铁路道床吸污车动力学性能分析研究

郭俊华

【摘 要】针对铁路道床吸污车的转向架结构特点，根据GB/T17426-1998《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法》建立了该车的动力学模型，对该车的运行稳定性、平稳性、安全性进行了计算和分析。结果表明，该车空车和满载工况下在120km/h运行速度范围内，各项动力学性能指标均能满足GB/T17426-1998的要求。

【关键词】铁路道床吸污车；动力学性能；临界速度；运行平稳性指标；脱轨系数

【Abstract】According to GB / T17426-1998 "Railway special vehicle and rail machinery dynamic performance evaluation and test method" ， the article establishes the dynamic model of the vehicle in allusion to the bogie feature of railway ballast suction-typ sewer scavenger. The operational stability、smoothness and safety were calculated and analyzed. The results show that the dynamic performance of the vehicle can meet the requirements of GB / T17426-1998 in the range of 120km / h operating speed.

【Key words】Railway ballast suction-typ sewer scavenger；Dynamic performance；Critical velocity；Running stability index；Derailment coefficient

0 引言

为了满足铁路建设和铁路运输市场的需要，设计了最高连挂运行时速为120km、最高自行时速为100km的铁路道床吸污车。该车采用焊接构架式轴箱悬挂转向架，为了分析和预测该车的动力学性能，本文建立了该车的动力学模型，通过对该车的运行稳定性、平稳性、安全性进行计算和分析，对该车的动力学性能进行了预测和评价。

1 铁路道床吸污车结构特点

铁路道床吸污车在前端装有一台动力转向架、在后端装有一台非动力转向架。动力转向架和非动力转向架的结构基本相同，由轮对、轴箱悬挂装置、焊接构架、常接触弹性旁承、球面心盘和基础制动装置等部件组成。转向架的主悬挂系统采用轴箱悬挂，由轴箱螺旋钢弹簧和斜楔式摩擦减振器组成；转向架采用球面心盘和常接触弹性旁承承载，球面心盘还具有传递纵向和横向作用力的功能；转向架的基础制动装置采用踏面制动装置，车轮踏面采用锥形踏面。

2 铁路道床吸污车动力学模型

铁路道床吸污车是一个复杂的多体系统，不但有各部件之间的相互作用力和相对运动，而且还有轮轨之间的相互关系。因此，理论计算分析模型只能根据研究的主要目的和要求，对一些次要因素进行相应的假定或简化，而在对动力学性能影响较大的主要因素上尽可能做出符合实际情况的模拟。因此，在建立铁路道床吸污车动力学模型时，将作如下假定：

（1）轮对、构架和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形。

（2）不考虑相邻车辆的作用，即只考虑单独一辆车的运动。

（3）不考虑钢轨的弹性变形。

忽略各部件本身的弹性变形后，则该车可模拟为离散的多自由度系统。由于该车垂向和横向运动是相互藕合的，因此计算中将该车在横向和垂向的运动综合起来作为一个系统考虑。由于该车是由刚体和弹性悬挂系统组成的，各刚体之间有相互约束关系，因此刚体的有些运动方式是独立的，有些运动方式是受约束的。因此整个车辆系统的自由度DOF可用下式来表示：

DOF=6N-R（1）

式中：N——系统中的刚体数目；R——系统中的刚体约束数。

铁路道床吸污车有4个轮对、2个构架和1个车体等7个刚体。由于考虑车辆是匀速运动，因此各刚体沿x轴方向的平行移动（伸缩）可以不考虑，转向架构架的横移位移、浮沉位移、点头角位移与车体的横移、浮沉、点头、摇头和侧滚位移相关，不是独立的自由度，轮对的浮沉、侧滚运动是轮对横移和摇头角的函数，因此不是独立的自由度。

根据以上分析，铁路道床吸污车多刚体系统在横向和垂向共有21个独立的自由度，其余的非独立自由度均可用这些自由度来表示。在仿真分析中车辆各刚体的广义坐标如表1所示，动力学计算力学模型如图1所示。

根据转向架的结构特点，在研究中考慮以下非线性因素：

（1）轮轨非线性接触几何关系。踏面和轨面之间具有非线性轮轨接触几何关系。

（2）轮轨非线性蠕滑。计算中先按Kalker线性理论确定蠕滑力，然后再用试探法修正为非线性值。

（3）悬挂非线性。轴箱悬挂在垂向、横向和纵向均存在非线性关系；构架和车体之间有回转摩擦力矩等。

3 运行平稳性计算分析

根据GB/T17426-1998规定，特种车辆和轨行机械的最大振动加速度（包括最大推断值）为货车振动强度的极限值，对于垂直振动为6.87m/s2（或0.7g），对于横向振动为4.91m/s2（或0.5g）。特种车辆和轨行机械运行平稳性等级见表2所示。

表2 特种车辆和轨行机械运行平稳性等级

根据GB/T17426-1998规定，带有动力的轨行机械的运行平稳性用司机座位500m范围内地板面上的横向及垂向平稳性指标及最大振动加速度来表示。计算中线路考虑较好线路（美国Ⅴ级线路）和一般线路（美国Ⅲ级线路）两种线路工况，在60～130km/h速度范围内，铁路道床吸污车在空车和满载工况下的横向和垂向平稳性指标Wzy、Wzz如表3～4，横向及垂向最大加速度Ay、Az如表5～6。

