鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)車(chē)-橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)特性的對(duì)比分析

丁 杰，丁旺才，嚴(yán) 波，衛(wèi)曉娟

（1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，株洲 412001）

0 引言

當(dāng)列車(chē)通過(guò)橋梁時(shí)，機(jī)車(chē)車(chē)輛荷載通過(guò)輪軌關(guān)系、橋軌關(guān)系將荷載傳遞給橋梁，引起橋梁的振動(dòng)和變形，橋梁的振動(dòng)和變形也會(huì)反過(guò)來(lái)加劇車(chē)輛的振動(dòng)響應(yīng)[1]。因此研究車(chē)輛-線路-橋梁耦合的動(dòng)力學(xué)性能具有重要的理論價(jià)值和工程實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了車(chē)輛-線路-橋梁振動(dòng)性能的研究。C.L.Dhar[2]將車(chē)輛簡(jiǎn)化為多剛體系統(tǒng)，研究了列車(chē)進(jìn)橋時(shí)車(chē)橋系統(tǒng)的垂向振動(dòng)情況。G.Diana[3]考慮彈性軌道和輪軌關(guān)系，建立了車(chē)輛-線路-橋梁動(dòng)力學(xué)模型，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。翟婉明[4]提出了車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)新理論，并在鐵路工程中得到了廣泛應(yīng)用。李小珍[5]探討了詳細(xì)的車(chē)橋耦合關(guān)系，建立了車(chē)橋耦合系統(tǒng)控制方程，提出了方程求解的分離迭代技術(shù)。夏禾[6]等對(duì)車(chē)橋耦合系統(tǒng)在隨機(jī)激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了研究，并提出了上承式鋼板梁橋的加固方案。

法國(guó)的TGV鉸接式高速列車(chē)在技術(shù)上和商業(yè)運(yùn)用上取得巨大成功后，德國(guó)、西班牙、韓國(guó)和中國(guó)等國(guó)家也紛紛加入了鉸接式高速列車(chē)的研制和運(yùn)營(yíng)的行列之中。鉸接式高速列車(chē)和非鉸接式高速列車(chē)的運(yùn)行性能的對(duì)比研究也得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。翟婉明[7]建立了鉸接式高速列車(chē)-軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)鉸接式高速列車(chē)和非鉸接式高速列車(chē)的垂向動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明，鉸接式高速列車(chē)具有良好的垂向動(dòng)力性能。王福天等[8]闡述了鉸接式高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用STUDYNA、MEDYNA和TPLDYN A三種軟件對(duì)車(chē)組的運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)性能進(jìn)行了計(jì)算。張楠等[9]建立了115個(gè)自由度的Thalys鉸接式高速列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型和Antoing橋梁動(dòng)力學(xué)模型，分析了列車(chē)的振動(dòng)加速度和橋梁的撓度、加速度等動(dòng)力響應(yīng)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較好吻合。以上研究均采用數(shù)值積分的方法開(kāi)展研究，但運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)鉸接式高速列車(chē)車(chē)-橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的研究還比較少見(jiàn)。本文基于車(chē)-橋耦合關(guān)系，考慮列車(chē)在橋梁上高速運(yùn)行的情況，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM，分別建立了鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)的三輛車(chē)編組列車(chē)模型和簡(jiǎn)支箱梁橋的車(chē)-橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，列車(chē)在橋梁上高速運(yùn)行時(shí)，對(duì)列車(chē)和橋梁的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比 研究。

