王俊鋒, 張文朝, 李 躍, 趙 陽(yáng), 侯躍峰

(中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心，河北 唐山 063000)

王俊鋒,張文朝,李躍，等.鉸接式轉(zhuǎn)向架動(dòng)車(chē)組車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,35(1):92-99.

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)水平快速提升，軌道交通行業(yè)也得到長(zhǎng)足發(fā)展[1]，由于受到現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，中小半徑曲線、大坡度線路、車(chē)內(nèi)噪聲限制、車(chē)輛輕量化、車(chē)輛對(duì)環(huán)境振動(dòng)影響等問(wèn)題越來(lái)越突出[2]，對(duì)軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)提出了更多的要求。鉸接式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，在2節(jié)車(chē)體之間布置轉(zhuǎn)向架，通過(guò)轉(zhuǎn)向架直接連接前后車(chē)體。鉸接式轉(zhuǎn)向架具有噪音低、輪軌沖擊小、曲線通過(guò)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]。

鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛在國(guó)外已經(jīng)有著幾十年的發(fā)展歷程[4]。最早采用鉸接式轉(zhuǎn)向架的高速列車(chē)為法國(guó)阿爾斯通的TGV，在此基礎(chǔ)上，其又推出了一款同樣采用鉸接式轉(zhuǎn)向架的AGV高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)[5]。日本953系列新干線列車(chē)、E993城際列車(chē)、50000特快列車(chē)、E331城際列車(chē)也都采用了鉸接式轉(zhuǎn)向架[6-7]。德國(guó)ET425系列動(dòng)車(chē)組、瑞士FILRT電力動(dòng)車(chē)組、荷蘭SPRINTER列車(chē)均采用了鉸接式轉(zhuǎn)向架技術(shù)[8]。此后隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，鉸接式轉(zhuǎn)向架在城軌車(chē)輛、動(dòng)車(chē)組、貨車(chē)等領(lǐng)域都得到長(zhǎng)足發(fā)展[9]。目前中國(guó)研發(fā)的采用鉸接式轉(zhuǎn)向架的車(chē)輛主要有出口土耳其伊茲密爾鉸接式輕軌[10]、馬來(lái)西亞安邦線輕軌[11]、馬其頓鉸接式動(dòng)車(chē)組[12]以及吉隆坡機(jī)場(chǎng)線鉸接式車(chē)輛[13]。目前鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛在我國(guó)市場(chǎng)還較少見(jiàn)，但鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛在國(guó)際軌道交通領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。因此為開(kāi)發(fā)“一帶一路”沿線軌道交通市場(chǎng)，在契合“鐵路走出去”的大背景下，開(kāi)發(fā)一款專(zhuān)門(mén)適應(yīng)國(guó)外市場(chǎng)、主要用于出口的鉸接式動(dòng)車(chē)組就顯得尤為必要。

1 車(chē)輛結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的軌道交通車(chē)輛通常采用2個(gè)轉(zhuǎn)向架支撐車(chē)體，相鄰車(chē)體之間通過(guò)鉤緩裝置連接。而鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛相鄰的車(chē)體共用一個(gè)轉(zhuǎn)向架，只有前后首車(chē)采用獨(dú)立轉(zhuǎn)向架。本文鉸接式動(dòng)車(chē)組模型采用兩動(dòng)一拖編組形式，相鄰車(chē)體采用鉸接式轉(zhuǎn)向架連接，鉸接轉(zhuǎn)向架為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，采用轉(zhuǎn)臂式軸箱，一系采用鋼簧配合一系垂向減振器，二系懸掛包括：4個(gè)空氣彈簧、橫向減振器、抗蛇行減振器、垂向減振器和抗側(cè)滾扭桿，橫向止擋布置在牽引裝置兩側(cè)，牽引裝置采用Z字型牽引桿。兩端動(dòng)車(chē)采用傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，基本結(jié)構(gòu)與鉸接式轉(zhuǎn)向架相同，只是空氣彈簧數(shù)量為2個(gè)。傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝2個(gè)電機(jī)。車(chē)輛前進(jìn)方向?yàn)?車(chē)，依次為2車(chē)、3車(chē)，車(chē)輛前進(jìn)方向?yàn)闃?gòu)架1、輪對(duì)1，后面依次為2、3、4。1、4轉(zhuǎn)向架為傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，2、3 轉(zhuǎn)向架為非動(dòng)力鉸接式轉(zhuǎn)向架。車(chē)輛最高運(yùn)行速度為160 km/h。

