一種半車滾動(dòng)臺(tái)假車體優(yōu)化仿真

鄧學(xué)暉,陳國鋒

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)*

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一種半車滾動(dòng)臺(tái)假車體優(yōu)化仿真

鄧學(xué)暉,陳國鋒

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)*

為了指導(dǎo)轉(zhuǎn)向架半車滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)工作，建立半車滾動(dòng)臺(tái)的剛體動(dòng)力學(xué)模型和剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型.計(jì)算了不同模型不同狀態(tài)下的臨界速度，分析了滑動(dòng)摩擦、拉桿剛度、車體剛度對(duì)半車體試驗(yàn)臺(tái)臨界速度的影響，并且給出了試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.計(jì)算表明：對(duì)于半車體試驗(yàn)臺(tái)，為達(dá)到高的臨界速度，配重塊應(yīng)予以固定，半車體最好采用單側(cè)約束，拉桿剛度和假車體剛度要足夠大，拉桿應(yīng)避免采用螺栓連接.

滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)；半車體模型；車輛動(dòng)力學(xué)；臨界速度

0 引言

機(jī)車車輛試驗(yàn)臺(tái)的目的是提供一個(gè)列車運(yùn)行環(huán)境，試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)全部或者部分模擬這些工況：模擬列車前進(jìn)，模擬線路不平順，模擬載荷條件下牽引與制動(dòng)過程[1-2].根據(jù)功能不同可分為滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái).如果滾輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一定功率的牽引制動(dòng)系統(tǒng)，就可以模擬牽引制動(dòng)過程.利用試驗(yàn)臺(tái)可以開展高速動(dòng)車組輪軌關(guān)系研究[3-4]、穩(wěn)定性平穩(wěn)性研究[5-6].試驗(yàn)臺(tái)可以方便地測(cè)定蛇行失穩(wěn)臨界速度，通過改變各個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)來優(yōu)化試驗(yàn)車的動(dòng)力學(xué)性能，從而縮短研制周期.此外，還可以利用試驗(yàn)臺(tái)研究新技術(shù)和新理論，如列車懸掛系統(tǒng)的控制方法、非線性穩(wěn)定性理論和計(jì)算試驗(yàn)方法等.

本文對(duì)機(jī)車車輛滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行理論與仿真研究.為達(dá)到試驗(yàn)需求并降低成本，該試驗(yàn)臺(tái)采用了半車體模型，即只有兩對(duì)滾輪，如圖1所示.試驗(yàn)臺(tái)在運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)常常在速度小于300km/h就發(fā)生蛇行失穩(wěn)，原因不明.因此，需要首先從理論上進(jìn)行研究，分析可能的原因，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高試驗(yàn)速度.

圖1 半車滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

1 半車滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 滾動(dòng)臺(tái)剛體動(dòng)力學(xué)模型

滾動(dòng)臺(tái)半車體模型包括兩個(gè)輪對(duì)、一個(gè)轉(zhuǎn)向架和一個(gè)半車體即配重鑄鐵塊，放置在4個(gè)滾輪之上.半車體放置在二系空氣彈簧之上，配重鑄鐵放置在半車體之上.滾輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直徑1.25m，軌底坡1/40.輪對(duì)為LMA踏面，滾輪截面為CN60鋼軌截面.假車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)6自由度.考慮一系懸掛x、y、z三個(gè)方向剛度，一系垂向阻尼；二系空氣彈簧x、y、z三個(gè)方向剛度；牽引拉桿；抗蛇行減振器；二系橫向減振器.滾輪慣量包括飛輪組和滾輪的慣量.假車體重心位置距離軌道高度1.24 m，重心位于轉(zhuǎn)向架中心線.

