基于UIC标准的动态数据统计特征对比

朴明伟，汤志钧，吕倩，兆文忠

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028;2.齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司 技术中心，黑龙江 齐齐哈尔 161002)

0 引言

在新车研发过程中，动态仿真与试验数据对比(简称仿真对比)是一项不可回避的重要工作.由于轮轨接触和斜楔减振的干摩擦作用存在不确定性，这使仿真对比难以做到通常意义的“吻合”或“一致”.尽管 GB 5599—85的第 5节规定［1］:采样间隔Δt依照截止频率fc确定，可是采样段选取则不是很明确.在实际测试中，常用分析段采样制度:16 s作为一分析段，再等分4段进行数据处理.国际铁路联盟UIC 518的第6.1节［2］明确提出了试验段(Test Zone)采样制度，并特别规定了最小直线采样段长度100 m和完整曲线采样段长度.由此可见，UIC 518更加强调了基于线路条件的动态数据统计特征对比.

为此，本文以最新研制的6轴双层集装箱跨装3车组(简称跨装3车组)作为研究对象，依照UIC 518的动态数据处理方法，给出了轮轨作用的保守/乐观仿真结果，并结合环行线试验进行统计特征的仿真对比.针对车体横向平稳性，进一步指出了分析段采样制度的不足之处.

1 动态数据处理及评价方法

在UIC 518附录H中，考虑到直线或曲线通过情况，提出了1维/2维统计处理方法.在曲线通过时，以线性回归方式引入欠超高/过超高随机变量，并计入对均值的影响，即为2维统计处理方法.

1.1 动态数据处理

图1是基于UIC 518的最大轮轨力估算值处理流程，相应处理图示见图2.

由图1和图2可见:①在以2 m间隔进行滑模均值处理时，低通采样滤波器采用UIC 513附录3［3］的 Wa ，频带 0.4～20 Hz;②最大估算值是以如下两种形式给出，即采样最大值和采样均方差最大值，如H和sH;③为了便于说明，图2的采样段选取比较短.根据UIC 518第6.1节的规定，最高车速Vlim≤140 km/h，采样段长度至少100 m，对于小曲线及顺坡段等特殊情况，可以减小到70 m.

对于稳定安全性及振动行为评价(如转向架横向稳定性和车体断面振动加速度等)，其动态数据处理流程与图1、2类似，但低通滤波频带为0.4～10 Hz，并以2.2σ原则给出采样均方差最大值(符号标记方法见1.2节②、③).

对于平稳性评价，以2 m间隔进行滑模均值处理，垂向加速度采用Wa或Wa*Wb滤波器，横向采用 Wd或Wa*Wd，频带0.4～40 Hz.对于完整曲线(包括相关的缓和段)，采用基于左/右弯道的2维统计处理方法.

图1 最大轮轨力估算值处理流程

图2 最大轮轨力估算值处理图示

1.2 评价方法

(1)车轴横向力限定值

根据UIC 518第10.1.2节的规定，车轴横向力限定值

式中，H2m为车轴横向力的2 m滑模均值，kN;P0为静态轴重，kN;对于货车车辆，重载β=0.8，空载 β =0.75.

对于高速客车车辆，从轮轨接触疲劳角度出发，UIC 518 第 10.1.1.2 节规定了轮轨垂向力限定值:轮对作为簧下质量，其所产生的垂向轮轨动力作用一般要控制在限定值的60%～65%左右.这足以说明其高速轮轨低动力作用要求.

(2)转向架构架横向加速度限定值

根据UIC 518第10.1.3节规定了转向架不稳定的横向加速度限定值

同时，UIC 518 第10.1.2.1 节也给出了以下简易方法:

(3)车体断面振动加速度限定值

根据 UIC 518 第10.1.2.2 节的规定，对于货车车体:

式中，上角标*代表走行部以上的加速度监测，下角标q代表振动行为评价滤波采样处理:与(2)相同.注意:采样均方差最大值(式4b)亦可记为Sy和Sz.

1.3 基于统计特征的数据处理规范

与国标GB 5599或目前常用的动态数据处理方法相比，UIC 518至少在以下方面有比较严格的规定:①试验段选取反映了线路条件特征(如完整曲线)，而最小直线采样段通常规定为100 m，并以10 m增量递增.按照不同速度段规定最小直线采样段长度，如车速≥220 km/h，最小直线采样段长度为500 m;.②在任何速度等级下，统一采样间隔2 m;③对于轮轨安全性，低通滤波器频带0.4～20 Hz，并以3 σ原则给出采样均方差最大估算值;对于稳定安全性及振动行为，低通滤波器频带 0.4～10 Hz，并以 2.2 σ 原则给出采样均方差最大估算值;对于平稳性评价，加速度低通滤波频带0.4～40 Hz，垂向与横向滤波器的权重是不同的，特别是横向Wd或Wa*Wd的最大权重在1 Hz附近.

