关于货车车辆的动力分析
2009-08-17徐绍庆石怀银
徐绍庆 石怀银
摘要:在传统的车辆设计中,曲线通过和稳定性是一对矛盾。研究人员曾采用多种方法试图同时提高这2种基本性能,该文针对机车轮对要传递牵引力的情形,开发了一种轮对交叉耦合机构,可以分离轮对导向和牵引力传递功能,并获得了成功应用。
关键词:车辆 动力 研究
1 曲线通过和稳定性
在传统的车辆设计中,曲线通过和稳定性是一对矛盾。研究人员曾采用多种方法试图同时提高这2种基本性能,该文针对机车轮对要传递牵引力的情形,开发了一种轮对交叉耦合机构,可以分离轮对导向和牵引力传递功能,并在瑞士联邦铁路公司460系列机车上成功应用,其车轮旋削周期较以前延长3倍一4倍。
美国运输技术中心(TTCl)H.Wu研究了货车转向架心盘摩擦对曲线通过和横向稳定性的影响,并对目前采用的心盘润滑材料进行了评价。主要结果如下:
1.1 在正常的车辆和轨道状态下,心盘润滑条件对轮轨横向力影响很小。
1.2 对于采用滚动接触旁承(RSB)的货车而言,心盘摩擦因数对车辆横向稳定性有重要影响,为了降低货车蛇行危险,心盘摩擦因数最小不能低于0.3。
1.3 常接触旁承(CCSB)可以有效地改善货车横向稳定性,于采用常接触旁承的货车来说,心盘摩擦对车辆失稳速度影响很小。
1.4 仿真结果显示,常接触旁承较滚动接触旁承平均提高蛇行失稳速度约16km。
1.5 聚酯作为心盘摩擦材料具有良好的应用前景。
此外,澳大利亚昆士兰中央大学的Y.Handoko等利用VAMPIRE软件首次研究了非对称制动力对货车曲线通过性能的影响。结果表明,货车通过曲线时若施加负的摇头力矩将增大冲角和轮轨横向力,不利于曲线通过。
2 车辆运动稳定性新进展
车辆非线性运动稳定性属于理论性很强的研究领域,甚至涉及浑沌、分叉等深层次概念。近2年国际上对此专题的研究仍以理论研究为主,但出现了一些新观点,如曲线上的运动稳定性、轨道体系对车辆运动稳定性的影响等。
丹麦工业大学H.True等在转向架非线性运动稳定性及分叉研究的基础上进一步分析了具有干摩擦悬挂阻尼货车轮对的动力学稳定性问题。澳大利亚F.Xia和丹麦工业大学H.Tme研究了三大件式货车转向架的动力学问题,其主要特点是考虑了楔块二维干摩擦特性(以前均简化为一维问题),计算出了三大件式货车转向架的线性和非线性临界速度分别为102.6km凡和73.8km凡。计算结果说明三大件式货车转向架呈现浑沌运动。
澳大利亚Y.Q.Sun等强调在货车蛇行运动稳定性计算中考虑轨道离散支承模型的重要性。结果表明,考虑粘弹性轨道模型计算得出的蛇行失稳临界速度要低于不考虑轨道模型(即“刚性”轨道)之值,一般低10%以下。采用车辆—轨道耦合动力学方法求解车辆临界速度,其结果是,采用中国的铁路参数,车辆临界速度差异在8%以下(考虑实际轨道弹性结构时临界速度更低),结果是类似的。该项研究结果对经典的车辆动力学计算方法(不考虑轨道结构弹性)中车辆临界速度的计算提出了质疑。因为经典方法会过高地估计车辆运行稳定性,因而是偏于危险的。德国DLR的J.Arn01d等探讨了考虑车轮弹性对铁道车辆运行性能的影响,认为轮对结构弹性会导致较刚性轮对更大的横向振幅,因而也会影响到整车的运行性能。
波兰华沙技术大学K.noinski等认为,考虑铁道车辆在曲线轨道上的运动稳定性是必要的。而在此之前人们研究车辆运动稳定性问题一般是针对直线轨道上车辆自激振动横向稳定性,曲线轨道(半径及超高等)被认为是一种外界激扰源而抑制了自激振动,因此该文必将引起一定争论。
