陳迪來,劉建新,侯建文,王 偉,杜凱軍
(1 西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,四川成都610031;2 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,四川成都610031)
綜合技術(shù)研究
連續(xù)交點型局部不平順對機車性能影響分析*
陳迪來1,劉建新2,侯建文2,王 偉1,杜凱軍2
(1 西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,四川成都610031;2 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室,四川成都610031)
通過MATLAB軟件模擬交點型不平順,作為機車模型的外部激擾輸入,根據(jù)機車車輛動力學(xué)理論,以機車動力學(xué)指標(biāo)為依據(jù),運用SIMPACK多體動力學(xué)仿真軟件,分析了軌道隨機不平順及具有連續(xù)波數(shù)的交點型不平順對機車運行安全性及平穩(wěn)性的影響。仿真結(jié)果表明,在軌道交點型不平順幅值和波長一定的情況下,軌道交點型不平順的波數(shù)越多,對機車運行安全性和平穩(wěn)性的影響就越大,并且都大于僅有隨機不平順激擾的情況。機車速度為160 km/h,在軌道含有連續(xù)三波交點型不平順情況下,輪重減載率為0.685,超過了評定標(biāo)準的限值0.65,因此,必須對軌道交點型不平順的波數(shù)加以控制,或嚴格限制車速。
軌道隨機不平順;交點型局部不平順;機車;動力學(xué)
在線路的特定結(jié)構(gòu)處或偶然地點(如橋墩、線路接頭、道岔區(qū)處)產(chǎn)生的軌道幾何參數(shù)的偏差稱為軌道局部不平順,往往會引起輪軌間產(chǎn)生強烈的動態(tài)作用,對機車車輛的安全運行有很大影響,需要特別關(guān)注。國內(nèi)外的軌道研究機構(gòu),對局部軌道不平順實際波形所進行的調(diào)查分析表明,看起來千差萬別的各種軌道不平順波形,其實也可以歸納成具有相似特征的若干類型,美國鐵路根據(jù)實際軌道存在的幾何偏差,將橋墩、線路接頭、道岔區(qū)等地點的軌道局部不平順,稱為軌道交點型不平順,對機車車輛而言是軌道交點型激擾[1]。對軌道交點型不平順的研究有李秋玲等人根據(jù)線路實測數(shù)據(jù),統(tǒng)計出了城市軌道交通線路中,鋼軌焊接接頭交點型不平順的幅值范圍及不平順的波長范圍[2];盛明群綜述了常見的接頭病害及其交點型不平順的成因[3];全順喜研究了列車順向及逆向通過幾何不平順道岔時,交點型不平順導(dǎo)致的列車振動響應(yīng)[4]。以上的研究都沒有分析連續(xù)多波的交點型不平順,文獻[5]中表明,在實際某大橋的相鄰幾個橋墩處,已經(jīng)觀察到交點型的連續(xù)周期性變化的特征,本文將主要分析機車行經(jīng)連續(xù)波數(shù)的交點型局部不平順時,軌道連續(xù)交點型激擾對機車運行的安全性和平穩(wěn)性的影響。
1.1 單一交點型不平順樣本的模擬
本文根據(jù)文獻[1]給出的表達式(1),模擬交點型局部不平順:
式中A為交點型不平順的幅值,cm;k為與長度有關(guān)的系數(shù),1/m。
根據(jù)文獻[1]的建議,取垂向不平順的A為2.29 cm,k為0.11/m,方向不平順的A為1.27 cm,k為0.09 1/m,水平不平順的A為2.29 cm,k為0.13 1/m,軌距不平順的A為2.03 cm,k為0.103 1/m。根據(jù)式(1),通過MATLAB軟件,模擬出軌道交點型垂向不平順(如圖1a)、交點型方向不平順(如圖1b)、交點型水平不平順(如圖1c)、交點型軌距不平順(如圖1d),圖中橫坐標(biāo)表示軌道不平順的長度,m;縱坐標(biāo)表示軌道不平順的幅值,cm。
