基于ADAMS 的铁道车辆脱轨后动态行为研究❋

2015-12-31曾一鸣可心萌

机械工程与自动化 2015年1期

曾一鸣，曾京，可心萌

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031）

0 引言

安全是交通运输业的永恒主题，而脱轨是铁路运输的第一安全隐患，脱轨事故将造成人员伤亡和财产损失，严重影响运输秩序。迄今为止，对于脱轨后车辆运行行为的研究主要有以下两种状况：①列车脱轨后车钩发生破坏失效，导致车辆间发生碰撞；②车辆脱轨后车轮在轨和枕上继续运行。由于车辆脱轨后将引起翻车，造成人员伤亡和轨道破坏，中断线路行车，给国家带来很大损失，因此对车辆脱轨后运行行为的研究非常必要。本文应用ADAMS软件对动车组动车建立了较为详细的模型，对动车不同脱轨方式脱轨后齿轮箱和电机对运行行为的影响进行了全面分析，并与转向架低速脱轨后运行行为台架试验结果进行了对比，得到了比较满意的结果。

1 动力学模型建立

车辆系统脱轨问题是一个变拓扑多体动力学问题，当脱轨发生后，轮轨接触关系不再存在，整个系统蜕变成一个包含三维接触的多体动力学问题，需要建立新的接触关系代替原来的轮轨接触。当脱轨后车轮直接与轨道板碰撞，车轮、齿轮箱和电机等都有可能与钢轨碰撞，因此需要分别建立其替代模型，并建立相应的碰撞关系。

1.1 整车模型建立

车辆脱轨动力学模型采用高速动车组的动车参数进行建模，实车分析模型的车体、构架、牵引拉杆、轮对均取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头（其中轮对垂向和侧滚运动是非独立运动）；转臂取1个自由度，即点头。整车分析模型共有62个自由度，如表1所示。

表1 整车分析模型的自由度

最终建立的整车分析模型如图1所示。

图1 整车动力学模型

1.2 转向架/轨道接触模型建立

当车辆脱轨后车轮直接与轨道板进行接触，因此需要在模型中建立车轮与轨道、扣件和轨道板之间的接触模型。车辆脱轨后车辆的运行状态难以预测，因此需要考虑车辆其他零部件与轨道之间的碰撞，在本文的分析计算中分别考虑了电机、齿轮箱与轨道之间的碰撞。图2为模型中的接触配合。

对动车转向架构架、轴箱、减振器、弹簧、横向止挡、牵引拉杆按照其动力学参数进行建模。齿轮箱、电机和轮对在车辆脱轨后会与线路之间产生碰撞，在建模的过程中将齿轮箱、电机和轮对按照实际动车齿轮箱和电机的尺寸和连接方式进行建模。由于ADAMS/Rail中自带的轨道无法建立接触模型，因此需要建立替代的假轨道进行接触分析。动车脱轨后的运行线路采用60型钢轨、CRTS II型板式轨道板、WJ8型扣件，分别按照实际尺寸建立模型。

图2 模型的接触配合

车辆脱轨后通过设置各部件间的碰撞参数，模拟其碰撞关系。齿轮箱、电机、车轮与钢轨之间的碰撞采用钢与钢的碰撞参数；车轮与轨道板、扣件之间的碰撞采用钢与混凝土的碰撞参数。

2 仿真计算

在40km/h速度等级下对车辆爬轨脱轨和跳轨脱轨后的运行过程进行仿真。图3为模型俯视示意图，车辆沿X正方向匀速运行0.5s时在1位轮对施加一定时长的Y正方向的横向力，使车辆向Y正方向脱轨。当横向力作用时间小于0.05s时，车辆脱轨确定为跳轨脱轨，横向力的大小和作用时间对应的车辆脱轨方式见表2。

图3 模型俯视示意图

表2 横向力F对应的脱轨方式

车辆以40km/h的速度运行并脱轨，得到的仿真结果如图4～图6所示。由图4～图6可知，爬轨与跳轨脱轨后的运行行为基本一致。轮对发生脱轨后，齿轮箱与左侧钢轨连续碰撞后跳过钢轨，虽然对轮对横移起到了一定的阻碍作用，减小了横移的能量，但是无法限制轮对继续横向移动，从而使左车轮运行到轨道板外；轮对横移到一定位置时，电机与左侧钢轨碰撞，并且在运行过程中与钢轨内侧贴靠在一起，从而限制轮对继续横向移动。由转向架和车体的运行状态可知，脱轨后的转向架横向位移保持在580mm，继续在轨道板上运行，并且由于前转向架运动相对比较稳定使脱轨后车辆整体横向位移保持在300mm，可以继续在线路范围内行驶。