肖襄雨

(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)

0 引言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，地鐵車(chē)輛已經(jīng)在軌道交通中有了不可替代的地位，但由于列車(chē)運(yùn)行速度的提高，列車(chē)的安全性、舒適性及可靠性等問(wèn)題顯得尤為重要[1-2]。

鄔平波等[3]將車(chē)輛速度視為時(shí)間的慢變參數(shù),提出了一種近似計(jì)算線(xiàn)性臨界速度、非線(xiàn)性臨界速度和極限環(huán)的數(shù)值方法。以一高速客車(chē)為應(yīng)用實(shí)例,對(duì)其線(xiàn)性臨界速度和非線(xiàn)性臨界速度進(jìn)行了參數(shù)研究。為改善車(chē)輛的乘坐舒適性，池茂儒等[4]研究了車(chē)輛的振動(dòng)響應(yīng)特性,建立了車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算了轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)模態(tài)和車(chē)體固有振動(dòng)模態(tài)的頻域模態(tài)參數(shù)與車(chē)輛在不同速度下的時(shí)域平穩(wěn)性指標(biāo)。付秀通等[5]建立了一個(gè)多自由度的非線(xiàn)性車(chē)輛模型，以實(shí)測(cè)的軌道方向不平順作為輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真研究了車(chē)輛非線(xiàn)性曲線(xiàn)通過(guò)動(dòng)態(tài)性能和非線(xiàn)性直線(xiàn)橫向響應(yīng)。英國(guó)學(xué)者J. R. Mitchell等認(rèn)為目前對(duì)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛曲線(xiàn)通過(guò)性能給出了一定解釋?zhuān)⒔⒘瞬簧傧嚓P(guān)的理論，但是還沒(méi)有一種完善合理的理論去精準(zhǔn)預(yù)測(cè)所有情況下的輪軌力以及其位置，因此還需進(jìn)行更多相關(guān)的研究[6]。周素霞等[7]為了減輕地鐵運(yùn)行中的輪軌磨耗，提高車(chē)輛的運(yùn)行安全性和舒適性,基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)理論,通過(guò)動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立輪軌關(guān)系模型,針對(duì)4種地鐵線(xiàn)路緩和曲線(xiàn)線(xiàn)型進(jìn)行研究，分析了各線(xiàn)型下的輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、磨耗功率、輪重減載率和傾覆系數(shù)6個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)在列車(chē)運(yùn)行中的變化規(guī)律。

本論文通過(guò)仿真車(chē)輛直線(xiàn)運(yùn)行工況及不同半徑曲線(xiàn)工況，對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析地鐵車(chē)輛通過(guò)線(xiàn)路時(shí)穩(wěn)定性、平穩(wěn)性等性能指標(biāo)，得出列車(chē)在經(jīng)過(guò)有激勵(lì)的直線(xiàn)線(xiàn)路時(shí)的安全性能，并對(duì)列車(chē)如何安全運(yùn)行提出相關(guān)建議。

1 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)介

1.1 模型簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)化車(chē)輛結(jié)構(gòu)建模包括：車(chē)體、輪對(duì)、軸箱、一系彈簧懸掛裝置、構(gòu)架、二系彈簧懸掛裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置[8]。軌道車(chē)輛具有自行導(dǎo)向、低運(yùn)行阻力、成列運(yùn)行及嚴(yán)格的外形尺寸限制等特點(diǎn)。運(yùn)用表1的參數(shù)進(jìn)行車(chē)輛建模，如圖1所示。

表1 車(chē)輛基本參數(shù)

圖1 動(dòng)力學(xué)模型

1.2 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能及主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

列車(chē)運(yùn)行時(shí)，由于線(xiàn)路、輪對(duì)構(gòu)造、車(chē)輛振動(dòng)等因素會(huì)影響列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能。線(xiàn)路中會(huì)出現(xiàn)鋼軌中的接頭、鋼軌變形及軌道不平順、列車(chē)通過(guò)小半徑曲線(xiàn)、重載等問(wèn)題。所以，需要在設(shè)計(jì)制造車(chē)輛時(shí)考慮到輪軌間互相的作用力以及運(yùn)行時(shí)各部件間力的傳遞。

