抗蛇行减振器参数对车辆临界速度的影响研究

杨 陈，贾小平，胡定祥

(中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031)

当轮轨接触不良或者悬挂参数设计不合理时，转向架在运行中会出现一种循环往复的横向运动，这种现象被称为蛇行运动。蛇行运动不仅会降低旅客乘坐的舒适度，还会加快车轮与钢轨的磨损，恶化轮轨接触状态，严重时甚至会引发列车脱轨事故[1]，因此保证车辆具有良好的运行稳定性是车辆安全运营的前提。抗蛇行减振器作为动车组车辆二系悬挂的重要元件之一，沿纵向安装在车体与构架之间，用于衰减和抑制构架与车体之间的蛇行运动。为了提升车辆的运行稳定性、改善车辆的运行状态，许多学者针对抗蛇行减振器对临界速度的影响开展了大量研究[2-3]。吴会超等[4]以CRH3型动车组为例，研究了不同型号的抗蛇行减振器对动车组一次、二次蛇行的抑制效果。曾京等[5]研究了抗蛇行减振器两端橡胶接头刚度对临界速度的影响规律。侯建文等[6]研究了抗蛇行减振器横向安装位置对车辆动力学性能的影响。目前，关于抗蛇行减振器阻尼参数的研究主要基于线性特性，对于卸荷速度、卸荷力这些非线性特性的研究还没有开展。本文建立了某型动车组的车辆动力学模型，分析了抗蛇行减振器等效刚度、卸荷速度、卸荷力对全运行周期(不同车辆磨耗状态)车辆临界速度的影响规律，并根据仿真结果提出抗蛇行减振器参数设计方案，使车辆在全运行周期都具有足够的稳定性裕量。

1 车辆稳定性判定方法

首先建立轮对系统运动微分方程:

(1)

式中：MW为轮对质量；y为轮对横移量；v为车辆运行速度；f为蠕滑系数；ψ为轮对摇头角；JWZ为轮对摇头惯性矩；b为轮对滚动圆横向跨距的一半；λ为车轮踏面等效锥度；r0为车轮名义滚动圆半径。该方程的建立基于以下假设条件：仅考虑轮对系统的摇头和横移自由度；车轮与钢轨一直保持接触状态，依据Kalker线性轮轨接触理论[7]，认为轮轨间横向、纵向蠕滑系数相等；轮对系统与构架之间不设约束。则轮对系统运动微分方程的特征方程式为

(2)

根据式(2)解得的特征根即可判定轮对系统的稳定状态，若特征根为正实数，则该系统的蛇行运动是发散的，一直处于失稳状态；若特征根为负实数，则该系统的蛇行运动是收敛的，会逐渐趋于稳定状态；若特征根为纯虚数，则该系统将一直保持恒幅蛇行运动。

在SIMPACK中计算车辆临界速度的具体方法是：在时域中,让车辆以一定速度通过有激励的线路，然后让车辆在光滑线路上运行，通过观察轮对横移量是否收敛来判断车辆的临界速度。图1为轮对横移量随车辆运行速度变化的曲线示意图，当轮对横移量随车辆速度降低逐渐稳定在0.1 mm时，此时车辆的运行速度即为临界速度。

图1 车辆临界速度判定标准

2 建立车辆动力学建模

为了得到抗蛇行减振器参数对该型动车组车辆临界速度的影响规律，依据其动力学参数建立该型车辆的多刚体动力学模型，如图2所示。该模型包括1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱以及一系、二系悬挂元件[8]。车辆系统考虑了车体、构架和轮对的纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头6个方向的自由度，还有轴箱的点头自由度，共计50个自由度。其中抗蛇行减振器阻尼具有非线性特性，即存在卸荷速度Vp和卸荷力Fp，阻尼特性曲线如图3所示。当抗蛇行减振器两端节点的速度差小于卸荷速度时，抗蛇行减振器阻尼力保持线性特性；当抗蛇行减振器两端节点的速度差大于卸荷速度时，减振器内卸荷阀开启,总节流孔面积迅速增大,致使抗蛇行减振器阻尼力随着速度的增大而缓慢增加。

图2 动车组单节车辆动力学模型

图3 抗蛇行减振器非线性阻尼特性

为了准确地得到抗蛇行减振器刚度和阻尼参数对车辆临界速度的影响，采用变化系数法来进行工况仿真。抗蛇行减振器的等效刚度设置为5，10，15，20，25，30 MN/m，卸荷速度设置为0.005，0.010，0.020，0.030，0.035，0.040 m/s，由于实际制造抗蛇行减振器时有饱和阻尼力的限制，因此卸荷力设置为7 200 N和9 000 N。本文还考虑全周期的车轮磨耗状态，分别计算新轮和磨耗轮(等效锥度0.5)两种踏面工况下，抗蛇行减振器参数变化对车辆临界速度的影响，如图4，5所示。

图4 抗蛇行减振器等效刚度对临界速度的影响

图5 抗蛇行减振器卸荷速度对临界速度的影响

3 仿真结果分析

由图 4、图5可以看出，随着抗蛇行减振器卸荷速度增加，新轮踏面工况下车辆的临界速度总体呈现降低趋势；磨耗轮踏面工况下车辆的临界速度呈现出先增大后保持稳定的趋势。两种踏面工况下，9 000 N卸荷力工况的临界速度恒大于7 200 N卸荷力工况的临界速度；随着抗蛇行减振器卸荷速度增加，新轮踏面工况下车辆的临界速度略微下降，磨耗轮踏面工况下车辆的临界速度下降幅度较大。在卸荷速度为0.01 m/s时，两种踏面工况所对应的临界速度均为最大，9 000 N卸荷力工况的临界速度亦恒大于7 200 N卸荷力工况。结合上述分析，选取抗蛇行减振器的等效刚度为30 MN/m，卸荷速度为0.01 m/s，卸荷力为9 000 N。

为了验证抗蛇行减振器参数选取的效果，对比选取不同参数时，车轮各踏面锥度工况下临界速度的结果，如图6所示。可以看出，各踏面锥度工况下车辆的临界速度均得到提升，特别地，当踏面锥度为0.5时，车辆运行临界速度较原参数工况提升96%。可见，选取的抗蛇行减振器参数显著提升了车辆全运行周期的运行稳定性，能够保障车辆的行车安全。

图6 临界速度优化前后对比

4 结束语

本文介绍了车辆系统稳定性的判定方法，建立了某型动车组的车辆动力学模型，研究了抗蛇行减振器等效刚度和卸荷特性对车辆临界速度的影响规律。研究结果表明，随着抗蛇行减振器等效刚度增加，新轮工况的临界速度呈下降趋势，而磨耗轮的临界速度呈先增大后保持稳定的规律；随着抗蛇行减振器卸荷速度增加，车辆临界速度呈下降趋势，且车轮磨耗程度大的临界速度下降更明显；随着抗蛇行减振器卸荷力增加，车辆临界速度也增加。根据仿真结果对抗蛇行减振器参数进行选取后，车辆在全运行周期(不同车辆磨耗状态)的临界速度均得到提升。