郭俊華

【摘 要】針對(duì)鐵路道床吸污車的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)GB/T17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)方法》建立了該車的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)該車的運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果表明，該車空車和滿載工況下在120km/h運(yùn)行速度范圍內(nèi)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足GB/T17426-1998的要求。

【關(guān)鍵詞】鐵路道床吸污車；動(dòng)力學(xué)性能；臨界速度；運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)；脫軌系數(shù)

【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

為了滿足鐵路建設(shè)和鐵路運(yùn)輸市場(chǎng)的需要，設(shè)計(jì)了最高連掛運(yùn)行時(shí)速為120km、最高自行時(shí)速為100km的鐵路道床吸污車。該車采用焊接構(gòu)架式軸箱懸掛轉(zhuǎn)向架，為了分析和預(yù)測(cè)該車的動(dòng)力學(xué)性能，本文建立了該車的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)該車的運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)該車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

1 鐵路道床吸污車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鐵路道床吸污車在前端裝有一臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、在后端裝有一臺(tái)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)基本相同，由輪對(duì)、軸箱懸掛裝置、焊接構(gòu)架、常接觸彈性旁承、球面心盤(pán)和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等部件組成。轉(zhuǎn)向架的主懸掛系統(tǒng)采用軸箱懸掛，由軸箱螺旋鋼彈簧和斜楔式摩擦減振器組成；轉(zhuǎn)向架采用球面心盤(pán)和常接觸彈性旁承承載，球面心盤(pán)還具有傳遞縱向和橫向作用力的功能；轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用踏面制動(dòng)裝置，車輪踏面采用錐形踏面。

2 鐵路道床吸污車動(dòng)力學(xué)模型

鐵路道床吸污車是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，不但有各部件之間的相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且還有輪軌之間的相互關(guān)系。因此，理論計(jì)算分析模型只能根據(jù)研究的主要目的和要求，對(duì)一些次要因素進(jìn)行相應(yīng)的假定或簡(jiǎn)化，而在對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響較大的主要因素上盡可能做出符合實(shí)際情況的模擬。因此，在建立鐵路道床吸污車動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，將作如下假定：

（1）輪對(duì)、構(gòu)架和車體等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多，均視為剛體，即忽略各部件的彈性變形。

（2）不考慮相鄰車輛的作用，即只考慮單獨(dú)一輛車的運(yùn)動(dòng)。

（3）不考慮鋼軌的彈性變形。

忽略各部件本身的彈性變形后，則該車可模擬為離散的多自由度系統(tǒng)。由于該車垂向和橫向運(yùn)動(dòng)是相互藕合的，因此計(jì)算中將該車在橫向和垂向的運(yùn)動(dòng)綜合起來(lái)作為一個(gè)系統(tǒng)考慮。由于該車是由剛體和彈性懸掛系統(tǒng)組成的，各剛體之間有相互約束關(guān)系，因此剛體的有些運(yùn)動(dòng)方式是獨(dú)立的，有些運(yùn)動(dòng)方式是受約束的。因此整個(gè)車輛系統(tǒng)的自由度DOF可用下式來(lái)表示：

DOF=6N-R（1）

式中：N——系統(tǒng)中的剛體數(shù)目；R——系統(tǒng)中的剛體約束數(shù)。

鐵路道床吸污車有4個(gè)輪對(duì)、2個(gè)構(gòu)架和1個(gè)車體等7個(gè)剛體。由于考慮車輛是勻速運(yùn)動(dòng)，因此各剛體沿x軸方向的平行移動(dòng)（伸縮）可以不考慮，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫移位移、浮沉位移、點(diǎn)頭角位移與車體的橫移、浮沉、點(diǎn)頭、搖頭和側(cè)滾位移相關(guān)，不是獨(dú)立的自由度，輪對(duì)的浮沉、側(cè)滾運(yùn)動(dòng)是輪對(duì)橫移和搖頭角的函數(shù)，因此不是獨(dú)立的自由度。

根據(jù)以上分析，鐵路道床吸污車多剛體系統(tǒng)在橫向和垂向共有21個(gè)獨(dú)立的自由度，其余的非獨(dú)立自由度均可用這些自由度來(lái)表示。在仿真分析中車輛各剛體的廣義坐標(biāo)如表1所示，動(dòng)力學(xué)計(jì)算力學(xué)模型如圖1所示。