1 鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)行的高速列車(chē)均為非鉸接車(chē)車(chē)輛，兩個(gè)轉(zhuǎn)向架單獨(dú)支撐每節(jié)車(chē)輛，車(chē)輛之間通過(guò)車(chē)鉤連掛，車(chē)鉤傳遞牽引力及沖擊力，車(chē)輛之間的耦合作用并不明顯。而鉸接車(chē)高速列車(chē)除頭車(chē)和尾車(chē)采用傳統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架外，中間車(chē)輛使用鉸接轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架支撐著前車(chē)的端部和后車(chē)的前部，中間車(chē)前后兩端分別為支承端和鉸接端，支承端端墻兩側(cè)各放置一個(gè)二系懸掛彈簧承臺(tái)，中間為一個(gè)下球心盤(pán)座。鉸接端無(wú)二系懸掛彈簧承臺(tái)，中間放置一個(gè)上球心盤(pán)座。支承端的下球心盤(pán)座和鉸接端的上球心盤(pán)座鉸接在一起，鉸接端車(chē)體的一部分垂向載荷通過(guò)球心盤(pán)座傳遞給支承端車(chē)體，再通過(guò)彈簧承臺(tái)傳遞給空氣彈簧及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架。這樣就相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)向架支撐了一節(jié)車(chē)輛，使得列車(chē)中的轉(zhuǎn)向架數(shù)量大大減少，減輕了列車(chē)的自重，同時(shí)列車(chē)的運(yùn)行阻力和振動(dòng)噪聲也隨著轉(zhuǎn)向架數(shù)量的減少而大幅降低，但車(chē)輛之間通過(guò)中央彈性鉸等緊密鉸接，因此車(chē)輛之間的耦合作用較為明顯?，F(xiàn)有的鉸接車(chē)轉(zhuǎn)向架主要有鉸接裝置與搖枕相連的有搖枕結(jié)構(gòu)和無(wú)搖枕結(jié)構(gòu)兩種。

2 車(chē)-橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

本文建立的非鉸接車(chē)模型的三節(jié)車(chē)體使用車(chē)鉤連接，由六個(gè)轉(zhuǎn)向架支撐；鉸接車(chē)模型采用TGV無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，列車(chē)包括三節(jié)車(chē)體（一個(gè)鉸接中間車(chē)體和兩個(gè)端部車(chē)體），由四個(gè)轉(zhuǎn)向架支撐。兩種車(chē)型均是由車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)組成的多剛體系統(tǒng)，按照體、鉸、力元的步驟由下而上的順序建模。在UM軟件中建立幾何外形時(shí)有在UM Input中直接建立和將SolidWorks、UG等三維CAD幾何模型導(dǎo)入U(xiǎn)M軟件兩種方式，鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)的幾何外形采用UM軟件直接建立和三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)M軟件相結(jié)合的方式[10]。力元（彈簧、阻尼器等）的幾何外形通過(guò)UM直接建立，軸箱、構(gòu)架、車(chē)體等幾何外形通過(guò)外部導(dǎo)入的方式實(shí)現(xiàn)。兩種車(chē)型的車(chē)輪滾動(dòng)圓直徑，滾動(dòng)圓橫向跨距一致，軸距相同，三輛車(chē)編組的鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 非鉸接車(chē)列車(chē)模型

圖2 鉸接車(chē)列車(chē)模型

橋梁選用跨度為32m的預(yù)應(yīng)力混凝土雙線整孔簡(jiǎn)支箱（單箱單室）梁橋，標(biāo)準(zhǔn)為通橋（2008）2322A-Ⅱ。在ANSYS中建立橋梁柔性體模型，通過(guò)ANSYS_UM程序生成input.fss文件，之后把生成的input.fss文件導(dǎo)入U(xiǎn)M軟件。雙線整孔簡(jiǎn)支箱梁的一端安裝一個(gè)固定支座和一個(gè)橫向活動(dòng)支座,另一端安裝一個(gè)縱向活動(dòng)支座和一個(gè)多向活動(dòng)支支座。固定支座和縱向活動(dòng)支座一般應(yīng)該在梁的同一側(cè)，橫向活動(dòng)支座與多向活動(dòng)支座一般應(yīng)在梁的另一側(cè)，因此在調(diào)整好相關(guān)位置參數(shù)之后對(duì)橋梁模型設(shè)置相應(yīng)的special forces力元約束，生成橋梁子系統(tǒng)。分別導(dǎo)入車(chē)輛子系統(tǒng)和橋梁柔性子系統(tǒng)，調(diào)整兩子系統(tǒng)之間的相對(duì)位置，由于是運(yùn)行雙線的橋梁，使得車(chē)輛位于橋梁上線路一側(cè)的相應(yīng)位置。鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)車(chē)-橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分別如圖3和圖4所示。