1.2 軌道隨機不平順與交點型局部不平順組合樣本的模擬
局部不平順可以單獨出現(xiàn),也可以彼此組合在一起出現(xiàn),并且可以同時出現(xiàn)在軌道隨機不平順中。單個局部不平順是機車車輛系統(tǒng)的瞬態(tài)激擾輸入,會引起機車車輛系統(tǒng)的瞬態(tài)振動響應(yīng)。如果同一形式的局部不平順連續(xù)出現(xiàn),則可形成周期性的變化[1]。
某型機車在運行的過程中,要在某單橋墩橋梁上行駛,因此,用模擬軌道隨機不平順和單個交點型不平順的組合樣本,反映單橋墩處出現(xiàn)不平順的情況,在隨機軌道不平順[6]150 m處,疊加單波交點型不平順,得到軌道垂向不平順(如圖2a)、方向不平順(如圖2b)、水平不平順(如圖2c)、軌距不平順(如圖2d)。
圖1 軌道交點型不平順樣本
圖2 軌道隨機不平順和單波交點型不平順的組合樣本
某型機車在運行的過程中,要在含有2個橋墩橋梁上行駛,因此,用模擬軌道隨機不平順和2個連續(xù)交點型不平順的組合樣本,反映2個橋墩處出現(xiàn)不平順的情況,在隨機軌道不平順的150 m和250 m處,疊加連續(xù)雙波交點型不平順,得到軌道垂向不平順(如圖3a)、方向不平順(如圖3b)、水平不平順(如圖3c)、軌距不平順(如圖3d)。
某型機車在運行的過程中,要在含有3個橋墩橋梁上行駛,因此,用模擬軌道隨機不平順和3個連續(xù)交點型不平順的組合樣本,反映3個橋墩處出現(xiàn)不平順的情況,在隨機軌道不平順的150 m、250 m及350 m處,疊加連續(xù)3波交點型不平順,得到軌道垂向不平順(如圖4a)、方向不平順(如圖4b)、水平不平順(如圖4c)、軌距不平順(如圖4d)。
圖3 軌道隨機不平順和連續(xù)雙波交點型不平順的組合樣本
圖4 軌道隨機不平順和連續(xù)3波交點型不平順的組合樣本
2.1 機車動力學(xué)模型
利用多體動力學(xué)分析軟件SIMPACK建立了我國某型機車的動力學(xué)模型,此模型主要結(jié)構(gòu)特點是機車由車體、2個轉(zhuǎn)向架構(gòu)成,每個轉(zhuǎn)向架有3個輪對;車體和構(gòu)架間由二系高圓彈簧、橫向減振器、垂向減振器及抗蛇行減振器等組成二系懸掛;構(gòu)架和輪對之間通過軸箱彈簧、單軸箱拉桿及垂向減振器等組成一系懸掛,中間輪對沒有垂向減振器;牽引電動機采用彈性架懸方式,3點懸掛于構(gòu)架之上,仿真模型示意圖如圖5所示。
圖5 機車動力學(xué)仿真模型示意圖
2.2 仿真及結(jié)果分析
本文在仿真計算中采用輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率及車體的振動加速度評價機車在交點型激擾下的動力響應(yīng)。
(1)機車車輛與軌道動態(tài)作用評價指標(biāo)
輪軌橫向力的評價指標(biāo),混凝土軌枕線路單側(cè)Q力的最大允許值應(yīng)根據(jù)扣件橫向抗力特性及鋼軌傾翻限度等加以確定,歐美鐵路根據(jù)試驗,一般取0.4軸重作為橫向力的允許限度,要求Q≤0.4PW,式中PW為靜軸重,k N;機車軸重為21 t,即Q≤0.4×210=84 k N[7]。輪軌垂向力評價指標(biāo),根據(jù)UIC-518,輪軌垂向力最大值Pmax=90+P0,其中P0為每個車輪上的靜載荷,k N;P0=105 k N,即Pmax=90+105=195 k N[8]。
(2)機車車輛運行安全性評價指標(biāo)
脫軌系數(shù)根據(jù)我國鐵道行業(yè)標(biāo)準《鐵道機車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準》(TB/T 2360-93)規(guī)定機車的脫軌系數(shù)在0.6以下為優(yōu)。輪重減載率的評定等級為第1限度為評定車輛運行安全的合格標(biāo)準,第2限度為增大了安全裕量的標(biāo)準。其標(biāo)準列于表1。
表1 輪重減載率評定標(biāo)準
