史 炎

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031)

現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組型號(hào)過(guò)多，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，零部件難以互換。筆者設(shè)計(jì)了統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架，并作了兩節(jié)車(chē)連掛動(dòng)力學(xué)計(jì)算，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組列車(chē)各節(jié)車(chē)之間基本上無(wú)高度差，省去了車(chē)鉤高度尺寸調(diào)整工藝環(huán)節(jié)。

1 統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在的動(dòng)車(chē)組采用動(dòng)車(chē)與拖車(chē)編組，動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架負(fù)責(zé)牽引和高速時(shí)電制動(dòng)，拖車(chē)轉(zhuǎn)向架負(fù)責(zé)低速時(shí)機(jī)械制動(dòng)。統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架的理念是將動(dòng)與拖的概念同時(shí)引入同一個(gè)轉(zhuǎn)向架，即一個(gè)轉(zhuǎn)向架包括一個(gè)動(dòng)軸與一個(gè)拖軸，這樣的轉(zhuǎn)向架兼?zhèn)潋?qū)動(dòng)力、制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了前、后車(chē)體牽引、制動(dòng)同步，理論上車(chē)體之間不存在作用力，因此車(chē)鉤不受力，只是起到一個(gè)隔離作用。

如圖1所示，將動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架的一半與拖車(chē)轉(zhuǎn)向架的一半組合在一起形成統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架。由于驅(qū)動(dòng)裝置比制動(dòng)裝置重，動(dòng)軸的承重大些。按照CRH2動(dòng)車(chē)組參數(shù)，動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架重7.5 t，拖車(chē)轉(zhuǎn)向架重7.0 t，換算到統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架，動(dòng)軸比拖軸重0.25 t，按軸重13 t計(jì)算，動(dòng)軸軸重比拖軸軸重大1.9%，屬于可接受范圍，文中的動(dòng)力學(xué)計(jì)算采用此方式。如果苛求軸重一致，可用多種方法配平，例如在拖軸端加配重、利用杠桿原理改變車(chē)體支點(diǎn)等，其中杠桿法最簡(jiǎn)單，即將空氣彈簧安裝座向拖軸一側(cè)平移若干距離。

圖1 統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)示意圖

每節(jié)車(chē)兩個(gè)統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架的4個(gè)輪對(duì)按拖軸、動(dòng)軸、動(dòng)軸、拖軸的順序布置，在一列車(chē)?yán)?，一?jié)車(chē)不論那一端與前車(chē)相連這個(gè)順序都不會(huì)改變，從而減小了編組難度，如圖2所示。

圖2 兩個(gè)統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架車(chē)下排列

2 動(dòng)力學(xué)模型

運(yùn)用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件先建立帶兩節(jié)車(chē)體的列車(chē)動(dòng)力學(xué)通用模型，如圖3所示，它包括2個(gè)車(chē)體，4個(gè)轉(zhuǎn)向架，16個(gè)軸箱。不考慮車(chē)體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車(chē)輪等部件本身的彈性變形，將列車(chē)視為一個(gè)復(fù)雜的多剛體、多自由度的非線性振動(dòng)系統(tǒng)，各剛體通過(guò)彈簧和減振器相互連接。車(chē)輛的懸掛參數(shù)和踏面見(jiàn)表1[1]。

表1 轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 通用列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

車(chē)體之間使用5號(hào)力元件連接，使用93號(hào)力元件按需驅(qū)動(dòng)車(chē)軸。按列車(chē)總質(zhì)量相同的原則，將列車(chē)動(dòng)力學(xué)通用模型各部件質(zhì)量賦與不同的值形成兩種不同的模型。

動(dòng)車(chē)組：拖車(chē)在前，動(dòng)車(chē)在后，分別修改動(dòng)車(chē)、拖車(chē)車(chē)體質(zhì)量，第5位軸～第8位軸分別受到93號(hào)力元件縱向力作用。

統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組：每節(jié)車(chē)質(zhì)量為動(dòng)車(chē)、拖車(chē)質(zhì)量的平均值；第2位軸、第3位軸、第6位軸、第7位軸受到93號(hào)力元件縱向力作用；驅(qū)動(dòng)單元比制動(dòng)單元多出的0.25 t質(zhì)量加到動(dòng)軸上。

2.1 中間車(chē)鉤緩沖器特性曲線

按文獻(xiàn)[2]設(shè)定中間車(chē)鉤緩沖器特性曲線,如圖4示。

2.2 列車(chē)牽引力

參考文獻(xiàn)[3]設(shè)定牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩M=1 640 Nm，車(chē)輪半徑r=0.43 m，傳動(dòng)齒輪箱主、從齒輪齒數(shù)比為85/28，轉(zhuǎn)動(dòng)比i=3.04，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)效率η=0.97。

