對軸箱與構架通過鉸相連，懸掛裝置按簡化力元建模[11]。在三維軟件SolidWorks中建立CRH2拖車的車體模型，通過外部接口導入到UM中，車體模型及轉向架分別如圖1、圖2所示。

圖1 CRH2拖車模型

圖2 CRH2拖車轉向架模型

2 曲線參數影響的仿真分析

2.1 曲線參數設置

CRH2型拖車的車輪半徑為430mm，選用LMA磨耗型踏面，鋼軌型面選用CN60，軌底坡坡度為1/40，輪軌型面匹配如圖3所示。

圖3 輪軌匹配示意圖

本文選取UIC-good作為軌道激勵，則UIC譜左右軌的水平和高低不平順幅值變化關系分別如圖4、圖5所示。

圖4 左軌高低不平順幅值圖

圖5 右軌水平不平順幅值圖

2.2 曲線半徑

根據我國高速鐵路的建設標準，曲線半徑取值參照《新建時速200～250km客運專線鐵路設計暫行規定》取4500～6000m，緩和曲線長度根據《GB 50090—2006鐵路設計規范》選取，速度取值為160～240km/h。

實設欠超高h=50mm，根據《高速客運專線暫行規定》，最大超高允許值為180mm。對于提速線路，根據《GB 50090—2006鐵路設計規范》，實際欠超高或過超高之差允許值為110mm。

實設欠超高為50mm時，最大欠超高為101.04mm，最小欠超高為0.35mm，滿足規范要求。1位輪對左輪各動力學指標仿真結果如圖6所示。

圖6 欠超高工況下各動力學指標仿真結果

從圖6可以得出在欠超高工況下，速度范圍160～240km/h時，各動力學指標都隨速度的增大而增大；當速度>220km/h時，各動力學評價指標值都明顯增大；當半徑為4500m，速度為240km/h時，各指標值最大，輪重減載率超過0.60，故該工況下2型車的最大運行時速不應該超過240km/h；當欠超高為50mm時，各動力學指標都隨著曲線半徑的增大而減小；欠超高工況下，當半徑為4500m、速度為240km/h時，各指標值最大，即證明小半徑大速度下車輛更容易脫軌。

實設過超高h=160mm，最大過超高量為109.65mm，最小過超高量為8.96mm，滿足規范要求。測得1位輪對右輪各動力學指標隨運行距離的變化關系如圖7所示。

圖7 過超高工況下各動力學指標仿真結果

由圖7可以得出，過超高工況下，速度在160～240km/h之間時，輪軌橫向力、輪軸橫向力和車體橫向振動加速度都隨速度的增大而單調遞減。當速度為220km/h，半徑為6000m時，輪重減載率已超過0.60，動力學性能開始下降。故此工況下，2型車的最大速度不應超過220km/h；當實設過超高為160mm時，各動力學指標都隨著曲線半徑的增大而增大；過超高工況下，曲線半徑越大，速度越小，輪軌橫向力、輪軸橫向力和車體橫向加速度越大。

2.3 曲線超過

工況設置：曲線半徑R=5000m，實設超高h=90～170mm(欠超高29.58mm～過超高45.16mm)，速度160～230km/h。1位輪對各指標的仿真結果如圖8所示。

圖8 超高對各動力學指標影響的仿真結果

從圖8可以得出，在同一速度下，各動力學指標都隨超高量的增大而增大；同一超高下，輪重減載率隨速度的增大而增大；脫軌系數和輪軌橫向力隨速度的增大而減小；說明在過超高狀態下，當速度超過200km/h時，輪對反而不易脫軌；在半徑5000m時，2型車的實際運行速度不應>200km/h，超高取值不應超過170mm。

2.4 緩和曲線

工況設置：曲線半徑R=5000m，實設緩和曲線長度P=100～400mm，實設超高為110mm(欠超高14.84mm～過超高49.58mm)，速度160～230km/h。1位輪對右輪脫軌系數和輪重減載率的仿真結果如圖9所示。