从平稳性计算结果可见，铁路道床吸污车在空车和满载污物时：

在较好的干线上（相当于我国Ⅰ级线路），铁路道床吸污车空车在90km/h速度内、满载时在100km/h速度内的横向平稳性指标小于3.0，空车在100km/h速度内、满载时在110km/h速度范围内的垂向平稳性指标小于3.0，满足GB/T17426-1998的优级标准；空车和满载时在130km/h速度内横向和垂向平稳性指标小于3.5，达到GB/T17426-1998规定的良好标准。

在一般的干线上（相当于我国Ⅱ级线路），空车和满载时在80km/h速度内的横向平稳性指标小于3.0，在90km/h速度范围内垂向平稳性指标小于3.0，满足GB/T17426-1998的優级标准；空车时在120km/h速度内、满载时在130km/h速度内横向及垂向平稳性指标小于3.5，达到GB/T17426-1998规定的良好标准；空车时在130km/h速度内横向及垂向平稳性指标小于4.0，达到GB/T17426-1998规定的合格标准。

在较好线路和一般线路上，130km/h速度范围内，铁路道床吸污车空车和满载时的最大横向加速度小于0.5g，最大垂向加速度小于0.7g，横向及垂向最大加速度均满足GB/T17426-1998的要求。

4 运行稳定性计算分析

不同的车轮踏面等效锥度λ情况下，铁路道床吸污车的蛇行运动失稳临界速度Vcr（km/h） 如表7中。

从表7中可见，铁路道床吸污车空车和满载工况在新轮轨时的临界速度较高，能满足运行的要求。随着车轮踏面的磨耗，车辆临界速度下降，当车轮踏面磨耗至等效锥度为0.35时，蛇行失稳临界速度将接近最高联挂速度。但在一般情况下，经常使用的踏面等效锥度在0.10～0.3范围之内，车轮踏面等效锥度大于0.35的情况只有当车轮轮缘接触钢轨时（如车辆通过曲线工况）才可能出现，而车辆通过曲线时车轮总是贴靠钢轨一边，不会出现蛇行失稳现象。所以，铁路道床吸污车的运行稳定性能满运行要求。

5 曲线通过性能计算分析

根据GB/T17426-1998规定，轨行机械应进行300～600m的小半径曲线试验，并通过12号或9号道岔。

计算曲线通过时线路条件如下：

（1）曲线半径R=300m，曲线外轨超高h=100、150mm，缓和曲线长度LS=70m，圆曲线长度LC=60m，最大欠超高取90mm，运行速度V=69.5、78.1km/h。

（2）曲线半径R=400m，曲线外轨超高h=100mm，缓和曲线长度LS=70m，圆曲线长度LC=60m，最大欠超高取90mm，运行速度V=80.3、90.2km/h。

（3）曲线半径R=600m，曲线外轨超高h=80、150mm，缓和曲线长度LS=70m，圆曲线长度LC=60m，最大欠超高取90mm，运行速度V=93.0、110.5km/h。

（4）曲线半径R=800m，曲线外轨超高h=80、150mm，缓和曲线长度LS=70m，圆曲线长度LC=60m，最大欠超高取90mm，运行速度V=107.4、120.0km/h。

（5）以80km/h速度通过由18号道岔组成的渡线。

（6）以45km/h速度通过由12号道岔组成的渡线。

（7）以30km/h速度通过由9号道岔组成的渡线。

根据铁路技术管理规程，200km/h速度级客运专线铁路区间最小曲线半径为2000m，250km/h速度级客运专线铁路区间最小曲线半径为3500m，因此应考虑该车在客运专线上运行时的线路工况，如工况（8）、（9）。

（8）曲线半径R=2000m，曲线外轨超高h=150、180mm，缓和曲线长度LS=150m，圆曲线长度LC=100m，运行速度V=120km/h。

（9）曲线半径R=3500m，曲线外轨超高h=150、180mm，缓和曲线长度LS=150m，圆曲线长度LC=100m，运行速度V=120km/h。

计算中输出铁路道床吸污车通过曲线时的轮轨横向力Q（kN）、脱轨系数Q/P、轮重减载率△P/P、轮轴横向力H（kN）和倾覆系数D的最大值。

倾覆系数是用以评定车辆在侧向风力、离心力和横向振动惯性力等载荷的作用下是否会倾覆。根据TX-C道床吸污车技术条件，可承受的最大风速为25m/s，风速v与风压P之间的换算关系为P=ρ（2）

式中：v——风速（m/s）

ρ——空气密度（kg/m3），查表得气温20℃时的空气密度为1.205kg/m3，可以算出风压为：

P=376.56Pa

用风压乘以车体侧墙面积所得的力，即为计算倾覆系数时加在车体上的风力。

铁路道床吸污车空车和满载工况下通过半径为300m、400m、600m、800m、2000m、3500m的圆曲线和由18号、12号、9号道岔组成的渡线时的各项动力学性能指标如表8、9。