2 動(dòng)力學(xué)模型

2.1 鉸接式動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型

圖1 車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型

鉸接式車(chē)輛由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與傳統(tǒng)車(chē)輛相比一般無(wú)法分解為單節(jié)車(chē)輛，必須以列車(chē)形式進(jìn)行建模。采用SIMPACK軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模(如圖1所示)，建立三編組鉸接式動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型。列車(chē)系統(tǒng)共包括3個(gè)車(chē)體、4個(gè)構(gòu)架、8個(gè)輪對(duì)、16個(gè)軸箱、4個(gè)電機(jī)，共35個(gè)剛體，106個(gè)自由度。每個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2個(gè)電機(jī)，通過(guò)力元連接在構(gòu)架橫梁上。車(chē)體、構(gòu)架、輪對(duì)等部件均按照剛體考慮，忽略其彈性變形。各個(gè)部件之間通過(guò)彈簧阻尼力元連接，橫向止擋、二系油壓減振器采用非線性力元構(gòu)建，一系懸掛、空簧、牽引拉桿采用線性力元構(gòu)建。輪徑860 mm，車(chē)輛踏面選擇LM踏面，鋼軌外形選擇UIC60廓形，軌底坡為1∶20。

2.2 計(jì)算工況設(shè)置

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)主要由直線通過(guò)性能和曲線通過(guò)性能組成。按照現(xiàn)場(chǎng)要求計(jì)算不同工況下的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。具體工況如下：

(1)直線工況。長(zhǎng)度1 000 m，在美國(guó)6級(jí)軌道譜軌道激勵(lì)下車(chē)輛以不同的速度(40～180 km/h，步長(zhǎng)20 km/h)通過(guò)線路分析其動(dòng)力學(xué)性能。

(2)曲線工況。正線曲線半徑R=300 m，外軌加寬5 mm，曲線外軌超高h(yuǎn)=120 mm，圓曲線長(zhǎng)度200 m，緩和曲線長(zhǎng)度L=100 m，曲線段軌道要差于直線段，因此曲線段軌道不平順選用美國(guó)5級(jí)軌道譜，車(chē)輛以73 km/h速度通過(guò)曲線段。

(3)S曲線工況。車(chē)場(chǎng)線小半徑S曲線，曲線半徑150 m，無(wú)超高，緩和曲線長(zhǎng)度L=15 m，夾直線長(zhǎng)度20 m，圓曲線段長(zhǎng)度100 m，軌道不平順選用美國(guó)5級(jí)軌道譜，車(chē)輛以15 km/h速度通過(guò)曲線段。

(4)扭曲線路工況。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)設(shè)置三角坑來(lái)模擬軌道扭曲工況。在半徑150 m曲線線路上，緩和曲線60 m，超高0.09 m，圓曲線100 m，在外軌進(jìn)緩和曲線位置設(shè)置了20 mm深度的凹坑。車(chē)輛通過(guò)速度為5 km/h，不考慮軌道不平順。

3 仿真結(jié)果分析

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)存在很多標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用比較廣泛的有英國(guó)EN 14363、鐵路聯(lián)盟UIC 518、美國(guó)AAR系列、澳大利亞AS 7509、中國(guó)GB/T 5599—2019、TB 2360等。本文的車(chē)輛主要用于出口，因此各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)以UIC 518為主，兼顧GB/T 5599—2019。

