抗蛇行減振器對(duì)車輪磨耗后轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性的影響研究

成軍強(qiáng) 楊 陳 賈小平 蘇文靜

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，正高級(jí)工程師)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵車輛的運(yùn)行速度要求不斷提高。對(duì)于運(yùn)行速度為80 km/h的地鐵車輛，即使未安裝抗蛇行減振器，也能在運(yùn)行中保持良好的動(dòng)力學(xué)性能。但當(dāng)運(yùn)行速度提高到120 km/h時(shí)，未安裝抗蛇行減振器的地鐵車輛在動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中出現(xiàn)了橫向平穩(wěn)性超標(biāo)現(xiàn)象。根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]的研究結(jié)果，隨著列車運(yùn)行速度的提升，車輛的橫向平穩(wěn)性上升十分明顯。該問(wèn)題往往與車輪磨耗后車輛的穩(wěn)定性不足有密切的關(guān)聯(lián)。未安裝抗蛇行減振器當(dāng)然更經(jīng)濟(jì)，所以，設(shè)計(jì)速度為120 km/h時(shí)的轉(zhuǎn)向架是否需要安裝抗蛇行減振器是一項(xiàng)需要深入研究的問(wèn)題。

在新輪新軌狀態(tài)下，輪軌匹配接觸關(guān)系較好時(shí)，車輛往往能夠保持較好的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但在車輪出現(xiàn)磨耗，特別是出現(xiàn)嚴(yán)重的凹型磨耗后，輪軌會(huì)出現(xiàn)較大的等效錐度，這會(huì)導(dǎo)致車輛的蛇行臨界速度(以下簡(jiǎn)為“臨界速度”)顯著降低。文獻(xiàn)[3]對(duì)此問(wèn)題做過(guò)相應(yīng)的研究。近幾年，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了磨耗后車輪出現(xiàn)大等效錐度造成列車蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不足的問(wèn)題[4-6]。這種蛇行失穩(wěn)往往會(huì)與車體一階菱形模態(tài)耦合，造成車體出現(xiàn)彈性振動(dòng)而極大地降低乘坐舒適度，是需要堅(jiān)決避免的。許多學(xué)者詳細(xì)分析抗蛇行減振器車輛穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[7]經(jīng)仿真研究指出，在大等效錐度條件下不安裝抗蛇行減振器的轉(zhuǎn)向架，當(dāng)列車速度達(dá)到120 km/h時(shí)，其蛇行穩(wěn)定性裕量不足，安裝抗蛇行減振器有利于提升轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]對(duì)磨耗后踏面進(jìn)行分析后指出，抗蛇行減振器失效后車輛的臨界速度會(huì)降低。文獻(xiàn)[9]通過(guò)仿真分析和線路試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，阻尼值較大的抗蛇行減振器能使車輛具有更高的蛇行穩(wěn)定性。

由此可見(jiàn)，抗蛇行減振器對(duì)車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性影響顯著。對(duì)此，本文以某設(shè)計(jì)速度為120 km/h的新型地鐵車輛為對(duì)象進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，初步評(píng)估在未安裝抗蛇行減振器情況下的車輛穩(wěn)定性?？股咝袦p振器的仿真模型較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的Maxwell模型尚不能完全準(zhǔn)確地體現(xiàn)抗蛇行減振器的動(dòng)態(tài)特性，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者均提出了新的抗蛇行減振器物理模型[10-13]，更加細(xì)致地討論不同建模方法對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響。然而，仿真分析方法與現(xiàn)車試驗(yàn)總有一定的差異，為了更準(zhǔn)確地掌握安裝抗蛇行減振器前后車輛的穩(wěn)定性差異，本文依托機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)安裝該轉(zhuǎn)向架的車輛進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，以更詳細(xì)、更準(zhǔn)確地分析抗蛇行減振器對(duì)車輪磨耗后轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性的影響。

1 車輛穩(wěn)定性的仿真

1.1 建立多體動(dòng)力學(xué)模型

基于某設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km的新型地鐵車輛的真實(shí)數(shù)據(jù)，使用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件建立仿真模型(如圖1所示)。模型中，輪對(duì)5個(gè)自由度、軸箱1個(gè)自由度、構(gòu)架6個(gè)自由度、車體6個(gè)自由度，并考慮橫向止檔位移-力曲線和抗蛇行減振器速度-力曲線等懸掛元件的非線性特征(如圖2所示)。

圖1 車輛的SIMPACK模型

a)橫向止檔力-位移曲線

采用美國(guó)五級(jí)譜作為軌道不平順輸入。

在仿真模型中使用了磨耗后踏面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。該踏面與標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m軌在軌底坡(坡度為1/40)狀態(tài)下匹配后的輪軌接觸關(guān)系點(diǎn)如圖3所示。由圖3可知，磨耗后踏面的左右輪初始接觸點(diǎn)均靠近輪緣一側(cè)。這種接觸關(guān)系容易造成輪軌出現(xiàn)較大的等效錐度，因此需對(duì)其等效錐度進(jìn)行計(jì)算。