根據(jù)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在研究中考慮以下非線性因素：

（1）輪軌非線性接觸幾何關(guān)系。踏面和軌面之間具有非線性輪軌接觸幾何關(guān)系。

（2）輪軌非線性蠕滑。計(jì)算中先按Kalker線性理論確定蠕滑力，然后再用試探法修正為非線性值。

（3）懸掛非線性。軸箱懸掛在垂向、橫向和縱向均存在非線性關(guān)系；構(gòu)架和車體之間有回轉(zhuǎn)摩擦力矩等。

3 運(yùn)行平穩(wěn)性計(jì)算分析

根據(jù)GB/T17426-1998規(guī)定，特種車輛和軌行機(jī)械的最大振動(dòng)加速度（包括最大推斷值）為貨車振動(dòng)強(qiáng)度的極限值，對(duì)于垂直振動(dòng)為6.87m/s2（或0.7g），對(duì)于橫向振動(dòng)為4.91m/s2（或0.5g）。特種車輛和軌行機(jī)械運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)見(jiàn)表2所示。

表2 特種車輛和軌行機(jī)械運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)

根據(jù)GB/T17426-1998規(guī)定，帶有動(dòng)力的軌行機(jī)械的運(yùn)行平穩(wěn)性用司機(jī)座位500m范圍內(nèi)地板面上的橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)及最大振動(dòng)加速度來(lái)表示。計(jì)算中線路考慮較好線路（美國(guó)Ⅴ級(jí)線路）和一般線路（美國(guó)Ⅲ級(jí)線路）兩種線路工況，在60～130km/h速度范圍內(nèi)，鐵路道床吸污車在空車和滿載工況下的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy、Wzz如表3～4，橫向及垂向最大加速度Ay、Az如表5～6。

從平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，鐵路道床吸污車在空車和滿載污物時(shí)：

在較好的干線上（相當(dāng)于我國(guó)Ⅰ級(jí)線路），鐵路道床吸污車空車在90km/h速度內(nèi)、滿載時(shí)在100km/h速度內(nèi)的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)小于3.0，空車在100km/h速度內(nèi)、滿載時(shí)在110km/h速度范圍內(nèi)的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)小于3.0，滿足GB/T17426-1998的優(yōu)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；空車和滿載時(shí)在130km/h速度內(nèi)橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)小于3.5，達(dá)到GB/T17426-1998規(guī)定的良好標(biāo)準(zhǔn)。

在一般的干線上（相當(dāng)于我國(guó)Ⅱ級(jí)線路），空車和滿載時(shí)在80km/h速度內(nèi)的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)小于3.0，在90km/h速度范圍內(nèi)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)小于3.0，滿足GB/T17426-1998的優(yōu)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；空車時(shí)在120km/h速度內(nèi)、滿載時(shí)在130km/h速度內(nèi)橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)小于3.5，達(dá)到GB/T17426-1998規(guī)定的良好標(biāo)準(zhǔn)；空車時(shí)在130km/h速度內(nèi)橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)小于4.0，達(dá)到GB/T17426-1998規(guī)定的合格標(biāo)準(zhǔn)。

在較好線路和一般線路上，130km/h速度范圍內(nèi)，鐵路道床吸污車空車和滿載時(shí)的最大橫向加速度小于0.5g，最大垂向加速度小于0.7g，橫向及垂向最大加速度均滿足GB/T17426-1998的要求。

4 運(yùn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析

不同的車輪踏面等效錐度λ情況下，鐵路道床吸污車的蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)臨界速度Vcr（km/h） 如表7中。

從表7中可見(jiàn)，鐵路道床吸污車空車和滿載工況在新輪軌時(shí)的臨界速度較高，能滿足運(yùn)行的要求。隨著車輪踏面的磨耗，車輛臨界速度下降，當(dāng)車輪踏面磨耗至等效錐度為0.35時(shí)，蛇行失穩(wěn)臨界速度將接近最高聯(lián)掛速度。但在一般情況下，經(jīng)常使用的踏面等效錐度在0.10～0.3范圍之內(nèi)，車輪踏面等效錐度大于0.35的情況只有當(dāng)車輪輪緣接觸鋼軌時(shí)（如車輛通過(guò)曲線工況）才可能出現(xiàn)，而車輛通過(guò)曲線時(shí)車輪總是貼靠鋼軌一邊，不會(huì)出現(xiàn)蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。所以，鐵路道床吸污車的運(yùn)行穩(wěn)定性能滿運(yùn)行要求。

