CRH380B动车组车体高度差对动力学性能的影响

邓学晖,梁靓

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130062) *

CRH380B动车组车体高度差对动力学性能的影响

邓学晖,梁靓

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130062)*

为研究车体之间高度差对动力学性能的影响，针对8辆车编组的CRH380B型动车组，考虑典型的轮轨匹配关系，对无车高差及典型的6种车高差分别建立动力学仿真模型，针对典型的风速和限速，对车高差产生的空气动力学影响进行数值分析.同时，以空气动力学数据为输入，分析了车高差对列车系统动力学性能以及对动车组侧风运行安全性的影响.在15～30 m/s侧风作用下，不同的车体高度差工况对运行安全性指标的影响一般在10%以内.车辆动力学指标均满足相关标准要求，运行安全性指标具有一定的安全裕量.

CRH380B动车组；车体高度差；动力学仿真

0 引言

在CRH380B动车组的实际高级检修过程中发现，由于动、拖车轮镟修值不同，且允许新旧轮对混用，可能存在相邻车的轮径差达到42 mm的情况.而由此产生的车钩高差、车体间静态高度差，必然对列车系统的动力学性能产生影响，将直接关系到列车在高速条件下的安全平稳运行.因而，深入研究车体高度差对动力学性能的影响十分重要.

1 动力学计算说明

1.1 动力学计算和分析方法

CRH380B高速动车组由8辆车编组组成，其中1、3、6、8车配置动力转向架，2、4、5、7车配置非动力转向架.车轮名义滚动圆直径为920 mm，最小运用至836 mm.以其动力学性能较差的整备状态空车为分析对象，进行运行稳定性、运行平稳性和运行安全性分析计算.

1.1.1 蛇行稳定性计算和分析方法

车辆系统的蛇行稳定性是决定车辆能否安全运行的关键因素[1]，其在直线轨道上的稳定性特性通常具有图1所示的三种主要形式，图中实线与虚线分别表示稳定、不稳定平衡位置或极限环(蛇行运动)，横坐标轴为系统平衡位置.图中A点车速值VA为线性临界速度.拐点C为车辆系统等幅蛇行运动出现和消失的分界点，车速值VD为非线性临界速度.

图1 车辆系统在直线轨道上稳定性特性的三种主要形式

车辆在实际轨道上的临界速度定义为实际临界速度[2](简称临界速度)，其值随线路条件的优劣而在VD和VA之间变动.本文主要对车辆系统的临界速度进行研究.

动车组动力学仿真分析中，通过构架端部横向加速度对转向架运行稳定性进行评价，对该加速度通过0.5～10Hz带通滤波后取最大值，按照一定的准则判断转向架是否蛇行失稳.为了留有一定的安全裕量，给出构架横向加速度滤波后的最大峰值[3].

1.1.2 平稳性和舒适度的计算和分析方法

为了较为完全地反映其实际动态响应，对平稳性进行计算时，先让动车组在一段无激扰直线轨道上运行，然后在一段足够长的不平顺轨道上运行.在动车组运行一段距离后进行车体加速度响应数据的采样，并根据相关规范进行处理、分析和计算[4].

平稳性指标按下式计算：

式中：W、A、f和F(f)的定义见GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》、《高速动车组整车试验规范》.

平稳性指标评价等级见表1.

表1 平稳性指标等级

舒适度指标的计算公式为：

式中，NMV、a、Wd、Wb等的定义见《高速动车组整车试验规范》.

舒适度指标评价等级见表2.

表2 舒适度指标等级

1.1.3 运行安全性计算和分析方法

计算CRH380B高速动车组以不同速度分别通过由直线和曲线组成的轨道时的安全性指标(轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率)[5].计算中考虑轨道的随机不平顺激扰，并采用武广客运专线轨道谱.

根据相关评定标准，仿真计算的有关动力学

性能指标需达到以下要求：

轮重减载率评定限值：

倾覆系数≤0.80；

轮轨垂向力评定限值：Qz≤170kN；

轮轴横向力评定限值采用以下标准：

式中，Hlim为轮轴横向力限值，kN；P0为静轴重，kN；对于机车、客车、动车组车辆为β=1.依据车辆重量换算得到的轮轴横向力允许限值见表3.

表3 轮轴横向力允许值 kN

1.2 车辆系统非线性数学模型的建立

1.2.1 模型中的非线性环节

(1)非线性轮轨接触几何关系：CRH380B高速动车组车轮采用S1002CN踏面，标准CN60钢轨.轮轨接触几何参数表示为轮对横移量的非线性函数，中间值采用线性插值计算[6].运用SIMPACK软件采用插值法处理轮轨接触几何关系;

(2)非线性轮轨相互作用力：轮轨间的蠕滑力运用Kalker非线性蠕滑理论计算，通过迭代计算得到钢轨作用于轮对上的横向力和摇头力矩.Kalker系数的比例因子为1.0，轮轨间滑动摩擦系数为0.35;

(3)非线性悬挂力：减振器阻尼特性考虑为非线性的，其力和振动速度的关系如图2所示.二系悬挂的横向止挡亦为非线性的，其力和振动位移的关系如图3所示.