根據(jù)輪周牽引力計(jì)算公式：

計(jì)算出每個(gè)動(dòng)軸產(chǎn)生的牽引力為11.23 kN，假設(shè)電機(jī)啟動(dòng)10 s后達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)牽引力曲線如圖5所示，SIMPACK中規(guī)定牽引力曲線為負(fù)值、制動(dòng)力曲線為正值。

圖4 中間車(chē)鉤緩沖器力—位移曲線

圖5 電機(jī)牽引力曲線

2.3 平穩(wěn)性評(píng)價(jià)

采用GB/T5599-1985《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，按照Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)定車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性。在每節(jié)車(chē)地板距前轉(zhuǎn)向架中心橫向1 m處布置一個(gè)傳感器分析平穩(wěn)性，前車(chē)傳感器記為S1，后車(chē)傳感器記為S2。我國(guó)對(duì)Sperling指標(biāo)分級(jí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，客車(chē)平穩(wěn)性等級(jí)如表2所列。

表2 平穩(wěn)性評(píng)定指標(biāo)等級(jí)表

2.4 舒適度指標(biāo)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 在綜合了大量有關(guān)人體承受全身振動(dòng)的研究工作和文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，制訂了國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)(ISO 2631-74)《人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)指南》，一般采用ISO 2631基本的評(píng)價(jià)方法，即用加權(quán)均方根值加速度表示舒適度限制，按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Aω為權(quán)加速度有效值；aω(t)為時(shí)間函數(shù)的加權(quán)加速度；T為測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度。ISO 2631舒適度限制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)x、y、z三個(gè)方向都做了評(píng)判，適合作對(duì)比分析，各方向振動(dòng)舒適度指標(biāo)如表3所示。

表3 ISO 2631舒適度標(biāo)準(zhǔn)

在每節(jié)車(chē)地板中心處布置一個(gè)傳感器分析舒適度，前車(chē)傳感器記為C1，后車(chē)傳感器記為C2。

3 結(jié)果分析

3.1 非線性臨界速度

列車(chē)以一個(gè)遠(yuǎn)高于臨界速度的初速度通過(guò)一段有橫向正弦激勵(lì)的軌道完全振蕩起來(lái)，然后恢復(fù)在光滑線路上運(yùn)行。用5號(hào)力元在大地與車(chē)體之間施加一個(gè)恒定或遞增阻力為列車(chē)降速，恒定阻力法：給縱向名義力賦值；遞增阻力法：給縱向剛度賦值。以橫向位移收斂最慢的輪對(duì)為準(zhǔn)，其收斂時(shí)的速度即為列車(chē)的非線性臨界速度。文中計(jì)算采用遞增阻力法，縱向剛度賦值20 N/m，列車(chē)初速度600 km/h。

兩種列車(chē)第5輪對(duì)臨界速度最低，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組非線性臨界速度365.0 km/h，動(dòng)車(chē)組非線性臨界速度343.0 km/h，如圖6所示，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組臨界速度略高于動(dòng)車(chē)組。

圖6 列車(chē)非線性臨界速度

3.2 起動(dòng)工況

不加激擾，列車(chē)起動(dòng)加速，電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩后，動(dòng)車(chē)組車(chē)鉤力穩(wěn)定在21.2 kN，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組的車(chē)鉤力回復(fù)到零。牽引力穩(wěn)定后，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組的車(chē)鉤力最大振蕩幅度為122 N，遠(yuǎn)低于動(dòng)車(chē)組的車(chē)鉤力，如圖7所示。

列車(chē)從起動(dòng)到速度10 km/h，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組加速度達(dá)到了0.41 m/s2，用時(shí)11.06 s，如圖8所示。

圖7 起動(dòng)工況車(chē)鉤力對(duì)比

圖8 統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組加速度

3.3 平穩(wěn)性和舒適度

在直線道路上輸入一段德國(guó)高干擾譜作為激勵(lì)，列車(chē)速度在100 km/h、150 km/h、200 km/h、250 km/h、300 km/h時(shí)加速行駛一段時(shí)間，加速度為0.41 m/s2。

