樸明偉，湯志鈞，呂倩，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

0 引言

在新車研發(fā)過程中，動態(tài)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比(簡稱仿真對比)是一項(xiàng)不可回避的重要工作.由于輪軌接觸和斜楔減振的干摩擦作用存在不確定性，這使仿真對比難以做到通常意義的“吻合”或“一致”.盡管 GB 5599—85的第 5節(jié)規(guī)定［1］:采樣間隔Δt依照截止頻率fc確定，可是采樣段選取則不是很明確.在實(shí)際測試中，常用分析段采樣制度:16 s作為一分析段，再等分4段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.國際鐵路聯(lián)盟UIC 518的第6.1節(jié)［2］明確提出了試驗(yàn)段(Test Zone)采樣制度，并特別規(guī)定了最小直線采樣段長度100 m和完整曲線采樣段長度.由此可見，UIC 518更加強(qiáng)調(diào)了基于線路條件的動態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征對比.

為此，本文以最新研制的6軸雙層集裝箱跨裝3車組(簡稱跨裝3車組)作為研究對象，依照UIC 518的動態(tài)數(shù)據(jù)處理方法，給出了輪軌作用的保守/樂觀仿真結(jié)果，并結(jié)合環(huán)行線試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征的仿真對比.針對車體橫向平穩(wěn)性，進(jìn)一步指出了分析段采樣制度的不足之處.

1 動態(tài)數(shù)據(jù)處理及評價(jià)方法

在UIC 518附錄H中，考慮到直線或曲線通過情況，提出了1維/2維統(tǒng)計(jì)處理方法.在曲線通過時(shí)，以線性回歸方式引入欠超高/過超高隨機(jī)變量，并計(jì)入對均值的影響，即為2維統(tǒng)計(jì)處理方法.

1.1 動態(tài)數(shù)據(jù)處理

圖1是基于UIC 518的最大輪軌力估算值處理流程，相應(yīng)處理圖示見圖2.

由圖1和圖2可見:①在以2 m間隔進(jìn)行滑模均值處理時(shí)，低通采樣濾波器采用UIC 513附錄3［3］的 Wa ，頻帶 0.4～20 Hz;②最大估算值是以如下兩種形式給出，即采樣最大值和采樣均方差最大值，如H和sH;③為了便于說明，圖2的采樣段選取比較短.根據(jù)UIC 518第6.1節(jié)的規(guī)定，最高車速Vlim≤140 km/h，采樣段長度至少100 m，對于小曲線及順坡段等特殊情況，可以減小到70 m.

對于穩(wěn)定安全性及振動行為評價(jià)(如轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性和車體斷面振動加速度等)，其動態(tài)數(shù)據(jù)處理流程與圖1、2類似，但低通濾波頻帶為0.4～10 Hz，并以2.2σ原則給出采樣均方差最大值(符號標(biāo)記方法見1.2節(jié)②、③).

對于平穩(wěn)性評價(jià)，以2 m間隔進(jìn)行滑模均值處理，垂向加速度采用Wa或Wa*Wb濾波器，橫向采用 Wd或Wa*Wd，頻帶0.4～40 Hz.對于完整曲線(包括相關(guān)的緩和段)，采用基于左/右彎道的2維統(tǒng)計(jì)處理方法.

圖1 最大輪軌力估算值處理流程

圖2 最大輪軌力估算值處理圖示

1.2 評價(jià)方法

(1)車軸橫向力限定值

根據(jù)UIC 518第10.1.2節(jié)的規(guī)定，車軸橫向力限定值

式中，H2m為車軸橫向力的2 m滑模均值，kN;P0為靜態(tài)軸重，kN;對于貨車車輛，重載β=0.8，空載 β =0.75.

對于高速客車車輛，從輪軌接觸疲勞角度出發(fā)，UIC 518 第 10.1.1.2 節(jié)規(guī)定了輪軌垂向力限定值:輪對作為簧下質(zhì)量，其所產(chǎn)生的垂向輪軌動力作用一般要控制在限定值的60%～65%左右.這足以說明其高速輪軌低動力作用要求.

(2)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度限定值

根據(jù)UIC 518第10.1.3節(jié)規(guī)定了轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定的橫向加速度限定值

同時(shí)，UIC 518 第10.1.2.1 節(jié)也給出了以下簡易方法:

(3)車體斷面振動加速度限定值

根據(jù) UIC 518 第10.1.2.2 節(jié)的規(guī)定，對于貨車車體:

式中，上角標(biāo)*代表走行部以上的加速度監(jiān)測，下角標(biāo)q代表振動行為評價(jià)濾波采樣處理:與(2)相同.注意:采樣均方差最大值(式4b)亦可記為Sy和Sz.

