横向减振器布置方式对地铁车辆动力学性能的影响

黄运华 李 芾 付茂海 宋国强

(1.西南交通大学机械工程学院,610031,成都;2.武汉工业职业技术学院,430064,武汉∥第一作者,副研究员)

横向减振器作为地铁车辆悬挂系统的关键部件之一,其性能的优劣直接影响车辆运行的安全性和平稳性。本文以地铁某B型车辆(速度为80 km/h)为例,从二系横向减振器在转向架上的布置方式入手,重点分析研究不同布置方式对地铁车辆动力学性能的影响,以供我国城市轨道交通车辆设计时参考。

1 横向减振器布置方式分析

铁路车辆上采用横向减振器与弹簧一起构成弹簧减振装置。其中弹簧主要起缓冲作用;而横向减振器的作用则是减小振动,其作用力总是与运动的方向相反,起着阻止振动的作用。横向减振器安装在车体与转向架之间,用于控制车体相对于转向架之间的横移和摇头运动,以改善车辆的横向运行性能。在进行铁路客车转向架设计时,一般都在每个转向架上配置两个横向减振器。根据转向架的结构以及设计者的设计思路,两横向减振器在转向架的布置方式一般有两种:图1(a)所示为两横向减振器呈斜对称布置,此种方式应用比较多见;图1(b)为两横向减振器对称布置。

在地铁车辆转向架的设计中,因受诸多因素影响,各型地铁车辆转向架上大多仅安装一个横向减振器。其布置方式如图1(c)所示。图1基本上涵盖了轨道车辆转向架常见的二系横向减振器的三种布置方式。横向减振器的各种布置方式各有其优缺点。单从结构上来说,图1(a)、(b)分别采用斜对称和对称结构,符合机车车辆结构设计的基本原则,有利于结构的强度设计;而图1(c)采用单个减振器结构,属于非对称设计,应该说是不利的,然而却在城市轨道交通车辆上得到普遍应用。采用单个减振器,一方面便于结构设计,另一方面可以节约横向减振器的投资成本。而从动力学角度看,各种横向减振器布置方式下的动力学性能存在一定的差异,特别是当某一横向减振器失效后,对转向架动力学性能的影响差异较大。很明显,采用图1(a)、(b)的结构形式,当某一侧横向减振器失效,其另一侧横向减振器还能起到一定的阻尼作用;而采用图1(c)的结构形式,当减振器失效,则整个转向架就失去了横向阻尼作用,势必对动力学性能带来不利影响。本文后续部分即根据地铁某B型车辆转向架(速度为80 km/h)的基本结构,通过仿真分析,说明横向减振器的布置方式对地铁车辆动力学性能的影响。

图1 横向减振器在车辆转向架上的布置简图

2 动力学模型及说明

为了分析比较横向减振器不同布置方式对地铁车辆动力学性能的影响,需针对不同的转向架结构形式建立各自的动力学计算模型。计算时采用SIMPACK多体系统动力学软件,在SIMPACK环境下建立横向减振器双侧斜对称布置方式时的地铁某B型车辆动车的多刚体系统动力学模型(如图2所示)。由于横向减振器的三种布置方式仅是横向减振器位置和个数不同而已,对于参数化设计的SIMPACK而言是很容易实现的。将图2中横向减振器的纵向位置移动到转向架的中心,即为横向减振器双侧对称布置方式时的计算模型;而在此基础上直接删掉一个横向减振器,即为横向减振器单侧布置方式的动力学计算模型。

图2 车辆动力学计算模型

分析计算时为方便比较,除二系横向减振器的布置不同外,地铁车辆的其它结构和参数完全相同,且双侧布置时两个横向减振器阻尼系数之和与单侧布置时的相等;此外,计算模型中均采用LM磨耗型踏面和60 kg/m钢轨。

3 动力学计算结果及分析

一般说来,二系横向减振器主要影响车辆的横向运行平稳性。为了充分地进行比较分析,本文对车辆的运行稳定性、运行平稳性和曲线通过性能等均进行了详细计算和分析。同时,为了更好地研究其影响程度,仿真计算时分别计算了横向减振器在正常工作与失效时的情形,且失效时假定每个转向架仅一个横向减振器失效。为不失一般性,本文仅对车辆在定员工况下的动力学性能进行了计算。

3.1 车辆运行稳定性分析

运行稳定性主要是研究车辆蛇行运动的临界速度。蛇行运动是由于带有锥度的整体轮对在钢轨上运行而产生的。计算中使车辆以速度v运行在某一特定线路上,该线路的初始段有随机激励(轨面不平顺),线路的后一段则为光滑轨道。车辆运行在光滑线路上一定时间后,通过观察车辆系统各刚体的位移随车辆行程的变化情况来判定非线性车辆系统的蛇行稳定性的临界速度。如果刚体位移随车辆行程逐渐减小(即收敛),则车辆的运行是稳定的;如果刚体位移发散,则车辆处于失稳状态;如果刚体位移既不收敛也不发散,则处于临界状态,此时相对应的车辆运行速度称为车辆的蛇行运动临界速度v cr。