(3)機車車輛運行平穩(wěn)性評價指標(biāo)
機車車體振動加速度根據(jù)我國《鐵道機車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準》(TB/T 2360-93)進行評定,如表2。
表2 我國機車振動加速度評定等級
仿真中將考慮4種工況,工況1:軌道隨機不平順樣本;工況2:軌道隨機不平順和單波交點型不平順的組合樣本;工況3:軌道隨機不平順和雙波交點型不平順的組合樣本;工況4:軌道隨機不平順和三波交點型不平順的組合樣本;作為系統(tǒng)的外部輸入激擾,使機車以120,130,140,150,160 km/h的速度通過設(shè)定的軌道不平順,計算了車體的輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和振動加速度,得到軌道交點型不平順及不同波數(shù)下機車振動響應(yīng)的規(guī)律。仿真結(jié)果如圖6~圖9。
圖6為1位輪對左輪的輪軌橫向力時間歷程圖及其3σ濾波圖(其中ARR5表示美國5級線路譜);(a)圖為機車行經(jīng)隨機不平順和單波交點型不平順時的輪軌橫向力,每個速度下,輪軌橫向力只有1個峰值,且正好出現(xiàn)在單波交點型不平順的1個尖峰附近,(b)圖為機車行經(jīng)隨機不平順和連續(xù)雙波交點型不平順時的輪軌橫向力,每個速度下,輪軌橫向力出現(xiàn)2個峰值,且正好出現(xiàn)在雙波交點型不平順的2個尖峰附近,(c)圖為機車行經(jīng)隨機不平順和連續(xù)三波交點型不平順時的輪軌橫向力,每個速度下,輪軌橫向力出現(xiàn)3個峰值,且正好出現(xiàn)在三波交點型不平順的3個尖峰附近。正好說明機車在行經(jīng)橋墩處,由于局部不平順是機車車輛系統(tǒng)的瞬態(tài)激擾輸入,就會引起機車車輛系統(tǒng)的瞬態(tài)振動響應(yīng)。(d)圖為對輪軌橫向力時間歷程圖做3σ濾波處理,所得的濾波圖可以看出機車運行速度越高,輪軌橫向力的最大值越大,且大致呈線性遞增,因此可知機車速度與機車輪軌橫向力成正相關(guān);但在各種工況下,輪軌橫向力均在84 k N以內(nèi),如圖6(d)在工況一,速度為120 km/h的輪軌橫向力為15.9 k N,140 km/h的輪軌橫向力為17.9 k N,160 km/h的輪軌橫向力為19.4 k N。在相同速度下,在含有交點型不平順的作用下,機車的輪軌橫向力比只有隨機不平順的影響大,說明由于機車行經(jīng)橋墩處,由于局部不平順的瞬時激擾的輸入,機車系統(tǒng)也產(chǎn)生了瞬態(tài)的振動,但機車連續(xù)行經(jīng)多個橋墩時,由于前面橋墩處產(chǎn)生的振動沒有完全衰減,對行經(jīng)后面橋墩時的瞬時振動有疊加效應(yīng)。如圖6(d)機車速度在160 km/h時,機車行經(jīng)只含有軌道隨機不平順時的輪軌橫向力為19.4 k N,機車行經(jīng)含有連續(xù)單波不平順的輪軌橫向力為21.8 k N,機車行經(jīng)含有連續(xù)雙波不平順的輪軌橫向力為22.2 k N,機車行經(jīng)含有連續(xù)三波不平順的輪軌橫向力為22.7 k N。
圖6 1位輪對左輪的輪軌橫向力時間歷程圖及其3σ濾波圖
圖7 1位輪對左輪的輪軌垂向力時間歷程圖及其3σ濾波圖
圖7為1位輪對左輪的輪軌垂向力時間歷程圖及其3σ濾波圖(其中ARR5表示美國5級線路譜);(a)圖為機車行經(jīng)隨機不平順和連續(xù)單波交點型不平順時的輪軌垂向力,(b)圖為機車行經(jīng)隨機不平順和連續(xù)雙波交點型不平順時的輪軌垂向力,(c)圖為機車行經(jīng)隨機不平順和三波交點型不平順時的輪軌垂向力,從輪軌垂向力的時間歷程圖不能很明顯的看出輪軌垂向力的最大值出現(xiàn)在軌道交點型不平順的尖峰附近,原因可能是波長0.01~2 m的短波才會引起輪軌垂向極大的沖擊,本文的波長(100 m)為大于30 m的長波主要引起車體和轉(zhuǎn)向架的強烈振動[5]。