轨距可变式货车动力学性能分析

刘寅华,王晋刚,翟鹏军

(济南轨道交通装备有限责任公司 研究院,山东济南250022)

变轨距转向架作为解决不同轨距线路间列车直通到达的最佳技术手段已在国外得到广泛应用[1]。我国同周边国家间的10条国际铁路联运通道中有6条存在着轨距不同的难题[2]。为尽快解决联运通道中运能与运力间矛盾,根据变轨距货车转向架的特点,对其车辆动力学性能进行预测分析。

1 变轨距转向架特点

根据我国铁路货车现状设计出了一种运用于1 435 mm和1 520 mm轨距线路的变轨距货车转向架[3,4],其结构如图1所示。变轨距转向架与传统转向架的不同之处在于变轨距转向架采用变轨距轮对,轮对的每根车轴上加装有两套锁紧装置。在不同轨距交界处变轨距转向架能够在地面变轨装置的辅助下自动进行轨距变换,以适应不同轨距线路的要求,在轨距变换完成后,变轨距车辆则像传统车辆一样运行。随着变轨距车辆运行线路轨距的不同,其车轮两滚动圆横向跨距会发生变化,而车轮横向移动则会造成轮对绕其x轴和z轴的转动惯量的变化。因此,在对变轨距车辆动力学性能分析时需根据线路轨距情况来选择轮对不同的转动惯量参数值。

图1 变轨距货车转向架

2 动力学模型及非线性环节处理

车辆系统是一个复杂的多刚体系统,各部件通过悬挂系统相连接[5]。根据变轨距货车转向架特点,将整车作为研究对象建立变轨距车辆动力学模型,如图2所示。模型涉及7个刚体,整个模型共有34个独立自由度、8个非独立自由度。

图2 变轨距车辆动力学模型

轨距可变式货车动力学模型中除了常见的轮轨接触几何非线性和蠕滑非线性外,还包括由于采用金属液体橡胶复合弹簧带来的一系悬挂刚度的非线性,旁承压紧力的非线性,以及旁承和心盘摩擦阻力矩的非线性。

从文献[4]中,可以看出金属液体橡胶复合弹簧3个方向刚度都具有非线性。在建立动力学仿真模型时对其刚度非线性处理的方法是采用3组离散数据来模拟刚度变化的关系曲线,其余各点刚度采用数学插值方法来获取。

为了提高车辆空车的临界速度,旁承采用常接触弹性旁承[4],其压紧力特性见公式(1)。从式中可以看出旁承压紧力整体上呈非线性,在模型中按式(1)数值进行设置。旁承压紧力的非线性引起了旁承的摩擦阻力矩非线性,在模型中按照压紧力和摩擦力臂来计算。

式中Fsz为旁承垂向压紧力,kN;Ksz为旁承垂向刚度,kN/mm;fs-max为旁承最大压缩量,mm;(zpc-zpf)为上下旁承间的相对垂向位移,mm。

对于心盘摩擦阻力矩的非线性,常常采用等效摩擦半径的方法来处理。根据文献[6],其计算公式见式(2)。

式中Tc为心盘摩擦阻力矩;Pc为心盘承受的垂向载荷;A为心盘面积;R为心盘面半径;μc为心盘面摩擦系数。

3 车辆动力学性能分析

在选定某车型参数的情况下,根据GB 5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》,对变轨距转向架车辆在不同轨距线路运行时空、重车工况下的直线运行稳定性、平稳性和曲线通过性能等动力学指标进行计算分析。

3.1 直线运行稳定性分析

评价车辆系统的稳定性有两种基本方法:一种是基于线性模型的根轨迹曲线法;另一种是基于非线性模型的极限环法或分叉法[7]。由于货车系统存在众多非线性因素,因此本文在变轨距转向架车辆进行全局系统稳定性分析时,采用非线性分析方法。计算工况包括车辆在1 435 mm轨距和1 520 mm轨距线路上运行时的空、重车4种工况。