圖9 緩和曲線長度對各動力學指標影響的仿真結果

從圖9可以得出，在半徑為5000m時，隨著緩和曲線長度的增加，輪重減載率單調遞減；脫軌系數在300m時最大，超過300m以后明顯減小。根據《GB 50090—2006鐵路設計規范》，半徑為5000m時，緩和曲線長度推薦值最小為300m。故實際緩和曲線長度取值應按大于標準推薦值。

3 懸掛參數分析

3.1 一系軸箱彈簧剛度

軸箱彈簧主要起緩和垂向沖擊的作用，故分析其垂向剛度對車輛的動力學性能的影響。CRH2原型車的垂向剛度為1.2MN/m，取值0.5～2.0MN/m時，各指標隨剛度變化的關系如表2所示。

表2 垂向定位剛度對動力學指標的影響

從表2可知，軸箱彈簧的垂向定位剛度對各動力學指標的影響較小，隨著剛度值的增大，各動力學指標值都減小。因此，垂向剛度取0.5～2.0MN/m時都可保證其良好的動力學性能。

進一步分析橫向和縱向剛度對車輛曲線通過性能的影響。CRH2原型車的橫向和縱向剛度都為0.9MN/m，剛度變化取0.2～1.5MN/m，測量1位輪對各動力學指標的仿真結果如圖10所示。

圖10 車體各動力學指標隨橫向剛度的變化關系

從圖10可知，軸箱彈簧的橫向和縱向定位剛度對各動力學指標的影響較大，隨著橫向剛度值的增大，除車體橫向振動加速度外，各動力學指標值都單調遞增。橫向剛度超過0.9MN/m時，各動力學指標變化量較小。因此，橫向和縱向剛度取0.9～1.5MN/m時都可保證其良好的動力學性能。

3.2 抗蛇形減振器阻尼系數

抗蛇行減振器主要起衰減車輛曲線通過時的蛇行失穩作用。因此，抗蛇行減振器的阻尼系數對車輛在直線上的非線性蛇行臨界速度影響較大。CRH2原型車的阻尼為750(kN·s)/m，阻尼系數取值為：250～900(kN·s)/m，阻尼對曲線通過時的最大限制速度的影響規律見表3。

表3 阻尼系數對臨界速度的影響

從表3可知，抗蛇形減振器的阻尼對車輛臨界速度的影響較大，隨著阻尼系數的增大，臨界速度呈遞增規律。因此，CRH2型車的阻尼系數至少取600(kN·s)/m時，才可使其蛇行失穩速度大于最大試驗速度250km/h，留有足夠大的安全裕度，可以保證車輛良好的動力學性能。

4 結語

本文以CRH2型動車的構造參數和高速鐵路線路參數為依據，在多體動力學仿真軟件UM中建立了CRH2模型和線路模型。研究曲線參數對曲線通過能力的影響，并對車輛懸掛參數進行了分析，綜合考慮車—線的影響。結論如下：

1)欠超高工況時：曲線半徑越大，各動力學指標值越小。該工況下最大速度不應超過240km/h，半徑取6000m時各動力學性能最優。過超高工況時：曲線半徑越大，各指標值越大。該工況下最大速度不應超過220km/h，半徑取4500m時性能最優。

2)同一速度下，各動力學指標隨超高的增大而單調增大；結果表明：半徑為5000m時，速度不超過200km/h，超高≤170mm，CRH2拖車的曲線通過性能最好。

3)曲線半徑和超高對平穩性的影響很小，但速度對平穩性影響較明顯。速度為230km/h時，平穩性指標值均<2.5。

4)當軸箱彈簧垂向剛度0.5～2.0MN/m，橫向和縱向剛度取0.9～1.5MN/m時，抗蛇行減振器阻尼取250～900(kN·s)/m，可使動力學性能良好。