鄧學(xué)暉,梁靚

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062) *

CRH380B動(dòng)車(chē)組車(chē)體高度差對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

鄧學(xué)暉,梁靚

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

為研究車(chē)體之間高度差對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響，針對(duì)8輛車(chē)編組的CRH380B型動(dòng)車(chē)組，考慮典型的輪軌匹配關(guān)系，對(duì)無(wú)車(chē)高差及典型的6種車(chē)高差分別建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，針對(duì)典型的風(fēng)速和限速，對(duì)車(chē)高差產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)影響進(jìn)行數(shù)值分析.同時(shí)，以空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)為輸入，分析了車(chē)高差對(duì)列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能以及對(duì)動(dòng)車(chē)組側(cè)風(fēng)運(yùn)行安全性的影響.在15～30 m/s側(cè)風(fēng)作用下，不同的車(chē)體高度差工況對(duì)運(yùn)行安全性指標(biāo)的影響一般在10%以內(nèi).車(chē)輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行安全性指標(biāo)具有一定的安全裕量.

CRH380B動(dòng)車(chē)組；車(chē)體高度差；動(dòng)力學(xué)仿真

0 引言

在CRH380B動(dòng)車(chē)組的實(shí)際高級(jí)檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于動(dòng)、拖車(chē)輪鏇修值不同，且允許新舊輪對(duì)混用，可能存在相鄰車(chē)的輪徑差達(dá)到42 mm的情況.而由此產(chǎn)生的車(chē)鉤高差、車(chē)體間靜態(tài)高度差，必然對(duì)列車(chē)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，將直接關(guān)系到列車(chē)在高速條件下的安全平穩(wěn)運(yùn)行.因而，深入研究車(chē)體高度差對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響十分重要.

1 動(dòng)力學(xué)計(jì)算說(shuō)明

1.1 動(dòng)力學(xué)計(jì)算和分析方法

CRH380B高速動(dòng)車(chē)組由8輛車(chē)編組組成，其中1、3、6、8車(chē)配置動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，2、4、5、7車(chē)配置非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架.車(chē)輪名義滾動(dòng)圓直徑為920 mm，最小運(yùn)用至836 mm.以其動(dòng)力學(xué)性能較差的整備狀態(tài)空車(chē)為分析對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)行安全性分析計(jì)算.

1.1.1 蛇行穩(wěn)定性計(jì)算和分析方法

車(chē)輛系統(tǒng)的蛇行穩(wěn)定性是決定車(chē)輛能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素[1]，其在直線軌道上的穩(wěn)定性特性通常具有圖1所示的三種主要形式，圖中實(shí)線與虛線分別表示穩(wěn)定、不穩(wěn)定平衡位置或極限環(huán)(蛇行運(yùn)動(dòng))，橫坐標(biāo)軸為系統(tǒng)平衡位置.圖中A點(diǎn)車(chē)速值VA為線性臨界速度.拐點(diǎn)C為車(chē)輛系統(tǒng)等幅蛇行運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)和消失的分界點(diǎn)，車(chē)速值VD為非線性臨界速度.

圖1 車(chē)輛系統(tǒng)在直線軌道上穩(wěn)定性特性的三種主要形式

車(chē)輛在實(shí)際軌道上的臨界速度定義為實(shí)際臨界速度[2](簡(jiǎn)稱(chēng)臨界速度)，其值隨線路條件的優(yōu)劣而在VD和VA之間變動(dòng).本文主要對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)的臨界速度進(jìn)行研究.

動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)仿真分析中，通過(guò)構(gòu)架端部橫向加速度對(duì)轉(zhuǎn)向架運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)該加速度通過(guò)0.5～10Hz帶通濾波后取最大值，按照一定的準(zhǔn)則判斷轉(zhuǎn)向架是否蛇行失穩(wěn).為了留有一定的安全裕量，給出構(gòu)架橫向加速度濾波后的最大峰值[3].

1.1.2 平穩(wěn)性和舒適度的計(jì)算和分析方法

為了較為完全地反映其實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)平穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，先讓動(dòng)車(chē)組在一段無(wú)激擾直線軌道上運(yùn)行，然后在一段足夠長(zhǎng)的不平順軌道上運(yùn)行.在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行一段距離后進(jìn)行車(chē)體加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的采樣，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行處理、分析和計(jì)算[4].

平穩(wěn)性指標(biāo)按下式計(jì)算：

式中：W、A、f和F(f)的定義見(jiàn)GB5599-85《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、《高速動(dòng)車(chē)組整車(chē)試驗(yàn)規(guī)范》.

平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)見(jiàn)表1.