(d)圖為對輪軌垂向力時間歷程圖做3σ濾波處理,從所得的濾波圖可以看出,隨著機車速度的增加,輪軌垂向力也隨之增大,且大致呈線性遞增,因此可知機車速度與機車輪軌垂向力成正相關(guān);但都在極限值195 k N范圍內(nèi);如圖7(d)在工況一,速度為120 km/h的輪軌垂向力為144 k N,140 km/h的輪軌垂向力為151 k N,160 km/h的輪軌垂向力為160 k N,在相同速度下,交點型不平順的波數(shù)越多,輪軌垂向力也越大,且都大于只含有隨機不平順情況;說明由于機車行經(jīng)橋墩處,由于局部不平順的瞬時激擾輸入,機車系統(tǒng)也產(chǎn)生了瞬態(tài)的振動,但機車連續(xù)行經(jīng)多個橋墩時,由于前面橋墩處產(chǎn)生的振動沒有完全衰減,對行經(jīng)后面橋墩時的瞬時振動有疊加效應(yīng)。如圖7(d)速度為120 km/h時,機車行經(jīng)只含有軌道隨機不平順時的輪軌垂向力為144 k N,機車行經(jīng)含有連續(xù)單波不平順的輪軌垂向力為149 k N,機車行經(jīng)含有連續(xù)雙波不平順的輪軌垂向力為151 k N,機車行經(jīng)含有連續(xù)三波不平順的輪軌垂向力為153 k N。
圖8 1位輪對左輪脫軌系數(shù)及輪重減載率的3σ濾波圖
圖8(a)為1位輪對左輪脫軌系數(shù)的3σ濾波圖,縱坐標(biāo)表示脫軌系數(shù)經(jīng)3σ濾波得到的最大值。從圖中可以看出,隨著機車速度的增加,脫軌系數(shù)也隨之增大,且大致呈線性遞增,因此可知機車速度與機車的脫軌系數(shù)成正相關(guān);如圖8(a)在工況一,速度為120 km/h的脫軌系數(shù)為0.154,速度為140 km/h的脫軌系數(shù)為0.175,速度為160k m/h的脫軌系數(shù)為0.191。在相同速度下,在含有交點型不平順的作用下,機車的脫軌系數(shù)比只有隨機不平順的大,而雙波和三波激擾下的脫軌系數(shù)已不再有很大的變化,可能原因是連續(xù)三波不平順即可使機車產(chǎn)生較大的動力響應(yīng)[5];速度為120 km/h時,機車行經(jīng)只含有軌道隨機不平順時的脫軌系數(shù)為0.154,機車行經(jīng)含有連續(xù)單波不平順的脫軌系數(shù)為0.171,機車行經(jīng)含有連續(xù)雙波不平順的脫軌系數(shù)為0.177,機車行經(jīng)含有連續(xù)三波不平順的脫軌系數(shù)為0.179,但都在優(yōu)秀等級0.6以下。
圖8(b)為1位輪對左輪輪重減載率的3σ濾波圖,縱坐標(biāo)表示輪重減載率經(jīng)3σ濾波得到的最大值。從圖中可以看出,隨著機車速度的增加,輪重減載率的數(shù)值也隨之增大,且大致呈線性遞增;但在含有交點型不平順的作用下,機車的輪重減載率比只有隨機不平順的增長速率大,如圖8(b)在工況一,速度為120 km/h的輪重減載率為0.428,速度為140 km/h的輪重減載率為0.494,速度為160 km/h的輪重減載率為0.579。在相同速度下,交點型不平順的波數(shù)越多,輪重減載率也越大,且都大于只含有隨機不平順情況,說明由于機車行經(jīng)橋墩處,由于局部不平順的瞬時激擾輸入,機車系統(tǒng)也產(chǎn)生了瞬態(tài)的振動,但機車連續(xù)行經(jīng)多個橋墩時,由于前面橋墩處產(chǎn)生的振動沒有完全衰減,對行經(jīng)后面橋墩時的瞬時振動有疊加效應(yīng)。速度為120 km/h時,機車行經(jīng)只含有軌道隨機不平順時的輪重減載率為0.428,機車行經(jīng)含有連續(xù)單波不平順的輪重減載率為0.478,機車行經(jīng)含有連續(xù)雙波不平順的輪重減載率為0.493,機車行經(jīng)含有連續(xù)三波不平順的輪重減載率為0.517。但在速度v為160 km/h時,當(dāng)交點型不平順含有連續(xù)三波情況下,輪重減載率為0.685略超0.65的合格極限,因此,為保證機車運行安全,必須對軌道交點型不平順的波數(shù)加以控制,或嚴格控制車速。