图3为地铁车辆在新轮状态下横向减振器三种不同布置形式时的蛇行运动临界速度比较。由图3可见,在正常工况下横向减振器布置方式对蛇行运动临界速度的影响并不显著,三种布置方式下地铁车辆的蛇行运动临界速度几乎一样,仅单侧布置时略小一点;而当每个转向架的1个横向减振器失效后,双侧对称和双侧斜对称布置的蛇行运动临界速度相对于正常工况略有减小,而单侧布置的蛇形运动临界速度却相对减小了很多。显然,采用双侧布置方式可以很好地应对减振器突然失效事故的发生;而单侧布置方式一旦减振器失效就会使蛇行运动临界速度降低,造成车辆必须低速行驶且要及时更换或维修,否则就可能引起安全事故。因此,从运行稳定性而言,横向减振器以采用双侧布置方式为宜。

图3 车辆的蛇行运动临界速度比较

3.2 车辆运行平稳性分析

运行平稳性是指车辆在最高运行速度范围内,在规定线路运行时不会产生过大的振动,并使乘客感到舒适,设备能平稳工作的性能。本文计算了地铁车辆在横向减振器的不同布置方式下以80 km/h速度运行在美国IV级线路上的横向和竖向响应。利用计算程序计算出车辆各部件的位移、速度、加速度响应,并根据车体振动横向及竖向加速度随时间的变化历程,求出车辆的横向及竖向平稳性指标Wy、Wz(具体结果如图4所示)。

由图4可以看出:无论是横向减振器在正常工况还是失效工况下,双侧对称布置和双侧斜对称布置时的平稳性都优于单侧布置;而双侧对称布置同双侧斜对称布置的平稳性指标和最大加速度均比较接近。就正常工况和失效工况两者而言,当横向减振器单侧布置时,其平稳性指标相差比较大,一旦减振器失效,Wy、Wz均不符合GB 5599—85《铁道车辆动力车性能评定和试验鉴定规范》的优级标准,特别是Wy已不合格了;横向和竖向加速度也大大超过2.5 m/s2,也已不合格了。当横向减振器双侧布置时,尽管在失效工况下各平稳性指标均有增大趋势,但还在GB 5599—85的优级标准内,能满足运行要求的,而采用双侧布置的两种形式其平稳性指标也比较接近。因此,就运行平稳性而言,横向减振器以采用双侧布置方式为宜。

3.3 车辆曲线通过性能分析

车辆曲线通过性能的好坏直接影响到地铁车辆的行车安全。用于评价车辆曲线通过安全性的指标有很多,本文选择轮轨横向力Q,轮轴横向力H,脱轨系数Q/P(其中P为单个车轮作用于钢轨的竖向力),轮重减载率 ΔP/(其中 ΔP为轮重的减载量,为减载或增载侧车轮平均轮重)以及倾覆系数D等动力学指标来进行比较分析。计算曲线通过时,线路曲线半径R取500 m,超高取60 mm,缓和曲线长度取60 m,车辆最大通过速度取71.3 km/h(即最大欠超高为60 mm)。表1列出了车辆通过该曲线时的各动力学性能指标最大值。

图4 横向减振器在不同布置方式下的地铁车辆运行平稳性比较

从表1的各动力学性能指标计算结果来看,在横向减振器正常工况下,其各种布置方式的优劣难分:对于Q和D值,双侧对称布置时略大;而对于H和ΔP/P—值,单侧布置时略大;D值又以单侧布置时为最小。由表1可知:在横向减振器的各种布置方式下的各动力学性能指标均在GB 5599—85的规定范围之内;在横向减振器失效工况下,单侧布置方式时的各动力学性能指标均比双侧布置时的大,不过仍在相关标准范围内。总体上,无论是在正常工况还是失效工况下,双侧对称和双侧斜对称布置的各动力学性能指标比较接近,横向减振器布置方式对车辆曲线通过性能的影响不明显。

表1 横向减振器不同布置方式时的地铁车辆曲线通过性能

4 结语

横向减振器是机车车辆的关键部件之一,主要用来抑制车体相对于转向架构架的横向运动,以提高车辆的运行品质和舒适度。本文分析研究了地铁车辆横向减振器不同布置方式对其动力学性能的影响。研究结果表明:当横向减振器处于正常工况时,采用双侧对称或双侧斜对称布置方式的运行平稳性优于单侧布置,而三种布置方式的运行稳定性和曲线通过安全性的差异不大;当横向减振器失效时,单侧布置方式的蛇行运动临界速度、运行平稳性和曲线通过安全性均比双侧布置方式时差;双侧对称和双侧斜对称两种布置方式的动力学性能比较接近。因此,在进行地铁车辆转向架设计时,为保证安全和运行品质,建议横向减振器以双侧对称或双侧斜对称布置方式为宜。

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