轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架直線(xiàn)運(yùn)行性能研究

何百千 上海鐵路局科研所

轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架直線(xiàn)運(yùn)行性能研究

何百千 上海鐵路局科研所

借助于SIMPACK動(dòng)力學(xué)分析軟件，充分考慮貨車(chē)的各種非線(xiàn)性因素，建立轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架貨車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用此模型分析轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架貨車(chē)的直線(xiàn)運(yùn)行性能。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架貨車(chē)在直線(xiàn)線(xiàn)路上運(yùn)行時(shí)的非線(xiàn)性臨界速度為131 km/h；車(chē)體橫向振動(dòng)加速度隨速度提高呈線(xiàn)性增加，垂向振動(dòng)加速度隨速度提高呈非線(xiàn)性增加；在速度不大于80km/h時(shí)，車(chē)體的橫向和垂向振動(dòng)加速度均沒(méi)有超標(biāo)，車(chē)體的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)值均小于3.5。

轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架；振動(dòng)特性；加速度；平穩(wěn)性指標(biāo)和速度的匹配關(guān)系進(jìn)行了深入研究。由此看來(lái)，重載鐵路輪軌動(dòng)力學(xué)和輪軌系統(tǒng)振動(dòng)特性越來(lái)越引起關(guān)注和重視。因此，本文以轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架貨車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)其在直線(xiàn)線(xiàn)路上的運(yùn)行性能進(jìn)行了研究，并探討不同速度對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。

1 K6轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)模型

本文模型采用了我國(guó)鐵路貨車(chē)常用的轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架，其結(jié)構(gòu)為三大件式，借助于SIMPACK動(dòng)力學(xué)軟件建立三維貨車(chē)動(dòng)力學(xué)模型（如圖1所示），表1列出了模型中各剛體的自由度。

圖1 K6轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)模型

近年來(lái)，鐵路重載運(yùn)輸在世界上許多國(guó)家得到廣泛重視，但隨著貨車(chē)軸重和速度的增加，貨車(chē)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的破壞作用也隨之加劇，導(dǎo)致列車(chē)和線(xiàn)路基本建設(shè)及維修費(fèi)用增加。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者開(kāi)展了大量關(guān)于重載鐵路動(dòng)力學(xué)的研究。其中，劉宏有和楊?lèi)?ài)國(guó)研究了一系橡膠墊定位剛度對(duì)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響，并且采用動(dòng)力學(xué)仿真分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和線(xiàn)路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能，西南交大的王孔明分析討論了降低重載貨車(chē)輪軌動(dòng)力作用的車(chē)輛及線(xiàn)路技術(shù)措施，丁旭杰分析了貨車(chē)軸重的增大和速度的提高對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能、線(xiàn)路、車(chē)輛零部件的運(yùn)用可靠性等方面所產(chǎn)生的影響，楊春雷對(duì)重載貨車(chē)軸重

表1 模型中各剛體的自由度

建模時(shí)，充分考慮了車(chē)輛系統(tǒng)中的各種非線(xiàn)性因素。

2 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 臨界速度分析

本文中確定臨界速度的方法為：在直線(xiàn)軌道上施加一段軌道譜，使整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)被激發(fā)，然后使車(chē)輛系統(tǒng)在平直光滑的軌道上運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)的響應(yīng)不再衰減到平衡位置而是趨于穩(wěn)定的極限環(huán)時(shí)，則此時(shí)的速度即為車(chē)輛臨界速度。

在AAR五級(jí)軌道譜激擾下，當(dāng)重車(chē)以130km/h和131km/h兩種不同的速度運(yùn)行時(shí)，第一位輪對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程如圖2所示。當(dāng)車(chē)速為130km/h時(shí)，被激發(fā)起來(lái)的輪對(duì)橫向位移隨著時(shí)間的延續(xù)，逐漸地衰減到零位置，如圖2 (a)所示，當(dāng)車(chē)速增加1km/h，達(dá)到131 km/h時(shí)，被激發(fā)起來(lái)的輪對(duì)橫向位移隨著時(shí)間的延續(xù)，不會(huì)衰減或收斂到平衡位置，而是做等幅的周期運(yùn)動(dòng)，如圖2(b)所示，此時(shí)的速度（131km/h）便是空車(chē)的實(shí)際臨界速度。