注：接觸點(diǎn)上方數(shù)據(jù)為輪對(duì)橫移量。

由UIC 519—2004標(biāo)準(zhǔn)[14]，對(duì)于磨耗后踏面，需通過(guò)計(jì)算實(shí)際輪軌接觸點(diǎn)得到輪徑差，再將各初始橫移量下的輪徑差代入自由輪對(duì)在軌道上的運(yùn)動(dòng)微分方程(見(jiàn)式(1))中進(jìn)行積分，得到輪對(duì)以幅值2y和波長(zhǎng)λ的周期運(yùn)動(dòng)。

(1)

式中：

Y——輪對(duì)橫移量；

e——接觸點(diǎn)跨距；

r0——名義滾動(dòng)圓半徑；

Δr——輪徑差；

v——輪對(duì)前進(jìn)速度。

然后，應(yīng)用Klingel公式來(lái)計(jì)算等效錐度tanγe，即：

(2)

計(jì)算得到的等效錐度如圖4所示。本文采用的實(shí)測(cè)輪軌關(guān)系存在較大的等效錐度，其3 mm等效錐度達(dá)到0.61，并且在0～3 mm范圍內(nèi)存在“負(fù)斜率”特征，這與近年來(lái)我國(guó)鐵道車輛出現(xiàn)的磨耗后惡劣輪軌關(guān)系有相同的特點(diǎn)。在這種輪軌關(guān)系下，車輛的臨界速度會(huì)顯著降低，乘坐舒適性會(huì)大幅下降，因此，本文選擇這種極不利的輪軌關(guān)系對(duì)該型轉(zhuǎn)向架的抗蛇行減振器進(jìn)行選擇策略研究，以更深入分析車輛在線路運(yùn)行中能否具備足夠的穩(wěn)定性裕量。

圖4 tan γe的計(jì)算值

1.2 仿真工況

為對(duì)比安裝抗蛇行減振器前后的車輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，本文取車輛運(yùn)行速度設(shè)計(jì)值(120 km/h)作為列車勻速運(yùn)行時(shí)的的仿真速度，對(duì)臨界速度進(jìn)行仿真分析，具體仿真工況見(jiàn)表1。

表1 仿真工況設(shè)置

1.3 臨界速度的仿真計(jì)算

采用降速法仿真計(jì)算車輛的非線性臨界速度：首先，在列車高速運(yùn)行時(shí)施加軌道不平順激擾；然后，撤去激擾，使輪對(duì)出現(xiàn)極限環(huán)運(yùn)動(dòng)；最后隨著車速的降低，輪對(duì)的橫移量幅值會(huì)逐漸降低，直到收斂。由圖5所示的計(jì)算結(jié)果可知，在不安裝抗蛇行減振器時(shí)，車輛的非線性臨界速度為103.1 km/h，低于車輛的設(shè)計(jì)運(yùn)行速度120 km/h；安裝抗蛇行減振器后，車輛的非線性臨界速度為224.2 km/h，遠(yuǎn)高于120 km/h?？梢?jiàn)，安裝抗蛇行減振器后，車輛的臨界速度會(huì)有大幅提升。

a)不安裝抗蛇行減振器

2 滾振試驗(yàn)研究

2.1 機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示。該試驗(yàn)臺(tái)模擬軌道的滾輪，可在滾動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行橫向、垂向激振，以模擬車輛在實(shí)際線路上的運(yùn)行工況。其滾動(dòng)即模擬車輛沿軌道向前的運(yùn)動(dòng)，其激振則模擬軌道的各種不平順輸入。試驗(yàn)臺(tái)模擬的車輛運(yùn)行速度最高可達(dá)600 km/h，激振的橫向振幅可達(dá)±10 mm，垂向振幅可達(dá)±15 mm。試驗(yàn)臺(tái)除機(jī)械總體外，還有驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、激振控制系統(tǒng)和總監(jiān)控系統(tǒng)，可進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)4根軸的同步轉(zhuǎn)動(dòng)控制，以及各激振器的激振輸入控制。

圖6 機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

2.2 滾振試驗(yàn)方法

本次滾振試驗(yàn)使用某型設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h的真實(shí)轉(zhuǎn)向架并安裝試驗(yàn)用假車體，按照AW0(空載)工況對(duì)車體進(jìn)行配重。車體和轉(zhuǎn)向架之間采用工裝連接。試驗(yàn)實(shí)景見(jiàn)圖7。

圖7 滾振試驗(yàn)實(shí)景圖

穩(wěn)定性試驗(yàn)采用的滾振試驗(yàn)軌道譜為美國(guó)五級(jí)譜。穩(wěn)定性臺(tái)架試驗(yàn)方式有2種：

1)先通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)純滾動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行增速，找到車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)非線性失穩(wěn)速度；然后進(jìn)行降速。減速中，蛇行運(yùn)動(dòng)消失時(shí)的速度即非線性臨界速度。