3.1 穩(wěn)定性分析

圖2 構(gòu)架橫向加速度RMS值

校核過(guò)程中，將車(chē)輛以20～180 km/h速度在AAR6的直線線路運(yùn)行工況作為判定條件，得到各個(gè)構(gòu)架橫向加速度隨速度的變化過(guò)程，見(jiàn)圖2。結(jié)果表明，新輪新軌條件下車(chē)輛構(gòu)架橫向加速度低于規(guī)定的限值，且仍有一定的安全裕度，所以動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行穩(wěn)定性滿足160 km/h的設(shè)計(jì)要求。

3.2 直線運(yùn)行性能分析

根據(jù)UIC 518—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性可由橫向和垂向加速度最大值及加速度均方根值來(lái)表示。車(chē)體最大橫向和垂向加速度均不能超過(guò)[Aymax,Azmax]lim=2.5 m/s2，而橫向加速度均方根值的限度為[Ayrms]lim=0.5 m/s2，垂向加速度均方根值的限度為[Azrms]lim=1 m/s2。此外，根據(jù)車(chē)軸橫向力之和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性的評(píng)定采用司機(jī)室座椅上方位置的平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)表示，新車(chē)平穩(wěn)性需要達(dá)到優(yōu)秀，即不超過(guò)2.5。

車(chē)體橫向最大加速度Ay、垂向最大加速度Az、橫向加速度均方根值A(chǔ)yrms、垂向加速度均方根值A(chǔ)zrms、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzz分別繪于圖3～圖5中。

圖3 車(chē)體最大加速度

圖4 車(chē)體加速度均方根值

圖5 車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)

結(jié)果表明，AAR6線路條件下，在180 km/h速度以內(nèi)的車(chē)體橫向及垂向振動(dòng)加速度最大值均低于2.5 m/s2，橫向振動(dòng)加速度均方根值低于0.5 m/s2，垂向振動(dòng)加速度均方根值低于1 m/s2，滿足UIC 518—2009中的要求。AAR6線路條件下，各個(gè)速度下車(chē)體橫向和垂向加速度均方根值均未超出UIC 518—2009中規(guī)定的限值。此外，AAR6線路條件下，在180 km/h速度以內(nèi)的車(chē)體橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.5，達(dá)到GB/T 5599—2019規(guī)定的優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 曲線通過(guò)能力

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)要求，該車(chē)輛安全性指標(biāo)應(yīng)符合UIC 518—2009和GB/T 5599—2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)要求，主要?jiǎng)恿W(xué)性能應(yīng)達(dá)到以下指標(biāo)：

(2)脫軌系數(shù)采用UIC 518—2009進(jìn)行評(píng)定。[(Q/P)2m]lim=0.8。

3.3.2 R300曲線通過(guò)性能

R300曲線車(chē)軸橫向力計(jì)算結(jié)果如圖6(a)所示。結(jié)果表明，當(dāng)車(chē)輛以73 km/h通過(guò)R300曲線時(shí)車(chē)軸橫向力未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值。輪對(duì)減載側(cè)輪重減載率和脫軌系數(shù)的計(jì)算結(jié)果繪于圖6(b)和圖6(c)中。在所計(jì)算工況中，各輪對(duì)脫軌系數(shù)和減載側(cè)輪重減載率均未超過(guò)UIC 518—2009中規(guī)定的0.8限值，各輪對(duì)輪重減載率均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值0.6。

圖6 R300曲線車(chē)輛通過(guò)性能

3.3.3 半徑150的S曲線通過(guò)性能

圖7、圖8、圖9分別為動(dòng)車(chē)組以15 km/h通過(guò)S形小半徑曲線時(shí)對(duì)應(yīng)的車(chē)軸橫向力、減載側(cè)輪重減載率和脫軌系數(shù)。如圖7所示，當(dāng)動(dòng)車(chē)組通過(guò)半徑為150 m的S曲線時(shí)，各輪對(duì)的車(chē)軸橫向力均小于UIC 518—2009中規(guī)定的限值。

