河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 唐山學(xué)院 戴 俊

根據(jù)動(dòng)車(chē)組檢修需要，新研制的動(dòng)車(chē)組工藝轉(zhuǎn)向架主要包括車(chē)體、構(gòu)架、車(chē)輪、軸箱、定位裝置以及U型橫梁等。定位裝置等構(gòu)架坐落在軸箱上面，構(gòu)架上有橫梁用來(lái)支撐車(chē)體，橫梁上的支撐裝置可以沿寬度方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滿足不同車(chē)體寬度的要求。橫梁為支撐車(chē)體的主體機(jī)構(gòu)，由上心盤(pán)、中心銷(xiāo)等構(gòu)成，橫梁通過(guò)心盤(pán)與構(gòu)架連接，它可以相對(duì)構(gòu)架搖頭和微幅側(cè)滾。

本文針對(duì)動(dòng)車(chē)組工藝轉(zhuǎn)向架工作運(yùn)行的線路特點(diǎn)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)安全性進(jìn)行全面校核計(jì)算。本次計(jì)算考慮工藝轉(zhuǎn)向架裝載CRH1、CRH2、CRH3、CRH5四種典型車(chē)體工況。考慮帶回轉(zhuǎn)旁承和不帶回轉(zhuǎn)旁承兩種類(lèi)型，對(duì)帶回轉(zhuǎn)旁承的工藝轉(zhuǎn)向架，進(jìn)行9號(hào)道岔的通過(guò)安全性分析。

1 動(dòng)力學(xué)說(shuō)明

依據(jù)國(guó)標(biāo)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”，需要達(dá)到的有關(guān)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)如下：車(chē)輛橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)≤2.5；脫軌系數(shù)Q/P≤1.2（第一限度），Q/P≤1.0（第二限度）；輪重減載率 ΔP/P≤0.65（第一限度） ，ΔP/P≤0.60（第二限度）；傾覆系數(shù)D＜0.8。

輪軸橫向力的限制值：

式(1)中：H——輪軸橫向力（構(gòu)架力），單位kN；Pst1，Pst2——左右車(chē)輪靜載荷，單位kN。

據(jù)此，動(dòng)車(chē)組工藝轉(zhuǎn)向架車(chē)輪軌力的限制如表1所示。

表1 輪軌橫向力允許值（KN）

另外，要求車(chē)輛系統(tǒng)的蛇行失穩(wěn)臨界速度要高于其最高運(yùn)行速度，并且應(yīng)具有足夠的余量。

2 車(chē)輛系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型的建立

輪軌接觸幾何參數(shù)表現(xiàn)為輪對(duì)橫向位移的線性函數(shù)，因此，用輪對(duì)橫向位移量表示輪軌接觸幾何參數(shù)，采用線性插值來(lái)計(jì)算中間值。

動(dòng)車(chē)組工藝轉(zhuǎn)向架的鋼軌采用T60鋼軌，車(chē)輪踏面為L(zhǎng)M踏面，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距1353mm，采用Simpack中的Kalker程序運(yùn)用非線性簡(jiǎn)化蠕滑理論來(lái)計(jì)算輪軌間的蠕滑力。

建立數(shù)學(xué)模型，將系統(tǒng)橫向和垂向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行耦合，以前進(jìn)方向作為正方向。坐標(biāo)系的取法如下：車(chē)輛的前進(jìn)方向?yàn)閤軸；y軸平行于軌道平面指向右方；z軸垂直向下，整個(gè)系統(tǒng)的自由度共計(jì)49個(gè)。

3 動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算

在原始計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件SIMPACK進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)最高試驗(yàn)速度為3.6km/h，實(shí)際運(yùn)行速度3km/h，軌道譜采用美國(guó)5級(jí)譜。

3.1 車(chē)輛系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

給定一段有限長(zhǎng)的實(shí)際軌道隨機(jī)不平順激擾樣本函數(shù)，先讓車(chē)輛在一段以美國(guó)5級(jí)線路譜為激擾的直線軌道上運(yùn)行，然后去掉激擾，讓車(chē)輛在理想平直軌道上運(yùn)行，跑完全程后看它能否趨于平衡位置，從而確定車(chē)輛的蛇行失穩(wěn)臨界速度。車(chē)輛系統(tǒng)收斂仿真情況見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 車(chē)輛系統(tǒng)收斂時(shí)的情形

