橫向減振器布置方式對地鐵車輛動力學(xué)性能的影響

黃運華 李 芾 付茂海 宋國強(qiáng)

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,610031,成都;2.武漢工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,430064,武漢∥第一作者,副研究員)

橫向減振器作為地鐵車輛懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,其性能的優(yōu)劣直接影響車輛運行的安全性和平穩(wěn)性。本文以地鐵某B型車輛(速度為80 km/h)為例,從二系橫向減振器在轉(zhuǎn)向架上的布置方式入手,重點分析研究不同布置方式對地鐵車輛動力學(xué)性能的影響,以供我國城市軌道交通車輛設(shè)計時參考。

1 橫向減振器布置方式分析

鐵路車輛上采用橫向減振器與彈簧一起構(gòu)成彈簧減振裝置。其中彈簧主要起緩沖作用;而橫向減振器的作用則是減小振動,其作用力總是與運動的方向相反,起著阻止振動的作用。橫向減振器安裝在車體與轉(zhuǎn)向架之間,用于控制車體相對于轉(zhuǎn)向架之間的橫移和搖頭運動,以改善車輛的橫向運行性能。在進(jìn)行鐵路客車轉(zhuǎn)向架設(shè)計時,一般都在每個轉(zhuǎn)向架上配置兩個橫向減振器。根據(jù)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計者的設(shè)計思路,兩橫向減振器在轉(zhuǎn)向架的布置方式一般有兩種:圖1(a)所示為兩橫向減振器呈斜對稱布置,此種方式應(yīng)用比較多見;圖1(b)為兩橫向減振器對稱布置。

在地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計中,因受諸多因素影響,各型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架上大多僅安裝一個橫向減振器。其布置方式如圖1(c)所示。圖1基本上涵蓋了軌道車輛轉(zhuǎn)向架常見的二系橫向減振器的三種布置方式。橫向減振器的各種布置方式各有其優(yōu)缺點。單從結(jié)構(gòu)上來說,圖1(a)、(b)分別采用斜對稱和對稱結(jié)構(gòu),符合機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則,有利于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計;而圖1(c)采用單個減振器結(jié)構(gòu),屬于非對稱設(shè)計,應(yīng)該說是不利的,然而卻在城市軌道交通車輛上得到普遍應(yīng)用。采用單個減振器,一方面便于結(jié)構(gòu)設(shè)計,另一方面可以節(jié)約橫向減振器的投資成本。而從動力學(xué)角度看,各種橫向減振器布置方式下的動力學(xué)性能存在一定的差異,特別是當(dāng)某一橫向減振器失效后,對轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能的影響差異較大。很明顯,采用圖1(a)、(b)的結(jié)構(gòu)形式,當(dāng)某一側(cè)橫向減振器失效,其另一側(cè)橫向減振器還能起到一定的阻尼作用;而采用圖1(c)的結(jié)構(gòu)形式,當(dāng)減振器失效,則整個轉(zhuǎn)向架就失去了橫向阻尼作用,勢必對動力學(xué)性能帶來不利影響。本文后續(xù)部分即根據(jù)地鐵某B型車輛轉(zhuǎn)向架(速度為80 km/h)的基本結(jié)構(gòu),通過仿真分析,說明橫向減振器的布置方式對地鐵車輛動力學(xué)性能的影響。

圖1 橫向減振器在車輛轉(zhuǎn)向架上的布置簡圖

2 動力學(xué)模型及說明

為了分析比較橫向減振器不同布置方式對地鐵車輛動力學(xué)性能的影響,需針對不同的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式建立各自的動力學(xué)計算模型。計算時采用SIMPACK多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件,在SIMPACK環(huán)境下建立橫向減振器雙側(cè)斜對稱布置方式時的地鐵某B型車輛動車的多剛體系統(tǒng)動力學(xué)模型(如圖2所示)。由于橫向減振器的三種布置方式僅是橫向減振器位置和個數(shù)不同而已,對于參數(shù)化設(shè)計的SIMPACK而言是很容易實現(xiàn)的。將圖2中橫向減振器的縱向位置移動到轉(zhuǎn)向架的中心,即為橫向減振器雙側(cè)對稱布置方式時的計算模型;而在此基礎(chǔ)上直接刪掉一個橫向減振器,即為橫向減振器單側(cè)布置方式的動力學(xué)計算模型。