圖7 S150小半徑曲線車(chē)軸橫向力

各個(gè)輪對(duì)對(duì)應(yīng)的輪重減載率的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，在所計(jì)算的工況中，各輪對(duì)的輪重減載率均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第一限值0.6。

圖8 S150小半徑曲線輪重減載率

脫軌系數(shù)Q/P的計(jì)算結(jié)果繪于圖9中。結(jié)果表明，在所計(jì)算的工況中，各輪對(duì)的脫軌系數(shù)均未超過(guò)UIC 518—2009中規(guī)定的限值0.8。

圖9 S150小半徑曲線脫軌系數(shù)

車(chē)輛以15 km/h速度通過(guò)150 m的S形小半徑車(chē)場(chǎng)線時(shí)，在AAR5線路條件下，對(duì)各個(gè)輪對(duì)的車(chē)軸橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)均小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值?？傮w看，鉸接式轉(zhuǎn)向架動(dòng)車(chē)組能夠安全通過(guò)150 m半徑S形曲線。

3.4 車(chē)輛抗扭曲和抗傾覆能力

圖10、圖11、圖12為動(dòng)車(chē)組以5 km/h速度通過(guò)施加三角坑的R150曲線時(shí)對(duì)應(yīng)的各個(gè)輪對(duì)車(chē)軸橫向力、輪重減載率和脫軌系數(shù)。4個(gè)轉(zhuǎn)向架對(duì)應(yīng)車(chē)軸橫向力計(jì)算結(jié)果如圖10所示，其中高軌代表在過(guò)曲線時(shí)的外側(cè)輪，低軌代表在過(guò)曲線時(shí)的內(nèi)側(cè)輪。結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)高于56.6 kN的峰值，計(jì)算結(jié)果滿足UIC 518標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖10 R150三角坑工況車(chē)軸橫向力

各個(gè)輪對(duì)對(duì)應(yīng)減載側(cè)輪重減載率計(jì)算結(jié)果如圖11所示，其中左側(cè)輪對(duì)通過(guò)曲線的外側(cè)高軌，右側(cè)輪對(duì)通過(guò)曲線內(nèi)側(cè)低軌。如圖11所示，結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)高于0.6的峰值，計(jì)算結(jié)果滿足UIC 518標(biāo)準(zhǔn)的要求。各個(gè)輪對(duì)對(duì)應(yīng)脫軌系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖12所示，也均未超標(biāo)。

圖11 R150三角坑工況輪重減載率

圖12 R150三角坑工況脫軌系數(shù)

如仿真所示結(jié)果，鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛具有良好的抗側(cè)滾、抗線路扭曲能力，在通過(guò)施加三角坑的小半徑曲線時(shí)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)論

介紹了鉸接式轉(zhuǎn)向架動(dòng)車(chē)組，并進(jìn)一步研究了極限工況下其車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，分析結(jié)果表明，鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛具有較好的曲線通過(guò)性能，在正線曲線和小半徑S曲線工況其脫軌系數(shù)、輪重減載率、車(chē)軸橫向力等指標(biāo)都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛具有較高的適應(yīng)線路扭曲能力，在通過(guò)三角坑工況時(shí)，鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛輪對(duì)受到的輪軌沖擊遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過(guò)分析各個(gè)輪對(duì)對(duì)應(yīng)曲線通過(guò)性能發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架不同，鉸接式轉(zhuǎn)向架在作為前車(chē)后轉(zhuǎn)向架同時(shí)也是后車(chē)前轉(zhuǎn)向架，因此鉸接式轉(zhuǎn)向架輪對(duì)對(duì)應(yīng)的車(chē)軸橫向力、脫軌系數(shù)等數(shù)值與前部獨(dú)立轉(zhuǎn)向架輪對(duì)幅值相差很小，這個(gè)是值得注意的。綜上所述，鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛具有曲線通過(guò)性能好、輪軌作用力小、抗線路扭曲能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，充分說(shuō)明鉸接式轉(zhuǎn)向架車(chē)輛在技術(shù)上已經(jīng)成熟，是一種適應(yīng)軌道交通需求的新型車(chē)輛。