5 曲線通過(guò)性能計(jì)算分析

根據(jù)GB/T17426-1998規(guī)定，軌行機(jī)械應(yīng)進(jìn)行300～600m的小半徑曲線試驗(yàn)，并通過(guò)12號(hào)或9號(hào)道岔。

計(jì)算曲線通過(guò)時(shí)線路條件如下：

（1）曲線半徑R=300m，曲線外軌超高h(yuǎn)=100、150mm，緩和曲線長(zhǎng)度LS=70m，圓曲線長(zhǎng)度LC=60m，最大欠超高取90mm，運(yùn)行速度V=69.5、78.1km/h。

（2）曲線半徑R=400m，曲線外軌超高h(yuǎn)=100mm，緩和曲線長(zhǎng)度LS=70m，圓曲線長(zhǎng)度LC=60m，最大欠超高取90mm，運(yùn)行速度V=80.3、90.2km/h。

（3）曲線半徑R=600m，曲線外軌超高h(yuǎn)=80、150mm，緩和曲線長(zhǎng)度LS=70m，圓曲線長(zhǎng)度LC=60m，最大欠超高取90mm，運(yùn)行速度V=93.0、110.5km/h。

（4）曲線半徑R=800m，曲線外軌超高h(yuǎn)=80、150mm，緩和曲線長(zhǎng)度LS=70m，圓曲線長(zhǎng)度LC=60m，最大欠超高取90mm，運(yùn)行速度V=107.4、120.0km/h。

（5）以80km/h速度通過(guò)由18號(hào)道岔組成的渡線。

（6）以45km/h速度通過(guò)由12號(hào)道岔組成的渡線。

（7）以30km/h速度通過(guò)由9號(hào)道岔組成的渡線。

根據(jù)鐵路技術(shù)管理規(guī)程，200km/h速度級(jí)客運(yùn)專線鐵路區(qū)間最小曲線半徑為2000m，250km/h速度級(jí)客運(yùn)專線鐵路區(qū)間最小曲線半徑為3500m，因此應(yīng)考慮該車在客運(yùn)專線上運(yùn)行時(shí)的線路工況，如工況（8）、（9）。

（8）曲線半徑R=2000m，曲線外軌超高h(yuǎn)=150、180mm，緩和曲線長(zhǎng)度LS=150m，圓曲線長(zhǎng)度LC=100m，運(yùn)行速度V=120km/h。

（9）曲線半徑R=3500m，曲線外軌超高h(yuǎn)=150、180mm，緩和曲線長(zhǎng)度LS=150m，圓曲線長(zhǎng)度LC=100m，運(yùn)行速度V=120km/h。

計(jì)算中輸出鐵路道床吸污車通過(guò)曲線時(shí)的輪軌橫向力Q（kN）、脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率△P/P、輪軸橫向力H（kN）和傾覆系數(shù)D的最大值。

傾覆系數(shù)是用以評(píng)定車輛在側(cè)向風(fēng)力、離心力和橫向振動(dòng)慣性力等載荷的作用下是否會(huì)傾覆。根據(jù)TX-C道床吸污車技術(shù)條件，可承受的最大風(fēng)速為25m/s，風(fēng)速v與風(fēng)壓P之間的換算關(guān)系為P=ρ（2）

式中：v——風(fēng)速（m/s）

ρ——空氣密度（kg/m3），查表得氣溫20℃時(shí)的空氣密度為1.205kg/m3，可以算出風(fēng)壓為：

P=376.56Pa

用風(fēng)壓乘以車體側(cè)墻面積所得的力，即為計(jì)算傾覆系數(shù)時(shí)加在車體上的風(fēng)力。

鐵路道床吸污車空車和滿載工況下通過(guò)半徑為300m、400m、600m、800m、2000m、3500m的圓曲線和由18號(hào)、12號(hào)、9號(hào)道岔組成的渡線時(shí)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)如表8、9。