在进行仿真计算时,先让车辆运行在一段有实际随机不平顺(美国Ⅴ级线路谱)的轨道上,然后继续运行在平直无激扰的轨道上,看车辆经过一段时间的运行后其振动是否能够趋于平衡位置,如在某一速度时系统的振动不再收敛于平衡位置而是趋于极限环振动,则这时的速度即为临界速度。通过仿真计算出的变轨距车辆在不同轨距线路下空、重车的蛇行临界速度见表1所示,其中车辆在1 435 mm轨距上运行时空车工况下一位轮对横移量的曲线如图3所示。

通过对表1中的数据分析后得出:(1)变轨距转向架车辆在空车工况下,在1 435 mm和1 520 mm两种轨距线路运行时的临界速度分别为137 km/h和140 km/h;重车时,在1 435 mm和1 520 mm两种轨距线路运行时的临界速度分别为159 km/h和165 km/h,满足设计任务书中的最高运行速度120 km/h的要求。(2)不论在空车还是重车工况下,车辆在1 520 mm轨距线路运行时的临界速度,比在1 435 mm轨距线路上的都有所提高;空车时增幅为2.19%,重车时增幅为3.77%。(3)通过分析发现,车辆在1 520 mm轨距线路运行临界速度增大的原因是车辆轮对在1 520 mm轨距线路上时由于车轮滚动圆横向跨距增大,使得轮对摇头复原力矩加大,提高了对轮对蛇行的抑制力度。而轮对绕x轴和z轴的转动惯量相对于1 435mm轨距线路时只有略微增加。这3项因素的综合效果使得车辆在1 520 mm轨距线路上的蛇行临界速度有所提高。

表1 蛇行临界速度vcr

图3 车辆在准轨线路上运行空车时1位轮对横移量曲线

3.2 直线运行平稳性分析

为了考察变轨距转向架车辆在不同轨距线路运行时空、重车工况下,车辆系统在不同速度区段的运行平稳性,仿真计算了变轨距转向架车辆运行速度从 50 km/h到120 km/h变化时间的横向和垂向平稳性指标。计算过程中,仍然采用美国V级线路谱,计算结果列于表2。

通过对表2中的数据分析,对变轨距车辆在两种不同轨距线路上的平稳性性能可总结出以下几点结论:变轨距转向架车辆空车时,在120 km/h速度范围内车辆在1 435 mm轨距线路上运行时的最大横向和垂向平稳性指标分别为3.506和3.869;在1 520 mm轨距线路上运行时的最大横向和垂向平稳性指标分别为3.516和3.867,都能够满足GB 5599-1985的2级标准。重车时,在120 km/h速度范围内车辆在1 435 mm轨距线路上运行时的最大横向和垂向平稳性指标分别为3.977和2.709;在1 520 mm轨距线路上运行时的最大横向和垂向平稳性指标分别为3.806和 2.710,也都能够满足GB 5599-1985的2级标准[8]。车辆在1 520 mm轨距线路上的横向和垂向平稳性指标稍优于1 435 mm轨距线路。

表2 车辆运行平稳性随运行速度的变化关系

3.3 曲线通过性能分析

计算变轨距转向架车辆的曲线通过性能时,为使研究具有普遍性,设置了5种曲线运行工况,根据不同的线路曲线半径设置了不同的超高和缓和曲线,而最大欠超高均取为60 mm,具体的线路条件如表3所示。轨道不平顺采用美国V级线路轨道谱。下面分别对变轨距转向架车辆在两种轨距线路上运行时的空车和重车的曲线通过性能进行计算。