圖9 前司機室垂向加速度及橫向加速度的3σ濾波圖
圖9(a)前司機室垂向加速度的3σ濾波圖,縱坐標(biāo)表示前司機室垂向加速度經(jīng)3σ濾波得到的最大值。從圖中可以看出,隨著機車速度的增加,前司機室垂向加速度也隨之增大;如圖9(a)在工況一,速度為120km/h的前司機室垂向加速度為1.75 m/s2;速度為140 km/h的前司機室垂向加速度為1.98 m/s2;速度為160 km/h的前司機室垂向加速度為2.09 m/s2;在相同速度下,交點型不平順的波數(shù)越多,前司機室垂向加速度也越大,且都大于只含有隨機不平順情況,說明由于機車行經(jīng)橋墩處,由于局部不平順的瞬時激擾輸入,機車系統(tǒng)也產(chǎn)生了瞬態(tài)的振動,但機車連續(xù)行經(jīng)多個橋墩時,由于前面橋墩處產(chǎn)生的振動沒有完全衰減,對行經(jīng)后面橋墩時的瞬時振動有疊加效應(yīng)。雖然機車有一系懸掛、二系懸掛,但長波不平順對車體的振動是低頻振動,因此能量還是能夠傳遞到車體上。速度為120 km/h時,機車行經(jīng)只含有軌道隨機不平順時的前司機室垂向加速度為1.75 m/s2,機車行經(jīng)含有連續(xù)單波不平順的前司機室垂向加速度為1.84 m/s2,機車行經(jīng)含有連續(xù)雙波不平順的前司機室垂向加速度為2.07 m/s2,機車行經(jīng)含有連續(xù)三波不平順的前司機室垂向加速度為2.13 m/s2。v=160 km/h時,當(dāng)交點型不平順含有連續(xù)三波情況下,前司機室垂向振動加速度指標(biāo)2.62 m/s2略超優(yōu)秀等級下的2.45 m/s2,但都在的合格極限3.63 m/s2以下。
圖9(b)前司機室橫向加速度的3σ濾波圖,縱坐標(biāo)表示前司機室橫向加速度經(jīng)3σ濾波得到的最大值。從圖中可以看出,隨著機車速度的增加,前司機室橫向加速度也隨之增大,如圖9(b)在工況一,速度為120 km/h的前司機室的橫向加速度為0.589 m/s2,速度為140 km/h的前司機室的橫向加速度為0.685 m/s2,速度為160 km/h的前司機室的橫向加速度為0.737 m/s2。在相同速度下,交點型不平順的波數(shù)越多,前司機室橫向加速度也越大,且都大于只含有隨機不平順情況,說明由于機車行經(jīng)橋墩處,由于局部不平順的瞬時激擾輸入,機車系統(tǒng)也產(chǎn)生了瞬態(tài)的振動,但機車連續(xù)行經(jīng)多個橋墩時,由于前面橋墩處產(chǎn)生的振動沒有完全衰減,對行經(jīng)后面橋墩時的瞬時振動有疊加效應(yīng)。速度為120 km/h時,機車行經(jīng)只含有軌道隨機不平順時的前司機室橫向加速度為0.589 m/s2,機車行經(jīng)含有連續(xù)單波不平順的前司機室橫向加速度為0.758 m/s2,機車行經(jīng)含有連續(xù)雙波不平順的前司機室橫向加速度為0.869 m/s2,機車行經(jīng)含有連續(xù)三波不平順的前司機室橫向加速度為0.956 m/s2,但前司機室橫向振動加速度指標(biāo)均在優(yōu)秀等級1.47 m/s2以下。
(1)在相同的軌道不平順下,隨著機車運行速度的增加,機車的各項動力響應(yīng)都有不同程度的增加。
(2)在交點型不平順幅值和波長一定的情況下,交點型不平順的波數(shù)越多,對機車運行安全性和平穩(wěn)性就越不利,說明機車連續(xù)行經(jīng)多個橋墩時,由于前面橋墩處產(chǎn)生的振動沒有完全衰減,對行經(jīng)后面橋墩時的瞬時振動有疊加效應(yīng)。在同一速度下,機車在含有交點型不平順的軌道比只有隨機不平順的軌道上的輪軌橫向力大10%以上,機車在含有交點型不平順的軌道比只有隨機不平順的軌道上的脫軌系數(shù)大8%以上。
