转K6转向架直线运行性能研究

何百千 上海铁路局科研所

转K6转向架直线运行性能研究

何百千 上海铁路局科研所

借助于SIMPACK动力学分析软件，充分考虑货车的各种非线性因素，建立转K6转向架货车动力学模型，运用此模型分析转K6转向架货车的直线运行性能。结果表明：转K6转向架货车在直线线路上运行时的非线性临界速度为131 km/h；车体横向振动加速度随速度提高呈线性增加，垂向振动加速度随速度提高呈非线性增加；在速度不大于80km/h时，车体的横向和垂向振动加速度均没有超标，车体的横向和垂向平稳性指标值均小于3.5。

转K6转向架；振动特性；加速度；平稳性指标和速度的匹配关系进行了深入研究。由此看来，重载铁路轮轨动力学和轮轨系统振动特性越来越引起关注和重视。因此，本文以转K6转向架货车为研究对象，对其在直线线路上的运行性能进行了研究，并探讨不同速度对轮轨系统振动特性的影响。

1 K6转向架动力学模型

本文模型采用了我国铁路货车常用的转K6转向架，其结构为三大件式，借助于SIMPACK动力学软件建立三维货车动力学模型（如图1所示），表1列出了模型中各刚体的自由度。

图1 K6转向架动力学模型

近年来，铁路重载运输在世界上许多国家得到广泛重视，但随着货车轴重和速度的增加，货车对轨道结构的破坏作用也随之加剧，导致列车和线路基本建设及维修费用增加。近年来，国内许多学者开展了大量关于重载铁路动力学的研究。其中，刘宏有和杨爱国研究了一系橡胶垫定位刚度对转K6型转向架运动稳定性的影响，并且采用动力学仿真分析、实验室试验和线路动力学试验相结合的方法，研究了转K6转向架的动力学性能，西南交大的王孔明分析讨论了降低重载货车轮轨动力作用的车辆及线路技术措施，丁旭杰分析了货车轴重的增大和速度的提高对车辆动力学性能、线路、车辆零部件的运用可靠性等方面所产生的影响，杨春雷对重载货车轴重

表1 模型中各刚体的自由度

建模时，充分考虑了车辆系统中的各种非线性因素。

2 仿真计算结果与分析

2.1 临界速度分析

本文中确定临界速度的方法为：在直线轨道上施加一段轨道谱，使整个系统的振动被激发，然后使车辆系统在平直光滑的轨道上运行，当系统的响应不再衰减到平衡位置而是趋于稳定的极限环时，则此时的速度即为车辆临界速度。

在AAR五级轨道谱激扰下，当重车以130km/h和131km/h两种不同的速度运行时，第一位轮对横向运动的时间历程如图2所示。当车速为130km/h时，被激发起来的轮对横向位移随着时间的延续，逐渐地衰减到零位置，如图2 (a)所示，当车速增加1km/h，达到131 km/h时，被激发起来的轮对横向位移随着时间的延续，不会衰减或收敛到平衡位置，而是做等幅的周期运动，如图2(b)所示，此时的速度（131km/h）便是空车的实际临界速度。

图2 车辆一位轮对横向位移时程图

2.2 直线运行平稳性分析

为了分析和评估车辆在直线轨道上的运行平稳性能，下面给出了在轨道不平顺激扰下，车辆分别以50、60、70、80km/h速度运行时的舒适性性能，指标包括了车体横向、垂向振动加速度及各自相应的平稳性指标（ISO统计指标）。

图3给出了车辆以50～80km/h速度运行时车体振动加速度（横向和垂向）的仿真计算结果。

由图3(a)可知，车体的横向振动加速度随速度提高几乎呈线性增加，在50 km/h～80km/h速度范围内，加速度值在0.18g到0.33g之间，均小于限值0.5g。

图3(b)表明，随着速度的提高，车体的垂向振动加速度呈非线性增长趋势，当速度低于60km/h时，加速度的增幅较小，而当速度高于60km/h时，加速度的增幅较明显。在50km/h～80km/h速度范围内，加速度值均小于限值0.7g。

图3 车体振动加速度随速度增加的变化情况

车辆以50～80km/h速度运行时车体横向和垂向平稳性指标的仿真计算结果如图4所示。

结果表明，对于车体横向平稳性指标，随着速度的增加，平稳性指标值呈线性趋势增长，例如，50km/h速度下的指标值为2.25，60km/h速度下的指标值为2.6，较前者增加了0.35，因此，速度每增加10km/h，平稳性指标值增加0.35左右。另外，所有速度下的平稳性指标值均小于3.5，属优级。

对于垂向平稳性指标，随着速度的增加，平稳性指标值也呈非线性趋势增长，50km/h～60km/h与70km/h～80km/h速度范围内的增幅较小，60km/h～70km/h速度范围内的增幅较大。另外，在整个速度范围内，平稳性指标值均小于3.5，属优级。

图4 车体平稳性指标随速度增加的变化情况

以80km/h速度运行工况为例，本文进一步给出了重车车体横向和垂向振动加速度响应的时程图，如图5所示，图中清晰的反应了车体横向与垂向振动加速度响应，其中车体横向振动加速度的最大值为0.33g，车体垂向振动加速度的最大值为0.59g。

图5 车辆以80km/h速度运行时车体振动加速度响应

3 结论

（1）转K6转向架货车的非线性临界速度为131km/h。

（2）转K6转向架货车的车体横向振动加速度随速度提高呈线性增加，垂向振动加速度随速度提高呈非线性增加。在速度不大于80km/h时，车体的横向和垂向振动加速度均没有超标。

（3）在速度不大于80km/h时，转K6转向架货车的横向和垂向平稳性指标值均小于3.5，属优级。

[1]翟婉明.车辆-轨道耦合动力学(第3版)[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[2]刘宏有,杨爱国.影响转K6型转向架动力学性能的2个主要因素分析[J].铁道学报, 2006(2).

[3]刘宏有,杨爱国.转K6转向架动力学性能研究[J].中国铁道学会车辆委员会2004年度铁路机车车辆动态仿真学术会议论文集.

[4]王孔明.重载货车轮轨动力作用研究[D].西南交通大学,2006.

[5]丁旭杰,程海涛.货车轴重与速度的匹配关系研究综述[J].铁道车辆,2003,41(8):40-47.

[6]杨春雷,李芾,付茂海,等.重载货车轴重与速度匹配关系研究[J].中国铁道科学,2012,33 (3):92-97.

[7]曾京,王勇.货车系统的非线性动力学分析[J].西南交通大学学报,2000,35(4):399-403.

[8]张卫华,沈志云.车辆系统非线性运动稳定性研究[J].铁道学报,1996,18(1):29-34.

[9]王勇,曾京,张卫华.铁道货车非线性稳定性[J].交通运输工程学报,2002,2(2):36-40.

[10]曾京,徐涛,邬平波.非线性车辆系统的横向稳定性研究[J].铁道车辆,1996,34(8):9-12.

责任编辑：王华张建强来稿日期：2014-10-20