抗菱剛度對(duì)平車性能的影響研究

張博寧,王勇,張勝建,呂小勇

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

0 引言

鐵路貨物運(yùn)輸是運(yùn)輸?shù)闹饕绞街?它在整個(gè)運(yùn)輸領(lǐng)域中占有重要的地位并發(fā)揮著重要的作用。找出影響車輛性能的關(guān)鍵因素,對(duì)改進(jìn)貨車的性能有著重要的作用,其中抗菱剛度就是貨車的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)重要影響因素之一。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)貨車抗菱剛度進(jìn)行了大量的研究。王金棟等[1]研究推導(dǎo)了貨車轉(zhuǎn)向架斜楔減振器抗菱剛度計(jì)算方法。劉嘉興等[2]通過(guò)Abaqus有限元軟件和Simpack動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真計(jì)算對(duì)變摩擦轉(zhuǎn)向架斜楔等效剛度的計(jì)算進(jìn)行了推導(dǎo)和應(yīng)用。羅林濤等[3]指出交叉支撐裝置可以提高高速轉(zhuǎn)向架的抗菱剛度 。任利惠等[4]對(duì)貨車轉(zhuǎn)向架抗菱剛度的測(cè)量方法進(jìn)行了研究并提出了直接和間接兩種測(cè)量方法。宋子洋等[5]研究鐵路貨車頂置式斜楔軸箱懸掛結(jié)構(gòu)中斜楔摩擦角對(duì)三軸轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響。

前人關(guān)于抗菱剛度對(duì)貨車動(dòng)力學(xué)性能影響的研究較少,因此本文在前人的基礎(chǔ)上,通過(guò)Simpack動(dòng)力學(xué)軟件建立出口的某型平車動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)不同抗菱剛度下的空車新輪、空車磨耗輪、重車新輪、重車磨耗輪的動(dòng)力學(xué)性能分別進(jìn)行仿真計(jì)算,研究抗菱剛度對(duì)其蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度、運(yùn)行平穩(wěn)性、運(yùn)行穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 整車非線性動(dòng)力學(xué)模型

利用Simpack仿真軟件對(duì)車輛系統(tǒng)進(jìn)行建模和求解。

平車整車系統(tǒng)由1個(gè)車體和2個(gè)轉(zhuǎn)向架組成,每個(gè)轉(zhuǎn)向架又由2個(gè)輪對(duì)、4個(gè)軸箱、4個(gè)斜楔和構(gòu)架組成。本模型采用傳統(tǒng)的三大件式轉(zhuǎn)向架,因此每個(gè)構(gòu)架包括2個(gè)側(cè)架和1個(gè)中央搖枕,共計(jì)27個(gè)剛體。各剛體的自由度數(shù)如表1所示。車體考慮6個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭;側(cè)架考慮6個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭;搖枕考慮3 個(gè)自由度,即垂向、側(cè)滾、搖頭;斜楔考慮3個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向,同時(shí)引入3個(gè)約束;輪對(duì)考慮6個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭;軸箱考慮1個(gè)自由度,即點(diǎn)頭;再考慮到鋼軌的橫向位移、垂向位移以及縱向的扭轉(zhuǎn),整個(gè)車輛系統(tǒng)共計(jì)80個(gè)自由度。

表1 車輛系統(tǒng)模型自由度

平車模型是一個(gè)繁瑣的多體系統(tǒng)模型,部件與部件之間既存在相互作用力又有相對(duì)運(yùn)動(dòng),除此以外,輪軌之間也存在相互作用。為了達(dá)到理論計(jì)算分析模型研究的主要目的,必須對(duì)一些次要因素進(jìn)行相應(yīng)的假定或簡(jiǎn)化。在建立出口的某型平車系統(tǒng)模型時(shí)做出如下假定:輪對(duì)、側(cè)架、搖枕、車體和軸箱等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多,均視為剛體,即忽略各部件的彈性變形;不考慮平車牽引工況和相鄰車的影響,只考慮單車模型;車體、轉(zhuǎn)向架各部件及懸掛均對(duì)稱布置。

建立的Simpack剛體非線性動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 平車Simpack模型

非線性輪軌接觸幾何關(guān)系采用P8踏面車輪和UIC54鋼軌相匹配的輪軌接觸幾何關(guān)系。新輪和UIC54匹配的名義等效錐度為0.12,磨耗輪和UIC54匹配的名義等效錐度為0.3,輪軌接觸點(diǎn)在車輪和鋼軌上分布均勻。其中新輪的輪軌接觸幾何關(guān)系如圖2所示。

圖2 輪軌接觸幾何關(guān)系

2 抗菱剛度

抗菱剛度定義為兩側(cè)架因速度差導(dǎo)致出現(xiàn)前后錯(cuò)動(dòng)情況而使轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)菱形變形,提供抵抗這種菱形變形的剛度即為抗菱剛度[2]。

