统一转向架动力学研究

史 炎

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 成都 610031)

现有动车组型号过多，技术标准不统一，零部件难以互换。笔者设计了统一转向架，并作了两节车连挂动力学计算，达到了预期结果。统一转向架编组列车各节车之间基本上无高度差，省去了车钩高度尺寸调整工艺环节。

1 统一转向架结构

现在的动车组采用动车与拖车编组，动车转向架负责牵引和高速时电制动，拖车转向架负责低速时机械制动。统一转向架的理念是将动与拖的概念同时引入同一个转向架，即一个转向架包括一个动轴与一个拖轴，这样的转向架兼备驱动力、制动力，实现了前、后车体牵引、制动同步，理论上车体之间不存在作用力，因此车钩不受力，只是起到一个隔离作用。

如图1所示，将动车转向架的一半与拖车转向架的一半组合在一起形成统一转向架。由于驱动装置比制动装置重，动轴的承重大些。按照CRH2动车组参数，动车转向架重7.5 t，拖车转向架重7.0 t，换算到统一转向架，动轴比拖轴重0.25 t，按轴重13 t计算，动轴轴重比拖轴轴重大1.9%，属于可接受范围，文中的动力学计算采用此方式。如果苛求轴重一致，可用多种方法配平，例如在拖轴端加配重、利用杠杆原理改变车体支点等，其中杠杆法最简单，即将空气弹簧安装座向拖轴一侧平移若干距离。

图1 统一转向架结构示意图

每节车两个统一转向架的4个轮对按拖轴、动轴、动轴、拖轴的顺序布置，在一列车里，一节车不论那一端与前车相连这个顺序都不会改变，从而减小了编组难度，如图2所示。

图2 两个统一转向架车下排列

2 动力学模型

运用SIMPACK多体动力学软件先建立带两节车体的列车动力学通用模型，如图3所示，它包括2个车体，4个转向架，16个轴箱。不考虑车体、转向架构架、车轮等部件本身的弹性变形，将列车视为一个复杂的多刚体、多自由度的非线性振动系统，各刚体通过弹簧和减振器相互连接。车辆的悬挂参数和踏面见表1[1]。

表1 转向架的结构参数

图3 通用列车动力学模型

车体之间使用5号力元件连接，使用93号力元件按需驱动车轴。按列车总质量相同的原则，将列车动力学通用模型各部件质量赋与不同的值形成两种不同的模型。

动车组：拖车在前，动车在后，分别修改动车、拖车车体质量，第5位轴～第8位轴分别受到93号力元件纵向力作用。

统一转向架编组：每节车质量为动车、拖车质量的平均值；第2位轴、第3位轴、第6位轴、第7位轴受到93号力元件纵向力作用；驱动单元比制动单元多出的0.25 t质量加到动轴上。

2.1 中间车钩缓冲器特性曲线

按文献[2]设定中间车钩缓冲器特性曲线,如图4示。

2.2 列车牵引力

参考文献[3]设定牵引电机额定转矩M=1 640 Nm，车轮半径r=0.43 m，传动齿轮箱主、从齿轮齿数比为85/28，转动比i=3.04，齿轮转动效率η=0.97。

根据轮周牵引力计算公式：

计算出每个动轴产生的牵引力为11.23 kN，假设电机启动10 s后达到额定转矩，电机牵引力曲线如图5所示，SIMPACK中规定牵引力曲线为负值、制动力曲线为正值。

图4 中间车钩缓冲器力—位移曲线

图5 电机牵引力曲线

2.3 平稳性评价

采用GB/T5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》标准，按照Sperling平稳性指标评定车辆运行平稳性。在每节车地板距前转向架中心横向1 m处布置一个传感器分析平稳性，前车传感器记为S1，后车传感器记为S2。我国对Sperling指标分级进行了简化，客车平稳性等级如表2所列。

表2 平稳性评定指标等级表

2.4 舒适度指标

国际标准化组织 (ISO) 在综合了大量有关人体承受全身振动的研究工作和文献的基础上，制订了国际通用标准(ISO 2631-74)《人体承受全身振动的评价指南》，一般采用ISO 2631基本的评价方法，即用加权均方根值加速度表示舒适度限制，按式(1)计算。

(1)

式中：Aω为权加速度有效值；aω(t)为时间函数的加权加速度；T为测量时间长度。ISO 2631舒适度限制标准对x、y、z三个方向都做了评判，适合作对比分析，各方向振动舒适度指标如表3所示。

表3 ISO 2631舒适度标准

在每节车地板中心处布置一个传感器分析舒适度，前车传感器记为C1，后车传感器记为C2。

3 结果分析

3.1 非线性临界速度

列车以一个远高于临界速度的初速度通过一段有横向正弦激励的轨道完全振荡起来，然后恢复在光滑线路上运行。用5号力元在大地与车体之间施加一个恒定或递增阻力为列车降速，恒定阻力法：给纵向名义力赋值；递增阻力法：给纵向刚度赋值。以横向位移收敛最慢的轮对为准，其收敛时的速度即为列车的非线性临界速度。文中计算采用递增阻力法，纵向刚度赋值20 N/m，列车初速度600 km/h。

