一系懸掛參數(shù)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響*

張?chǎng)╂罚R方正

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系，甘肅蘭州 730070)

0 引言

在車(chē)體和轉(zhuǎn)向架上作用著各種荷載，其中垂直荷載主要包括車(chē)輛自重、載重;橫向荷載包括風(fēng)力、離心力;縱向荷載包括牽引力和制動(dòng)力。此外，還有因車(chē)輛振動(dòng)和線路不平順引起的各種載荷，其中包括輪軌之間的作用力等。這些力通過(guò)車(chē)輛懸掛裝置來(lái)傳遞，并使之得到緩和和衰減，由此可見(jiàn)，懸掛裝置的性能對(duì)于保證車(chē)輛運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性具有十分重要的意義。車(chē)輛的運(yùn)行性能主要決定于懸掛裝置中諸如各種彈性元件、減振器、彈性支撐以及各種拉桿、定位裝置等結(jié)構(gòu)形式的選擇合理與否，其設(shè)計(jì)參數(shù)選用恰當(dāng)與否。

這樣就需要結(jié)合各國(guó)鐵路的線路具體狀態(tài)、車(chē)輛檢修運(yùn)用條件以及其他技術(shù)設(shè)備和要求等多種因素綜合進(jìn)行考慮，并在設(shè)計(jì)時(shí)加以優(yōu)選。因此，車(chē)輛懸掛裝置設(shè)計(jì)的基本要求可以概括為:減小振動(dòng)、抑制蛇行運(yùn)行、保證運(yùn)行安全和利于曲線通過(guò)等;此外，懸掛裝置的結(jié)構(gòu)形式還應(yīng)盡可能滿足檢修、制造，使用耐久可靠，成本低和通用性好等方面的要求。為了使得車(chē)輛系統(tǒng)具有優(yōu)良的運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性和平穩(wěn)性，鐵道客車(chē)車(chē)輛一般采用兩級(jí)懸掛系統(tǒng)，即一系(軸箱)懸掛和二系(中央)懸掛。一系懸掛的主要目的是使得車(chē)輛系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過(guò)能力，而二系懸掛的目的主要是保持車(chē)輛系統(tǒng)有優(yōu)良的乘坐舒適性。當(dāng)然，這兩級(jí)懸掛系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響和貢獻(xiàn)并不是完全獨(dú)立的，如軸箱懸掛對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)的乘坐舒適性有一定的影響，而中央懸掛對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性也有一定的貢獻(xiàn)。本文中主要分析一系懸掛參數(shù)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響［1］。

運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立高速列車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型，將仿真分析時(shí)間設(shè)置為10 s，仿真運(yùn)行速度設(shè)為200 km/h，軌道線路為曲線［2］。文中曲線線路采用緩和曲線，它是由包括直線—緩和曲線—圓曲線—緩和曲線—直線，緩和曲線類(lèi)型選擇BLO三次曲線變化，軌道超高選擇內(nèi)軌超高，數(shù)據(jù)選擇根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］設(shè)定，曲線設(shè)置為:線路總長(zhǎng)度1 000 m，直線長(zhǎng)度300 m，緩和曲線長(zhǎng)度550 m，圓曲線半徑9 000 m，曲線超高110 mm，圓曲線長(zhǎng)度350 m。在線路上加載高低和方向不平順復(fù)合的軌道譜，進(jìn)行車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能分析［4］。

1 對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

一系縱向剛度對(duì)車(chē)輛在直線上高速運(yùn)行的蛇形穩(wěn)定性及曲線通過(guò)性能的影響顯著。一系縱向剛度足夠大時(shí)，轉(zhuǎn)向架蛇形穩(wěn)定性能良好，而且在大的牽引力作用下，輪對(duì)不會(huì)產(chǎn)生明顯的縱向位移。

一系縱向定位剛度在0．5～1．5 MN/m變化時(shí)，車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力性能的影響如下，主要分析脫軌系數(shù)、傾覆系數(shù)和輪軌力，如圖1所示。

圖1 系縱向定位剛度變化時(shí)的影響

從圖1可看出，當(dāng)一系縱向定位剛度逐漸增大時(shí)，脫軌系數(shù)、車(chē)體的橫向加速度和輪軌橫向力與之同步變化，車(chē)體垂向加速度則逐漸降低。當(dāng)一系縱向定位剛度大于1 MN/m時(shí)，傾覆系數(shù)隨著一系定位剛度的增大而減小，這有利于車(chē)輛曲線通過(guò)。一系縱向定位剛度的變化對(duì)輪軌垂向力影響不大。因此，一系縱向定位剛度值選為1 MN/m左右。

2 一系垂向阻尼對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

一系垂向阻尼在15～25 kN·s/m變化時(shí)，車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)變化如下:

從圖2中可看出，當(dāng)一系垂向阻尼大于20 kN·s/m時(shí)，系統(tǒng)的脫軌系數(shù)、橫向加速度隨著阻尼的增大而增大，這不利于車(chē)輛的曲線通過(guò)能力。在整個(gè)變化范圍里，一系垂向阻尼的變化對(duì)車(chē)體垂向加速度和輪軌垂向力影響不大，這對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)是有利。因此當(dāng)垂向阻尼為20 kN·s/m左右時(shí)系統(tǒng)曲線通過(guò)能力最好。

圖2 一系垂向阻尼變化時(shí)的影響

3 結(jié)語(yǔ)

在SIMPACK模型的基礎(chǔ)上，主要分析了懸掛參數(shù)的變化對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示:

(1)一系縱向剛度在0．5～1．5 MN/m 變化時(shí)，系統(tǒng)脫軌系數(shù)隨之增大;傾覆系數(shù)在剛度小于1 MN/m時(shí)逐漸減小;車(chē)體橫向加速與輪軌橫向力度呈先增后減趨勢(shì)，并在縱向剛度為1．25 MN/m時(shí)達(dá)到最大值;車(chē)體橫向加速度則隨之減小;對(duì)輪軌垂向力的影響不明顯，所以將一系縱向剛度之選取為1 MN/m。

(2)一系垂向阻尼在15～25 kN·s/m變化時(shí)，對(duì)車(chē)體垂向加速度和輪軌垂向力的影響不顯著;在阻尼大于20 kN·s/m時(shí)車(chē)體橫向加速度和脫軌系數(shù)隨之增大，這對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)不利，所以將一系垂向阻尼之選取為20 kN·s/m。

［1］ 孫曉亮．高速拖車(chē)懸掛系統(tǒng)參數(shù)對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能的影響［D］．成都:西南交通大學(xué)，2012．

［2］ 繆炳榮，方向華，傅秀通，等．SIMPACK動(dòng)力學(xué)分析高級(jí)教程［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2008．

［3］ TB10621－2009．高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［Z］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

［4］ 羅文俊．曲線軌道車(chē)輛穩(wěn)定性分析［M］．南昌:華東交通大學(xué)，2005．