连续交点型局部不平顺对机车性能影响分析*

陈迪来，刘建新，侯建文，王 伟，杜凯军

（1 西南交通大学 机械工程学院，四川成都610031；2 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

综合技术研究

连续交点型局部不平顺对机车性能影响分析*

陈迪来1，刘建新2，侯建文2，王 伟1，杜凯军2

（1 西南交通大学 机械工程学院，四川成都610031；2 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

通过MATLAB软件模拟交点型不平顺，作为机车模型的外部激扰输入，根据机车车辆动力学理论，以机车动力学指标为依据，运用SIMPACK多体动力学仿真软件，分析了轨道随机不平顺及具有连续波数的交点型不平顺对机车运行安全性及平稳性的影响。仿真结果表明，在轨道交点型不平顺幅值和波长一定的情况下，轨道交点型不平顺的波数越多，对机车运行安全性和平稳性的影响就越大，并且都大于仅有随机不平顺激扰的情况。机车速度为160 km/h，在轨道含有连续三波交点型不平顺情况下，轮重减载率为0.685，超过了评定标准的限值0.65，因此，必须对轨道交点型不平顺的波数加以控制，或严格限制车速。

轨道随机不平顺；交点型局部不平顺；机车；动力学

在线路的特定结构处或偶然地点（如桥墩、线路接头、道岔区处）产生的轨道几何参数的偏差称为轨道局部不平顺，往往会引起轮轨间产生强烈的动态作用，对机车车辆的安全运行有很大影响，需要特别关注。国内外的轨道研究机构，对局部轨道不平顺实际波形所进行的调查分析表明，看起来千差万别的各种轨道不平顺波形，其实也可以归纳成具有相似特征的若干类型，美国铁路根据实际轨道存在的几何偏差，将桥墩、线路接头、道岔区等地点的轨道局部不平顺，称为轨道交点型不平顺，对机车车辆而言是轨道交点型激扰［1］。对轨道交点型不平顺的研究有李秋玲等人根据线路实测数据，统计出了城市轨道交通线路中，钢轨焊接接头交点型不平顺的幅值范围及不平顺的波长范围［2］；盛明群综述了常见的接头病害及其交点型不平顺的成因［3］；全顺喜研究了列车顺向及逆向通过几何不平顺道岔时，交点型不平顺导致的列车振动响应［4］。以上的研究都没有分析连续多波的交点型不平顺，文献［5］中表明，在实际某大桥的相邻几个桥墩处，已经观察到交点型的连续周期性变化的特征，本文将主要分析机车行经连续波数的交点型局部不平顺时，轨道连续交点型激扰对机车运行的安全性和平稳性的影响。

1 交点型局部不平顺的模拟

1.1 单一交点型不平顺样本的模拟

本文根据文献［1］给出的表达式（1），模拟交点型局部不平顺：

式中A为交点型不平顺的幅值，cm；k为与长度有关的系数，1/m。

根据文献［1］的建议，取垂向不平顺的A为2.29 cm，k为0.11/m，方向不平顺的A为1.27 cm，k为0.09 1/m，水平不平顺的A为2.29 cm，k为0.13 1/m，轨距不平顺的A为2.03 cm，k为0.103 1/m。根据式（1），通过MATLAB软件，模拟出轨道交点型垂向不平顺（如图1a）、交点型方向不平顺（如图1b）、交点型水平不平顺（如图1c）、交点型轨距不平顺（如图1d），图中横坐标表示轨道不平顺的长度，m；纵坐标表示轨道不平顺的幅值，cm。

1.2 轨道随机不平顺与交点型局部不平顺组合样本的模拟

局部不平顺可以单独出现，也可以彼此组合在一起出现，并且可以同时出现在轨道随机不平顺中。单个局部不平顺是机车车辆系统的瞬态激扰输入，会引起机车车辆系统的瞬态振动响应。如果同一形式的局部不平顺连续出现，则可形成周期性的变化［1］。

某型机车在运行的过程中，要在某单桥墩桥梁上行驶，因此，用模拟轨道随机不平顺和单个交点型不平顺的组合样本，反映单桥墩处出现不平顺的情况，在随机轨道不平顺［6］150 m处，叠加单波交点型不平顺，得到轨道垂向不平顺（如图2a）、方向不平顺（如图2b）、水平不平顺（如图2c）、轨距不平顺（如图2d）。