1.3 基于統(tǒng)計(jì)特征的數(shù)據(jù)處理規(guī)范

與國標(biāo)GB 5599或目前常用的動態(tài)數(shù)據(jù)處理方法相比，UIC 518至少在以下方面有比較嚴(yán)格的規(guī)定:①試驗(yàn)段選取反映了線路條件特征(如完整曲線)，而最小直線采樣段通常規(guī)定為100 m，并以10 m增量遞增.按照不同速度段規(guī)定最小直線采樣段長度，如車速≥220 km/h，最小直線采樣段長度為500 m;.②在任何速度等級下，統(tǒng)一采樣間隔2 m;③對于輪軌安全性，低通濾波器頻帶0.4～20 Hz，并以3 σ原則給出采樣均方差最大估算值;對于穩(wěn)定安全性及振動行為，低通濾波器頻帶 0.4～10 Hz，并以 2.2 σ 原則給出采樣均方差最大估算值;對于平穩(wěn)性評價(jià)，加速度低通濾波頻帶0.4～40 Hz，垂向與橫向?yàn)V波器的權(quán)重是不同的，特別是橫向Wd或Wa*Wd的最大權(quán)重在1 Hz附近.

分析段采樣制度存在低頻成份采樣拾取不充分問題.根據(jù)GB 5599第5.2.5.2節(jié)的頻譜采樣要求，以20 s一分析段，再等分10段，每段取512個(gè)采樣點(diǎn)，不存在采樣遺漏問題，但一般難以做到.如果以16 s為一分析段，再等分4段進(jìn)行平穩(wěn)性評價(jià)的數(shù)據(jù)處理，那么，每一段應(yīng)當(dāng)取多少采樣點(diǎn)呢?比如車速120 km/h，采樣間隔2 m，至少要取66個(gè)采樣點(diǎn)，采樣拾取頻率為8.3 Hz;采樣間隔4 m，至少要取33個(gè)采樣點(diǎn)，采樣拾頻率取為4.1 Hz….每段采樣點(diǎn)數(shù)越少，采樣信號丟失的低頻成份也就越多.

具體地講，分析段采樣制度是基于瞬時(shí)監(jiān)測的采樣制度，采用橫向的加權(quán)濾波處理，忽略了車體低頻運(yùn)動對平穩(wěn)性的影響;而試驗(yàn)段采樣制度則是基于線路特征(直線、順坡率和曲線欠/過超高)的采樣制度，滿足了數(shù)據(jù)采樣的頻率成份要求.對于高重心車輛來講，車體橫向低頻運(yùn)動是不容忽視的，必須納入測試分析范圍.

2 跨裝3車組仿真

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖3為跨裝3車組聯(lián)掛模型.整個(gè)車組是由牽引桿相互聯(lián)結(jié)的3個(gè)6軸雙層集裝箱車輛和2個(gè)跨裝結(jié)構(gòu)及集裝箱載荷組成，其走行部采用3E軸構(gòu)架轉(zhuǎn)向架.

這一跨裝3車組聯(lián)掛形式具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

(1)具有明顯的高重心車輛特征，且柔性系數(shù)比較低.按照雙層集裝箱的裝載方式，重載重心接近2.4 m.由于3E軸構(gòu)架轉(zhuǎn)向架采用軸箱懸掛，以平面心盤方式構(gòu)成轉(zhuǎn)向架與車體的接口聯(lián)結(jié)，因而每個(gè)轉(zhuǎn)向架對車體側(cè)滾的剛度貢獻(xiàn)比較大，具有比較好的動態(tài)限界通過能力，但直線或大半徑曲線運(yùn)行時(shí)車輛動態(tài)柔性比較低;

(2)車體側(cè)墻上邊梁中部的橫向穩(wěn)定性比較差.雙層集裝箱車體具有落下孔車體的特征.根據(jù)重載工況模態(tài)分析，側(cè)墻上邊梁中部比較容易形成對稱瓢曲或歪斜結(jié)構(gòu)模態(tài)(頻率12～13 Hz)振動.盡管這一模態(tài)振動對貨物完好性的影響不大，但是，從車體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度角度，需要進(jìn)行深入的監(jiān)測與分析;

③3E軸構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的輪軌關(guān)系協(xié)調(diào)問題.為了改善曲線通過性能，中軸輪對的車輪輪緣減薄9mm，修正踏面所形成的等效錐度λe≈0.10，幾乎沒有輪軌對中能力，而且中軸軸箱懸掛無斜楔摩擦減振，即所謂的中軸輪對縱橫向弱約束方案［5］.考慮到1、3 軸的軸距2.9 m，3E 軸構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的輪軌關(guān)系協(xié)調(diào)及穩(wěn)定性就成為非常值得關(guān)注的問題.