(3)機車速度為160 km/h,當(dāng)軌道含有連續(xù)單波或雙波交點型不平順的情況下,輪重減載率沒有出現(xiàn)超限的現(xiàn)象,但軌道含有連續(xù)三波交點型不平順的情況下,輪重減載率為0.685,超過了評定標(biāo)準的限值0.65。因此,為確保列車運行的安全性,必須對軌道交點型不平順的波數(shù)加以控制,或嚴格控制車速。
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Analysis of Continuous Intersection Type Local Irregularity on Locomotive Performance
CHEN Dilai1,LIU Jianxin2,HOU Jianwen2,WANG Wei1,DU Kaijun2
(1 School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031 Sichuan,China;2 Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031 Sichuan,China)
Using MATLAB software to simulate intersection type irregularity as the locomotive model external excitation,using SIMPACK multi-body dynamics simulation software to analysis the influences of track irregularity and intersection type irregularity number on the locomotive safety and comfort on the basis of the locomotive vehicle dynamics index by the locomotive vehicle dynamics theory.The simulation results show that,when the intersection type irregularity amplitude and wave length is certain,the more intersection type irregularity wave number,the more impact on locomotive safety and comfortable,and are more than the single random irregularity.Locomotive speed is 160 km/h,the track contains three consecutive wave intersection type irregularity conditions,reduction rate of wheel load is 0.685more than the standard limit value of 0.65,therefore must be control to track the number of intersection type irregularity or strict speed limits.
random irregularity of track;intersection type local irregularity;locomotive;dynamics
U260.11
A
10.3969/j.issn.1008-7842.2014.04.01
1008-7842(2014)04-0001-07
*國家自然科學(xué)基金項目(51375403);國家重點實驗室自主課題(2012TPL-T09)
0—)男,碩士生(
2014-03-11)