二系橫向減振器失效故障對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組性能的影響

于文濤,徐傳波,,郭兆團(tuán),吳佳佳

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院,鄭州 450052; 2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

二系橫向減振器主要橫向安裝于轉(zhuǎn)向架與車體(或枕梁)之間,其主要作用就是抑制車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向運(yùn)動(dòng),即橫擺與搖頭運(yùn)動(dòng)[1].二系橫向阻尼過小,則無法有效抑制車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向運(yùn)動(dòng),動(dòng)力學(xué)性能達(dá)不到最優(yōu)化;阻尼過大會(huì)導(dǎo)致車體過度的橫向擺動(dòng),同時(shí)也會(huì)誘導(dǎo)車體橫擺和側(cè)滾運(yùn)動(dòng).因此,應(yīng)當(dāng)選擇合適的二系橫向減振器阻尼.二系橫向減振器阻尼達(dá)到最優(yōu)化時(shí),本文就失效故障對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響展開了研究,仿真分析了二系橫向減振器失效故障對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組(China Electric Multiple Units,CEMU)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響,對(duì)CEMU故障狀態(tài)分析具有一定指導(dǎo)作用.

相關(guān)學(xué)者對(duì)二系橫向減振器進(jìn)行了其他相關(guān)研究.池毓敢等[2]認(rèn)為二系橫向減振器失效、過大或者過小均會(huì)極大程度上惡化車輛橫向平穩(wěn)性能.劉建新等[3]認(rèn)為橫向減振器阻尼可以提高乘坐舒適性,其懸掛位置對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響不大.曾恒[4]對(duì)高速列車橫向半主動(dòng)減振器進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)分析.馮征等[5]對(duì)某C0-C0機(jī)車轉(zhuǎn)向架二系橫向減振器對(duì)橫向平穩(wěn)性影響進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)[6-9]也對(duì)二系橫向減振器進(jìn)行了相關(guān)方面研究.

1 二系橫向減振器失效故障對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能影響

為了研究二系橫向減振器失效個(gè)數(shù)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響,通過動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了CEMU車輛(拖車)動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示.該CEMU的車輪踏面外形采用LMA踏面,鋼軌采用CN60鋼軌,輪對(duì)內(nèi)側(cè)距沿用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1 353 mm.該CEMU動(dòng)力學(xué)模型，每節(jié)車由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)、2個(gè)牽引拉桿、8個(gè)轉(zhuǎn)臂組成.車體、構(gòu)架、牽引拉桿、輪對(duì)取6個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭;轉(zhuǎn)臂取1個(gè)自由度,即點(diǎn)頭.每節(jié)車共有62個(gè)自由度.

圖1 CEMU車輛動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Dynamic model of one of CEMU

1.1 二系橫向減振器失效故障對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響

車輛穩(wěn)定性主要通過車輛蛇行臨界速度來評(píng)價(jià).車輛蛇行臨界速度的仿真計(jì)算方法:將車輛運(yùn)行在一段實(shí)測(cè)不平順軌道譜(本文選擇武漢到廣州實(shí)測(cè)線路譜)上激發(fā)其振動(dòng),然后讓車輛運(yùn)行在理想光滑軌道譜上,通過觀察車輛振動(dòng)能否衰減到平衡位置來判斷車輛是否出現(xiàn)蛇行失穩(wěn).車輛能夠自行恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)則表示沒有發(fā)生蛇行失穩(wěn),車輛振動(dòng)幅值不能自行收斂到平衡位置時(shí)對(duì)應(yīng)的速度稱為蛇行臨界速度.

二系橫向減振器全部有效原車狀態(tài)下蛇行臨界速度情況，如圖2所示.圖3～圖5分別表示失效1根二系橫向減振器、2根二系橫向減振器(前后轉(zhuǎn)向架各失效一個(gè))及全部失效下的蛇行臨界速度.由圖2可知,二系橫向減振器全部完好狀態(tài)時(shí),其蛇行臨界速度為425 km/h.由圖3和圖4可知,失效1根或2根二系橫向減振器,其臨界速度均為400 km/h.由圖5可知,二系橫向減振器全部失效時(shí),其蛇行臨界速度急劇下降,只有150 km/h.

綜上分析,當(dāng)二系橫向減振器失效1根或2根時(shí),對(duì)車輛穩(wěn)定性影響不是很明顯;當(dāng)二系橫向減振器全部失效時(shí),對(duì)車輛穩(wěn)定性影響非常明顯.

