抗蛇形减振器失效对车辆动力学性能的影响

摘要： 为研究高速动车组车辆动力学性能对抗蛇形减振器失效的敏感性，以国内某型高速动车组为研究对象，以其实际动力学参数为依据，建立该型动车组的整车动力学模型。对抗蛇形减振器不同失效形式下的车辆动力学性能进行研究，结论认为：抗蛇形减振器失效对车辆动力学性能尤其是对列车的横向动力学性能影响显著；当列车行驶速度在250～380 km/h时，车辆系统动力学性能各项指标随列车行驶速度的增大而增大，随抗蛇形减振器失效个数的增加而增大。

关键词：动车组； 抗蛇形减振器； 失效； 安全性； 平稳性； 临界速度

中图分类号： U213.55

文献标志码： B

Abstract：In order to study the sensibility of dynamic performance of high speed electric multiple unit on the failure of anti-yaw damper， taking a type of high speed electric multiple unit in China as the research object， a dynamic simulation model of high speed electric multiple unit based on its actual dynamic parameters is established. The dynamic performance of the vehicle is studied by setting different failure modes of the anti-yaw damper. The results show that the failure of anti-yaw damper has significant influence on the vehicle dynamic performance， especially the lateral dynamic performance of the train. When the train speed is 250～380 km/h， the dynamic performance index increases with the increase of the train speed， and the failure number of the anti-yaw damper also increases.

Key words：electric multiple unit； anti-yaw damper； failure； safety； stability； critical velocity

0 引 言

抗蛇形减振器是高速动车组二系悬挂的重要组成部分，在列车高速行驶过程中发挥着重要作用。由于铁路油压减振器在服役过程中提前出现结构性、功能性失效，对列车行驶的安全性、稳定性和舒适性造成严重影响[1]，因此国内外很多学者对其进行研究。宋昊等[2]对六轴电力机车抗蛇形减振器失效时的车辆准线型临界速度进行计算分析。ALONSO等[3]研究抗蛇形减振器特性对车辆行驶稳定性的影响。王成国等[4]建立铁道车辆减振器的数学模型，并进行车辆系统动力学仿真计算。本文对抗蛇形减振器在不同故障形式下的动力学性能评价指标进行分析计算，以判断该车型的常规动力学性能对其故障态的敏感性。

1 仿真模型

该型动车组拖车转向架与车体之间由一系悬挂连接，其中包括：轴箱弹簧、垂向减振器和转臂節点等。转向架与车体之间由二系悬挂装置连接，其中包括：空气弹簧、抗蛇形减振器、横向减振器和垂向减振器等。此外，车体与转向架之间设有牵引拉杆、横向止挡和抗侧滚扭杆等。[5]利用SIMPACK子结构建模方法，将一、二系悬挂装置的作用力通过各种力元作用实现，充分考虑悬挂装置的非线性特性，建立该型动车组的动力学仿真模型，见图1。

将车体、转向架、轮对轴箱装置均视为刚体，充分考虑各部件间的连接关系，其中：车体、转向架和轮对均有6个自由度，即纵向x、横向y、垂向z、侧滚φ、点头γ和摇头ψ；轴箱有1个绕轮对的转动自由度γ。整车动力学系统共有15个刚体、50个自由度[6]。

在动力学仿真计算中，以京沪高速实测轨道不平顺度为轮轨激励，模型采样频率设为1 000 Hz，模拟的线路长度设为10 km，并取30～60 s的计算结果进行分析。

2 仿真试验

重点研究减振器出现漏油故障时的动力学行为。由减振器的工作原理可知，当发生漏油故障时，减振器会失去衰减振动作用。因此，在本文建立的动力学模型中考虑抗蛇形减振器功能完全丧失的情况，此时将液压减振器的阻尼[7]设为0。

抗蛇形减振器故障设置5种情况：故障1为前转向架左侧1个抗蛇形减振器失效；故障2为前转向架左侧2个抗蛇形减振器全部失效；故障3为前后转向架左侧2个抗蛇形减振器全部失效；故障4为前转向架两侧2个抗蛇形减振器全部失效；故障5为全部抗蛇形减振器失效。

2.1 安全性指标计算结果

脱轨因数与轮重减载率是评价车辆行驶安全性的基本指标。[8]对这2个指标进行计算分析，车辆行驶速度为250～380 km/h时在不同故障状态下的脱轨因数和轮重减载率分别见图2和3。

脱轨因数随车辆行驶速度的增大而增大，随减振器失效个数的增加而增大。当前转向架左侧1个抗蛇形减振器失效时：行驶速度小于300 km/h，脱轨因数变化不大；行驶速度大于300 km/h时，脱轨因数迅速增大；行驶速度为325 km/h时，脱轨因数为0.747，接近安全限值0.8；行驶速度为380 km/h时，脱轨因数为1.9，远大于安全限值0.8。在其他故障状态下，行驶速度为250 km/h以上时，脱轨因数最低（故障2）为1.4，远大于0.8，不满足行车安全性要求。

轮重减载率随车辆行驶速度的增大而增大。前转向架左侧1个抗蛇形减振器失效时：在行驶速度为325 km/h以下时，轮重减载率小于0.65，满足行车安全性要求；在行驶速度为350 km/h以上时，轮重减载率大于0.65，不满足行车安全性要求。2个及以上抗蛇形减振器失效时，相同速度级的轮重减载率数值差别不大，行驶速度为300 km/h以下时的轮重减载率均小于0.65，行驶速度为300 km/h以上时的轮重减载率均大于0.65，不满足行车安全性要求。