圖2 車輛動力學(xué)計算模型

分析計算時為方便比較,除二系橫向減振器的布置不同外,地鐵車輛的其它結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同,且雙側(cè)布置時兩個橫向減振器阻尼系數(shù)之和與單側(cè)布置時的相等;此外,計算模型中均采用LM磨耗型踏面和60 kg/m鋼軌。

3 動力學(xué)計算結(jié)果及分析

一般說來,二系橫向減振器主要影響車輛的橫向運行平穩(wěn)性。為了充分地進(jìn)行比較分析,本文對車輛的運行穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和曲線通過性能等均進(jìn)行了詳細(xì)計算和分析。同時,為了更好地研究其影響程度,仿真計算時分別計算了橫向減振器在正常工作與失效時的情形,且失效時假定每個轉(zhuǎn)向架僅一個橫向減振器失效。為不失一般性,本文僅對車輛在定員工況下的動力學(xué)性能進(jìn)行了計算。

3.1 車輛運行穩(wěn)定性分析

運行穩(wěn)定性主要是研究車輛蛇行運動的臨界速度。蛇行運動是由于帶有錐度的整體輪對在鋼軌上運行而產(chǎn)生的。計算中使車輛以速度v運行在某一特定線路上,該線路的初始段有隨機(jī)激勵(軌面不平順),線路的后一段則為光滑軌道。車輛運行在光滑線路上一定時間后,通過觀察車輛系統(tǒng)各剛體的位移隨車輛行程的變化情況來判定非線性車輛系統(tǒng)的蛇行穩(wěn)定性的臨界速度。如果剛體位移隨車輛行程逐漸減小(即收斂),則車輛的運行是穩(wěn)定的;如果剛體位移發(fā)散,則車輛處于失穩(wěn)狀態(tài);如果剛體位移既不收斂也不發(fā)散,則處于臨界狀態(tài),此時相對應(yīng)的車輛運行速度稱為車輛的蛇行運動臨界速度v cr。

圖3為地鐵車輛在新輪狀態(tài)下橫向減振器三種不同布置形式時的蛇行運動臨界速度比較。由圖3可見,在正常工況下橫向減振器布置方式對蛇行運動臨界速度的影響并不顯著,三種布置方式下地鐵車輛的蛇行運動臨界速度幾乎一樣,僅單側(cè)布置時略小一點;而當(dāng)每個轉(zhuǎn)向架的1個橫向減振器失效后,雙側(cè)對稱和雙側(cè)斜對稱布置的蛇行運動臨界速度相對于正常工況略有減小,而單側(cè)布置的蛇形運動臨界速度卻相對減小了很多。顯然,采用雙側(cè)布置方式可以很好地應(yīng)對減振器突然失效事故的發(fā)生;而單側(cè)布置方式一旦減振器失效就會使蛇行運動臨界速度降低,造成車輛必須低速行駛且要及時更換或維修,否則就可能引起安全事故。因此,從運行穩(wěn)定性而言,橫向減振器以采用雙側(cè)布置方式為宜。

圖3 車輛的蛇行運動臨界速度比較

3.2 車輛運行平穩(wěn)性分析

運行平穩(wěn)性是指車輛在最高運行速度范圍內(nèi),在規(guī)定線路運行時不會產(chǎn)生過大的振動,并使乘客感到舒適,設(shè)備能平穩(wěn)工作的性能。本文計算了地鐵車輛在橫向減振器的不同布置方式下以80 km/h速度運行在美國IV級線路上的橫向和豎向響應(yīng)。利用計算程序計算出車輛各部件的位移、速度、加速度響應(yīng),并根據(jù)車體振動橫向及豎向加速度隨時間的變化歷程,求出車輛的橫向及豎向平穩(wěn)性指標(biāo)Wy、Wz(具體結(jié)果如圖4所示)。