图2 减振器非线性特性 图3 横向止档非线性特性

1.2.2 车辆系统动力学模型

CRH380B高速动车组为复杂多体系统，各部件间存在相互作用力、相对运动以及轮轨之间相互作用关系[7-8].因此，理论计算分析模型只对动力学性能影响较大的主要因素尽可能做出符合实际情况的模拟，并将轮对、构架和车体等弹性较小部件均视为可忽略弹性形变的刚体.CRH380B高速动车组动力学模型如图4所示.

图4 CRH380B高速动车组动力学模型

1.3 轮轨接触几何关系

轮轨接触关系分别采用新踏面和磨耗后实测车轮踏面外形，与标准60 kg钢轨、实测60 kg钢轨进行匹配计算.随着运营里程的增加，轮轨接触的等效锥度从0.17增大到0.45.

1.4 计算工况

在建模时，考虑车间车钩、风挡的耦合作用，并结合计算结果进行空气动力学仿真分析和列车动力学仿真分析.

根据新造采购技术规范，CRH380B(L)/CL系列动车组半永久车钩垂直方向允许摆角为±7°，相邻两车在正常故障下，高度最大极限尺寸为82mm，同时中间车钩转轴点到车钩前端距离为1131 mm，如图5所示，因此，中间车钩垂直方向角度变化为arctan(82/1131)≈4.15°<7°，满足运用要求.

根据新造车技术规范要求，CRH380B(L)/CL系列动车组风挡高度差最大值为210 mm>82mm，符合要求.

图5 车钩示意图

(1)7种轮径差工况

由轮径差导致的车高差计算工况如表4.

表4 轮径差工况

(2)空气动力学计算

在计算过程中，考虑列车在直线轨道、单列匀速运行的情况，且不考虑列车在空气动力学作用下的姿态变化，认为侧风垂直于车体.在4种典型侧风工况[9-10]下(见表5)，针对7种轮径差工况进行计算分析.输出空气对列车每个车体的集中作用力和力矩，坐标系原点选择为两转向架中心的轨面轨道中心线上，X轴指向列车前进方向，Z轴背离车体指向轨道路基方向.

表5 4种侧风工况

(3)无侧风列车动力学计算

在无侧风情况下的列车系统动力学计算过程中，仅考虑前面的车体高度差计算工况，仿真中采用S1002CN新踏面、磨耗后踏面与60 kg标准钢轨、典型打磨钢轨两种轮轨匹配关系，由直线和半径7 000 m曲线组成的线路，车速分别为：200、225、250、275、300、325 km/h；采用武广客运专线轨道谱进行计算.

考核和对比的7项动力学指标包括：运行平稳性指标；运行舒适性指标；构架端部横向加速度(10 Hz低通滤波)；轮轴横向力最大值；脱轨系数最大值；轮重减载率最大值；轮轨垂向力最大值.

(4)列车侧风运行安全性计算

对应侧风计算的多种工况，对CRH380B动车组的运行安全性进行计算.为了更加全面的模拟运营状态，考虑以下几种列车运行条件的组合：

①两种轮轨匹配关系：

新S1002CN踏面与打磨钢轨匹配；

磨耗后S1002CN踏面与标准钢轨匹配.

②线路由直线轨道和曲线轨道组成，曲线轨道为：

曲线半径7 000 m，超高60 mm，侧风吹向曲线内侧；

曲线半径7 000 m，超高175 mm，侧风吹向曲线外侧.

③轨道谱：武广客运专线轨道谱；

考核和对比的5项列车运行安全性动力学指标包括：轮轴横向力最大值；脱轨系数最大值；倾覆系数最大值；轮重减载率最大值；轮轨垂向力最大值.

2 列车空气动力学计算模型及结果

采用空气动力学数值模拟方法，分析车体高度差对列车气动载荷的影响.包括无侧风工况及典型侧风限速工况.计算结果同时作为列车动力学计算的输入条件.

2.1 空气动力学计算说明

以CRH380B动车组为研究对象，对其在平地上的运行进行计算.用于计算的几何模型包括列车模型、转向架模型、 平地模型. 采用实际编组

的八节车模型进行模拟，整车长约200 m.并对列车车体表面及轨道等细部特征进行简化，处理为一系列光滑曲面构成的几何体，而仅保留转向架和风挡.

建立流场计算区域时，为了在提高计算速度的同时保证计算精度，选取长、宽和高分别为800、100和40 m的区域进行计算.列车正前方入口端距离头车鼻尖处200 m，列车正后方出口端距离尾车头鼻尖400 m，顶面距离地面40 m，列车左右侧距离轨道中心线分别为40和60 m，列车车体与轨道所处地面之间的距离为0.376 m.如图6所示.