本平車模型采用三大件式轉(zhuǎn)向架,主要由中央搖枕和側(cè)架組成,搖枕與側(cè)架之間通過(guò)7組螺旋鋼彈簧連接,每側(cè)側(cè)架與搖枕之間還設(shè)有兩個(gè)斜楔,通過(guò)減振簧和側(cè)架連接。傳統(tǒng)三大件式轉(zhuǎn)向架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、均載性好、對(duì)線路適應(yīng)性強(qiáng)、易于檢修等優(yōu)點(diǎn),但是傳統(tǒng)的三大件式結(jié)構(gòu)也帶來(lái)了抗菱剛度不足、蛇行失穩(wěn)臨界速度低的缺點(diǎn)[3]。三大件貨車轉(zhuǎn)向架抗菱剛度主要由搖枕彈簧、斜楔減振系統(tǒng)、軸箱彈性墊以及提高抗菱剛度裝置4 個(gè)部分提供[5]。而本模型的抗菱剛度主要由變摩擦斜楔減振器提供。文獻(xiàn)[1-2]中對(duì)抗菱剛度由變摩擦斜楔減振器提供的計(jì)算公式均有推導(dǎo)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知變摩擦斜楔減振器提供的抗菱剛度為

(1)

式中:b為斜楔寬度;kx表示斜楔彈簧剛度;ky表示搖枕彈簧剛度;α為副摩擦面與水平面間的夾角。

原車設(shè)計(jì)的空車抗菱剛度為2.5MN·m/rad,重車的抗菱剛度為7MN·m/rad。

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 抗菱剛度對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度的影響

蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性是軌道車輛最重要的性能指標(biāo)之一,通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度最常用的方法有降速法和極限環(huán)法。

本模型采用極限環(huán)法獲取臨界速度,即當(dāng)模型在沒(méi)有任何激擾的理想情況下運(yùn)行一段距離后給軌道加激勵(lì),然后再恢復(fù)初始的理想狀態(tài),車輛系統(tǒng)首次出現(xiàn)不能回到平衡位置的情況,此時(shí)的速度即為臨界速度。添加激勵(lì)有很多種方法,例如實(shí)測(cè)的軌道激勵(lì)樣本、車輛某些結(jié)構(gòu)的初始位移或速度、隨機(jī)的初始狀態(tài)都可以作為添加的激勵(lì)?？紤]到出口國(guó)鐵路線路較差,本模型采用美國(guó)4級(jí)譜作為軌道激勵(lì),分別計(jì)算了空車新輪、空車磨耗輪、重車新輪、重車磨耗輪4種工況下不同抗菱剛度的蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度(圖3)。

圖3 臨界速度

根據(jù)圖3可以看出,抗菱剛度對(duì)空車新輪的影響最小,對(duì)重車新輪的影響最大。

隨著抗菱剛度的增加,空車新輪的臨界速度緩慢增加。當(dāng)抗菱剛度大于3MN·m/rad時(shí),隨著抗菱剛度的增加臨界速度趨于穩(wěn)定。對(duì)于其他3種工況,隨著抗菱剛度的增加,臨界速度整體上呈現(xiàn)出階梯狀增長(zhǎng);當(dāng)抗菱剛度小于3MN·m/rad時(shí),隨著抗菱剛度的增加,臨界速度快速升高;當(dāng)抗菱剛度大于3MN·m/rad時(shí),空車磨耗輪和重車磨耗輪的臨界速度升高速度減緩,重車新輪的臨界速度升高速度依然較快;當(dāng)抗菱剛度大于7MN·m/rad后,重車新輪的臨界速度增長(zhǎng)幅度較大后趨于穩(wěn)定。

3.2 抗菱剛度對(duì)平穩(wěn)性的影響

我國(guó)現(xiàn)行鐵路軌道車輛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)GB/T5599—2019[6],其中用于評(píng)價(jià)平穩(wěn)性的部分絕大多數(shù)是基于Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)發(fā)展而來(lái)。

平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算公式為[7]

(2)

式中:A為振動(dòng)加速度;f為振動(dòng)頻率;F(f)為頻率修正系數(shù)。

貨車的平穩(wěn)性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表2[7]。

表2 平穩(wěn)性指標(biāo)等級(jí)表

本模型以出口的某型平車作為分析對(duì)象,該車的設(shè)計(jì)速度為100km/h,因此,本模型對(duì)4種工況均以100km/h的速度在加有美國(guó)4級(jí)譜的軌道上進(jìn)行仿真,對(duì)測(cè)得的平穩(wěn)性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4—圖5所示分別為空車橫向、垂向平衡性。從圖4和圖5可以看出,抗菱剛度對(duì)空車新輪的橫向和垂向平穩(wěn)性均沒(méi)有什么影響。當(dāng)抗菱剛度過(guò)低小于1.5 MN·m/rad時(shí),空車新輪和磨耗輪的平穩(wěn)性都非常差,磨耗輪的橫向平穩(wěn)性已經(jīng)不能達(dá)到合格的標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)抗菱剛度大于1.5 MN·m/rad,空車橫向平穩(wěn)性隨著抗菱剛度的增大緩慢減小最后趨于穩(wěn)定;空車垂向平穩(wěn)性幾乎不受抗菱剛度的影響。