圖3 跨裝3車組聯(lián)掛模型

2.2 環(huán)行線試驗(yàn)

以如圖4所示的兩車一跨聯(lián)掛形式進(jìn)行多裝載工況的環(huán)行線試驗(yàn)［6］:大環(huán)曲線半徑1 432 m，超高125mm，無縫鋼軌，最高試驗(yàn)速度達(dá)到132 km/h.

圖4 兩車一跨環(huán)行線試驗(yàn)

試驗(yàn)載荷工況有以下4種:①重箱(帶跨裝);②重車(不帶跨裝);③空箱(帶跨裝);④空車(不帶跨裝).

2.3 車軸橫向力不正常分布規(guī)律

圖5 輪軌縱向蠕滑與摩擦系數(shù)關(guān)系曲線

針對輪軌接觸摩擦的不確定性因素，本文給出了如下兩種方式的仿真結(jié)果:保守仿真是指基于輪軌摩擦系數(shù)0.4假設(shè)的動態(tài)仿真;樂觀仿真是指基于輪軌縱向蠕滑與摩擦系數(shù)關(guān)系假設(shè)(見圖5)的動態(tài)仿真.保守/樂觀仿真以及環(huán)行線試驗(yàn)的車軸橫向力對比表1和圖6.

圖6 最大車軸橫向力的仿真對比

表1 最大車軸橫向力的仿真對比(重箱載荷工況，曲線半徑R1 432 m，kN)

為了更加清晰地分析3E軸構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的車軸橫向力變化規(guī)律，將頭車2位轉(zhuǎn)向架的4、5、6軸的車軸橫向力以圖6所示的直方圖方式加以對比.由上述的車軸橫向力對比可見:

(1)由于樂觀仿真采用了如圖5所示的輪軌縱向蠕滑與摩擦系數(shù)變化曲線，有利于抑制輪對的蛇行振蕩，因而得到車軸橫向力的樂觀仿真結(jié)果.特別值得注意的是轉(zhuǎn)向架第1軸輪對，其計(jì)算結(jié)果過于理想化，主要原因是在輪對橫移過程中，輪軌橫向摩擦系數(shù)的取值與縱向的相同;

(2)仿真計(jì)算以美國AAR5級軌道譜作為輪軌激擾，而環(huán)行線的質(zhì)量等級比較高，可以適用高速動車組運(yùn)行，因而仿真對比在某些極端條件下存在比較大的差異，如120、130 km/h的保守仿真，頭車2位轉(zhuǎn)向架的第3軸(頭車6軸)車軸橫向力有了非常顯著的增大，而樂觀仿真則剛好相反.對于中軸(頭車5軸)輪對的車軸橫向力擾動作用，除130 km/h速度工況外，環(huán)行線試驗(yàn)結(jié)果均高于保守/樂觀仿真的;

(3)對于頭車2位轉(zhuǎn)向架而言，車軸橫向力呈現(xiàn)如下不正常分布規(guī)律:在100～130 km/h高速運(yùn)行時(shí)，隨著中軸車軸橫向力的增大，第3軸的車軸橫向力急劇增大，以至達(dá)到了第3軸橫向力大于第1軸的程度.在直線高速運(yùn)行時(shí)，由于等效錐度降低到名義等效錐度λeN=0.10，可以推斷:這種車軸橫向力不正常分布規(guī)律將會更加突出.

3 高重心車輛橫向平穩(wěn)性

3.1 分析段采樣制度的不足

基于分析段采樣制度，圖7和表2給出了環(huán)行線試驗(yàn)的4種載荷工況橫向平穩(wěn)性評價(jià).根據(jù)2.3節(jié)所討論的車軸橫向力不正常分布規(guī)律，3E軸轉(zhuǎn)向架在輪對蛇行振蕩時(shí)很容易引起構(gòu)架低頻后擺振動.這將給高重心車輛的橫向平穩(wěn)性帶來非常不利的影響.但為什么環(huán)行線試驗(yàn)的平穩(wěn)性評價(jià)卻看不到這種影響呢?