圖2 車(chē)輛系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)的情形

仿真計(jì)算認(rèn)為：裝載CRH2的MC1車(chē)的車(chē)輛系統(tǒng)的臨界速度為32km/h；四種車(chē)型均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最高運(yùn)行速度，并有足夠的裕量。

3.2 車(chē)輛系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性分析

參照GB5599-85，根據(jù)車(chē)體在運(yùn)行速度V小于等于140km/h，分析車(chē)體平均最大振動(dòng)加速度來(lái)評(píng)定客車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性：

式(2)中，Amax為客車(chē)車(chē)體平均最大振動(dòng)加速度（單位：g）；V為客車(chē)運(yùn)行速度（單位：km/h）；C為常數(shù)，數(shù)值依據(jù)國(guó)標(biāo)按平穩(wěn)性等級(jí)確定。

在前后U型梁橫向中心線上方，距車(chē)體中心線1m處的車(chē)底架中梁下蓋板上選取兩個(gè)采樣點(diǎn)；考察指標(biāo)為2個(gè)采樣點(diǎn)的橫向和垂向的平穩(wěn)性指標(biāo)及平均值。

圖3為車(chē)輛運(yùn)行速度為3km/h情況下，裝載CRH2動(dòng)車(chē)的轉(zhuǎn)向架車(chē)體的加速度響應(yīng)，根據(jù)GB5599-85中客車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，CRH2車(chē)體的橫向和垂向加速度值都達(dá)到一級(jí)優(yōu)等的標(biāo)準(zhǔn)。表2為裝載CRH2的動(dòng)車(chē)車(chē)體的平穩(wěn)性指標(biāo)。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB5599-85，裝載CRH2車(chē)體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)值都為優(yōu)等。

圖3 支撐CRH2車(chē)體時(shí)的車(chē)體

表2 CHR2車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)

3.3 車(chē)輛系統(tǒng)曲線通過(guò)性能分析

（1）CRH2動(dòng)車(chē)正向通過(guò)9號(hào)道岔響應(yīng)分析

計(jì)算時(shí)，選擇車(chē)輛通過(guò)混凝土枕60kg/m鋼軌9號(hào)提速單開(kāi)道岔，9號(hào)岔道曲線半徑為R180m小曲線，運(yùn)行速度為3km/h。計(jì)算該道岔運(yùn)行條件下的曲線通過(guò)安全性，包含輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率以及傾覆系數(shù)；計(jì)算時(shí)取各自的最大值。輪軌橫向力和脫軌系數(shù)均是指輪對(duì)曲線外側(cè)（或左側(cè)）車(chē)輪輪軌間的最大橫向力和最大脫軌系數(shù)。

表3為動(dòng)力學(xué)性能分析，可以看出各參數(shù)都能滿足國(guó)標(biāo)GB5599-85要求，平穩(wěn)性能優(yōu)等。

表3 CHR2車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)

（2）CRH2動(dòng)車(chē)側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔分析

表4為支撐CRH2車(chē)體時(shí)，動(dòng)車(chē)組工藝轉(zhuǎn)向架車(chē)輛側(cè)向通過(guò)混凝土枕60kg/m鋼軌9號(hào)提速單開(kāi)道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能，從表中可見(jiàn)各項(xiàng)系數(shù)都能滿足國(guó)標(biāo)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》要求，并且安全性指標(biāo)有充分的裕量。

表4 CRH2動(dòng)車(chē)側(cè)向通過(guò)9號(hào)道岔安全性指標(biāo)

結(jié)論：通過(guò)對(duì)唐山百川智能機(jī)器有限公司研制的動(dòng)車(chē)組工藝轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的分析計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

（1）裝載CRH2動(dòng)車(chē)車(chē)體的車(chē)輛系統(tǒng)的臨界速度為32km/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最高運(yùn)行速度，并有足夠的裕量，滿足運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性要求。

（2）裝載CRH2的車(chē)輛系統(tǒng)，直線及通過(guò)9號(hào)道岔時(shí)的平穩(wěn)性指標(biāo)，能達(dá)到國(guó)標(biāo)GB5599-85規(guī)定的優(yōu)等標(biāo)準(zhǔn),曲線通過(guò)各項(xiàng)安全性指標(biāo)滿足GB5599-85規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。