一系悬挂参数对车辆动力学性能的影响*

张雯娣，颉方正

(兰州石化职业技术学院汽车工程系，甘肃兰州 730070)

0 引言

在车体和转向架上作用着各种荷载，其中垂直荷载主要包括车辆自重、载重;横向荷载包括风力、离心力;纵向荷载包括牵引力和制动力。此外，还有因车辆振动和线路不平顺引起的各种载荷，其中包括轮轨之间的作用力等。这些力通过车辆悬挂装置来传递，并使之得到缓和和衰减，由此可见，悬挂装置的性能对于保证车辆运行的平稳性和安全性具有十分重要的意义。车辆的运行性能主要决定于悬挂装置中诸如各种弹性元件、减振器、弹性支撑以及各种拉杆、定位装置等结构形式的选择合理与否，其设计参数选用恰当与否。

这样就需要结合各国铁路的线路具体状态、车辆检修运用条件以及其他技术设备和要求等多种因素综合进行考虑，并在设计时加以优选。因此，车辆悬挂装置设计的基本要求可以概括为:减小振动、抑制蛇行运行、保证运行安全和利于曲线通过等;此外，悬挂装置的结构形式还应尽可能满足检修、制造，使用耐久可靠，成本低和通用性好等方面的要求。为了使得车辆系统具有优良的运行稳定性、安全性和平稳性，铁道客车车辆一般采用两级悬挂系统，即一系(轴箱)悬挂和二系(中央)悬挂。一系悬挂的主要目的是使得车辆系统具有良好的运行稳定性和曲线通过能力，而二系悬挂的目的主要是保持车辆系统有优良的乘坐舒适性。当然，这两级悬挂系统对车辆动力学性能的影响和贡献并不是完全独立的，如轴箱悬挂对车辆系统的乘坐舒适性有一定的影响，而中央悬挂对系统的运行稳定性也有一定的贡献。本文中主要分析一系悬挂参数对车辆动力学性能的影响［1］。

运用多体动力学仿真软件SIMPACK建立高速列车的动力学模型，将仿真分析时间设置为10 s，仿真运行速度设为200 km/h，轨道线路为曲线［2］。文中曲线线路采用缓和曲线，它是由包括直线—缓和曲线—圆曲线—缓和曲线—直线，缓和曲线类型选择BLO三次曲线变化，轨道超高选择內轨超高，数据选择根据《高速铁路设计规范》［3］设定，曲线设置为:线路总长度1 000 m，直线长度300 m，缓和曲线长度550 m，圆曲线半径9 000 m，曲线超高110 mm，圆曲线长度350 m。在线路上加载高低和方向不平顺复合的轨道谱，进行车辆系统动力学性能分析［4］。

1 对车辆动力学性能的影响

一系纵向刚度对车辆在直线上高速运行的蛇形稳定性及曲线通过性能的影响显著。一系纵向刚度足够大时，转向架蛇形稳定性能良好，而且在大的牵引力作用下，轮对不会产生明显的纵向位移。

一系纵向定位刚度在0．5～1．5 MN/m变化时，车辆系统动力性能的影响如下，主要分析脱轨系数、倾覆系数和轮轨力，如图1所示。

图1 系纵向定位刚度变化时的影响

从图1可看出，当一系纵向定位刚度逐渐增大时，脱轨系数、车体的横向加速度和轮轨横向力与之同步变化，车体垂向加速度则逐渐降低。当一系纵向定位刚度大于1 MN/m时，倾覆系数随着一系定位刚度的增大而减小，这有利于车辆曲线通过。一系纵向定位刚度的变化对轮轨垂向力影响不大。因此，一系纵向定位刚度值选为1 MN/m左右。

2 一系垂向阻尼对车辆动力学性能的影响

一系垂向阻尼在15～25 kN·s/m变化时，车辆系统动力学评价指标变化如下:

从图2中可看出，当一系垂向阻尼大于20 kN·s/m时，系统的脱轨系数、横向加速度随着阻尼的增大而增大，这不利于车辆的曲线通过能力。在整个变化范围里，一系垂向阻尼的变化对车体垂向加速度和轮轨垂向力影响不大，这对车辆曲线通过是有利。因此当垂向阻尼为20 kN·s/m左右时系统曲线通过能力最好。

图2 一系垂向阻尼变化时的影响

3 结语

在SIMPACK模型的基础上，主要分析了悬挂参数的变化对车辆系统动力学性能的影响。结果显示:

(1)一系纵向刚度在0．5～1．5 MN/m 变化时，系统脱轨系数随之增大;倾覆系数在刚度小于1 MN/m时逐渐减小;车体横向加速与轮轨横向力度呈先增后减趋势，并在纵向刚度为1．25 MN/m时达到最大值;车体横向加速度则随之减小;对轮轨垂向力的影响不明显，所以将一系纵向刚度之选取为1 MN/m。

(2)一系垂向阻尼在15～25 kN·s/m变化时，对车体垂向加速度和轮轨垂向力的影响不显著;在阻尼大于20 kN·s/m时车体横向加速度和脱轨系数随之增大，这对车辆曲线通过不利，所以将一系垂向阻尼之选取为20 kN·s/m。

［1］ 孙晓亮．高速拖车悬挂系统参数对其动力学性能的影响［D］．成都:西南交通大学，2012．

［2］ 缪炳荣，方向华，傅秀通，等．SIMPACK动力学分析高级教程［M］．成都:西南交通大学出版社，2008．

［3］ TB10621－2009．高速铁路设计规范［Z］．北京:中国铁道出版社，2010．

［4］ 罗文俊．曲线轨道车辆稳定性分析［M］．南昌:华东交通大学，2005．