徐士恒，王勇，石俊杰

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 中車唐山機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035)

0 引言

交通運(yùn)輸和物流業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和服務(wù)性產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)和電子商務(wù)的發(fā)展，貨物快運(yùn)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)快速增長(zhǎng)，潛力巨大，然而既有的鐵路快運(yùn)份額很低[1]，加速鐵路快速貨物運(yùn)輸發(fā)展，不僅可以滿足貨主對(duì)高附加值貨物的高時(shí)效性要求，更對(duì)提高高鐵線路利用率、創(chuàng)造良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。在貨車上加裝集裝器的模式在國(guó)外已有大量實(shí)際應(yīng)用[2-3]。集裝器具備運(yùn)輸效率高、容易聯(lián)運(yùn)、對(duì)貨物種類要求低的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合高速貨運(yùn)動(dòng)車組的快速、平穩(wěn)性強(qiáng)等特點(diǎn)，勢(shì)必成為未來(lái)鐵路貨運(yùn)的主流方式。

在以往的貨車模型中，往往都是將貨物與車體的連接視作剛性連接，忽略了其中的連接關(guān)系而考慮成一個(gè)整體。在高速運(yùn)行的貨車模型中，貨物的振動(dòng)愈發(fā)明顯[4]，其與車體的裝載加固關(guān)系使車體和貨物的振動(dòng)特征耦合。貨物與車體的振動(dòng)相互作用、相互影響，對(duì)整車的動(dòng)力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文對(duì)裝載集裝器的高速貨運(yùn)動(dòng)車組進(jìn)行分析，通過(guò)SIMPACK動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立“車-貨”耦合的高速貨運(yùn)動(dòng)車組模型，分析其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性及曲線通過(guò)性能。對(duì)不同運(yùn)行速度下的車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能和貨物的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行校核計(jì)算與分析。

1 車-貨耦合的高速貨運(yùn)動(dòng)車組特點(diǎn)

一般的多剛體模型，車體與貨物均考慮為一個(gè)剛體，忽略了貨物與車體的相互作用，本文基于時(shí)速250 km/h以上的貨運(yùn)動(dòng)車組模型，結(jié)合集裝器的布置和安裝方式，在所建立的多剛體貨運(yùn)動(dòng)車組模型基礎(chǔ)上，將每個(gè)集裝器均考慮成單獨(dú)的剛體，綜合考慮集裝器與車廂的連接，建立更接近實(shí)際的考慮集裝器貨物與車體間的裝載加固關(guān)系的“車-貨”耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型，從而考慮“車-貨”耦合的貨運(yùn)動(dòng)車組在不同運(yùn)行速度下的動(dòng)力學(xué)性能，用動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析對(duì)比。

2 車-貨耦合的動(dòng)力學(xué)模型

2.1 動(dòng)力學(xué)模型建立

傳統(tǒng)的車輛系統(tǒng)模型是一個(gè)復(fù)雜的非線性多剛體模型，本文采用了經(jīng)典的車輛動(dòng)力學(xué)模型[5]，在模型建立中充分考慮了輪軌接觸幾何關(guān)系、輪軌相互作用力及懸掛元件特性等非線性因素[6]，保證模型的研究?jī)?nèi)容符合實(shí)際情況。為了更好地模擬貨運(yùn)動(dòng)車組的運(yùn)行性能，建模時(shí)考慮了將車輛橫向運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)耦合起來(lái)的數(shù)學(xué)模型。多剛體貨運(yùn)動(dòng)車組拖車由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)轉(zhuǎn)臂組成。各剛體自由度(以軌道為參考坐標(biāo)系)由表1所示，每節(jié)車共50個(gè)自由度。

表1 車輛系統(tǒng)自由度

另外，考慮了承載20個(gè)集裝器，其結(jié)構(gòu)外形示意圖如圖1所示[7]。集裝器每個(gè)自重163 kg，每個(gè)載重625 kg，集裝器容積5.8 m3。集裝器沿車體長(zhǎng)度方向并排布置，每個(gè)集裝器均為6個(gè)自由度的剛體，其與車體的緊固裝置由底部的剛性支撐及橫向、縱向的限位抓鉤組成。

圖1 集裝器結(jié)構(gòu)外形示意圖

集裝器與車體固定的限位抓鉤結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其安裝和布置方式為每個(gè)集裝器的左右兩側(cè)各有3個(gè)橫向限位抓鉤，具有2 mm的間隙，在模型中以非線性彈簧-阻尼力元模擬，設(shè)置較大剛度參數(shù)以模擬非線性止檔特性；中間18個(gè)集裝器縱向每側(cè)有2個(gè)抓鉤，和集裝器外壁通過(guò)橡膠塊接觸，采用分段線性彈簧-阻尼力元模擬，在小位移范圍內(nèi)為橡膠塊剛度，之外為大剛度；前后端部2個(gè)集裝器內(nèi)側(cè)各有2個(gè)抓鉤，連接方式與中間集裝器的縱向抓鉤力元一致，外側(cè)抓鉤和集裝器剛性接觸，直接以大剛度力元模擬。