為了進(jìn)行對(duì)比分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，考慮四種模型：模型A，轉(zhuǎn)向架前后兩側(cè)均有拉桿約束，配重鑄鐵放在假車體上，假車體與配重鑄鐵存在相對(duì)滑動(dòng).模型B，轉(zhuǎn)向架前側(cè)有拉桿約束，配重鑄鐵放在假車體上，假車體與配重鑄鐵存在相對(duì)滑動(dòng).模型C，轉(zhuǎn)向架前后兩側(cè)均有拉桿約束，配重鑄鐵固定在假車體上，與假車體具有相同自由度.模型D，轉(zhuǎn)向架前側(cè)有拉桿約束，配重鑄鐵固定在假車體上，與假車體具有相同自由度.第一種模型A為海泰制動(dòng)現(xiàn)有的滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的模型，B、C、D種模型為假定的對(duì)比模型，如圖2所示.計(jì)算公式和數(shù)值積分略，詳細(xì)計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[7].

(a) 模型A

(b) 模型B

(c) 模型C

(d) 模型D

1.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

在車體剛度可能不足的條件下，需要建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型.考慮到結(jié)構(gòu)主要為板殼和梁結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化.有限元模型如下圖所示.假車體主要部分采用4節(jié)點(diǎn)縮減積分線性殼單元；防護(hù)欄采用兩節(jié)點(diǎn)線性梁?jiǎn)卧?；配重質(zhì)量采用8節(jié)點(diǎn)線性縮減積分實(shí)體單元.模型的約束條件：一端拉桿聯(lián)接通過彈簧聯(lián)接支反座；車體壓在具有三個(gè)方向剛度的彈簧上(空氣彈簧).利用有限元子模型技術(shù)建立假車體的子模型并導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)模型中，子模型保留的自由度與原模型的前20階固有頻率誤差小于1%.

首先在有限元模型中對(duì)假車體進(jìn)行模態(tài)分析，得到模態(tài)頻率和振型，然后結(jié)合剛體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)臺(tái)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2 不同方案計(jì)算結(jié)果分析

車輛系統(tǒng)的蛇行穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的固有屬性，是決定車輛能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素.在臨界速度計(jì)算中，在滾輪上給定一段200 m長的德高高速低干擾譜激擾樣本函數(shù)，通過觀察系統(tǒng)的振動(dòng)能否衰減到平衡位置，來判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)蛇行失穩(wěn).結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際情況，著重分析假車體與配重之間的摩擦參數(shù)、約束拉桿剛度、抗蛇行減振器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.

2.1 滑動(dòng)摩擦的影響

由于配重是放置在假車體上，先前試驗(yàn)中出現(xiàn)配重塊和假車體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此仿真中需要考慮滑動(dòng)摩擦對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的影響.摩擦參數(shù)對(duì)模型A和模型B產(chǎn)生影響.假定約束拉桿的縱向剛度為1e6 N/m，不同速度等級(jí)下，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)如表1所示.

得到老師的表揚(yáng)后，越來越多的孩子開始幫助小鵬。一天，我看到教室地上有個(gè)塑料瓶和一張廢紙片，就在我準(zhǔn)備彎腰的一剎那，一個(gè)學(xué)生搶先一步撿走了塑料瓶，然后對(duì)著小鵬喊：“小鵬，給你一個(gè)塑料瓶。”而地上的紙片卻一直無人問津。頓時(shí)，我眼前一亮：如果紙片也能像塑料瓶一樣有人收集利用、變廢為寶的話，那些躺在地上的廢紙就不會(huì)無人理睬了，是不是也會(huì)像塑料瓶那樣被孩子們搶著撿呢？

由于配重塊質(zhì)量很大，產(chǎn)生的摩擦力對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成極大的影響：對(duì)于模型A，配重的相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)大幅蛇行運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)輪對(duì)在中心線一側(cè)大幅橫向運(yùn)動(dòng)，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的輪緣磨耗；對(duì)于模型A，雖然輪對(duì)在中心線附近蛇行運(yùn)動(dòng)，但是出現(xiàn)輪緣運(yùn)行與蛇行運(yùn)動(dòng)的交替出現(xiàn)，即間歇性大幅蛇行運(yùn)動(dòng).因此，配重的相對(duì)滑動(dòng)增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性.