圖4 空車橫向平穩(wěn)性

圖5 空車垂向平穩(wěn)性

圖6—圖7所示分別為重車垂向、橫向平穩(wěn)性。從圖6和圖7可以看出,當(dāng)抗菱剛度小于3 MN·m/rad時(shí),抗菱剛度對(duì)重車后端垂向平穩(wěn)性影響較小,重車其他橫向和垂向平穩(wěn)性都較差,且對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響更大,抗菱剛度從2 MN·m/rad增到3 MN·m/rad這一過(guò)程中,重車平穩(wěn)性指標(biāo)大幅度降低,重車的平穩(wěn)性大幅提高;當(dāng)抗菱剛度大于3 MN·m/rad后,磨耗輪橫向平穩(wěn)性隨著抗菱剛度的增加逐漸減小,重車新輪橫向平穩(wěn)性和重車垂向平穩(wěn)性幾乎不再受抗菱剛度的影響。

圖6 重車垂向平穩(wěn)性

圖7 重車橫向平穩(wěn)性

3.3 抗菱剛度對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

運(yùn)行穩(wěn)定性主要是通過(guò)對(duì)輪重減載率,脫軌系數(shù),輪軸橫向力3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。GB/T5599—2019中3項(xiàng)指標(biāo)的規(guī)定如下[6]:貨車在通過(guò)小曲線半徑(250m～400m)時(shí)脫軌系數(shù)應(yīng)小于等于1.2;在試驗(yàn)速度小于160km/h的情況下,輪重減載率應(yīng)不高于0.65;輪軸橫向力的計(jì)算公式為H≤15+(P0/3),式中的P0為靜軸質(zhì)量。

貨車在通過(guò)曲線時(shí)最容易發(fā)生脫軌,因此本模型在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)安全性仿真時(shí)選取半徑R350m 、超高h(yuǎn)100mm、緩和曲線110m的小半徑曲線進(jìn)行仿真,通過(guò)速度設(shè)為60km/h,曲線全程加載美國(guó)4級(jí)譜。為了更直觀地觀察抗菱剛度對(duì)這些指標(biāo)的影響趨勢(shì),對(duì)輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理并進(jìn)行分析,如圖8—圖10所示。

圖8 輪重減載率

圖9 輪軸橫向力

圖10 脫軌系數(shù)

從圖8—圖10可以看出:

1)抗菱剛度對(duì)重車的輪重減載率影響很小,隨著抗菱剛度的增大,重車的輪重減載率指標(biāo)緩慢減小后趨于穩(wěn)定;空車輪重減載率指標(biāo)小幅增加后趨于穩(wěn)定。

2)隨著抗菱剛度的增加,空車和重車的輪軸橫向力指標(biāo)均出現(xiàn)明顯的增大,其中對(duì)新輪的影響最為明顯。當(dāng)抗菱剛度過(guò)大時(shí),輪軸橫向力指標(biāo)有超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

3)抗菱剛度對(duì)脫軌系數(shù)指標(biāo)的影響較小,隨著抗菱剛度增大,脫軌系數(shù)指標(biāo)先小幅升高,之后趨于穩(wěn)定。

3.4 規(guī)律驗(yàn)證

為了驗(yàn)證規(guī)律的正確性,本小節(jié)分別取空車磨耗輪抗菱剛度分別為1.0MN·m/rad和2.5MN·m/rad兩種工況和重車新輪抗菱剛度分別為5.5MN·m/rad和6.5MN·m/rad兩種工況,速度取80km/h,在直線工況下對(duì)上述規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

表3 車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)

從表3可以看出,在選取不同速度級(jí)時(shí)各指標(biāo)的變化規(guī)律相同,從而驗(yàn)證了該規(guī)律的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以出口的某型平車作為研究對(duì)象,通過(guò)Simpack動(dòng)力學(xué)軟件建立平車模型,以抗菱剛度作為變量對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析后得出以下結(jié)論。

1)抗菱剛度對(duì)空車新輪的臨界速度影響較小,其他3種情況的臨界速度總體上呈現(xiàn)出階梯狀的增長(zhǎng),其中對(duì)重車新輪臨界速度的影響最大。在合理范圍內(nèi)應(yīng)盡可能選擇較大的抗菱剛度。

2)總體看,抗菱剛度對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)的影響較小,僅當(dāng)抗菱剛度低于1.5 MN·m/rad時(shí),磨耗輪的平穩(wěn)性較差,尤其是空車磨耗輪的橫向平穩(wěn)性。

3)抗菱剛度對(duì)輪重減載率指標(biāo)和脫軌系數(shù)指標(biāo)的影響很小;抗菱剛度對(duì)輪軸橫向力指標(biāo)有很大的影響,當(dāng)抗菱剛度過(guò)大時(shí),輪軸橫向力指標(biāo)有超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

4)大的抗菱剛度雖然有利于蛇行運(yùn)動(dòng)臨界速度的提升,但過(guò)大的抗菱剛度也大大增大了車輛脫軌的風(fēng)險(xiǎn),因此抗菱剛度不易選擇過(guò)大。