首先，環(huán)行線試驗(yàn)的橫向平穩(wěn)性評價(jià)是按照基于分析段采樣制度的Wzy最大值來確定的.正如1.3節(jié)所敘述的那樣，分析段采樣制度存在低頻成份采樣拾取不充分問題.而橫向?yàn)V波器的權(quán)重應(yīng)當(dāng)在1 Hz附近的低頻段上.分析段采樣制度所得到的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy通常比較小.眾所周知，罐車側(cè)滾振動比較敏感，輪軌橫向力比較大，因而其車速一般受到限制.可是，在高重心罐車試驗(yàn)中Wzy也很低，這充分證實(shí)了分析段采樣制度所存在的問題;其次，跨裝結(jié)構(gòu)及重箱/空箱載荷都會在增強(qiáng)車體側(cè)滾剛度方面帶來有益的作用，這一點(diǎn)在環(huán)行線試驗(yàn)的橫向平穩(wěn)性評價(jià)上則有比較明確的體現(xiàn).

由此可見，分析段采樣制度的不足就在于采樣數(shù)據(jù)遺漏了動態(tài)信號的低頻成份.而這一低頻成份對于橫向平穩(wěn)性評價(jià)來講則是非常重要的.

圖7 環(huán)行線試驗(yàn)的四種載荷工況橫向平穩(wěn)性評價(jià)

表2 環(huán)行線試驗(yàn)的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy對比

3.2 基于完整曲線采樣的橫向平穩(wěn)性評價(jià)

在約2 000 m的完整曲線試驗(yàn)段上，保守/樂觀仿真的橫向平穩(wěn)性評價(jià)見圖8和表3.

圖8 基于完整曲線采樣的橫向平穩(wěn)性對比

上述基于完整曲線的橫向平穩(wěn)性對比可見:①完整曲線采樣樣本包括了順坡率和過超高/欠超高等影響因素，采樣頻譜成份滿足了橫向平穩(wěn)性評價(jià)的動態(tài)數(shù)據(jù)要求，因而保守仿真的橫向平穩(wěn)性反映了高重心車輛的基本規(guī)律;②而樂觀仿真的橫向平穩(wěn)性評價(jià)則以逐步明顯的車體前擺振動形式作為其橫向平穩(wěn)性特征，主要原因是輪對蛇行振蕩頻率比較低，輪軌橫向摩擦系數(shù)的選取值也很小(詳見2.3節(jié)(2))，因而前位轉(zhuǎn)向架蛇行振蕩程度大于后位轉(zhuǎn)向架的.

表3 基于完整曲線采樣的橫向平穩(wěn)性Wzy指標(biāo)對比(重箱載荷工況)

3.3 車體側(cè)墻上邊梁中部橫向加速度

正是存在3.2節(jié)所闡述的橫向平穩(wěn)性問題，很自然得到如下結(jié)論:車體側(cè)墻上邊梁中部橫向加速度超標(biāo).

側(cè)墻上邊梁中部橫向加速度超標(biāo)固然有其車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的問題，但3E軸構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的100～130 km/h高速穩(wěn)定性問題則是其產(chǎn)生的動力學(xué)直接原因(見表4和5).

表4 側(cè)墻上邊梁中部橫向加速度(保守仿真，m/s2)

表5 側(cè)墻上邊梁中部橫向加速度(樂觀仿真，m/s2)

上述橫向加速度超標(biāo)應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，應(yīng)當(dāng)確認(rèn)在其附近是否存在高應(yīng)力區(qū)域.

4 結(jié)論

(1)與UIC 518的試驗(yàn)段采樣制度相比，目前所采用的16 s分析段采樣制度存在低頻成份采樣拾取不充分問題，這至少在高重心車輛的橫向平穩(wěn)性評價(jià)上是欠缺的;

(2)根據(jù)中軸輪對縱橫向弱約束方案，3E軸轉(zhuǎn)向架在高重心車輛應(yīng)用中將更加突出其輪軌橫向力增大的缺點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)以修正踏面優(yōu)化方式予以改善.

［1］國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB 5599—85.鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］，北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1985.

［2］UIC Code 518 OR.Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavioursafety-track fatigue-ride quality，2nd edition［S］.Paris，International Union of Railways，2003

［3］UIC Code 513 R.Guidelines for Evaluating Passenger Comfort in relation to Vibration in Railway Vehicles［S］.IParis，International Union of Railways，1997.

［4］49CFR238，F(xiàn)RA Regulations，Title 49.Transportation，Part 238-passenger equipment safety standards［S］.Federal Railroad Administration，2003.

［5］樸明偉，趙欽旭，方吉，等.3E軸構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的通用動力學(xué)要求［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(2):9-14.

［6］王新銳，丁勇.六軸雙層集裝箱車(兩車一跨)環(huán)行線動力學(xué)性能試驗(yàn)［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2010.