分析段采样制度存在低频成份采样拾取不充分问题.根据GB 5599第5.2.5.2节的频谱采样要求，以20 s一分析段，再等分10段，每段取512个采样点，不存在采样遗漏问题，但一般难以做到.如果以16 s为一分析段，再等分4段进行平稳性评价的数据处理，那么，每一段应当取多少采样点呢?比如车速120 km/h，采样间隔2 m，至少要取66个采样点，采样拾取频率为8.3 Hz;采样间隔4 m，至少要取33个采样点，采样拾频率取为4.1 Hz….每段采样点数越少，采样信号丢失的低频成份也就越多.

具体地讲，分析段采样制度是基于瞬时监测的采样制度，采用横向的加权滤波处理，忽略了车体低频运动对平稳性的影响;而试验段采样制度则是基于线路特征(直线、顺坡率和曲线欠/过超高)的采样制度，满足了数据采样的频率成份要求.对于高重心车辆来讲，车体横向低频运动是不容忽视的，必须纳入测试分析范围.

2 跨装3车组仿真

2.1 结构特点

图3为跨装3车组联挂模型.整个车组是由牵引杆相互联结的3个6轴双层集装箱车辆和2个跨装结构及集装箱载荷组成，其走行部采用3E轴构架转向架.

这一跨装3车组联挂形式具有以下结构特点:

(1)具有明显的高重心车辆特征，且柔性系数比较低.按照双层集装箱的装载方式，重载重心接近2.4 m.由于3E轴构架转向架采用轴箱悬挂，以平面心盘方式构成转向架与车体的接口联结，因而每个转向架对车体侧滚的刚度贡献比较大，具有比较好的动态限界通过能力，但直线或大半径曲线运行时车辆动态柔性比较低;

(2)车体侧墙上边梁中部的横向稳定性比较差.双层集装箱车体具有落下孔车体的特征.根据重载工况模态分析，侧墙上边梁中部比较容易形成对称瓢曲或歪斜结构模态(频率12～13 Hz)振动.尽管这一模态振动对货物完好性的影响不大，但是，从车体结构疲劳强度角度，需要进行深入的监测与分析;

③3E轴构架转向架的轮轨关系协调问题.为了改善曲线通过性能，中轴轮对的车轮轮缘减薄9mm，修正踏面所形成的等效锥度λe≈0.10，几乎没有轮轨对中能力，而且中轴轴箱悬挂无斜楔摩擦减振，即所谓的中轴轮对纵横向弱约束方案［5］.考虑到1、3 轴的轴距2.9 m，3E 轴构架转向架的轮轨关系协调及稳定性就成为非常值得关注的问题.

图3 跨装3车组联挂模型

2.2 环行线试验

以如图4所示的两车一跨联挂形式进行多装载工况的环行线试验［6］:大环曲线半径1 432 m，超高125mm，无缝钢轨，最高试验速度达到132 km/h.

图4 两车一跨环行线试验

试验载荷工况有以下4种:①重箱(带跨装);②重车(不带跨装);③空箱(带跨装);④空车(不带跨装).

2.3 车轴横向力不正常分布规律

图5 轮轨纵向蠕滑与摩擦系数关系曲线

针对轮轨接触摩擦的不确定性因素，本文给出了如下两种方式的仿真结果:保守仿真是指基于轮轨摩擦系数0.4假设的动态仿真;乐观仿真是指基于轮轨纵向蠕滑与摩擦系数关系假设(见图5)的动态仿真.保守/乐观仿真以及环行线试验的车轴横向力对比表1和图6.

图6 最大车轴横向力的仿真对比

表1 最大车轴横向力的仿真对比(重箱载荷工况，曲线半径R1 432 m，kN)

为了更加清晰地分析3E轴构架转向架的车轴横向力变化规律，将头车2位转向架的4、5、6轴的车轴横向力以图6所示的直方图方式加以对比.由上述的车轴横向力对比可见:

(1)由于乐观仿真采用了如图5所示的轮轨纵向蠕滑与摩擦系数变化曲线，有利于抑制轮对的蛇行振荡，因而得到车轴横向力的乐观仿真结果.特别值得注意的是转向架第1轴轮对，其计算结果过于理想化，主要原因是在轮对横移过程中，轮轨横向摩擦系数的取值与纵向的相同;

(2)仿真计算以美国AAR5级轨道谱作为轮轨激扰，而环行线的质量等级比较高，可以适用高速动车组运行，因而仿真对比在某些极端条件下存在比较大的差异，如120、130 km/h的保守仿真，头车2位转向架的第3轴(头车6轴)车轴横向力有了非常显著的增大，而乐观仿真则刚好相反.对于中轴(头车5轴)轮对的车轴横向力扰动作用，除130 km/h速度工况外，环行线试验结果均高于保守/乐观仿真的;

(3)对于头车2位转向架而言，车轴横向力呈现如下不正常分布规律:在100～130 km/h高速运行时，随着中轴车轴横向力的增大，第3轴的车轴横向力急剧增大，以至达到了第3轴横向力大于第1轴的程度.在直线高速运行时，由于等效锥度降低到名义等效锥度λeN=0.10，可以推断:这种车轴横向力不正常分布规律将会更加突出.

