车端纵向减振器对动车组性能的影响

时 蕾,宋慧娟,郭兆团,吴佳佳,徐传波,

(1.郑州铁路职业技术学院 机车车辆学院,郑州 450052; 2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,成都 610031)

减振器主要作用就是将振动机械能转化为内能,达到减小振动的目的.减振器根据其功能、安装位置不同,可以分为一系垂向减振器、二系垂向减振器、二系横向减振器、抗蛇行减振器、电机横向减振器、车端纵向及横向减振器等[1].车端纵向减振器主要作用就是有效吸收相邻两车之间的振动,衰减车辆的摇头和侧滚运动,提高车辆运行平稳性及乘坐舒适性.

为了提高车辆平稳性以及乘坐舒适性,很多国家高铁已经在两辆车之间安装了车端减振器,如日本新干线300X、500系、700系,法国TGV列车,瑞典X2000,中国CRH380A及国内外一些低地板车辆[2]等,均在两车之间安装了车端纵向减振器.相关文献表明,安装车端纵向减振器可以有效降低车辆1～2 Hz的横向振动,即可以有效抑制车体低频晃动[3].文献[4-5]表明,传统车辆的连接方式使得车间的约束很弱,车体的摇头和侧滚振动得不到有效的抑制，而安装车端减振器可以使车体摇头角降低约36.4%,平稳性能可以提高约4.4%,磨耗指数可以降低约2%.由此可知,在高速列车上,安装合适刚度和阻尼的车端纵向减振器可以有效提高车辆平稳性及舒适性.文献[6-7]对车端减振器展开了研究,但均未基于减振器参数设计角度考虑.本文通过SIMPACK仿真,以参数设计优化角度为出发点展开研究.主要针对如何设计车端减振器参数,对其悬挂参数进行优化.同时，针对车端减振器卸荷速度、卸荷力对车辆动力学性能的影响进行了分析,根据动力学性能最优化选择车端减振器悬挂参数,有一定的工程应用价值.

1 车辆系统数学模型

为了分析动车组车端减振器对其动力学性能的影响,基于SIMPACK建立了我国某高速动车组动力学模型,如图1所示.该车辆基本参数:车辆定距17 500 mm,轴距2 500 mm,车轮滚动圆横向跨距1 493 mm,车轮滚动圆直径860 mm,轮对内侧距1 353 mm,车轮外形为LMA型踏面,采用60 kg钢轨.相邻两车体之间装有车端纵向减振器,该车端纵向减振器卸荷速度为0.006 m/s,卸荷力为5 880 N.高速动车组是一个复杂的多体系统,不但有各部件之间的相互作用力和相对运动,而且还有轮轨之间的相互作用关系.因此,理论计算分析模型只能根据研究的主要目的和要求,对一些次要因素进行相应的假定或简化,而在对动力学性能影响较大的主要因素上尽可能作出符合实际情况的模拟.为了更好地模拟高速动车组的运行性能,在建模时考虑了车辆横向和垂向运动的耦合.

图1 我国某高速动车组动力学计算模型Fig.1 The dynamic model of EMUs of our country

高速动车组每节车由1个车体、2个构架、4个轮对和8个转臂组成.车体有6个自由度,即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头;构架有6个自由度,即纵向、横向、垂向、摇头、点头;轮对有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);转臂只有1个自由度,即点头.每节车共有50个自由度.

2 车端纵向减振器对车辆稳定性的影响

车辆稳定性一般通过计算车辆蛇行临界速度来考察,临界速度越大,稳定性越好,反之越差.本文计算临界速度方法为:给定一段有限长的实际轨道随机不平顺激扰样本函数(本文实际选取1级线路谱),首先，让列车运行在不平顺轨道上并激发其振动；然后,让列车运行在理想光滑轨道上,通过观察系统的振动能否衰减到平衡位置,来判断系统是否出现蛇行失稳.如在某一车速下系统的振动不再收敛到平衡位置,则这时的车速值即为系统的实际临界速度.

图2和图3表示车端减振器卸荷速度、卸荷力对车辆蛇行临界速度的影响,其中卸荷速度变化范围为0.001～0.100 m/s,卸荷力变化范围为1～20 kN.从图2中可以发现：当卸荷力一定时,随着卸荷速度增加,车辆蛇行临界速度逐渐减小,即卸荷速度越大,稳定性越差.从图2中还可以发现,卸荷速度在0.001～0.050 m/s变化时,临界速度下降得较快,即卸荷速度在0.001～0.050 m/s这一范围内对临界速度影响较大.当卸荷速度大于0.050 m/s时,卸荷速度对临界速度影响非常小.从图3中还可以发现：当卸荷速度一定时,随着卸荷力增加,临界速度也有所增加,卸荷速度越小,临界速度增加的越明显,即车辆稳定性随着卸荷力的增加有所改善,且对应的卸荷速度越小,改善效果越明显.