3 车辆系统动力学其他领域研究进展
3.1 车辆悬挂 日本M.Adac山为了同时提高车辆曲线通过性能和运动稳定性,在车辆二系悬挂中增加了辅助弹簧(横向弹簧),采用VA朋PIRE软件进行了动态仿真,结果显示,该措施可以减小高速曲线通过时车体稳态横向加速度。中国西南交通大学邬平波等采用柔性车体模型并考虑半主动悬挂研究了客车的动力学响应。车体模型考虑了一阶垂弯、一阶横弯和一阶扭转模态,车辆其他部件仍视为刚体。计算比较了刚体和柔性车体模型下车体的垂向、横向平稳性指标,并利用滚动振动试验台进行了半主动悬挂试验。
3.2 弓网动力学 瑞典P.Harell等针对多受电弓受流情形,研究了接触网区段叠合(图8)对弓网动力学的影响,此项研究此前未见报道。接触网叠合区意大利S.Bru山等讨论了受电弓—接触网系统的中频、高频动态相互作用,主要分析了弓网接触力与离线之间的关系、吊杆对接触力的影响以及接触导线不规则磨耗的成因等问题。
3.3 空气动力学 意大利F.Cheli等采用数值仿真和风洞试验的方法研究了给定风场下作用于铁道车辆车体上的空气动载荷及其相应的车辆响应。日本铁道综合技术研究所M.Suzuh等采用运行试验和数值分析方法研究了列车在隧道中运行时车辆振动与空气动作用力的相互作用,以及减轻空气动力所导致的附加振动的对策。
4 车辆系统动力学研究新进展
综上所述,近2年来国际上铁道车辆系统动力学研究进展显著,特别是在提高车辆曲线通过性能、提高车辆运行稳定性和解决车辆微道相互作用实际问题等方面研究十分活跃,研究出许多新方法和新技术。
4.1 随着列车向快速化及高速化方向发展,综合解决车辆直线运动稳定性和曲线通过性能的方法、途径和技术措施将会继续成为广大铁路研究人员研究的热点之一。
4.2 主动控制技术是改进铁路机车车辆运行品质的有效方法,在铁路发达国家已得到广泛应用。然而,随着铁路运输与航空、公路运输竞争的进一步激化,不断提高列车运营速度并同时提高乘坐舒适性已成为现代铁路追求的目标。而实现这一目标的手段在很大程度上便是采用先进的主动控制技术。因此,这一领域发展前景广阔。
4.3 轮轨接触理论研究已日臻完善,而轮轨运输系统中由于轮轨滚动接触而产生的问题越来越多。因此,如何合理运用轮轨系统动力学(车辆做道系统动力学)理论研究解决这些实际问题(如轮轨不规则磨耗、滚动接触疲劳问题),必将成为本领域研究的一个重要方面,而要解决不规则的轮轨磨耗难题,需要发展同时考虑车辆俄道高频相互作用和损伤机制的综合模型。
4.4 车辆微道相互作用研究已越来越能反映铁路中的各种实际因素,今后将进一步走向实际工程应用,如高速(快速)铁路桥头过渡段轨道设计、大轴重货车对线路的动力作用研究、轮轨磨损及轨道沉陷预测、车辆榇道动态相互作用脱轨研究及安全评判标准确定等。
4.5 高速列车运行过程中(特别是通过隧道时)空气动力效应对车辆振动性能的影响问题已日益受到人们的关注,是进一步改善乘坐舒适性(包括降低噪声)不可回避的研究课题。
4.6 动力学仿真技术已在国际车辆系统动力学研究与应用领域得到十分广泛的应用,发挥了极大效用。各种车辆动力学仿真软件日益成熟。我国应注意这一趋势,组织开发各种大型通用动力学软件,为机车车辆动力学性能优化提供科学工具。与此同时,必须重视仿真软件的试验验证,只有经过广泛验证的软件才能用于指导生产实际。