圖9、圖10分別給出了加速狀態(tài)下列車(chē)以不同速度通過(guò)直線線路時(shí)Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)，隨著速度增大，車(chē)體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)呈上升趨勢(shì)。相同速度下，動(dòng)車(chē)組的前后車(chē)體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)偏差比較大，前車(chē)體比后車(chē)體平穩(wěn)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)變化范圍為2.349～2.678，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)化范圍為2.080～3.498；統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組前后車(chē)體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)基本相同，介于動(dòng)車(chē)組的前后車(chē)體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)之間，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)變化范圍為2.375～2.636，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)化范圍為2.087～3.096。兩種列車(chē)的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)都合格；速度達(dá)到200 km/h以上時(shí)，動(dòng)車(chē)組垂向平穩(wěn)性指標(biāo)不合格，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組在速度300 km/h時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)才到不合格的邊緣。

圖9 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨車(chē)速變化圖

圖10 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨車(chē)速變化圖

圖11～圖13分別給出了加速狀態(tài)下列車(chē)以不同速度通過(guò)直線線路時(shí)ISO 2631標(biāo)準(zhǔn)下的舒適度指標(biāo)。速度低于300 km/h，兩種列車(chē)各方向舒適度值均小于1級(jí)指標(biāo)0.315，人體感覺(jué)非常舒適。統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組前后車(chē)體各方向舒適度值保持一致，介于動(dòng)車(chē)組的前后車(chē)體各方向舒適度值之間。

圖11 縱向舒適度隨車(chē)速變化圖

圖12 橫向舒適度隨車(chē)速變化圖

圖13 垂向舒適度隨車(chē)速變化圖

3.4 曲線工況

比較兩種編組方式在低速與高速時(shí)的曲線通過(guò)性能，對(duì)線路全程施加德國(guó)高干擾譜。以低速90 km/h速度通過(guò)300 m曲線半徑的線路，其緩和曲線長(zhǎng)100 m，圓曲線長(zhǎng)200 m，曲線超高0.2 m。以高速220 km/h速度通過(guò)1 000 m曲線半徑的線路，其緩和曲線長(zhǎng)300 m，圓曲線長(zhǎng)200 m，曲線超高0.4 m。從車(chē)鉤力、整車(chē)磨耗功率、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力方面對(duì)比分析兩種列車(chē)的性能，脫軌系數(shù)取最大值，輪軸橫向力取圓曲線段的RMS值。

如圖14所示，列車(chē)通過(guò)曲線的速度不論是高速還是低速，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組的車(chē)鉤力只與線路干擾有關(guān)；而動(dòng)車(chē)組的車(chē)鉤力由兩部分組成：線路干擾，動(dòng)車(chē)對(duì)拖車(chē)的推力。

不論是高速還是低速，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組的整車(chē)磨耗功率稍微低于動(dòng)車(chē)組的，輪軌磨耗程度相當(dāng)，如圖15所示。

如圖16所示，低速時(shí)，兩種編組各軸脫軌系數(shù)相同；統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組各軸的輪軸橫向力RMS值稍優(yōu)于動(dòng)車(chē)組的。

圖14 曲線工況車(chē)鉤力比較

圖15 整車(chē)磨耗功率比較

圖16 低速時(shí)各軸動(dòng)力學(xué)參數(shù)

如圖17所示，高速時(shí)，動(dòng)車(chē)組的脫軌系數(shù)最大，發(fā)生在動(dòng)車(chē)組的第1位軸；統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組各軸的輪軸橫向力RMS值優(yōu)于動(dòng)車(chē)組的。

圖17 高速時(shí)各軸動(dòng)力學(xué)參數(shù)

4 結(jié) 論

利用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)兩種列車(chē)編組進(jìn)行模型建立和振動(dòng)分析研究，通過(guò)對(duì)比分析初步得到如下結(jié)論：

(1)統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組前后車(chē)體各方向平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適度指標(biāo)基本相同，處在動(dòng)車(chē)組前后車(chē)體各方向平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適度指標(biāo)之間，從而提高了列車(chē)的整體平穩(wěn)性和舒適度。

(2)直線、曲線工況下，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組列車(chē)的車(chē)鉤力理論上為零，但是受線路不平順的影響導(dǎo)致前后車(chē)輛行駛不同步從而使車(chē)鉤拉伸或壓縮。激勵(lì)撤銷(xiāo)后，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組的車(chē)鉤力消失，而動(dòng)車(chē)組的車(chē)鉤力大小為動(dòng)車(chē)對(duì)拖車(chē)的推力。

(3)曲線工況下，統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組與動(dòng)車(chē)組對(duì)線路的磨耗程度相同；統(tǒng)一轉(zhuǎn)向架編組的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)與動(dòng)車(chē)組相當(dāng)。