图2 车端减振器卸荷速度对临界速度影响Fig.2 The unloading speed of inter-vehicle damper

图3 车端减振器卸荷力对临界速度影响Fig.3 The unloading force of inter-vehicle damper

3 车端纵向减振器对车辆平稳性的影响

为了较为完整地反映高速动车组的实际动态响应,计算时先让动车组在一段无激扰直线轨道上运行,然后在一段足够长的不平顺轨道上运行.车体加速度响应数据的采样从高速动车组运行一段距离后开始进行,数据的采样、处理和分析方法及平稳性指标计算方法则根据《200 km/h以上速度级动车组动力学性能试验鉴定方法及评定标准》进行,平稳性指标按照标准GB 5599—85[8]评价,舒适性按UIC 513[9]评价.由于车辆之间的耦合运动,本文选择研究车端纵向减振器对头车平稳性的影响进行分析.平稳性计算分析线路工况为直线,运行速度为300 km/h,轨道谱为1级线路普,考察指标主要包括横向、垂向平稳性和乘坐舒适性.

图4和图5分别为车端减振器卸荷速度、卸荷力对车辆横向平稳性的影响.从图4中可以发现：卸荷力一定时,随着卸荷速度的增加,横向平稳性指标也有所增加,即横向平稳性有所恶化；当卸荷速度在0.001～0.020 m/s范围变化时,卸荷速度对横向平稳性影响较明显;当卸荷速度大于0.020 m/s时,卸荷速度对横向平稳性影响逐渐减小.从图5中可以发现：随着卸荷力增加,横向平稳性指标逐渐减小,即横向平稳性越好；卸荷速度越小,卸荷力对横向平稳性影响越大.

图6和图7分别表示车端减振器卸荷速度、卸荷力对车辆垂向平稳性影响.从图6中可以发现：卸荷力一定时,随着卸荷速度的增加,垂向平稳性有所恶化；平稳性指标总体在1.90～1.95之间变化,即可认为车端减振器卸荷速度对垂向平稳性影响不是很明显.从图7中可以发现：卸荷速度一定时,随着卸荷力增加,垂向平稳性有所改善,但整体改善也不明显.

图4 车端减振器卸荷速度对车辆横向平稳性的影响Fig.4 The unloading speed of inter-vehicle damper

图5 车端减振器卸荷力对车辆横向平稳性的影响Fig.5 The unloading force of inter-vehicle damper

图6 车端减振器卸荷速度对车辆垂向平稳性的影响Fig.6 The unloading speed of inter-vehicle damper

图7 车端减振器卸荷力对车辆垂向平稳性的影响Fig.7 The unloading force of inter-vehicle damper

图8和图9分别为车端减振器卸荷速度、卸荷力对乘坐舒适性影响.从图8和图9中可以发现,车端减振器对乘客乘坐舒适性能影响比较大.从图8中可以发现,卸荷力一定,随着卸荷速度增加,乘坐舒适性能有所恶化;从图9中可以发现,卸荷速度一定,随着卸荷力增加,乘坐舒适性能一定改善.

图8 车端减振器卸荷速度对乘坐舒适性的影响Fig.8 The unloading speed of inter-vehicle damper

图9 车端减振器卸荷力对乘坐舒适性的影响Fig.9 The unloading force of inter-vehicle damper

4 车端纵向减振器对车辆安全性的影响

计算安全性方法为:让高速动车组以某一速度通过一段曲线,计算其轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率线等.仿真计算线路工况为曲线,曲线第1段直线200 m,第1段缓和曲线300 m,圆曲线300 m(半径7 000 m,超高97 mm),第2段缓和曲线300 m,即将出曲线第2段直线200 m,车辆运行速度为300 km/h,轨道谱为1级线路谱.

图10～图12分别为车端减振器卸荷速度、卸荷力对其轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率线的影响.从图10～图12可以发现：当卸荷速度变化范围在0.001～0.005 m/s时,随着卸荷速度增加,轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率均有所减小,即安全性有所提高；当卸荷速度大于0.005 m/s时,卸荷速度、卸荷力对轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率线几乎没有什么影响.

图10 车端减振器卸荷速度和卸荷力对轮轴横向力的影响Fig.10 The unloading speed and unloading force of

图11 车端减振器卸荷速度和卸荷力对脱轨系数的影响Fig.11 The unloading speed and unloading force of

图12 车端减振器卸荷速度和卸荷力对轮重减载率的影响Fig.12 The unloading speed and unloading force of

5 结论

车端纵向减振器可以有效抑制车体低频晃动,还可以抑制车辆摇头和侧滚运动,同时，可以有效提高车辆平稳性及舒适性.本文主要基于动力学软件SIMPACK，建立了我国某高速动车组动力学模型,仿真分析了车端减振器对车辆稳定性、平稳性、安全性的影响,为车端减振器设计选取卸荷速度、卸荷力提供了依据，具有一定的工程应用价值.得到了以下结论:

(1) 车辆临界速度随着卸荷速度减小而增加,随着卸荷力增加而增加.

(2) 车辆平稳性随着卸荷速度增加有所恶化,随着卸荷力增加有所改善.

(3) 当卸荷速度位于0.001～0.005 m/s时,随着卸荷速度增加,车辆安全性有所改善;当卸荷速度大于0.005 m/s时,对车辆安全性的影响不明显.

(4) 卸荷速度太小,车辆安全性无法达到最优状态,卸荷速度太大,其稳定性、平稳性无法达到最优状态,经过上述分析,卸荷速度可以选取在0.005～0.010 m/s.该高速动车组卸荷速度选取值为0.006 m/s,在最优化范围内.

(5) 卸荷力太小会影响车辆动力学性能,过大卸荷力又会对减振器造成一定破坏.为了达到最优化,卸荷力可以选取在10 kN左右,该高速动车组卸荷力为5.88 kN,有些偏小,建立适当将卸荷力增大到10 kN左右.