2)通過(guò)滾輪對(duì)被試轉(zhuǎn)向架車輪施加線路不平順激擾，并逐級(jí)提速，直至被試轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)蛇行運(yùn)動(dòng)。此時(shí)的速度即為實(shí)際臨界速度。隨后，激振停止，再進(jìn)行降速。輪對(duì)收斂時(shí)的速度即為非線性臨界速度。

按照GB/T 32358—2015《軌道交通機(jī)車車輛臺(tái)架試驗(yàn)方法》[16]要求：在純滾動(dòng)狀態(tài)下，若被試轉(zhuǎn)向架未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，則穩(wěn)定性臺(tái)架試驗(yàn)的速度應(yīng)加至列車最高運(yùn)行速度的1.2倍；在有激振情況下，若被試轉(zhuǎn)向架未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。則穩(wěn)定性臺(tái)架試驗(yàn)的速度應(yīng)加至列車最高運(yùn)行速度的1.15倍。試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架的線路運(yùn)行速度為120 km/h，則其線路最高運(yùn)行速度為120 km/h的1.1倍，即132 km/h。在純滾動(dòng)狀態(tài)下，臺(tái)架穩(wěn)定性試驗(yàn)最高速度為158.4 km/h，取整為160 km/h；加激擾情況下，臺(tái)架穩(wěn)定性試驗(yàn)最高速度為151.8 km/h。但從仿真結(jié)果看，被試轉(zhuǎn)向架的非線性臨界速度遠(yuǎn)高于160 km/h。因此，為更好地研究被試轉(zhuǎn)向架的非線性臨界速度，本次試驗(yàn)在160 km/h時(shí)也對(duì)轉(zhuǎn)向架施加了軌道不平順激擾。

2.3 輪輪接觸關(guān)系

如圖8所示，采用數(shù)字激光廓形檢測(cè)儀[17]對(duì)試驗(yàn)用磨耗輪廓形和滾輪廓形進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)車車輪和試驗(yàn)臺(tái)滾輪之間輪輪接觸點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)：左右輪初始接觸點(diǎn)均靠近輪緣一側(cè)，且存在兩點(diǎn)接觸趨勢(shì)；滾動(dòng)圓附近因存在凹型磨耗未與滾輪產(chǎn)生良好的接觸關(guān)系。

a)滾輪廓形測(cè)試

注：上方數(shù)據(jù)為橫移量，mm。

對(duì)左右輪輪徑差和UIC 519等效錐度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，輪對(duì)橫移量為3 mm時(shí)的等效錐度為0.54，且存在“負(fù)斜率”特征，為較為惡劣的接觸狀態(tài)。與仿真用等效錐度對(duì)比可知，實(shí)測(cè)的輪輪等效錐度略小于仿真用等效錐度。

圖10 實(shí)測(cè)輪輪接觸等效錐度

2.4 滾振試驗(yàn)臨界速度測(cè)試結(jié)果

滾振試驗(yàn)的臨界速度測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

由圖11 a)，安裝抗蛇行減振器情況下，在設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為160 km/h且加激擾時(shí)，輪對(duì)未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，而且激擾撤去后也未出現(xiàn)極限環(huán)運(yùn)動(dòng)。由此可判定，其實(shí)際失穩(wěn)速度高于160 km/h。

由圖11 b)，未安裝抗蛇行減振器情況下，在設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為135 km/h且加激擾時(shí)，輪對(duì)出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象；激擾撤去后，輪對(duì)存在幅值為4.5 mm的極限環(huán)運(yùn)動(dòng)；隨著速度的降低，極限環(huán)幅值逐漸降低，并在100.5 km/h時(shí)輪對(duì)收斂。由此可判定，其實(shí)際失穩(wěn)速度為135 km/h，非線性臨界速度為100.5 km/h。

a)安裝抗蛇行減振器

臺(tái)架滾振試驗(yàn)中未安裝抗蛇行減振器的非線性臨界速度與仿真結(jié)果較為接近，說(shuō)明仿真模型的計(jì)算結(jié)果是較準(zhǔn)確的。兩種方法的研究結(jié)果均表明，安裝抗蛇行減振器后，車輛的臨界速度會(huì)顯著提升。

3 結(jié)語(yǔ)

為保證某設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km新型地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架在車輪磨耗狀態(tài)下仍能保持足夠的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，本文針對(duì)該轉(zhuǎn)向架是否安裝抗蛇行減振器的問(wèn)題進(jìn)行仿真試驗(yàn)和滾振試驗(yàn)研究。仿真試驗(yàn)和滾振試驗(yàn)得到的臨界速度結(jié)果較為接近：在安裝抗蛇行減振器時(shí)，臨界速度高于160 km/h；在不安裝抗蛇行減振器時(shí)，臨界速度低于120 km/h。研究結(jié)果表明，在磨耗后踏面存在較大等效錐度情況下，未安裝抗蛇行減振器時(shí)車輛的臨界速度較低，穩(wěn)定性裕量不足；安裝抗蛇行減振器車輛的穩(wěn)定性有顯著提升。因此，建議該新型轉(zhuǎn)向架應(yīng)安裝抗蛇行減振器，以保證其在全運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)具備足夠的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)車輛安全平穩(wěn)運(yùn)行。