图1 轨道交点型不平顺样本

图2 轨道随机不平顺和单波交点型不平顺的组合样本

某型机车在运行的过程中，要在含有2个桥墩桥梁上行驶，因此，用模拟轨道随机不平顺和2个连续交点型不平顺的组合样本，反映2个桥墩处出现不平顺的情况，在随机轨道不平顺的150 m和250 m处，叠加连续双波交点型不平顺，得到轨道垂向不平顺（如图3a）、方向不平顺（如图3b）、水平不平顺（如图3c）、轨距不平顺（如图3d）。

某型机车在运行的过程中，要在含有3个桥墩桥梁上行驶，因此，用模拟轨道随机不平顺和3个连续交点型不平顺的组合样本，反映3个桥墩处出现不平顺的情况，在随机轨道不平顺的150 m、250 m及350 m处，叠加连续3波交点型不平顺，得到轨道垂向不平顺（如图4a）、方向不平顺（如图4b）、水平不平顺（如图4c）、轨距不平顺（如图4d）。

图3 轨道随机不平顺和连续双波交点型不平顺的组合样本

图4 轨道随机不平顺和连续3波交点型不平顺的组合样本

2 机车动力学模型及仿真分析

2.1 机车动力学模型

利用多体动力学分析软件SIMPACK建立了我国某型机车的动力学模型，此模型主要结构特点是机车由车体、2个转向架构成，每个转向架有3个轮对；车体和构架间由二系高圆弹簧、横向减振器、垂向减振器及抗蛇行减振器等组成二系悬挂；构架和轮对之间通过轴箱弹簧、单轴箱拉杆及垂向减振器等组成一系悬挂，中间轮对没有垂向减振器；牵引电动机采用弹性架悬方式，3点悬挂于构架之上，仿真模型示意图如图5所示。

图5 机车动力学仿真模型示意图

2.2 仿真及结果分析

本文在仿真计算中采用轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率及车体的振动加速度评价机车在交点型激扰下的动力响应。

（1）机车车辆与轨道动态作用评价指标

轮轨横向力的评价指标，混凝土轨枕线路单侧Q力的最大允许值应根据扣件横向抗力特性及钢轨倾翻限度等加以确定，欧美铁路根据试验，一般取0.4轴重作为横向力的允许限度，要求Q≤0.4PW，式中PW为静轴重，k N；机车轴重为21 t，即Q≤0.4×210＝84 k N［7］。轮轨垂向力评价指标，根据UIC－518，轮轨垂向力最大值Pmax＝90＋P0，其中P0为每个车轮上的静载荷，k N；P0＝105 k N，即Pmax＝90＋105＝195 k N［8］。

（2）机车车辆运行安全性评价指标

脱轨系数根据我国铁道行业标准《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》（TB/T 2360－93）规定机车的脱轨系数在0.6以下为优。轮重减载率的评定等级为第1限度为评定车辆运行安全的合格标准，第2限度为增大了安全裕量的标准。其标准列于表1。

表1 轮重减载率评定标准

（3）机车车辆运行平稳性评价指标

机车车体振动加速度根据我国《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》（TB/T 2360－93）进行评定，如表2。

表2 我国机车振动加速度评定等级

仿真中将考虑4种工况，工况1：轨道随机不平顺样本；工况2：轨道随机不平顺和单波交点型不平顺的组合样本；工况3：轨道随机不平顺和双波交点型不平顺的组合样本；工况4：轨道随机不平顺和三波交点型不平顺的组合样本；作为系统的外部输入激扰，使机车以120，130，140，150，160 km/h的速度通过设定的轨道不平顺，计算了车体的轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率和振动加速度，得到轨道交点型不平顺及不同波数下机车振动响应的规律。仿真结果如图6～图9。