表1 平穩(wěn)性指標(biāo)等級(jí)

舒適度指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中，NMV、a、Wd、Wb等的定義見(jiàn)《高速動(dòng)車(chē)組整車(chē)試驗(yàn)規(guī)范》.

舒適度指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)見(jiàn)表2.

表2 舒適度指標(biāo)等級(jí)

1.1.3 運(yùn)行安全性計(jì)算和分析方法

計(jì)算CRH380B高速動(dòng)車(chē)組以不同速度分別通過(guò)由直線和曲線組成的軌道時(shí)的安全性指標(biāo)(輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率)[5].計(jì)算中考慮軌道的隨機(jī)不平順激擾，并采用武廣客運(yùn)專(zhuān)線軌道譜.

根據(jù)相關(guān)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，仿真計(jì)算的有關(guān)動(dòng)力學(xué)

性能指標(biāo)需達(dá)到以下要求：

輪重減載率評(píng)定限值：

傾覆系數(shù)≤0.80；

輪軌垂向力評(píng)定限值：Qz≤170kN；

輪軸橫向力評(píng)定限值采用以下標(biāo)準(zhǔn)：

式中，Hlim為輪軸橫向力限值，kN；P0為靜軸重，kN；對(duì)于機(jī)車(chē)、客車(chē)、動(dòng)車(chē)組車(chē)輛為β=1.依據(jù)車(chē)輛重量換算得到的輪軸橫向力允許限值見(jiàn)表3.

表3 輪軸橫向力允許值 kN

1.2 車(chē)輛系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型的建立

1.2.1 模型中的非線性環(huán)節(jié)

(1)非線性輪軌接觸幾何關(guān)系：CRH380B高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輪采用S1002CN踏面，標(biāo)準(zhǔn)CN60鋼軌.輪軌接觸幾何參數(shù)表示為輪對(duì)橫移量的非線性函數(shù)，中間值采用線性插值計(jì)算[6].運(yùn)用SIMPACK軟件采用插值法處理輪軌接觸幾何關(guān)系;

(2)非線性輪軌相互作用力：輪軌間的蠕滑力運(yùn)用Kalker非線性蠕滑理論計(jì)算，通過(guò)迭代計(jì)算得到鋼軌作用于輪對(duì)上的橫向力和搖頭力矩.Kalker系數(shù)的比例因子為1.0，輪軌間滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.35;

(3)非線性懸掛力：減振器阻尼特性考慮為非線性的，其力和振動(dòng)速度的關(guān)系如圖2所示.二系懸掛的橫向止擋亦為非線性的，其力和振動(dòng)位移的關(guān)系如圖3所示.

圖2 減振器非線性特性 圖3 橫向止檔非線性特性

1.2.2 車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

CRH380B高速動(dòng)車(chē)組為復(fù)雜多體系統(tǒng)，各部件間存在相互作用力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及輪軌之間相互作用關(guān)系[7-8].因此，理論計(jì)算分析模型只對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響較大的主要因素盡可能做出符合實(shí)際情況的模擬，并將輪對(duì)、構(gòu)架和車(chē)體等彈性較小部件均視為可忽略彈性形變的剛體.CRH380B高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示.

圖4 CRH380B高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型

1.3 輪軌接觸幾何關(guān)系

輪軌接觸關(guān)系分別采用新踏面和磨耗后實(shí)測(cè)車(chē)輪踏面外形，與標(biāo)準(zhǔn)60 kg鋼軌、實(shí)測(cè)60 kg鋼軌進(jìn)行匹配計(jì)算.隨著運(yùn)營(yíng)里程的增加，輪軌接觸的等效錐度從0.17增大到0.45.

1.4 計(jì)算工況

在建模時(shí)，考慮車(chē)間車(chē)鉤、風(fēng)擋的耦合作用，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析和列車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真分析.

根據(jù)新造采購(gòu)技術(shù)規(guī)范，CRH380B(L)/CL系列動(dòng)車(chē)組半永久車(chē)鉤垂直方向允許擺角為±7°，相鄰兩車(chē)在正常故障下，高度最大極限尺寸為82mm，同時(shí)中間車(chē)鉤轉(zhuǎn)軸點(diǎn)到車(chē)鉤前端距離為1131 mm，如圖5所示，因此，中間車(chē)鉤垂直方向角度變化為arctan(82/1131)≈4.15°<7°，滿足運(yùn)用要求.

根據(jù)新造車(chē)技術(shù)規(guī)范要求，CRH380B(L)/CL系列動(dòng)車(chē)組風(fēng)擋高度差最大值為210 mm>82mm，符合要求.

圖5 車(chē)鉤示意圖

(1)7種輪徑差工況

由輪徑差導(dǎo)致的車(chē)高差計(jì)算工況如表4.