表3 曲线通过性能分析时的线路设置

3.3.1 空车曲线通过性能

对计算数据分析后发现:变轨距转向架车辆系统空车时在5种不同曲线半径线路上的曲线通过性能指标均满足GB 5599-1985的要求。轮对冲角随曲线半径的增大而减小,在相同曲线半径的情况下,准轨位(1 435 mm)和宽轨位(1 520 mm)的冲角大小相当。脱轨系数随曲线半径的增大总体上呈减小的趋势,在相同曲线半径的情况下,宽轨位比准轨位略有增加。倾覆系数在准轨位时随曲线半径的增大而减小,在宽轨位时这种减小趋势不是很明显,但在5种曲线工况下其倾覆系数都很小,最大值为0.415。轮重减载率随曲线半径的增大而减小,在相同曲线半径的情况下,总体上宽轨位比准轨位时要小。轮轨和轮轴横向力都随着曲线半径的增大而减小,且在相同曲线半径下宽轨位比准轨位的横向力稍大。其中车辆空车时轮对横移量和脱轨系数随曲线半径变化的关系如图4所示。

3.3.2 重车曲线通过性能

图4 变轨距车辆空车时曲线通过性能指标随曲线半径的变化关系

对数据分析后可以得出变轨距转向架车辆系统重车时在5种不同曲线半径线路上的曲线通过性能指标也均满足GB5599-1985的要求。轮对冲角随曲线半径的增大总体上呈减小趋势,在相同曲线半径的情况下,准轨位和宽轨位的冲角大小相当。脱轨系数随曲线半径的增大总体上呈减小的趋势,在相同曲线半径的情况下,宽轨位比准轨位略有增加。随曲线半径的增大倾覆系数变化不是很明显,但在相同曲线半径的情况下宽轨位时比在准轨位时的有所减小。轮重减载率随曲线半径的增大其变化也不是很明显,在相同曲线半径的情况下,宽轨位比准轨位时要小。轮轨和轮轴横向力都随着曲线半径的增大总体上呈减小趋势,且在相同曲线半径下宽轨位比准轨位的横向力稍大。其中车辆重车时轮轴横向力和轮轨横向力随曲线半径变化的关系如图5所示。

对比空、重车曲线通过性能的各项指标变化关系发现,重车时的轮对冲角、脱轨系数、倾覆系数和轮重减载率比空车时要小;而轮轨横向力和轮轴横向力要比空车时要大。其中车辆重车时在400 m曲线半径工况下的时间历程如图6所示。

图5 变轨距车辆重车时曲线通过性能指标随曲线半径的变化关系

图6 变轨距车辆重车时在工况1下曲线通过历程

4 结束语

通过对变轨距转向架车辆相关动力学指标的计算分析后发现车辆在空、重车其临界速度都超过了120 km/h,且在宽轨线路上比准轨线路上空重车临界速度都有所提高。车辆在宽轨线路上的平稳性指标优于准轨线路。曲线通过性能分析时,车辆在宽轨线路上的轮轴横向力和轮轨横向力比准轨线路上稍大。轮对转动惯量和车轮滚动圆横向跨距的改变是造成变轨距车辆在准轨位和宽轨位间性能差异的主要因素。变轨距车辆系统的各项性能指标均满足GB 5599-1985中的相关技术要求。

[1] 黄运华,李 芾.铁道车辆轮对变轨距技术研究[J].铁道车辆,2002,40(7):8-11.

[2] 金万建.我国铁路开展国际联运及国际通道的发展[J].铁道运输与经济,2003,25(3):4-8.

[3] 刘寅华,李芾,黄运华,等.变轨距货车转向架构架疲劳强度及模态分析[J].铁道车辆,2007,45(11):1-4.

[4] 刘寅华,李芾,付茂海,等.变轨距货车转向架结构选型分析[J].铁道机车车辆,2007,27(增刊):129-132.

[5] 严隽耄.车辆工程[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[6] 程平.构架式货车转向架动力学性能及悬挂参数的研究[J].铁道车辆,2003,41(6):4-8.

[7] 王福天.车辆系统动力学(第2版)[M].北京:中国铁道出版社,1994.

[8] GB 5599-1985.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].