3 高重心车辆横向平稳性

3.1 分析段采样制度的不足

基于分析段采样制度，图7和表2给出了环行线试验的4种载荷工况横向平稳性评价.根据2.3节所讨论的车轴横向力不正常分布规律，3E轴转向架在轮对蛇行振荡时很容易引起构架低频后摆振动.这将给高重心车辆的横向平稳性带来非常不利的影响.但为什么环行线试验的平稳性评价却看不到这种影响呢?

首先，环行线试验的横向平稳性评价是按照基于分析段采样制度的Wzy最大值来确定的.正如1.3节所叙述的那样，分析段采样制度存在低频成份采样拾取不充分问题.而横向滤波器的权重应当在1 Hz附近的低频段上.分析段采样制度所得到的横向平稳性指标Wzy通常比较小.众所周知，罐车侧滚振动比较敏感，轮轨横向力比较大，因而其车速一般受到限制.可是，在高重心罐车试验中Wzy也很低，这充分证实了分析段采样制度所存在的问题;其次，跨装结构及重箱/空箱载荷都会在增强车体侧滚刚度方面带来有益的作用，这一点在环行线试验的横向平稳性评价上则有比较明确的体现.

由此可见，分析段采样制度的不足就在于采样数据遗漏了动态信号的低频成份.而这一低频成份对于横向平稳性评价来讲则是非常重要的.

图7 环行线试验的四种载荷工况横向平稳性评价

表2 环行线试验的横向平稳性指标Wzy对比

3.2 基于完整曲线采样的横向平稳性评价

在约2 000 m的完整曲线试验段上，保守/乐观仿真的横向平稳性评价见图8和表3.

图8 基于完整曲线采样的横向平稳性对比

上述基于完整曲线的横向平稳性对比可见:①完整曲线采样样本包括了顺坡率和过超高/欠超高等影响因素，采样频谱成份满足了横向平稳性评价的动态数据要求，因而保守仿真的横向平稳性反映了高重心车辆的基本规律;②而乐观仿真的横向平稳性评价则以逐步明显的车体前摆振动形式作为其横向平稳性特征，主要原因是轮对蛇行振荡频率比较低，轮轨横向摩擦系数的选取值也很小(详见2.3节(2))，因而前位转向架蛇行振荡程度大于后位转向架的.

表3 基于完整曲线采样的横向平稳性Wzy指标对比(重箱载荷工况)

3.3 车体侧墙上边梁中部横向加速度

正是存在3.2节所阐述的横向平稳性问题，很自然得到如下结论:车体侧墙上边梁中部横向加速度超标.

侧墙上边梁中部横向加速度超标固然有其车体结构设计方面的问题，但3E轴构架转向架的100～130 km/h高速稳定性问题则是其产生的动力学直接原因(见表4和5).

表4 侧墙上边梁中部横向加速度(保守仿真，m/s2)

表5 侧墙上边梁中部横向加速度(乐观仿真，m/s2)

上述横向加速度超标应当引起足够的重视，应当确认在其附近是否存在高应力区域.

4 结论

(1)与UIC 518的试验段采样制度相比，目前所采用的16 s分析段采样制度存在低频成份采样拾取不充分问题，这至少在高重心车辆的横向平稳性评价上是欠缺的;

(2)根据中轴轮对纵横向弱约束方案，3E轴转向架在高重心车辆应用中将更加突出其轮轨横向力增大的缺点，应当以修正踏面优化方式予以改善.

［1］国家标准局.GB 5599—85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］，北京:中国标准出版社，1985.

［2］UIC Code 518 OR.Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavioursafety-track fatigue-ride quality，2nd edition［S］.Paris，International Union of Railways，2003

［3］UIC Code 513 R.Guidelines for Evaluating Passenger Comfort in relation to Vibration in Railway Vehicles［S］.IParis，International Union of Railways，1997.

［4］49CFR238，FRA Regulations，Title 49.Transportation，Part 238-passenger equipment safety standards［S］.Federal Railroad Administration，2003.

［5］朴明伟，赵钦旭，方吉，等.3E轴构架转向架的通用动力学要求［J］.大连交通大学学报，2010，31(2):9-14.

［6］王新锐，丁勇.六轴双层集装箱车(两车一跨)环行线动力学性能试验［R］.北京:中国铁道科学研究院，2010.