2.2 平稳性分析

我国评价机车车辆/动车组平稳性的指标包括车体横向、垂向振动加速度和横向、垂向Sperling平稳性指标[9]。行驶速度为250～380 km/h时车体的平稳性指标计算结果见图4～7。

由图4可以看出，车辆垂向振动加速度随车辆行驶速度的增大而增大，随减振器失效个数的增加而增大。1个抗蛇形减振器失效对车体垂向振动加速度影响不大，当2个及以上抗蛇形减振器失效时，车体垂向振动加速度明显大于正常态的加速度，抗蛇形减振器全部失效时，垂向振动加速度最大值为0.616 m/s2。

由图5可以看出，车体横向振动加速度随车辆

行驶速度的增大而增大。当前转向架左侧1个抗蛇形减振器失效时：行驶速度为300 km/h以下时，车体横向振动加速度略高于正常态；行驶速度为325 km/h以上时，车辆横向振动加速度明显增大。当2个及以上抗蛇形减振器失效时，相同速度的橫向振动加速度最大值差别不大。当行驶速度为380km/h、前转向架两侧抗蛇形减振器失效时，车体横向振动加速最大值为1.131 m/s2。

由图6可以看出，车体垂向平稳性指标随车辆行驶速度的增大而增大。1个抗蛇形减振器失效对车辆垂向平稳性指标影响较小。当2个及以上抗蛇形减振器失效时，垂向平稳性指标与正常态相比增大明显。全部抗蛇形减振器失效时，车辆垂向平稳性指标为2.19。

由图7可以看出，当前转向架左侧1个抗蛇形减振器失效时：行驶速度为300 km/h以下时，横向平稳性指标略高于正常态；行驶速度为325 km/h以上时横向平稳性指标明显增大；行驶速度为350 km/h以上时横向平稳性指标大于2.5，不满足行车平稳性要求。行驶速度为250 km/h以上、2个及以上抗蛇形减振器失效时，横向平稳性指标均大于2.5，不满足行车平稳性要求。

2.3 稳定性分析

针对车辆稳定性指标，计算发生故障时列车的抗蛇形临界速度。在SIMPACK中给车辆模型的第一轮对施加6 mm的初始横移量，然后使车辆以一定的速度行驶在水平直线线路上，通过观察第一轮对的横向位移是否收敛判断车辆系统的稳定性[10]，抗蛇形临界速度计算结果见表1。

由表1可以看出，抗蛇形减振器失效时对车辆抗蛇形临界速度影响较大。当1个抗蛇形减振器失效时，车辆蛇形临界速度为328 km/h，下降31.8%；当2个转向架左侧抗蛇形减振器失效时，临界速度为190 km/h，下降60.5%；当抗蛇形减振器全部失效时，临界速度为201 km/h，下降58.2%。

3 结 论

对所建立的车辆动力学模型进行计算分析可知，车辆动力学性能各项指标随列车行驶速度的增大而增大，随抗蛇形减振器失效个数的增加而增大。

在多种情况下列车脱轨因数大于0.8、轮重减载率大于0.65，不满足行车安全性要求，包括：（1）前转向架左侧1个抗蛇形减振器失效、行驶速度在350 km/h以上；（2）前转向架左侧2个抗蛇形减振器失效；（3）2个转向架左侧抗蛇形减振器失效、前转向架两侧抗蛇形减振器失效；（4）全部抗蛇形减振器失效、行驶速度在250 km/h以上。与此同时，横向平稳性指标大于2.5，也不满足行车平稳性要求。

当抗蛇形减振器失效时，车辆的抗蛇形临界速度急剧下降，其中2个转向架左侧抗蛇形减振器失效时的临界速度最低为190 km/h，下降幅度达60.5%。

参考文献：

[1] 李异. 铁路液压减振器的应用研究[D]. 成都： 西南交通大学， 2007.

[2] 宋昊， 罗赟， 陈国胜. 200 km/h六轴大功率客运电力机车故障态动力学性能分析[J]. 机车电传动， 2011（5）： 10-13.

[3] ALONSO A， GIMNEZ J G， GOMEZ E. Yaw damper modelling and its influence on railway dynamic stability[J]. Vehicle System Dynamics， 2011， 49（9）： 1367-1387. DOI： 10.1080/00423114.2010.515031.

[4] 王成国， 李海涛， 邢云明， 等. 铁道车辆减振器的数字设计[J]. 计算机辅助工程， 2006， 15（S1）： 385-387.

[5] 胡晓依， 岳仁法， 宋志坤. 高速动车组悬挂部件失效动力学性能研究[J]. 铁道车辆， 2017， 55（7）： 1-6.

[6] 缪炳荣， 方向华， 傅秀通. SIMPACK动力学分析基础教程[M]. 成都： 西南交通大学出版社， 2008.

[7] 李海涛， 王成国. 基于轨道车辆频域模型的二系垂向悬挂元件状态监测[J]. 铁道机车车辆， 2008， 28（2）： 1-5.

[8] 任尊松. 车辆动力学基础[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2009.

[9] 陈嵘， 王平， 陈小平. 客运专线舒适性评价问题探析[J]. 铁道工程学报， 2005（6）： 6-9.

[10] 庞松林. CRH2型高速动车组车轮镟修策略的研究[D]. 北京： 北京交通大学， 2016.

（编辑 武晓英）