图6 平地计算区域及边界设置

2.2 空气动力学计算结果

空气动力学计算结果见图7(无侧风)及表6(有侧风)：

图7 车速300 km/h无侧风的阻力对比

结果车速300km/h,侧风15m/s车速200km/h,侧风25m/s车速160km/h,侧风30m/s阻力侧力

表6 各工况空气动力学计算结果对比 (续表)

由计算结果可知，当列车中各车存在车体高度差时，作用力有差异，尤其是在无侧风工况以及外界给车的作用力或者力矩数值比较小的情况下.在15～30 m/s侧风作用、不同车体高度差工况下，空气动力作用在车体上的阻力、侧力、升力和侧滚力矩差异不显著，一般在10%以内，个别工况影响稍大；只有点头力矩和摇头力矩有一定的变化.

3 车高差对动力学性能的影响

在不考虑空气动力学作用的情况下，针对常规车辆动力学性能进行分析.首先，针对无车高差动车组动力学模型，进行以200～325 km/h速度运行的动力学性能仿真分析，作为对比基准.由仿真分析可得：无车高差时，针对4种典型的轮轨匹配关系，在计算速度范围内，车辆运行稳定性、运行安全性都满足相关标准要求，且有足够的安全裕量，运行平稳性指标达到优级.然后，根据1.4节给定的车体高差计算工况，针对300 km/h线路运行速度，计算各种车高差情 况下的动力学性能，并将计算结果进行对比.

3.1 运行稳定性

将构架端部横向加速度10 Hz低通滤波后，以其最大值超过0.8 g作为运行稳定性判据.由计算结果(见图8)可知，在所计算的各种车高差和轮轨匹配工况下，构架端部横向加速度10 Hz滤波后最大值均小于0.8 g且有足够的安全裕量.车高差对构架横向加速度有一定的影响，但影响范围一般在±10%以内.

图8 构架横向加速度对比

3.2 运行平稳性

运行平稳性的计算指标包括横向平稳性指标、垂向平稳性指标、舒适度指标.由计算结果(见图9～图11)可知：各种工况下，动车组各车辆横向平稳性指标最大值均小于2.5，垂向平稳性指标均小于2.0，达到优级；车体舒适度指标均小于2.0.车高差对车体平稳性指标和舒适度指标有一定的影响，但影响范围在±10%以内.

图9 S1002CN-实测钢轨匹配的横向平稳性

图10 S1002CN-实测钢轨匹配的垂向平稳性

图11 S1002CN-实测钢轨匹配的舒适度指标

3.3 运行安全性

对每条轮对的运行安全动力学指标值进行了计算分析并以最大值给出.由计算结果(见图12)可知，各项指标均小于标准给定限值.车高差对各项运行安全性指标有一定的影响，但对轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率的影响范围在±10%以内，脱轨系数最大值均在0.2以内，均具有足够的安全裕量.

图12 S1002CN-实测钢轨匹配下的运行安全性指标

4 结论

由空气动力学和列车动力学仿真分析得：动车组以限速运行时，在15～30 m/s的侧风作用、不同车体高度差工况下，空气动力作用在车体上的阻力、侧力、升力和侧滚力矩差异不显著，一般在10%以内；只有点头力矩和摇头力矩有一定的变化.同时，各个车辆的动力学指标变化范围及车体高度差对运行安全性指标的影响一般在10%以内，且均低于相关标准规定的限制值，具有足够的安全裕量，各项安全性指标均满足相关标准要求.

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[2]钱翼稷.空气动力学[M].北京.北京航空航天大学出版社, 2004.

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[4]秦淼.高速列车空气动力学性能的研究[D].北京：北京交通大学, 2011.

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Influence of Vehicle Hight Difference on Dynamic Performance of CRH380B

DENG Xuehui,LIANG Liang

(CRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd, Changchunn 130062, China)

In order to study the influence of vehicle height difference on dynamic performance of 8 vehicles of CRH380B, typical wheel and track matching relationship are considered, and the dynamic simulation models of 7 different vehicle heights are established. Numerical analysis of aerodynamic impact on vehicle height is conducted under typical wind speed and the speed limit. With aerodynamic data as input, the effect of vehicle height difference on the dynamic performance of the train system and crosswind running safety of EMU is analyzed. On the effect of 15 m/s to 30 m/s crosswind, the influence of vehicle height difference conditions on the operation safety indicators is generally less than 10%. The vehicle dynamic indexes meet the requirements of relevant standards, and the operation safety indicators have certain safety margin.

EUMs; CRH380B; vehicle height difference; dynamics index

1673- 9590(2017)02- 0027- 07

2016-08-30

邓学晖(1980-)，男，高级工程师，硕士，主要从事动车组检修技术研究，总体设计的研究 E- mail:dengxuehui@cccar.com.cn.

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