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能及主要評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能及主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 5599 鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，采用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)等級(jí)進(jìn)行判斷，通過(guò)列車(chē)本身情況衡量運(yùn)行品質(zhì)，舒適度不僅需要考慮列車(chē)本身情況，還需要考慮旅客對(duì)乘坐環(huán)境的敏感度。

運(yùn)行品質(zhì)合格時(shí)，乘坐舒適度不一定合格，是由于有與振動(dòng)頻率有關(guān)的修正系數(shù)的影響。客車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)與等級(jí)如表3所示，安全性指標(biāo)如表4所示。

表3 客車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)與等級(jí)

表4 安全性指標(biāo)

2 車(chē)輛直線(xiàn)運(yùn)行平穩(wěn)性分析

列車(chē)編組形式為六節(jié)編組，如圖2所示(黑點(diǎn)●表示測(cè)力輪對(duì))。

圖2 試驗(yàn)車(chē)編組圖

運(yùn)行平穩(wěn)性測(cè)試為車(chē)體地板的振動(dòng)加速度。參照?qǐng)?zhí)行標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算橫、垂平穩(wěn)性指標(biāo)。車(chē)體振動(dòng)加速度采用加速度傳感器測(cè)定，測(cè)點(diǎn)位于TC1與MP1車(chē)前轉(zhuǎn)向架中心上方左側(cè)/右側(cè)處車(chē)體地板?？哲?chē)工況下直線(xiàn)運(yùn)行的平穩(wěn)性指標(biāo)如圖3、圖4所示。

圖3 TC1空車(chē)工況下平穩(wěn)性指標(biāo)平均值

圖4 MP1空車(chē)工況下平穩(wěn)性指標(biāo)平均值

根據(jù)建模后的離線(xiàn)分析結(jié)果，分別計(jì)算各運(yùn)行速度下的Wy、Wz、NMV、Mαcy、Mαcz、Sαcy及Sαcz，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，如圖5、圖6所示。

圖5 TC1空車(chē)工況下平穩(wěn)性指標(biāo)平均值(建模)

圖6 MP1空車(chē)工況下平穩(wěn)性指標(biāo)平均值(建模)

MP1垂向平穩(wěn)性指標(biāo)在運(yùn)行時(shí)優(yōu)于橫向平穩(wěn)性指標(biāo)；TC1橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在車(chē)輛運(yùn)行較大時(shí)優(yōu)于垂向平穩(wěn)性指標(biāo)。隨著列車(chē)運(yùn)行速度增大，平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)都在增大，運(yùn)行品質(zhì)降低，但指標(biāo)均合格。車(chē)輛運(yùn)行可以適當(dāng)提速，既滿(mǎn)足乘客速度需求，也可以滿(mǎn)足其乘坐的舒適度。

3 車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性分析

采用測(cè)力輪對(duì)法獲取輪軌橫向、垂向力，計(jì)算脫軌系數(shù)、輪重減載率等并進(jìn)行脫軌安全性評(píng)估。測(cè)力輪對(duì)共計(jì)2條，分別裝于被試車(chē)車(chē)輛的1軸，如圖7所示。輪軌力信號(hào)傳輸采用集流環(huán)裝置。

圖7 輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)

試驗(yàn)載荷工況包括：空車(chē)、重載。

列車(chē)在行使過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。蛇行運(yùn)動(dòng)為非線(xiàn)性自激振動(dòng)。它是由蠕滑力和輪軌幾何關(guān)系引起的，與運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性密切相關(guān)，決定了列車(chē)運(yùn)行的最高速度。輪對(duì)在線(xiàn)路上運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到不同形式的激擾[9]。

運(yùn)用建好的模型及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定，將模型以0～80 km/h速度運(yùn)行，在SIMPACK后處理平臺(tái)提取出脫軌系數(shù)及輪重減載率等。