表4 輪徑差工況

(2)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算

在計(jì)算過(guò)程中，考慮列車(chē)在直線軌道、單列勻速運(yùn)行的情況，且不考慮列車(chē)在空氣動(dòng)力學(xué)作用下的姿態(tài)變化，認(rèn)為側(cè)風(fēng)垂直于車(chē)體.在4種典型側(cè)風(fēng)工況[9-10]下(見(jiàn)表5)，針對(duì)7種輪徑差工況進(jìn)行計(jì)算分析.輸出空氣對(duì)列車(chē)每個(gè)車(chē)體的集中作用力和力矩，坐標(biāo)系原點(diǎn)選擇為兩轉(zhuǎn)向架中心的軌面軌道中心線上，X軸指向列車(chē)前進(jìn)方向，Z軸背離車(chē)體指向軌道路基方向.

表5 4種側(cè)風(fēng)工況

(3)無(wú)側(cè)風(fēng)列車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算

在無(wú)側(cè)風(fēng)情況下的列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算過(guò)程中，僅考慮前面的車(chē)體高度差計(jì)算工況，仿真中采用S1002CN新踏面、磨耗后踏面與60 kg標(biāo)準(zhǔn)鋼軌、典型打磨鋼軌兩種輪軌匹配關(guān)系，由直線和半徑7 000 m曲線組成的線路，車(chē)速分別為：200、225、250、275、300、325 km/h；采用武廣客運(yùn)專(zhuān)線軌道譜進(jìn)行計(jì)算.

考核和對(duì)比的7項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)包括：運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)；運(yùn)行舒適性指標(biāo)；構(gòu)架端部橫向加速度(10 Hz低通濾波)；輪軸橫向力最大值；脫軌系數(shù)最大值；輪重減載率最大值；輪軌垂向力最大值.

(4)列車(chē)側(cè)風(fēng)運(yùn)行安全性計(jì)算

對(duì)應(yīng)側(cè)風(fēng)計(jì)算的多種工況，對(duì)CRH380B動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行安全性進(jìn)行計(jì)算.為了更加全面的模擬運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，考慮以下幾種列車(chē)運(yùn)行條件的組合：

①兩種輪軌匹配關(guān)系：

新S1002CN踏面與打磨鋼軌匹配；

磨耗后S1002CN踏面與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌匹配.

②線路由直線軌道和曲線軌道組成，曲線軌道為：

曲線半徑7 000 m，超高60 mm，側(cè)風(fēng)吹向曲線內(nèi)側(cè)；

曲線半徑7 000 m，超高175 mm，側(cè)風(fēng)吹向曲線外側(cè).

③軌道譜：武廣客運(yùn)專(zhuān)線軌道譜；

考核和對(duì)比的5項(xiàng)列車(chē)運(yùn)行安全性動(dòng)力學(xué)指標(biāo)包括：輪軸橫向力最大值；脫軌系數(shù)最大值；傾覆系數(shù)最大值；輪重減載率最大值；輪軌垂向力最大值.

2 列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型及結(jié)果

采用空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，分析車(chē)體高度差對(duì)列車(chē)氣動(dòng)載荷的影響.包括無(wú)側(cè)風(fēng)工況及典型側(cè)風(fēng)限速工況.計(jì)算結(jié)果同時(shí)作為列車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的輸入條件.

2.1 空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算說(shuō)明

以CRH380B動(dòng)車(chē)組為研究對(duì)象，對(duì)其在平地上的運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算.用于計(jì)算的幾何模型包括列車(chē)模型、轉(zhuǎn)向架模型、 平地模型. 采用實(shí)際編組

的八節(jié)車(chē)模型進(jìn)行模擬，整車(chē)長(zhǎng)約200 m.并對(duì)列車(chē)車(chē)體表面及軌道等細(xì)部特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，處理為一系列光滑曲面構(gòu)成的幾何體，而僅保留轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋.

建立流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域時(shí)，為了在提高計(jì)算速度的同時(shí)保證計(jì)算精度，選取長(zhǎng)、寬和高分別為800、100和40 m的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算.列車(chē)正前方入口端距離頭車(chē)鼻尖處200 m，列車(chē)正后方出口端距離尾車(chē)頭鼻尖400 m，頂面距離地面40 m，列車(chē)左右側(cè)距離軌道中心線分別為40和60 m，列車(chē)車(chē)體與軌道所處地面之間的距離為0.376 m.如圖6所示.