圖2 原車狀態(tài)下臨界速度Fig.2 Critical speed under normal condition

圖3 失效1根二系橫向減振器臨界速度Fig.3 Critical speed as existing one disabled lateral damper

圖4 失效2根二系橫向減振器臨界速度Fig.4 Critical speed as existing two disabled lateral dampers

圖5 二系橫向減振器全部失效臨界速度Fig.5 Critical speed with all disable lateral dampers

1.2 二系橫向減振器失效故障對(duì)車輛平穩(wěn)性的影響

平穩(wěn)性指標(biāo)主要包括橫向、垂向平穩(wěn)性及乘客乘坐舒適性.本文計(jì)算平穩(wěn)性方法:將該動(dòng)車組以不同速度(速度從100～400 km/h,以50 km/h遞增)運(yùn)行在理想的線路上,然后運(yùn)行在一段足夠長(zhǎng)的實(shí)測(cè)軌道線路譜上(武漢到廣州實(shí)測(cè)線路譜),通過采集加速度及后期處理來評(píng)判車輛平穩(wěn)性.其中,車體加速度在該高速列車穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后再進(jìn)行采集.

圖6～圖8分別表示二系橫向減振器失效故障對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性及乘坐舒適性的影響.由圖6～圖8可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)二系橫向減振器失效1個(gè)或者2個(gè)時(shí),橫向平穩(wěn)性略有變差,垂向平穩(wěn)性及乘坐舒適性變化則不是很明顯;當(dāng)二系橫向減振器全部失效時(shí),對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性、乘坐舒適性的影響非常明顯.

圖6 二系橫向減振器失效故障對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性的影響Fig.6 Effect of disable lateral dampers on lateral

圖7 二系橫向減振器失效故障對(duì)車輛垂向平穩(wěn)性的影響Fig.7 Effect of disable lateral dampers on vertical

圖8 二系橫向減振器失效故障對(duì)車輛乘坐舒適性的影響Fig.8 Effect of disable lateral dampers on

1.3 二系橫向減振器失效故障對(duì)車輛安全性影響

計(jì)算CEMU以不同速度(速度從100～400 km/h,以50 km/h遞增)分別通過直線和不同曲線時(shí)的安全性指標(biāo)(輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率).計(jì)算中考慮軌道的隨機(jī)不平順激擾(武廣線實(shí)測(cè)譜).其中,計(jì)算線路工況為直線200 m—緩和曲線400 m—圓曲線500 m(半徑為7 000 m,超高為180 mm)—緩和曲線500 m—直線200 m.

圖9～圖12分別表示二系橫向減振器失效故障對(duì)輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率影響.從圖9～圖12可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)二系橫向減振器失效1個(gè)或2個(gè)時(shí),對(duì)輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率的影響不是很明顯;當(dāng)二系橫向減振器全部失效時(shí),輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率明顯變差.輪軌垂向力受二系橫向減振器故障的影響較小.

圖10 二系橫向減振器失效故障對(duì)輪軌垂向力的影響Fig.10 Effect of disable lateral dampers on wheel-rail

圖11 二系橫向減振器失效故障對(duì)脫軌系數(shù)的影響Fig.11 Effect of disable lateral dampers on

圖12 二系橫向減振器失效故障對(duì)輪重減載率的影響Fig.12 Effect of disable lateral dampers on wheel

2 結(jié)論

本文基于動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了CEMU動(dòng)力學(xué)模型,并仿真計(jì)算了二系橫向減振器失效故障對(duì)車輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和乘坐舒適性、安全性的影響,有助于工程上對(duì)CEMU故障狀態(tài)分析,具有一定工程應(yīng)用價(jià)值.基于上述仿真分析,可以得到以下結(jié)論:

(1) 當(dāng)二系橫向減振器失效1個(gè)或者2個(gè)時(shí),對(duì)車輛穩(wěn)定性,影響不是很明顯;當(dāng)二系橫向減振器全部失效時(shí),車輛穩(wěn)定性急劇下降,影響非常明顯.

(2) 當(dāng)二系橫向減振器失效1個(gè)或者2個(gè)時(shí),橫向平穩(wěn)性略有變差,垂向平穩(wěn)性及乘坐舒適性變化則不是很明顯;當(dāng)二系橫向減振器全部失效時(shí),對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性、乘坐舒適性的影響非常明顯.

(3) 當(dāng)二系橫向減振器失效1個(gè)或者2個(gè)時(shí),對(duì)輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率的影響不是很明顯;當(dāng)二系橫向減振器全部失效時(shí),輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率明顯變差,輪軌垂向力受二系橫向減振器故障的影響較小.