車(chē)輛在空載下直線(xiàn)運(yùn)行，測(cè)試運(yùn)行速度為0～80 km/h范圍內(nèi)列車(chē)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)分析得出車(chē)輛運(yùn)行速度為70 km/h時(shí)，TC1和MP1車(chē)輛的脫軌系數(shù)和輪重減載率(圖8)都達(dá)到最大，分別為0.36、0.18和0.28、0.31。

圖8 空車(chē)狀態(tài)下直線(xiàn)運(yùn)行

圖9為車(chē)輛在重載下直線(xiàn)運(yùn)行的仿真及試驗(yàn)結(jié)果，分析得出TC1車(chē)輛運(yùn)行速度為50 km/h時(shí)，脫軌系數(shù)達(dá)到最大0.18；MP1運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)，車(chē)輛的脫軌系數(shù)為0.14；TC1車(chē)輛運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)，輪重減載率達(dá)到最大0.44；MP1運(yùn)行速度為50 km/h時(shí)，車(chē)輛的輪重減載率為0.29。

圖9 重載狀態(tài)下直線(xiàn)運(yùn)行

線(xiàn)路曲線(xiàn)最小半徑與列車(chē)運(yùn)行速度有直接關(guān)系：曲線(xiàn)半徑越小，鋼軌間的磨耗越大，列車(chē)運(yùn)行條件越糟糕。

圖10為車(chē)輛在空載下曲線(xiàn)運(yùn)行，測(cè)試運(yùn)行速度為0～80 km/h范圍內(nèi)列車(chē)穩(wěn)定性仿真與試驗(yàn)結(jié)果，分析得出車(chē)輛運(yùn)行速度為40 km/h時(shí)，通過(guò)半徑R=350 m曲線(xiàn)，TC1脫軌系數(shù)為0.62；通過(guò)半徑R=460 m曲線(xiàn)MP1脫軌系數(shù)為0.77。車(chē)輛運(yùn)行速度為40 km/h時(shí)，通過(guò)半徑R=350 m曲線(xiàn)TC1和MP1車(chē)輛的輪重減載率都達(dá)到最大，分別為0.44和0.43。

圖10 空車(chē)狀態(tài)下曲線(xiàn)運(yùn)行

圖11為車(chē)輛在重載下曲線(xiàn)運(yùn)行的仿真及試驗(yàn)結(jié)果，分析得出車(chē)輛運(yùn)行速度為40 km/h時(shí)，TC1通過(guò)半徑R=350 m曲線(xiàn)，脫軌系數(shù)達(dá)到最大0.58；MP1通過(guò)半徑R=360 m曲線(xiàn)，脫軌系數(shù)為0.75。車(chē)輛運(yùn)行速度為68 km/h時(shí)，TC1通過(guò)半徑R=360 m曲線(xiàn)，輪重減載率達(dá)到最大0.36；MP1通過(guò)半徑R=350 m曲線(xiàn)，輪重減載率達(dá)到最大0.36。

圖11 重載狀態(tài)下曲線(xiàn)運(yùn)行

綜上所述，在空車(chē)、重載工況下，TC1車(chē)及MP1車(chē)的脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用SIMPACK對(duì)某地鐵車(chē)輛參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。以列車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)及乘客乘坐舒適度分析其平穩(wěn)性，還需要考慮橫向振動(dòng)加速度及垂向振動(dòng)加速度。通過(guò)設(shè)置傳感器實(shí)測(cè)后，離線(xiàn)分析得出這些列車(chē)運(yùn)行參數(shù)。結(jié)果表明：數(shù)據(jù)在安全范圍內(nèi)，試驗(yàn)列車(chē)性能較好，在其規(guī)定運(yùn)營(yíng)速度范圍內(nèi)，乘客舒適性評(píng)定為優(yōu)。針對(duì)列車(chē)實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)常出現(xiàn)的超載、曲線(xiàn)半徑過(guò)小等問(wèn)題，分析其動(dòng)力學(xué)性能，并測(cè)試列車(chē)直線(xiàn)運(yùn)行及曲線(xiàn)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)值，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：直線(xiàn)運(yùn)行下蛇行運(yùn)動(dòng)是無(wú)法避免的，但在超載狀態(tài)下，列車(chē)的安全性依然可以得到保證。