两种列车第5轮对临界速度最低，统一转向架编组非线性临界速度365.0 km/h，动车组非线性临界速度343.0 km/h，如图6所示，统一转向架编组临界速度略高于动车组。

图6 列车非线性临界速度

3.2 起动工况

不加激扰，列车起动加速，电机达到额定转矩后，动车组车钩力稳定在21.2 kN，统一转向架编组的车钩力回复到零。牵引力稳定后，统一转向架编组的车钩力最大振荡幅度为122 N，远低于动车组的车钩力，如图7所示。

列车从起动到速度10 km/h，统一转向架编组加速度达到了0.41 m/s2，用时11.06 s，如图8所示。

图7 起动工况车钩力对比

图8 统一转向架编组加速度

3.3 平稳性和舒适度

在直线道路上输入一段德国高干扰谱作为激励，列车速度在100 km/h、150 km/h、200 km/h、250 km/h、300 km/h时加速行驶一段时间，加速度为0.41 m/s2。

图9、图10分别给出了加速状态下列车以不同速度通过直线线路时Sperling平稳性指标，随着速度增大，车体横向和垂向平稳性指标呈上升趋势。相同速度下，动车组的前后车体横向和垂向平稳性指标偏差比较大，前车体比后车体平稳，横向平稳性指标变化范围为2.349～2.678，垂向平稳性指标化范围为2.080～3.498；统一转向架编组前后车体横向和垂向平稳性指标基本相同，介于动车组的前后车体横向和垂向平稳性指标之间，横向平稳性指标变化范围为2.375～2.636，垂向平稳性指标化范围为2.087～3.096。两种列车的横向平稳性指标都合格；速度达到200 km/h以上时，动车组垂向平稳性指标不合格，统一转向架编组在速度300 km/h时，垂向平稳性指标才到不合格的边缘。

图9 横向平稳性指标随车速变化图

图10 垂向平稳性指标随车速变化图

图11～图13分别给出了加速状态下列车以不同速度通过直线线路时ISO 2631标准下的舒适度指标。速度低于300 km/h，两种列车各方向舒适度值均小于1级指标0.315，人体感觉非常舒适。统一转向架编组前后车体各方向舒适度值保持一致，介于动车组的前后车体各方向舒适度值之间。

图11 纵向舒适度随车速变化图

图12 横向舒适度随车速变化图

图13 垂向舒适度随车速变化图

3.4 曲线工况

比较两种编组方式在低速与高速时的曲线通过性能，对线路全程施加德国高干扰谱。以低速90 km/h速度通过300 m曲线半径的线路，其缓和曲线长100 m，圆曲线长200 m，曲线超高0.2 m。以高速220 km/h速度通过1 000 m曲线半径的线路，其缓和曲线长300 m，圆曲线长200 m，曲线超高0.4 m。从车钩力、整车磨耗功率、脱轨系数、轮轴横向力方面对比分析两种列车的性能，脱轨系数取最大值，轮轴横向力取圆曲线段的RMS值。

如图14所示，列车通过曲线的速度不论是高速还是低速，统一转向架编组的车钩力只与线路干扰有关；而动车组的车钩力由两部分组成：线路干扰，动车对拖车的推力。

不论是高速还是低速，统一转向架编组的整车磨耗功率稍微低于动车组的，轮轨磨耗程度相当，如图15所示。

如图16所示，低速时，两种编组各轴脱轨系数相同；统一转向架编组各轴的轮轴横向力RMS值稍优于动车组的。

图14 曲线工况车钩力比较

图15 整车磨耗功率比较

图16 低速时各轴动力学参数

如图17所示，高速时，动车组的脱轨系数最大，发生在动车组的第1位轴；统一转向架编组各轴的轮轴横向力RMS值优于动车组的。

图17 高速时各轴动力学参数

4 结 论

利用SIMPACK多体动力学软件对两种列车编组进行模型建立和振动分析研究，通过对比分析初步得到如下结论：

(1)统一转向架编组前后车体各方向平稳性指标、舒适度指标基本相同，处在动车组前后车体各方向平稳性指标、舒适度指标之间，从而提高了列车的整体平稳性和舒适度。

(2)直线、曲线工况下，统一转向架编组列车的车钩力理论上为零，但是受线路不平顺的影响导致前后车辆行驶不同步从而使车钩拉伸或压缩。激励撤销后，统一转向架编组的车钩力消失，而动车组的车钩力大小为动车对拖车的推力。

(3)曲线工况下，统一转向架编组与动车组对线路的磨耗程度相同；统一转向架编组的动力学指标与动车组相当。