圖3 非鉸接車(chē)-橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

圖4 鉸接車(chē)車(chē)-橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3 車(chē)-橋耦合振動(dòng)特性對(duì)比分析

在仿真分析中，軌道采用C60鋼軌，軌底坡為1/40，軌道不平順為長(zhǎng)波不平順（波長(zhǎng)20m，波深6 mm），車(chē)速為250km/h。鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)車(chē)-橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果如圖5～圖12所示。

圖5 鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)尾車(chē)垂向振動(dòng)加速度

圖6 鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)中間車(chē)體垂向振動(dòng)加速度

從圖5可看出鉸接車(chē)尾車(chē)垂向振動(dòng)加速度較小于非鉸接車(chē)的尾車(chē)，這是由于鉸接車(chē)的尾車(chē)后端無(wú)其他車(chē)體的耦合約束，但在前端，尾車(chē)的振動(dòng)受到中間車(chē)車(chē)體的耦合抑制，車(chē)鉤耦合作用相對(duì)于非鉸接車(chē)要強(qiáng)烈一些。從圖6中可看出鉸接車(chē)中間車(chē)體的垂向振動(dòng)加速度明顯小于非鉸接車(chē)的垂向振動(dòng)加速度，鉸接式列車(chē)的轉(zhuǎn)向架置于相鄰兩車(chē)之間，車(chē)與車(chē)之間設(shè)置有減振器，中間車(chē)的振動(dòng)受到兩側(cè)的耦合抑制，車(chē)體間的耦合作用較強(qiáng)，車(chē)體振動(dòng)相互抑制削弱；而非鉸接車(chē)的中間車(chē)兩側(cè)通過(guò)車(chē)鉤與端部車(chē)連掛，受到的耦合抑制作用要小。

為了驗(yàn)證鉸接車(chē)縱向耦合作用強(qiáng)弱對(duì)車(chē)體振動(dòng)加速度的影響，就縱向減振器對(duì)鉸接車(chē)的頭車(chē)和中間車(chē)的振動(dòng)加速度進(jìn)行對(duì)比分析。從圖7可以看出，有無(wú)縱向減振器下鉸接車(chē)的頭車(chē)振動(dòng)加速度大小基本相同，縱向阻尼對(duì)鉸接車(chē)的頭車(chē)振動(dòng)加速度的影響較小。圖8可以看出，無(wú)縱向減振器的情況下，鉸接車(chē)中間車(chē)的垂向振動(dòng)加速度明顯增大，說(shuō)明鉸接車(chē)之間的縱向減振器對(duì)抑制中間車(chē)車(chē)體振動(dòng)有明顯的作用。結(jié)合圖7和圖8進(jìn)一步分析可知，頭車(chē)車(chē)體只有尾端有縱向阻尼，單側(cè)阻尼對(duì)車(chē)體振動(dòng)的抑制作用并不明顯；而中間車(chē)車(chē)體兩端都有縱向阻尼，兩側(cè)阻尼所產(chǎn)生的對(duì)振動(dòng)的抑制作用有很明顯的效果。