表2 模型臨界速度(滑動(dòng)初始速度為0.01 m/s)

2.2 兩端桿剛度的影響

假車體兩端的拉桿約束車體縱向運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性.為了保證較高的臨界速度，必須合理設(shè)計(jì)其剛度.下面分別對(duì)四種模型進(jìn)行討論.

由于假車體與配重鑄鐵之間的相對(duì)滑動(dòng)系數(shù)未知，因此只能假定參數(shù).表2為滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.1，滑動(dòng)初始速度為0.01 m/s工況下，模型A和模型B的臨界速度.可以看出，對(duì)于模型A和模型B，臨界速度均隨著拉桿剛度增加而增大，若要臨界速度超過400 km/h，拉桿剛度分別要達(dá)到4e6、1e7 N/m以上.

表3為滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.1，滑動(dòng)初始速度0.1m/s工況下，模型A和模型B的臨界速度.可以看出，對(duì)于模型A和模型B，臨界速度均隨著拉桿剛度增加而增大，若要臨界速度超過400km/h，拉桿剛度分別要達(dá)到3e6、5e6 N/m以上.

表3 模型臨界速度(滑動(dòng)初始速度為0.1 m/s)

不同拉桿剛度參數(shù)下，模型C 和模型D的臨界速度如表4所示.可以看出，對(duì)于模型C，若要臨界速度超過400 km/h，拉桿剛度4e7～9e7 N/m之間；對(duì)于模型D，臨界速度均隨著拉桿剛度增加而增大， 若要臨界速度超過400 km/h， 拉桿剛度要達(dá)到3e7 N/m以上.但是要穩(wěn)定速度超過700km/h，則要采用模型D.

表4 模型C、模型D臨界速度

2.3 抗蛇形減振器失效的影響

表5 抗蛇行減振器失效對(duì)臨界速度的影響 km/h

2.4 考慮車體彈性的影響

同拉桿剛度參數(shù)下，一端拉桿約束剛體模型和有限元模型計(jì)算的臨界速度如表6所示.可以看出，對(duì)于剛體模型，臨界速度均隨著拉桿剛度增加而增大，若要配重14 t情況下臨界速度超過500 km/h，拉桿剛度要達(dá)到3e7 N/m以上；若要配重20 t情況下臨界速度超過500 km/h，拉桿剛度要達(dá)到10e7 N/m以上.對(duì)于彈性體模型，若要配重14 t情況下臨界速度超過500 km/h，拉桿剛度要達(dá)到4e7 N/m以上；配重20 t情況下臨界速度則無法超過500 km/h.

表6 剛體模型與剛?cè)崮Ｐ团R界速度比較 km/h

還可以看出：①在相同拉桿剛度下，彈性真車體的臨界速度比剛性車體的臨界速度有所降低；②配重質(zhì)量增大，臨界速度將降低；③雖然車體剛度對(duì)臨界速度有影響，但是并沒有拉桿剛度影響大.因此，提高臨界速度的思路：在配重質(zhì)量不變的前提下，首先是提高拉桿剛度，其次是增強(qiáng)車體的剛度.而在配重20 t情況下若要求臨界速度超過500km/h，則必須對(duì)彈性車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì).

3 優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案確定

由前述分析可以看出：①假車體與配重之間的滑動(dòng)摩擦增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，并造成偏離中心線的大幅蛇行運(yùn)動(dòng)，因此必須杜絕.②轉(zhuǎn)向架雙側(cè)約束和雙側(cè)約束均可使得臨界速度達(dá)到400m/h以上.但是在穩(wěn)定狀態(tài)下，雙側(cè)約束存在側(cè)偏，輪緣磨耗嚴(yán)重；而單側(cè)約束下，輪對(duì)具有良好的對(duì)中性.③在配重質(zhì)量不變的前提下，首先是提高拉桿剛度，其次是增強(qiáng)車體的剛度.而先前試驗(yàn)中失穩(wěn)狀態(tài)下出現(xiàn)拉桿螺栓斷裂現(xiàn)象，說明螺栓聯(lián)接不可靠，既不能保證強(qiáng)度也不能保證剛度.因此不建議采用螺栓聯(lián)接.④振動(dòng)響應(yīng)分析表明，假車體剛度不足，臨界速度比剛體模型明顯偏低，因此需要修改假車體結(jié)構(gòu)以提高臨界速度.