由圖4可以看出:無論是橫向減振器在正常工況還是失效工況下,雙側(cè)對稱布置和雙側(cè)斜對稱布置時的平穩(wěn)性都優(yōu)于單側(cè)布置;而雙側(cè)對稱布置同雙側(cè)斜對稱布置的平穩(wěn)性指標(biāo)和最大加速度均比較接近。就正常工況和失效工況兩者而言,當(dāng)橫向減振器單側(cè)布置時,其平穩(wěn)性指標(biāo)相差比較大,一旦減振器失效,Wy、Wz均不符合GB 5599—85《鐵道車輛動力車性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的優(yōu)級標(biāo)準(zhǔn),特別是Wy已不合格了;橫向和豎向加速度也大大超過2.5 m/s2,也已不合格了。當(dāng)橫向減振器雙側(cè)布置時,盡管在失效工況下各平穩(wěn)性指標(biāo)均有增大趨勢,但還在GB 5599—85的優(yōu)級標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),能滿足運行要求的,而采用雙側(cè)布置的兩種形式其平穩(wěn)性指標(biāo)也比較接近。因此,就運行平穩(wěn)性而言,橫向減振器以采用雙側(cè)布置方式為宜。

3.3 車輛曲線通過性能分析

車輛曲線通過性能的好壞直接影響到地鐵車輛的行車安全。用于評價車輛曲線通過安全性的指標(biāo)有很多,本文選擇輪軌橫向力Q,輪軸橫向力H,脫軌系數(shù)Q/P(其中P為單個車輪作用于鋼軌的豎向力),輪重減載率 ΔP/(其中 ΔP為輪重的減載量,為減載或增載側(cè)車輪平均輪重)以及傾覆系數(shù)D等動力學(xué)指標(biāo)來進(jìn)行比較分析。計算曲線通過時,線路曲線半徑R取500 m,超高取60 mm,緩和曲線長度取60 m,車輛最大通過速度取71.3 km/h(即最大欠超高為60 mm)。表1列出了車輛通過該曲線時的各動力學(xué)性能指標(biāo)最大值。

圖4 橫向減振器在不同布置方式下的地鐵車輛運行平穩(wěn)性比較

從表1的各動力學(xué)性能指標(biāo)計算結(jié)果來看,在橫向減振器正常工況下,其各種布置方式的優(yōu)劣難分:對于Q和D值,雙側(cè)對稱布置時略大;而對于H和ΔP/P—值,單側(cè)布置時略大;D值又以單側(cè)布置時為最小。由表1可知:在橫向減振器的各種布置方式下的各動力學(xué)性能指標(biāo)均在GB 5599—85的規(guī)定范圍之內(nèi);在橫向減振器失效工況下,單側(cè)布置方式時的各動力學(xué)性能指標(biāo)均比雙側(cè)布置時的大,不過仍在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?？傮w上,無論是在正常工況還是失效工況下,雙側(cè)對稱和雙側(cè)斜對稱布置的各動力學(xué)性能指標(biāo)比較接近,橫向減振器布置方式對車輛曲線通過性能的影響不明顯。

表1 橫向減振器不同布置方式時的地鐵車輛曲線通過性能

4 結(jié)語

橫向減振器是機(jī)車車輛的關(guān)鍵部件之一,主要用來抑制車體相對于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫向運動,以提高車輛的運行品質(zhì)和舒適度。本文分析研究了地鐵車輛橫向減振器不同布置方式對其動力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:當(dāng)橫向減振器處于正常工況時,采用雙側(cè)對稱或雙側(cè)斜對稱布置方式的運行平穩(wěn)性優(yōu)于單側(cè)布置,而三種布置方式的運行穩(wěn)定性和曲線通過安全性的差異不大;當(dāng)橫向減振器失效時,單側(cè)布置方式的蛇行運動臨界速度、運行平穩(wěn)性和曲線通過安全性均比雙側(cè)布置方式時差;雙側(cè)對稱和雙側(cè)斜對稱兩種布置方式的動力學(xué)性能比較接近。因此,在進(jìn)行地鐵車輛轉(zhuǎn)向架設(shè)計時,為保證安全和運行品質(zhì),建議橫向減振器以雙側(cè)對稱或雙側(cè)斜對稱布置方式為宜。

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