基于SIMPACK研究空簧故障對列車動力學性能影響

劉志遠 徐騰養 郭兆團

1(鄭州職業技術學院城市軌道交通系 河南 鄭州 450000)

2(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 四川 成都 610031)

0 引 言

空簧作為車輛懸掛系統中最重要的零部件之一,直接影響車輛動力學性能。空氣彈簧原理就是利用空氣的可壓縮性,在彈性的氣囊中充入一定空氣,氣囊內部的氣體體積會隨著外界激勵大小一起變化,即外界機械能壓縮空氣做功,將外界的振動激勵進行柔性傳遞,可以有效隔離振動,提高乘客舒適度[1]。關于空簧的研究,國內外有不少文對此進行了分析。文獻[2-4]對空簧模型展開了深層次的研究。文獻[5-6]分別研究了空簧對單軌車輛、擺式車輛動力學性能影響。文獻[7-8]分別從不同角度分析了空簧對地鐵、米軌車輛動力學性能影響。文獻[9]研究了空簧對高鐵垂向動力學性能影響。文獻[10]對高速列車空簧爆裂應急工況性能進行了分析。

國內外對于空簧的研究主要是針對于模型研究。本文受中車主機廠委托,對該高速動車懸掛參數進行優化,同時分析了空氣彈簧發生故障后,其對車輛動力學性能會產生什么影響、其舒適性是怎樣變化的、是否影響行車安全等。故本文基于動力學仿真軟件SIMPACK建立了我國某高速動車組兩動一拖動力學模型,模型中空氣彈簧處于失效狀態,通過仿真分析了該動車組在空簧失效工況下,其穩定性、平穩性、安全性的變化情況,對于后期動車組動力學方面問題處理具有一定參考作用,也有一定的工程應用價值。

1 車輛系統動力學模型

本文中動車組動力學模型為兩動一拖3編組模型,每輛車包括1個車體、2個構架、2個牽引拉桿、4個輪對和8個轉臂節點。每輛車的自由度選擇如表1所示,共有62個自由度,即整個3編組動力學模型有186個自由度。車輛動力學模型如圖1所示。

圖1 我國某高速動車組動力學模型

表1 該高速動車組每輛車自由度

2 空簧失效對車輛動力學影響

2.1 空簧失氣對車輛穩定性影響

車輛穩定性通過車輛蛇行臨界速度大小來體現,蛇行臨界速度越大,說明車輛穩定性越好。本文計算車輛蛇行臨界速度工況為先讓動車組在一段實測不平順的軌道譜上運行,激發車輛振動,然后讓動車組再在理想的軌道譜上運行,觀察動車組振動是否能衰減到平衡位置。動車組在某一速度下,振動恰好無法收斂,這一速度即為動車組蛇行臨界速度。表2為車輛正常情況下及空簧失氣狀態下的車輛蛇行臨界速度,可以發現,空簧失氣沒有對車輛穩定性造成影響。

表2 空簧失氣故障對該動車組蛇行臨界速度影響

2.2 空簧失氣對車輛平穩性及舒適性影響

車輛平穩性和舒適性通常通過垂向平穩性指標、橫向平穩性指標、舒適性指標進行評判,指標數值越大,說明車輛平穩性舒適性越差。本文平穩性和舒適性計算工況為先讓動車組在一段理想的軌道譜上運行,然后在一段無限長的實測不平順的軌道譜上運行,待動車組運行一段距離后開始采集車體振動加速度。

圖2-圖4分別表示空簧失氣狀態對動車組頭車、中間車、尾車橫向平穩性、垂向平穩性、乘坐舒適性的影響。圖5-圖7分別表示空簧失氣狀態對橫向平穩性指標增加率、垂向平穩性指標增加率、乘坐舒適性指標增加率的影響。其中指標增加率計算方式如式(1)所示。

圖2 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車橫向平穩性影響

(1)

從圖2和圖5可以發現,動車組正常情況下,其橫向平穩性指標均在1級平穩性指標以下,即速度位于100～400 km/h時,動車組正常情況下,其橫向平穩性均為“1級”;當空氣彈簧發生失氣故障后,其橫向平穩性指標有增大趨勢,即橫向平穩性在變差,橫向平穩性指標增加率最大達35.2%。從圖3和圖6可以發現,動車組正常情況下,其垂向平穩性指標也均在“1級”平穩性指標以下,即動車組速度低于400 km/h,其平穩性均為“1級”;當空簧發生失氣故障后,其垂向平穩性急劇下降,當速度超過250 km/h后,其垂向平穩性已經降至“2級”,當速度達到400 km/h,其垂向平穩性已經“不合格”,垂向平穩性指標增加率最大達48.6%。從圖4和圖7可以發現,動車組正常情況下,其舒適性指標基本都在非常舒適狀態,當空簧發生失氣后,其舒適性極劇下降,當速度超過250 km/h后,其舒適性已經不再位于“舒適”范圍內,當速度達到400 km/h時,其舒適性已經達到“非常不舒適”狀態,乘坐舒適性指標增加率最大達456.0%。從圖5-圖7中也可以發現,空簧失氣對乘坐舒適性影響最大,對垂向平穩性影響大于橫向平穩性。

圖3 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車垂向平穩性影響

圖4 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車乘坐舒適性影響

圖5 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車橫向平穩性指標增加率影響

圖6 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車垂向平穩性指標增加率影響

圖7 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車乘坐舒適性指標增加率影響

2.3 空簧失氣對車輛安全性影響

本文考察的安全性指標包括輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率等,計算方法為該動車組以不同速度分別通過直線和不同曲線時的安全性指標,計算工況如表3所示。圖8-圖11分別表示空簧失氣狀態下,頭車、中間車、尾車輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率變化情況。從圖8-圖11中可以發現,空簧失氣對輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率、脫軌系數均有所影響。由于空簧失氣前后,脫軌系數均遠小于0.8,故對脫軌系數影響相對較小。

圖8 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車輪軸橫向力影響

圖9 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車輪軌垂向力影響

圖10 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車脫軌系數影響

圖11 空簧失氣狀態下,對動車組頭車、中間車、尾車輪重減載率影響

表3 安全性曲線計算工況

3 結 語

本文受中車主機廠委托,基于動力學軟件SIMPACK建立了我國某高速動車組兩動一拖動力學模型,仿真分析了頭車、中間車、尾車在空簧失效后,對動車組穩定性、平穩性和舒適性、安全性的影響,具有一定工程意義。綜合上述分析,可以得到以下結論：

(1) 空簧對車輛蛇行臨界速度影響較小,即對車輛穩定性影響比較小。

(2) 空簧對頭車、中間車、尾車平穩性和舒適性影響非常大,速度在100～400 km/h橫向平穩性指標最大增加率為35.2%,垂向平穩性指標最大增加率為48.6%,乘坐舒適性指標增加率最大達456%。

(3) 空簧失氣故障對舒適性影響極大,對垂向平穩性影響大于對橫向平穩性影響。

(4) 空簧失氣故障對頭車、中間車、尾車輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率均有所影響,其中,對脫軌系數影響相對較小。