因此，滾動(dòng)臺(tái)整改方案建議：

第一，將配重固定在車體上，消除兩者的相對(duì)滑動(dòng).第二，建議采取模型D的方案，即單端拉桿約束，為保證臨界速度大于400 m/h，拉桿剛度值需大于3e7 N/m.第三，鑒于螺栓連接方式螺栓受力不均，發(fā)生斷裂現(xiàn)象，不能可靠保證聯(lián)接剛度，建議采取其他連接方式.

通過前述分析還可知，假車體剛度設(shè)計(jì)存在不足.通過考察結(jié)構(gòu)，可以看出：假車體底部為空，造成垂向剛度不足.因此，首先考慮在車體底部增加板.此外，可考慮增加加強(qiáng)筋進(jìn)一步增加底板的剛度，如圖4所示.

(a) 原假車體

(b) 優(yōu)化車體

3.2 優(yōu)化后的臨界速度比較

不同拉桿剛度參數(shù)下，一端拉桿約束，新車體與原車體、剛體模型的臨界速度對(duì)比,如圖5所示.可以看出，優(yōu)化后臨界速度得到了提高，尤其是對(duì)于要求配重20 t下具有高臨界速度(大于500 km/h).配重20 t的舊車體在拉桿剛度范圍內(nèi)無法使臨界速度超過500 km/h，而新車體在配重20 t情況下的臨界速度比原車體得到了提高，拉桿剛度大于10e7 N/m，臨界速度即可到達(dá)540km/h.

圖5 優(yōu)化前后試驗(yàn)臺(tái)車體臨界速度比較

4 結(jié)論

通過四種不同的半車滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆治隹芍簩?duì)于半車體試驗(yàn)臺(tái)，配重的相對(duì)滑動(dòng)增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，因此對(duì)于大質(zhì)量的配置塊，必須予以固定；由于半車體模型承受較大的配重質(zhì)量，必須對(duì)假車體剛度進(jìn)行加強(qiáng).運(yùn)用本文建立的模型和方法可以對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的臨界速度進(jìn)行計(jì)算，并指導(dǎo)了假車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

[1]張衛(wèi)華,黃麗湘,馬啟文,等. 機(jī)車車輛動(dòng)力性能的動(dòng)態(tài)模擬[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(12): 114- 119.

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[7]張衛(wèi)華. 機(jī)車車輛動(dòng)態(tài)模擬[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2006.

Optimization Simulation for A Fake Car-Body of Half-Car Roller Testing Rig

DENG Xuehui, CHEN Guofeng

(CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd, Changchun 130062,China)

In order to guide the design work for bogie half-car roller testing rig, rigid dynamics models and rigid-flexible coupling dynamics model are built. The critical speed for different cases and different models are calculated, influences of slip friction, drawbar stiffness, car-body stiffness on critical speed are analyzed, and the optimized design scheme is also given. Results indicates that in order to have high critical speed, the additional weight should be fixed on the car-body, the half car body should better be one-side constrained, the stiffness of drawbar and car-body should be large enough and bolts link-up for drawbar should be avoid.

roller testing rig; half-car model; vehicle dynamics; critical speed

1673- 9590(2016)06- 0112- 05

2016-01-31

鄧學(xué)暉(1980-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事動(dòng)車組檢修技術(shù)的研究

A

E- mail:wangjianchao8099@126.com.