連續(xù)走行搗固車材料車輪對(duì)懸掛系統(tǒng)垂向振動(dòng)振幅仿真計(jì)算

袁燕萍

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650215）

0 概述

連續(xù)走行搗固車（型號(hào)為DCL-32）為昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的大型鐵路線路維護(hù)機(jī)械，可用于鐵路建設(shè)、大修和維修作業(yè)，對(duì)軌道進(jìn)行撥道、起道抄平、石砟搗固及道床肩部石砟的夯實(shí)作業(yè)，使軌道方向、橫向水平和縱向水平均達(dá)到線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或線路維修規(guī)則的要求，提高道床石砟的密實(shí)度，增加軌道的穩(wěn)定性。整車由搗固主車和材料車構(gòu)成，搗固主車采用兩個(gè)兩軸轉(zhuǎn)向架與1個(gè)單軸輪對(duì)，材料車為單軸輪對(duì)，另一端通過車架牽引梁鉸接在主車上。本文主要研究材料車輪對(duì)懸掛系統(tǒng)在線路行駛過程中的最大垂向振動(dòng)振幅。

1 車輛-鋼軌軌道垂向動(dòng)力學(xué)模型

材料車輪對(duì)懸掛系統(tǒng)如圖1所示，軸箱導(dǎo)框與車架為一體式焊接結(jié)構(gòu)，輪對(duì)軸箱通過彈簧與阻尼器（油壓減振器）與軸箱導(dǎo)框進(jìn)行連接，其中彈簧與軸箱導(dǎo)框之間通過上托梁與U型卸扣進(jìn)行連接，油壓減振器直接連接車架與軸箱。由于輪對(duì)、車架和軸箱導(dǎo)框以及U型卸扣等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多，均可視為剛體，因此可將輪對(duì)懸掛系統(tǒng)簡(jiǎn)化成如圖2所示的質(zhì)量彈性阻尼模型。其中K為彈簧垂向剛度，C為油壓減振器阻尼。

根據(jù)連續(xù)走行搗固車材料車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立動(dòng)力學(xué)模型。由于車輛和軌道結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且車輛-軌道系統(tǒng)的耦合性很強(qiáng)，若完全模擬實(shí)際中的車輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型會(huì)很復(fù)雜，甚至是不可能建立的。因此，本文對(duì)車輛-軌道做相應(yīng)的簡(jiǎn)化，通過ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行模型求解，本文在建立車輛-鋼軌垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，主要遵循以下基本原則：

（1）本文僅是針對(duì)車輛垂向振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，車體、輪對(duì)和一系考慮在模型中。

（2）不考慮相鄰車輛的縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

（3）不考慮鋼軌的彈性變形。

（4）輪軌接觸考慮為赫茲線性彈簧接觸。

基于以上假設(shè)，車體輪對(duì)只考慮垂向振動(dòng)。對(duì)于全車模型，車體有2個(gè)自由度，分別是浮沉、側(cè)滾，輪子有2個(gè)自由度，分別是沉浮和側(cè)滾，整個(gè)車輛系統(tǒng)一共4個(gè)自由度。

2 不平順選取

在運(yùn)行平穩(wěn)性分析中，只考慮車輛在垂向方向的運(yùn)動(dòng)，因此，系統(tǒng)可用以下非線性微分方程組進(jìn)行描述：

激擾力矢量。

其中激擾力是通過鋼軌對(duì)輪對(duì)的強(qiáng)迫位移激振而得到，也即是由軌道不平順引起的。本文研究的是車輛垂向振動(dòng)，因此只需考慮軌道垂直方向的不平順。線路不平順按波長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、中波和短波不平順[1]?，F(xiàn)有研究普遍認(rèn)為長(zhǎng)波不平順對(duì)高速列車的動(dòng)力學(xué)激勵(lì)影響比較大，短波不平順對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響比較大[2]。搗固車作為工程維修車輛，自行速度和連掛運(yùn)行速度分別為100km/h和120km/h，行駛速度與高速列車相差較大，因此本文分別對(duì)長(zhǎng)波不平順與短波不平順進(jìn)行研究計(jì)算。

3 長(zhǎng)波不平順

長(zhǎng)波不平順可由線路軌道譜進(jìn)行描述。線路質(zhì)量相當(dāng)，則其軌道譜也接近。在我國(guó)還沒有自己軌道譜的情況下，借用與我國(guó)線路情況相接近的軌道譜，其計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況。本文計(jì)算中用德國(guó)高速低干擾譜（如圖4）作為線路激擾輸入。

輪軌接觸剛度按如上公式計(jì)算，靜輪載p0=4.455t，車輪踏面為L(zhǎng)MA磨耗型踏面，輪軌接觸常數(shù)G=4.25×10-8m/N2/3，由此得出等效線性接觸剛度KH=1.251×109N/m。車體重量（簧上質(zhì)量）按材料車滿載狀況，行駛速度按100km/h計(jì)算，得出長(zhǎng)波不平順下車體垂向位移曲線如圖5所示。

按照搗固車實(shí)際行駛能力，分別按車速80km/h、100km/h以及120km/h進(jìn)行計(jì)算，得到三種行駛速度下最大位移幅值如表1所示。同時(shí)又對(duì)車體重量分別按照空載、滿載以及超載2t的情況下進(jìn)行計(jì)算，得到三種質(zhì)量下最大位移幅值如表2所示。

表1 不同速度車體位移幅值

表2 不同車重位移幅值

4 短波不平順

線路短波不平順即鋼軌頂面小范圍內(nèi)的不平順，主要指波長(zhǎng)1m以下的軌面不平順，主要包括焊縫接頭不平、軌面擦傷、剝離掉塊、波紋磨耗等。本文以低凹焊縫為例進(jìn)行短波不平順激勵(lì)計(jì)算。低凹焊縫主要出現(xiàn)在焊縫及軟著區(qū)，如圖6所示，當(dāng)用1m弦長(zhǎng)測(cè)量時(shí)，焊縫及軟著區(qū)長(zhǎng)度（λ）一般在 10～20mm 之間，幅值（δ1）在 0.1～0.4mm 之間，焊縫及軟著區(qū)外軌面不平順幅值（δ2）一般在0.1～0.3mm。

車體重量（簧上質(zhì)量）按材料車滿載狀況，行駛速度按100km/h計(jì)算，得出由焊縫低凹引起的短波不平順情況下車體垂向位移曲線如圖7所示。

由該計(jì)算結(jié)果可看出，短波不平順對(duì)材料車垂向振動(dòng)位移影響也很小，可忽略不計(jì)。

5 結(jié)論

綜合長(zhǎng)波不平順與短波不平順對(duì)輪對(duì)的激勵(lì)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可得出，車輛行駛速度增大，垂向振動(dòng)位移幅值增大；車體重量在滿載情況下，振動(dòng)位移幅值較空載情況下小，超載情況下位移幅值變大。但總的來說，由軌道不平順引起的材料車輪對(duì)垂向振動(dòng)幅值較小。

［1］羅林，張格明，吳旺青，等.輪軌系統(tǒng)軌道平順狀態(tài)的控制[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006，10.

［2］王午生.鐵路線路工程[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1999.