图6为1位轮对左轮的轮轨横向力时间历程图及其3σ滤波图（其中ARR5表示美国5级线路谱）；（a）图为机车行经随机不平顺和单波交点型不平顺时的轮轨横向力，每个速度下，轮轨横向力只有1个峰值，且正好出现在单波交点型不平顺的1个尖峰附近，（b）图为机车行经随机不平顺和连续双波交点型不平顺时的轮轨横向力，每个速度下，轮轨横向力出现2个峰值，且正好出现在双波交点型不平顺的2个尖峰附近，（c）图为机车行经随机不平顺和连续三波交点型不平顺时的轮轨横向力，每个速度下，轮轨横向力出现3个峰值，且正好出现在三波交点型不平顺的3个尖峰附近。正好说明机车在行经桥墩处，由于局部不平顺是机车车辆系统的瞬态激扰输入，就会引起机车车辆系统的瞬态振动响应。（d）图为对轮轨横向力时间历程图做3σ滤波处理，所得的滤波图可以看出机车运行速度越高，轮轨横向力的最大值越大，且大致呈线性递增，因此可知机车速度与机车轮轨横向力成正相关；但在各种工况下，轮轨横向力均在84 k N以内，如图6（d）在工况一，速度为120 km/h的轮轨横向力为15.9 k N，140 km/h的轮轨横向力为17.9 k N，160 km/h的轮轨横向力为19.4 k N。在相同速度下，在含有交点型不平顺的作用下，机车的轮轨横向力比只有随机不平顺的影响大，说明由于机车行经桥墩处，由于局部不平顺的瞬时激扰的输入，机车系统也产生了瞬态的振动，但机车连续行经多个桥墩时，由于前面桥墩处产生的振动没有完全衰减，对行经后面桥墩时的瞬时振动有叠加效应。如图6（d）机车速度在160 km/h时，机车行经只含有轨道随机不平顺时的轮轨横向力为19.4 k N，机车行经含有连续单波不平顺的轮轨横向力为21.8 k N，机车行经含有连续双波不平顺的轮轨横向力为22.2 k N，机车行经含有连续三波不平顺的轮轨横向力为22.7 k N。

图6 1位轮对左轮的轮轨横向力时间历程图及其3σ滤波图

图7 1位轮对左轮的轮轨垂向力时间历程图及其3σ滤波图

图7为1位轮对左轮的轮轨垂向力时间历程图及其3σ滤波图（其中ARR5表示美国5级线路谱）；（a）图为机车行经随机不平顺和连续单波交点型不平顺时的轮轨垂向力，（b）图为机车行经随机不平顺和连续双波交点型不平顺时的轮轨垂向力，（c）图为机车行经随机不平顺和三波交点型不平顺时的轮轨垂向力，从轮轨垂向力的时间历程图不能很明显的看出轮轨垂向力的最大值出现在轨道交点型不平顺的尖峰附近，原因可能是波长0.01～2 m的短波才会引起轮轨垂向极大的冲击，本文的波长（100 m）为大于30 m的长波主要引起车体和转向架的强烈振动［5］。（d）图为对轮轨垂向力时间历程图做3σ滤波处理，从所得的滤波图可以看出，随着机车速度的增加，轮轨垂向力也随之增大，且大致呈线性递增，因此可知机车速度与机车轮轨垂向力成正相关；但都在极限值195 k N范围内；如图7（d）在工况一，速度为120 km/h的轮轨垂向力为144 k N，140 km/h的轮轨垂向力为151 k N，160 km/h的轮轨垂向力为160 k N，在相同速度下，交点型不平顺的波数越多，轮轨垂向力也越大，且都大于只含有随机不平顺情况；说明由于机车行经桥墩处，由于局部不平顺的瞬时激扰输入，机车系统也产生了瞬态的振动，但机车连续行经多个桥墩时，由于前面桥墩处产生的振动没有完全衰减，对行经后面桥墩时的瞬时振动有叠加效应。如图7（d）速度为120 km/h时，机车行经只含有轨道随机不平顺时的轮轨垂向力为144 k N，机车行经含有连续单波不平顺的轮轨垂向力为149 k N，机车行经含有连续双波不平顺的轮轨垂向力为151 k N，机车行经含有连续三波不平顺的轮轨垂向力为153 k N。