圖7 縱向阻尼對(duì)鉸接車(chē)頭車(chē)振動(dòng)的影響

圖8 縱向阻尼對(duì)鉸接車(chē)中間車(chē)振動(dòng)的影響

圖9 有縱向阻尼時(shí)鉸接車(chē)頭車(chē)與中間車(chē)振動(dòng)對(duì)比

圖10 無(wú)縱向阻尼時(shí)鉸接車(chē)頭車(chē)與中間車(chē)振動(dòng)對(duì)比

圖9顯示鉸接車(chē)頭車(chē)的振動(dòng)比中間車(chē)大一些，體現(xiàn)了鉸接式列車(chē)在車(chē)體加速度的分布上，呈兩端大、中間小趨勢(shì)的規(guī)律。圖10是鉸接車(chē)去掉縱向減振器的情況，此時(shí)中間車(chē)的垂向振動(dòng)加速度明顯增大，與頭車(chē)的垂向振動(dòng)加速度已經(jīng)比較接近，但是還是小于頭車(chē)的振動(dòng)加速度，這與非鉸接車(chē)呈現(xiàn)的結(jié)果是一致的，端部車(chē)的垂向振動(dòng)加速度一般都大于中間車(chē)。一般情況下，無(wú)論是鉸接車(chē)還是非鉸接車(chē)，中間車(chē)的振動(dòng)都有弱于端部車(chē)，中間車(chē)的舒適性好于端部車(chē)；鉸接車(chē)的中間車(chē)的舒適性一般要好于非鉸接車(chē)，鉸接式連接可以增加列車(chē)的穩(wěn)定性，能有效降低車(chē)體的振動(dòng)。

圖11 橋梁跨中垂向振動(dòng)加速度

圖12 鉸接車(chē)有無(wú)縱向阻尼下橋梁跨中垂向振動(dòng)加速度

橋梁跨中豎向振動(dòng)加速度限值是[a]max=0.35g（有柞軌道橋梁），[a]max=0.50g（無(wú)柞軌道和明橋面橋梁），圖11顯示非鉸接車(chē)激勵(lì)下的橋梁垂向振動(dòng)加速度略大于鉸接車(chē)，鉸接車(chē)激勵(lì)下的振動(dòng)衰減的較快，但兩種情況下的橋梁跨中振動(dòng)加速度相差較小，因此鉸接車(chē)和非鉸接車(chē)對(duì)橋梁的垂向振動(dòng)的影響作用基本相當(dāng)，橋梁的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均在安全范圍以內(nèi)，且具有很大的安全余量。從圖12可以看出，鉸接車(chē)有無(wú)縱向減振器對(duì)橋梁跨中垂向振動(dòng)幾乎無(wú)影響，說(shuō)明縱向減振器對(duì)車(chē)輛與橋梁間的耦合作用影響有限，車(chē)體間的耦合作用強(qiáng)弱與橋梁振動(dòng)的響應(yīng)基本不相關(guān)，也正說(shuō)明圖11中兩種情況下橋梁跨中垂向振動(dòng)加速度的不同并不是車(chē)體間縱向阻尼引起的，而是由車(chē)輛本身的性能參數(shù)所決定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM分別建立三節(jié)鉸接車(chē)、三節(jié)非鉸接車(chē)模型與簡(jiǎn)支箱梁橋的車(chē)橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)的車(chē)橋振動(dòng)特性做了對(duì)比分析，進(jìn)而仿真分析了鉸接車(chē)有無(wú)縱向減振器時(shí)的車(chē)橋振動(dòng)特性，得到了以下結(jié)論：

1）端部車(chē)的垂向振動(dòng)強(qiáng)于中間車(chē)的垂向振動(dòng)。鉸接車(chē)的中間車(chē)車(chē)體垂向振動(dòng)明顯小于非鉸接車(chē)中間車(chē)車(chē)體，鉸接車(chē)中間車(chē)的舒適性一般好于非鉸接車(chē)中間車(chē)。

2）鉸接車(chē)的主要優(yōu)點(diǎn)是車(chē)體間的阻尼加強(qiáng)了車(chē)體間的耦合作用，中間車(chē)車(chē)體振動(dòng)得到一定的有效抑制，使得中間車(chē)受耦合抑制較強(qiáng)而振動(dòng)較弱，但對(duì)于頭車(chē)和尾車(chē)來(lái)說(shuō)阻尼所起到的抑制作用較為有限，有無(wú)縱向減振器對(duì)車(chē)輛振動(dòng)程度的影響較小。

3）鉸接車(chē)與非鉸接車(chē)作用下橋梁的跨中垂向振動(dòng)基本相同，車(chē)體間耦合作用的強(qiáng)弱對(duì)橋梁的垂向振動(dòng)影響有限。