圖2 車(chē)輛一位輪對(duì)橫向位移時(shí)程圖

2.2 直線(xiàn)運(yùn)行平穩(wěn)性分析

為了分析和評(píng)估車(chē)輛在直線(xiàn)軌道上的運(yùn)行平穩(wěn)性能，下面給出了在軌道不平順激擾下，車(chē)輛分別以50、60、70、80km/h速度運(yùn)行時(shí)的舒適性性能，指標(biāo)包括了車(chē)體橫向、垂向振動(dòng)加速度及各自相應(yīng)的平穩(wěn)性指標(biāo)（ISO統(tǒng)計(jì)指標(biāo)）。

圖3給出了車(chē)輛以50～80km/h速度運(yùn)行時(shí)車(chē)體振動(dòng)加速度（橫向和垂向）的仿真計(jì)算結(jié)果。

由圖3(a)可知，車(chē)體的橫向振動(dòng)加速度隨速度提高幾乎呈線(xiàn)性增加，在50 km/h～80km/h速度范圍內(nèi)，加速度值在0.18g到0.33g之間，均小于限值0.5g。

圖3(b)表明，隨著速度的提高，車(chē)體的垂向振動(dòng)加速度呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)速度低于60km/h時(shí)，加速度的增幅較小，而當(dāng)速度高于60km/h時(shí)，加速度的增幅較明顯。在50km/h～80km/h速度范圍內(nèi)，加速度值均小于限值0.7g。

圖3 車(chē)體振動(dòng)加速度隨速度增加的變化情況

車(chē)輛以50～80km/h速度運(yùn)行時(shí)車(chē)體橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

結(jié)果表明，對(duì)于車(chē)體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)，隨著速度的增加，平穩(wěn)性指標(biāo)值呈線(xiàn)性趨勢(shì)增長(zhǎng)，例如，50km/h速度下的指標(biāo)值為2.25，60km/h速度下的指標(biāo)值為2.6，較前者增加了0.35，因此，速度每增加10km/h，平穩(wěn)性指標(biāo)值增加0.35左右。另外，所有速度下的平穩(wěn)性指標(biāo)值均小于3.5，屬優(yōu)級(jí)。

對(duì)于垂向平穩(wěn)性指標(biāo)，隨著速度的增加，平穩(wěn)性指標(biāo)值也呈非線(xiàn)性趨勢(shì)增長(zhǎng)，50km/h～60km/h與70km/h～80km/h速度范圍內(nèi)的增幅較小，60km/h～70km/h速度范圍內(nèi)的增幅較大。另外，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，平穩(wěn)性指標(biāo)值均小于3.5，屬優(yōu)級(jí)。

圖4 車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)隨速度增加的變化情況

以80km/h速度運(yùn)行工況為例，本文進(jìn)一步給出了重車(chē)車(chē)體橫向和垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)的時(shí)程圖，如圖5所示，圖中清晰的反應(yīng)了車(chē)體橫向與垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)，其中車(chē)體橫向振動(dòng)加速度的最大值為0.33g，車(chē)體垂向振動(dòng)加速度的最大值為0.59g。

圖5 車(chē)輛以80km/h速度運(yùn)行時(shí)車(chē)體振動(dòng)加速度響應(yīng)

3 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架貨車(chē)的非線(xiàn)性臨界速度為131km/h。

（2）轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架貨車(chē)的車(chē)體橫向振動(dòng)加速度隨速度提高呈線(xiàn)性增加，垂向振動(dòng)加速度隨速度提高呈非線(xiàn)性增加。在速度不大于80km/h時(shí)，車(chē)體的橫向和垂向振動(dòng)加速度均沒(méi)有超標(biāo)。

（3）在速度不大于80km/h時(shí)，轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架貨車(chē)的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)值均小于3.5，屬優(yōu)級(jí)。

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責(zé)任編輯：王華張建強(qiáng)來(lái)稿日期：2014-10-20