图8 1位轮对左轮脱轨系数及轮重减载率的3σ滤波图

图8（a）为1位轮对左轮脱轨系数的3σ滤波图，纵坐标表示脱轨系数经3σ滤波得到的最大值。从图中可以看出，随着机车速度的增加，脱轨系数也随之增大，且大致呈线性递增，因此可知机车速度与机车的脱轨系数成正相关；如图8（a）在工况一，速度为120 km/h的脱轨系数为0.154，速度为140 km/h的脱轨系数为0.175，速度为160k m/h的脱轨系数为0.191。在相同速度下，在含有交点型不平顺的作用下，机车的脱轨系数比只有随机不平顺的大，而双波和三波激扰下的脱轨系数已不再有很大的变化，可能原因是连续三波不平顺即可使机车产生较大的动力响应［5］；速度为120 km/h时，机车行经只含有轨道随机不平顺时的脱轨系数为0.154，机车行经含有连续单波不平顺的脱轨系数为0.171，机车行经含有连续双波不平顺的脱轨系数为0.177，机车行经含有连续三波不平顺的脱轨系数为0.179，但都在优秀等级0.6以下。

图8（b）为1位轮对左轮轮重减载率的3σ滤波图，纵坐标表示轮重减载率经3σ滤波得到的最大值。从图中可以看出，随着机车速度的增加，轮重减载率的数值也随之增大，且大致呈线性递增；但在含有交点型不平顺的作用下，机车的轮重减载率比只有随机不平顺的增长速率大，如图8（b）在工况一，速度为120 km/h的轮重减载率为0.428，速度为140 km/h的轮重减载率为0.494，速度为160 km/h的轮重减载率为0.579。在相同速度下，交点型不平顺的波数越多，轮重减载率也越大，且都大于只含有随机不平顺情况，说明由于机车行经桥墩处，由于局部不平顺的瞬时激扰输入，机车系统也产生了瞬态的振动，但机车连续行经多个桥墩时，由于前面桥墩处产生的振动没有完全衰减，对行经后面桥墩时的瞬时振动有叠加效应。速度为120 km/h时，机车行经只含有轨道随机不平顺时的轮重减载率为0.428，机车行经含有连续单波不平顺的轮重减载率为0.478，机车行经含有连续双波不平顺的轮重减载率为0.493，机车行经含有连续三波不平顺的轮重减载率为0.517。但在速度v为160 km/h时，当交点型不平顺含有连续三波情况下，轮重减载率为0.685略超0.65的合格极限，因此，为保证机车运行安全，必须对轨道交点型不平顺的波数加以控制，或严格控制车速。

图9 前司机室垂向加速度及横向加速度的3σ滤波图

图9（a）前司机室垂向加速度的3σ滤波图，纵坐标表示前司机室垂向加速度经3σ滤波得到的最大值。从图中可以看出，随着机车速度的增加，前司机室垂向加速度也随之增大；如图9（a）在工况一，速度为120km/h的前司机室垂向加速度为1.75 m/s2；速度为140 km/h的前司机室垂向加速度为1.98 m/s2；速度为160 km/h的前司机室垂向加速度为2.09 m/s2；在相同速度下，交点型不平顺的波数越多，前司机室垂向加速度也越大，且都大于只含有随机不平顺情况，说明由于机车行经桥墩处，由于局部不平顺的瞬时激扰输入，机车系统也产生了瞬态的振动，但机车连续行经多个桥墩时，由于前面桥墩处产生的振动没有完全衰减，对行经后面桥墩时的瞬时振动有叠加效应。虽然机车有一系悬挂、二系悬挂，但长波不平顺对车体的振动是低频振动，因此能量还是能够传递到车体上。速度为120 km/h时，机车行经只含有轨道随机不平顺时的前司机室垂向加速度为1.75 m/s2，机车行经含有连续单波不平顺的前司机室垂向加速度为1.84 m/s2，机车行经含有连续双波不平顺的前司机室垂向加速度为2.07 m/s2，机车行经含有连续三波不平顺的前司机室垂向加速度为2.13 m/s2。v＝160 km/h时，当交点型不平顺含有连续三波情况下，前司机室垂向振动加速度指标2.62 m/s2略超优秀等级下的2.45 m/s2，但都在的合格极限3.63 m/s2以下。