圖2 限位抓鉤結(jié)構(gòu)示意圖

考慮集裝器及貨物與車體連接關(guān)系的“車-貨”耦合貨運(yùn)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖3所示。

圖3 “車-貨”耦合模型

2.2 仿真工況設(shè)置

高速貨運(yùn)動(dòng)車組的仿真計(jì)算工況分為直線工況與曲線工況，對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km/h的動(dòng)車組在不同速度下的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。

工況1：前段直線軌道采用武廣譜為激擾，后段為理想平直的軌道，運(yùn)行速度為100 km/h～600 km/h，計(jì)算車輛蛇行失穩(wěn)臨界速度。

工況2：全程采用武廣譜的直線軌道和R7000 m半徑曲線軌道，運(yùn)行速度為100 km/h～400 km/h，計(jì)算車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)安全性。

3 動(dòng)力學(xué)性能分析

3.1 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性

本文用輪對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)的極限環(huán)幅值來(lái)分析貨運(yùn)動(dòng)車組的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，當(dāng)極限環(huán)幅值超過(guò)1 mm，即判定系統(tǒng)出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)。由圖4可見(jiàn)，正常工況下新輪貨運(yùn)動(dòng)車組拖車在600 km/h速度范圍內(nèi)輪對(duì)橫移無(wú)諧波，在激擾消失后輪對(duì)穩(wěn)定在平衡位置，其臨界速度超過(guò)600 km/h，滿足最高運(yùn)行速度250 km/h的要求，且有較大的安全裕量。

圖4 極限環(huán)幅值

3.2 運(yùn)行平穩(wěn)性

貨運(yùn)動(dòng)車組車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性數(shù)據(jù)的采樣、處理和分析方法及平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算方法根據(jù)《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行，對(duì)單節(jié)貨運(yùn)動(dòng)車組拖車前后測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)和平穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行校核。由于在動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中，貨物的振動(dòng)、沖擊隨著車輛運(yùn)行速度加快而愈發(fā)劇烈，本節(jié)對(duì)車廂中前、中、后3個(gè)集裝器的振動(dòng)加速度也進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析。由圖5和圖6(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)咨詢作者)可以看出車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)隨著速度升高呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但在400 km/h的運(yùn)行速度下，平穩(wěn)性指標(biāo)仍然<2.5，為優(yōu)級(jí)。前后端部的集裝器測(cè)點(diǎn)橫向振動(dòng)加速度明顯大于車體地板對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)的結(jié)果，垂向振動(dòng)加速度也比車體地板位置的大，說(shuō)明在貨運(yùn)動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)考慮集裝器及貨物與車體耦合的動(dòng)力學(xué)模型更趨近實(shí)際情況，并可更準(zhǔn)確地對(duì)所運(yùn)送貨物的完整性和安全性進(jìn)行評(píng)估。

圖5 車體測(cè)點(diǎn)的平穩(wěn)性指標(biāo)和振動(dòng)加速度

圖6 集裝器最大加速度

3.3 曲線通過(guò)性能

本節(jié)采用脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)、輪軸橫向力、輪軌垂向力及磨耗指數(shù)等指標(biāo)，對(duì)考慮“車-貨”耦合模型貨運(yùn)動(dòng)車組拖車的曲線通過(guò)性能進(jìn)行校核。由圖7結(jié)果可見(jiàn)，所計(jì)算的速度通過(guò)7000 m半徑曲線時(shí)貨運(yùn)動(dòng)車組拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)、輪軸橫向力等指標(biāo)均小于規(guī)范規(guī)定的安全限度，說(shuō)明時(shí)速250 km/h以上貨運(yùn)動(dòng)車組可以在7000 m半徑曲線上以400 km/h以內(nèi)的速度安全運(yùn)行。

圖7 曲線通過(guò)性能

4 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)高速貨運(yùn)動(dòng)車組多剛體模型的基礎(chǔ)上考慮了集裝器的裝載加固及排列方式，對(duì)集裝器及貨物和車輛進(jìn)行了耦合振動(dòng)特征動(dòng)力學(xué)建模，并對(duì)該“車-貨”耦合模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析。通過(guò)計(jì)算可知，“車-貨”耦合的動(dòng)力學(xué)模型更貼近實(shí)際情況。動(dòng)車組拖車的臨界速度在600 km/h以上，滿足最高運(yùn)行速度為250 km/h的設(shè)計(jì)要求，并且留有足夠的安全裕量；車體的運(yùn)行平穩(wěn)性在400 km/h范圍內(nèi)都符合標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)級(jí)要求，耦合模型下集裝器的橫向、垂向振動(dòng)加速度總體上比車體大，更符合實(shí)際情況，也利于真實(shí)評(píng)估貨物的完整性和安全性；在曲線通

過(guò)安全性方面，在7000 m半徑曲線上和400 km/h運(yùn)行速度范圍以內(nèi)，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全限度要求，具有良好的曲線通過(guò)性能。綜上所述，“車-貨”耦合的高速貨運(yùn)動(dòng)車組能夠滿足250 km/h范圍內(nèi)的安全平穩(wěn)運(yùn)行要求。