基于抗蛇行減振器失效工況的高速轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性分析

樸明偉，孔維剛，劉通，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

0 引言

對(duì)于CRH3動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架來(lái)講，車輪踏面選用S1002CN，其輪軌接觸錐度趨高，因而抗蛇行減振器采用了冗余設(shè)計(jì)，即每架4個(gè)抗蛇行減振器.因此，抗蛇行減振器失效對(duì)高速轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性的影響受到業(yè)內(nèi)專家的重視.文獻(xiàn)［1］采用輪對(duì)蛇行分叉理論，系統(tǒng)分析了抗蛇行減振器端節(jié)點(diǎn)徑向剛度對(duì)車輛臨界速度的影響.文獻(xiàn)［2-3］分別從輪軌匹配特征和軌道不平順激擾作用的角度，研究了高速輪軌動(dòng)力作用的特點(diǎn).在考慮到CRH3動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架所采用的Sachs抗蛇行減振器構(gòu)造特征情況下，文獻(xiàn)［4］提出并驗(yàn)證了寬吸能頻帶抗蛇行減振器假設(shè)模型，進(jìn)而給出了3種典型踏面的最高商業(yè)臨界速度.由此可見(jiàn)，從常規(guī)的輪軌關(guān)系原則(即權(quán)衡穩(wěn)定性與輪軌對(duì)中性或?qū)蛐?的角度出發(fā)，由于CRH3動(dòng)車組選用S1002CN踏面，很自然要關(guān)注抗蛇行減振器的冗余設(shè)計(jì)問(wèn)題.

為此，本文以CRH3動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架作為研究對(duì)象，采用線性穩(wěn)定性分析手段定性分析抗蛇行減振器失效對(duì)轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性的影響程度，并以非線性動(dòng)態(tài)仿真形式進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而確定構(gòu)架振動(dòng)報(bào)警識(shí)別的可行性.

1 線性穩(wěn)定性分析

線性穩(wěn)定性分析是指:①在特定的輪軌接觸條件下(如名義等效錐度λeN=0.16)，將整車非線性系統(tǒng)模型進(jìn)行線性化處理;②采用根軌跡方法得到整車結(jié)構(gòu)模態(tài)極點(diǎn)的變化軌跡，稱為根軌跡圖;③一般以臨界阻尼5%作為裕度來(lái)確定線性臨界速度，即最小模態(tài)阻尼≥5%.

根據(jù)CRH3動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的構(gòu)造特點(diǎn)，見(jiàn)圖1，以兩種輪軌接觸條件進(jìn)行計(jì)算:新輪軌接觸(λeN=0.16)和磨耗輪軌接觸(λeN=0.40).在每種輪軌接觸條件之下，進(jìn)行了多種抗蛇行減振器失效工況分析.由于篇幅有限，這里給出了兩種失效工況對(duì)比:正常工況和失效工況1(即后位轉(zhuǎn)向架右側(cè)上位的1個(gè)抗蛇行減振器失效).

圖1 CRH3車組的動(dòng)車/拖車轉(zhuǎn)向架

1.1 動(dòng)車轉(zhuǎn)向架

圖2和圖3分別給出了在新輪軌接觸和磨耗輪軌接觸條件下動(dòng)車根軌跡對(duì)比，由此可見(jiàn):

(1)在新輪軌接觸條件下，與正常工況相比，失效工況1主要表現(xiàn):①車體側(cè)滾模態(tài)對(duì)轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)的牽連作用有所減輕;②隨車速提高，轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)極點(diǎn)趨于某一點(diǎn)，而電機(jī)吊架橫移模態(tài)極點(diǎn)則趨于失穩(wěn)，特別是后位電機(jī)吊架的橫移模態(tài)阻尼有明顯的降低.

(2)在磨耗輪軌接觸條件下，失效工況1則主要表現(xiàn)為后位電機(jī)吊架橫移振動(dòng)失穩(wěn)的可能性增大.考慮到電機(jī)吊架的非線性約束(如吊架減振器和間隙止擋等)，電機(jī)吊架橫向振動(dòng)將對(duì)轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性構(gòu)成影響，如車軸橫向力急劇增大等.

圖2 基于新輪軌接觸的動(dòng)車根軌跡對(duì)比(λeN=0.16)

圖3 基于磨耗輪軌接觸的動(dòng)車根軌跡對(duì)比(λeN=0.40)

1.2 拖車轉(zhuǎn)向架

圖4和5分別給出了在新輪軌接觸和磨耗輪軌接觸條件下拖車根軌跡對(duì)比，很顯然，失效工況1造成后位轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)阻尼降低，并首先進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài).

圖4 基于新輪軌接觸的拖車根軌跡對(duì)比(λeN=0.16)

圖5 基于磨耗輪軌接觸的拖車根軌跡對(duì)比(λeN=0.40)

綜上所述，失效工況1有兩個(gè)明顯的特征:①拖車轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重的影響，動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的安全穩(wěn)定性裕度將有所降低;②在新輪軌接觸條件下對(duì)轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性的影響相對(duì)比較小，但在磨耗輪軌接觸條件下則將是非常嚴(yán)重的.

2 臨界速度對(duì)比

通過(guò)表1與表2的對(duì)比可見(jiàn):對(duì)于失效工況1，在新輪軌接觸條件下不會(huì)對(duì)臨界狀態(tài)產(chǎn)生很大的影響，但是，在磨耗輪軌接觸條件下將對(duì)臨界狀態(tài)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響，特別是拖車非線性Vcr≈330 km/h.