圖6 平地計(jì)算區(qū)域及邊界設(shè)置

2.2 空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7(無(wú)側(cè)風(fēng))及表6(有側(cè)風(fēng))：

圖7 車(chē)速300 km/h無(wú)側(cè)風(fēng)的阻力對(duì)比

結(jié)果車(chē)速300km/h,側(cè)風(fēng)15m/s車(chē)速200km/h,側(cè)風(fēng)25m/s車(chē)速160km/h,側(cè)風(fēng)30m/s阻力側(cè)力

表6 各工況空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果對(duì)比 (續(xù)表)

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)列車(chē)中各車(chē)存在車(chē)體高度差時(shí)，作用力有差異，尤其是在無(wú)側(cè)風(fēng)工況以及外界給車(chē)的作用力或者力矩?cái)?shù)值比較小的情況下.在15～30 m/s側(cè)風(fēng)作用、不同車(chē)體高度差工況下，空氣動(dòng)力作用在車(chē)體上的阻力、側(cè)力、升力和側(cè)滾力矩差異不顯著，一般在10%以內(nèi)，個(gè)別工況影響稍大；只有點(diǎn)頭力矩和搖頭力矩有一定的變化.

3 車(chē)高差對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

在不考慮空氣動(dòng)力學(xué)作用的情況下，針對(duì)常規(guī)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析.首先，針對(duì)無(wú)車(chē)高差動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行以200～325 km/h速度運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能仿真分析，作為對(duì)比基準(zhǔn).由仿真分析可得：無(wú)車(chē)高差時(shí)，針對(duì)4種典型的輪軌匹配關(guān)系，在計(jì)算速度范圍內(nèi)，車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行安全性都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且有足夠的安全裕量，運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)達(dá)到優(yōu)級(jí).然后，根據(jù)1.4節(jié)給定的車(chē)體高差計(jì)算工況，針對(duì)300 km/h線路運(yùn)行速度，計(jì)算各種車(chē)高差情 況下的動(dòng)力學(xué)性能，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

3.1 運(yùn)行穩(wěn)定性

將構(gòu)架端部橫向加速度10 Hz低通濾波后，以其最大值超過(guò)0.8 g作為運(yùn)行穩(wěn)定性判據(jù).由計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖8)可知，在所計(jì)算的各種車(chē)高差和輪軌匹配工況下，構(gòu)架端部橫向加速度10 Hz濾波后最大值均小于0.8 g且有足夠的安全裕量.車(chē)高差對(duì)構(gòu)架橫向加速度有一定的影響，但影響范圍一般在±10%以內(nèi).

圖8 構(gòu)架橫向加速度對(duì)比

3.2 運(yùn)行平穩(wěn)性

運(yùn)行平穩(wěn)性的計(jì)算指標(biāo)包括橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適度指標(biāo).由計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖9～圖11)可知：各種工況下，動(dòng)車(chē)組各車(chē)輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值均小于2.5，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.0，達(dá)到優(yōu)級(jí)；車(chē)體舒適度指標(biāo)均小于2.0.車(chē)高差對(duì)車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)有一定的影響，但影響范圍在±10%以內(nèi).

圖9 S1002CN-實(shí)測(cè)鋼軌匹配的橫向平穩(wěn)性

圖10 S1002CN-實(shí)測(cè)鋼軌匹配的垂向平穩(wěn)性

圖11 S1002CN-實(shí)測(cè)鋼軌匹配的舒適度指標(biāo)

3.3 運(yùn)行安全性

對(duì)每條輪對(duì)的運(yùn)行安全動(dòng)力學(xué)指標(biāo)值進(jìn)行了計(jì)算分析并以最大值給出.由計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖12)可知，各項(xiàng)指標(biāo)均小于標(biāo)準(zhǔn)給定限值.車(chē)高差對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行安全性指標(biāo)有一定的影響，但對(duì)輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率的影響范圍在±10%以內(nèi)，脫軌系數(shù)最大值均在0.2以內(nèi)，均具有足夠的安全裕量.

圖12 S1002CN-實(shí)測(cè)鋼軌匹配下的運(yùn)行安全性指標(biāo)

4 結(jié)論

由空氣動(dòng)力學(xué)和列車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真分析得：動(dòng)車(chē)組以限速運(yùn)行時(shí)，在15～30 m/s的側(cè)風(fēng)作用、不同車(chē)體高度差工況下，空氣動(dòng)力作用在車(chē)體上的阻力、側(cè)力、升力和側(cè)滾力矩差異不顯著，一般在10%以內(nèi)；只有點(diǎn)頭力矩和搖頭力矩有一定的變化.同時(shí)，各個(gè)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化范圍及車(chē)體高度差對(duì)運(yùn)行安全性指標(biāo)的影響一般在10%以內(nèi)，且均低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制值，具有足夠的安全裕量，各項(xiàng)安全性指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.

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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

鄧學(xué)暉(1980-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事動(dòng)車(chē)組檢修技術(shù)研究，總體設(shè)計(jì)的研究 E- mail:dengxuehui@cccar.com.cn.

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