图9（b）前司机室横向加速度的3σ滤波图，纵坐标表示前司机室横向加速度经3σ滤波得到的最大值。从图中可以看出，随着机车速度的增加，前司机室横向加速度也随之增大，如图9（b）在工况一，速度为120 km/h的前司机室的横向加速度为0.589 m/s2，速度为140 km/h的前司机室的横向加速度为0.685 m/s2，速度为160 km/h的前司机室的横向加速度为0.737 m/s2。在相同速度下，交点型不平顺的波数越多，前司机室横向加速度也越大，且都大于只含有随机不平顺情况，说明由于机车行经桥墩处，由于局部不平顺的瞬时激扰输入，机车系统也产生了瞬态的振动，但机车连续行经多个桥墩时，由于前面桥墩处产生的振动没有完全衰减，对行经后面桥墩时的瞬时振动有叠加效应。速度为120 km/h时，机车行经只含有轨道随机不平顺时的前司机室横向加速度为0.589 m/s2，机车行经含有连续单波不平顺的前司机室横向加速度为0.758 m/s2，机车行经含有连续双波不平顺的前司机室横向加速度为0.869 m/s2，机车行经含有连续三波不平顺的前司机室横向加速度为0.956 m/s2，但前司机室横向振动加速度指标均在优秀等级1.47 m/s2以下。

4 结 论

（1）在相同的轨道不平顺下，随着机车运行速度的增加，机车的各项动力响应都有不同程度的增加。

（2）在交点型不平顺幅值和波长一定的情况下，交点型不平顺的波数越多，对机车运行安全性和平稳性就越不利，说明机车连续行经多个桥墩时，由于前面桥墩处产生的振动没有完全衰减，对行经后面桥墩时的瞬时振动有叠加效应。在同一速度下，机车在含有交点型不平顺的轨道比只有随机不平顺的轨道上的轮轨横向力大10%以上，机车在含有交点型不平顺的轨道比只有随机不平顺的轨道上的脱轨系数大8%以上。

（3）机车速度为160 km/h，当轨道含有连续单波或双波交点型不平顺的情况下，轮重减载率没有出现超限的现象，但轨道含有连续三波交点型不平顺的情况下，轮重减载率为0.685，超过了评定标准的限值0.65。因此，为确保列车运行的安全性，必须对轨道交点型不平顺的波数加以控制，或严格控制车速。

［1］ 王福天.车辆系统动力学［M］.北京：中国铁道出版社，1994.

［2］ 李秋玲，练松良.城市轨道交通焊接接头不平顺研究与分析［J］.石家庄铁道学院学报，2009，22（3）：21-24.

［3］ 盛明群.普通线路接头综合病害原因分析及整治［J］.上海铁道科技，2001，（3）：38-39.

［4］ 全顺喜.高速道岔几何不平顺动力分析及其控制方法研究［D］.成都：西南交通大学，2012.

［5］ 罗林.轮轨系统轨道平顺状态的控制［M］.北京：中国铁道出版社，2006.

［6］ 丁军君，李芾.单侧轨道不平顺数值模拟［J］.交通运输学报，2010，10（1）：29-34.

［7］ 翟婉明.车辆—轨道耦合动力学［M］.北京：科学出版社，2007.

［8］ UIC Code 518 OR.Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavioursafety-track fatigue-ride quality，2nd edition［S］.Paris，International Union of Railways，2003.

Analysis of Continuous Intersection Type Local Irregularity on Locomotive Performance

CHEN Dilai1，LIU Jianxin2，HOU Jianwen2，WANG Wei1，DU Kaijun2
（1 School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China；2 Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China）

Using MATLAB software to simulate intersection type irregularity as the locomotive model external excitation，using SIMPACK multi-body dynamics simulation software to analysis the influences of track irregularity and intersection type irregularity number on the locomotive safety and comfort on the basis of the locomotive vehicle dynamics index by the locomotive vehicle dynamics theory.The simulation results show that，when the intersection type irregularity amplitude and wave length is certain，the more intersection type irregularity wave number，the more impact on locomotive safety and comfortable，and are more than the single random irregularity.Locomotive speed is 160 km/h，the track contains three consecutive wave intersection type irregularity conditions，reduction rate of wheel load is 0.685more than the standard limit value of 0.65，therefore must be control to track the number of intersection type irregularity or strict speed limits.

random irregularity of track；intersection type local irregularity；locomotive；dynamics

U260.11

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.01

1008－7842（2014）04－0001－07

*国家自然科学基金项目（51375403）；国家重点实验室自主课题（2012TPL－T09）

0—）男，硕士生（

2014－03－11）