表1 基于失效工況1的臨界速度對(duì)比

表2 基于正常工況的臨界速度對(duì)比

圖6 動(dòng)車(01/08)輪對(duì)蛇行臨界狀態(tài)(后位)

圖7 拖車(02/07)輪對(duì)蛇行臨界狀態(tài)(后位)

圖6和圖7分別給出了在新輪軌接觸和磨耗輪軌接觸條件下，動(dòng)車與拖車輪對(duì)蛇行臨界狀態(tài)，即動(dòng)車輪對(duì)呈現(xiàn)“拍振”形式，而拖車輪對(duì)則為穩(wěn)定的“極限環(huán)”形式，其幅值隨車速提高而增大.

這些臨界狀態(tài)對(duì)比充分說(shuō)明:①在同樣的一個(gè)抗蛇行減振器失效后，拖車轉(zhuǎn)向架表現(xiàn)為抗蛇行減振器“阻尼逸散作用不足”，主要原因是拖車轉(zhuǎn)向架蛇行模態(tài)頻率的變化范圍比較大;②而動(dòng)車轉(zhuǎn)向架采用了電機(jī)彈性架懸，其蛇行模態(tài)頻率變化范圍比較小，因而抗蛇行減振器仍然能夠起到吸收其蛇行振蕩能量的作用;③這再次表明輪對(duì)蛇行分叉理論的適用性是非常值得商榷的.

3 動(dòng)態(tài)行為評(píng)價(jià)

3.1 構(gòu)架橫向加速度

表3給出了基于失效工況1的構(gòu)架橫向加速度對(duì)比.這一對(duì)比表明:由于一個(gè)抗蛇行減振器失效，后位轉(zhuǎn)向架的安全穩(wěn)定性裕度將有所降低，即在新輪軌接觸條件下，最高試驗(yàn)速度降低到420 km/h;而在磨耗輪軌接觸條件下則為320 km/h.此時(shí)，轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)行為將表現(xiàn)出“瞬間”蛇行振蕩，并造成構(gòu)架橫向加速度的采樣均方差“快速”增大.

表3 基于失效工況的構(gòu)架橫向加速度采樣均方差Sy m2/s

3.2 車軸橫向力

并作為車軸橫向力的限定值.表4給出了基于失效工況1的車軸橫向力對(duì)比.

表4 基于失效工況1的車軸橫向力采樣均方差s(∑y)2m/kN

從車軸橫向力對(duì)比可見(jiàn):①在構(gòu)架橫向加速度接近或達(dá)到限定值時(shí)，車軸橫向力均在其限定值之下，所以，輪軌安全基本上是有保障的;②對(duì)于拖車轉(zhuǎn)向架來(lái)講，不僅臨界速度有較大幅度的降低，而且車軸橫向力也比較高.

3.3 失穩(wěn)行為

圖8和圖9給出了失穩(wěn)時(shí)構(gòu)架橫向加速度的頻響對(duì)比.由此可見(jiàn):①由于電機(jī)吊架的非線性約束(如橫向減振器和間隙止擋)，動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的失穩(wěn)行為已經(jīng)轉(zhuǎn)換為電機(jī)吊架橫移模態(tài)振動(dòng);②拖車轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)時(shí)，轉(zhuǎn)向架蛇行振蕩頻率將有所提高.

圖8 動(dòng)車轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)行為

圖9 拖車轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)行為

4 結(jié)論

(1)在抗蛇行減振器“失效”后，轉(zhuǎn)向架的安全穩(wěn)定性裕度將有所降低，主要表現(xiàn)為:動(dòng)車轉(zhuǎn)向架將以電機(jī)吊架橫移振動(dòng)作為其失穩(wěn)形式，而拖車轉(zhuǎn)向架則以快速蛇行振蕩形式表現(xiàn)出來(lái);

(2)以后位轉(zhuǎn)向架的一個(gè)抗蛇行減振器失效工況為例(即失效工況1)，在新輪軌接觸條件下，“失效”對(duì)轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性的影響相對(duì)比較小，試驗(yàn)速度還可以在420 km/h以下，但是磨耗輪軌接觸條件下，“失穩(wěn)”將對(duì)轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如臨界速度、構(gòu)架橫向加速度和車軸橫向力等均有明顯的增大趨勢(shì);

(3)幸運(yùn)的是按照UIC518的規(guī)定，在構(gòu)架橫向加速度接近或達(dá)到其限定值時(shí)，車軸橫向力已經(jīng)有顯著的增大，但還沒(méi)有超限.也就是說(shuō)，一旦抗蛇行減振器“失效”，在車軸橫向力還沒(méi)有超限之前，構(gòu)架橫向加速度超限并將報(bào)警.

［1］曾京，鄔平波.減振器橡膠節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鐵道客車系統(tǒng)臨界速度的影響［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，29(2):94-98.

［2］孫善超，王成國(guó)，李海濤，等.輪/軌接觸幾何參數(shù)對(duì)高速客車動(dòng)力學(xué)性能的影響［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27(5):93-98.

［3］王開(kāi)云，司道林，陳忠華.高速列車輪軌動(dòng)態(tài)相互作用特征［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8(5):15-18.

［4］梁樹(shù)林，樸明偉，郝劍華，等.基于3種典型踏面的高速轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(3):57-63.

［5］UIC Code 518 OR.Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavioursafety-track fatigue-ride quality［S］.2nd edition，Paris:International Union of Railways，2003.