高速动车组柔度系数测定及方法研究

曹晓宁+王秀刚+张振先+梁海啸+李海涛

摘 要：柔度系数是车辆设计的重要参数，关系到车辆的抗侧滚性能，对车辆运行的限界安全有直接影响。针对高寒防风沙动车组，提出了基于整车振动模拟试验台的柔度系数的测定方法，并运用位姿反解的方法对作动器执行命令进行解算，实现试验台的加载；区别于传统的测定手段，该方法可得到试验过程中车体、转向架转角的连续数据，是一种动态的测定手段，获取柔度系数随车体、转向架侧滚角度变化的规律；试验结果表明，被试车辆柔度系数最大值0.285，符合UIC505标准的要求，同时也为高寒防风沙动车组的设计提供数据积累和技术支撑。

关键词：高速动车组；整车振动模拟试验台；柔度系数；姿态解算；试验方法

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.088

1 前言

随着我国轨道车辆出口项目的逐年增加，为满足车辆出口要求，国内的标准需进一步与国际标准接轨，或需采用出口目标国的标准执行；车辆柔度系数是车辆运行安全、舒适性的重要指标，是欧洲（EN）及国际铁路联盟（UIC）标准执行的重要参数，柔度系数的测定尤为重要。

传统的测定方法有重锤法、倾角法、加速度传感法，其中重锤法、倾角法均需采用不同高度的垫块进行超高模拟，但重锤法受限于垫块的尺寸，无法实现柔度系数的动态测定，且试验精确较低；倾角法则受制于所采用角度传感器的精度，不确定因素较大；加速度传感器法，依托于车辆的线路运行工况，且须控制车辆在低速运行状态，降低车辆惯性加速度的影响，试验结果精度低。针对此类问题，本文提出一种依托整车振动模拟试验台进行柔度系数测定的方法，可实现柔度系数的连续性测定，试验的精度高。

2 整车振动模拟试验台

本试验方法基于中车青岛四方股份公司的整车振动模拟试验台，该试验台是用于研究车辆装配状态下的特性参数，再现车辆在线路运营时的振动状态，为车辆的振动性能设计优化提供试验平台，为转向架设计验证提供试验手段。

本试验台由机械系统、控制系统、液压系统、试验测试工具组件等组成。机械系统包括四个运动平台、模拟车体加载平台、反应基座等；控制系统包括Flextest200控制机柜、主机和控制线缆等；液压系统由液压油源（六台，约3000升/分钟）、液压作动器（31个）、液压管路及阀、（5个）分油控制单元和多个蓄能器等；试验测试工具组件包括六自由度力传感器（4个）、位移传感器和加速度传感器、SOMAT数采设备、试验车轴及多种夹具、标定框架工装及砝码等。试验台的核心组成为4个六自由度振动平台、一个模拟车体加载平台，每个振动平台为7缸六自由度系统，可实现车辆运行姿态的模拟，图1所示。

整车振动模拟试验台性能参数如下：

可实现垂向、横向、纵向，点头、摇头、侧滚等自由度运动，最大垂向位移+/-100mm，最大横向位移+/-100mm，最大纵向位移+/-85mm； 振动信号再现频率范围0Hz～50Hz，最大加速度10g。

3 柔度系数试验方法

3.1 柔度系数定义

工程上为确定车辆在线路运行时的动态尺寸，需确定车辆因弹簧装置的柔性作用产生的位移幅度，采用柔度系数进行考核。UIC505标准定义车辆柔度系数如下：

当车辆停在超高为D的线路上时，在弹簧上的车体要倾斜，并与轨面的垂线间形成η角，η角与线路超高角δ的比值η/δ为车辆的柔度系数，用S表示，且柔度系数S<0.4。

柔度系数的公式描述如下：

其中，δi为因轨道超高引起的轮对侧滚角；ηi为车体相对于轨道平面的夹角，n为计算样本点数量；由于实际测试的数据为车体相对于水平面的夹角θi，因此ηi=θi-δi。

3.2 基于试验台的试验方法

图2位基于整车振动模拟试验台的柔度系数试验示意图。将车辆静置于试验台上，轮对与作动平台之间无刚性约束（但设置限位档）；通过试验台位姿的解算方法，得到试验台平台加载试验谱，模拟曲线轨道的超高、角度，测试车轮侧滚角度、车体侧滚角度等，用于计算柔度系数。

4 姿态解算

运用姿态解算技术，获取各作动器的执行命令，实现相应振型的测试。结合试验台结构对称性，将两组振动平台其简化为图3形式。O-XYZ为试验台基础坐标系，两振动平台的坐标系O1-x1y1z1及O2-x2y2z2。图中1～14为作动器下铰链点，1'～14'为作动器上铰链点；l1～l4、v1～v2、h1～h4为试验台几何关系参量。

5 试验分析

5.1 振动平台加载谱

如图4所示，运用位姿解算的方法，得到四个振动平台单周期内的加载谱。结合车轮实际运行线路轨道超高量，计算振动平台的运动（轮对侧滚交）角度最大为6.43°；图5位试验现场。

5.2 试验结果

图6及图7被试动车组柔度系数试验结果，试验测定了车辆一位侧及二位侧被抬升时的结果，将被试结果选定一定的样本数量进行统计分析，得到柔度系数的那你和曲线，可知被试车辆一位侧抬升时柔度系数值为0.285，二位侧抬升时柔度系数值为0.249，则被试车辆柔度系数最大值为0.285，小于UIC505关于车辆柔度系数（最大0.4）的要求，被试车辆合格。

6 结论

本文提出一种整车振动模拟试验台的车辆柔度系数测定方法，并对某高速沙动车组进行实际测定，结论如下：

（1）运用姿态解算方法，试验得到了振动平台实际加载的命令谱，振动平台最大转角位6.43度；

（2）试验结果表明，被试车辆柔度系数最大值0285，符合UIC505标准的要求，为高寒防风沙动车组的设计提供数据积累和技术支撑。

参考文献

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