悬挂系统参数对轨交车辆运行平稳性的影响分析

西南交通大学 希望学院 四川成都 610400

近年来,铁路凭借快速、安全、平稳的突出优势,在我国得到了快速发展。截至2018年底,我国铁路运营里程达到131 000 km。铁路运营安全是基础,随着铁路的快速发展,旅客对舒适性也提出了越来越高的要求。为保障车辆安全、舒适运行,车辆悬挂系统通常采用两级悬挂,通过对悬挂系统参数进行优化设计和设置,提高车辆运行的安全性和平稳性。对此，笔者借助SIMPACK软件,分析采用转臂式转向架的车辆悬挂系统主要参数对车辆平稳性运行的影响。

1 车辆悬挂系统作用

悬挂系统是车辆和线路之间传递作用力与运动的主要载体,悬挂系统参数的变化将直接影响作用力的传递和车体振动状态,是影响车辆动力学性能的关键因素。

车辆系统中,在车辆转向架轴箱处设置一系悬挂,也称作轴箱悬挂。同时，在构架与车体连接处设置二系悬挂[1]。二系悬挂的主要组成部件有二系横向减振器、二系垂向减振器、空气弹簧悬挂装置、抗侧滚扭杆装置、横向止挡等。悬挂系统起着两个方面的作用:一是传递作用力,通过二系悬挂装置将车体载荷传递到构架上;二是提高列车运行的安全性和稳定性,提高乘坐舒适性。[2]

2 动力学模型

笔者着重围绕某型客车转向架悬挂系统展开研究,应用SIMPACK软件建立车辆悬挂系统垂向动力学模型，如图1所示[3]。在该动力学模型中,通过一系悬挂装置将轮轨作用力传递给转向架构架,再通过二系悬挂装置传递给车体。该模型中主要的一系悬挂参数有一系悬挂刚度、一系垂向阻尼、转臂式定位刚度等，二系悬挂参数有空气弹簧刚度、二系横向阻尼、二系垂向阻尼等。

▲图1 车辆悬挂系统垂向动力学模型

在建立车辆悬挂系统垂向动力学模型过程中,选用SIMPACK软件中点到点2号阻尼力元、点到点并联4号弹簧阻尼力元及5号紧凑力元,同时选用13号弹簧阻尼力元来分析抗侧滚扭杆性能。在建立的车辆悬挂系统垂向动力学模型中,共选用八个5号紧凑力元仿真一系悬挂系统的轴向弹簧，选用八个6号弹簧阻尼力元仿真一系垂向阻尼。二系悬挂系统中,设置四个横向减振器、四个空气弹簧及两个抗蛇行减振器[4]。

3 主要参数

车辆悬挂系统垂向动力学模型的各项主要参数见表1,按表中各参数分析车辆相关动力学指标。

表1 车辆悬挂系统垂向动力学模型主要参数

4 车辆运行平稳性指标

列车在线路上运行,受到外界激励会引起车辆系统的振动,常见的有轨道激扰、车体偏心、踏面磨损和自然环境条件[4]。采用悬挂系统可控制振动,确保货物的完整性和乘客的舒适性。

评价车辆乘坐舒适度最直接的指标是车体振动加速度,为了准确地对舒适度进行评价,不仅要考虑加速度的大小,而且要考虑加速度振动频率的影响及跳动度。当用加速度振动频率评定舒适性时,一般采用Sperling指标。

Sperling指标是基于大量试验而制定的平稳性指标,通常用于评价车辆本身的运行品质和旅客舒适度。平稳性指标W为[5-7]:

(1)

式中：A为振动加速度，cm/s2；f为振动频率，Hz；F(f)为关于振动频率的修正因数。

考虑到人体对各种振动频率的敏感度不同，引入F(f)参数,其垂向和横向的值各不相同。

实际测得的振幅随时间而变化,按照不同的采样频率处理,最终平稳性指标WΣ为：

(2)

根据国家标准GB/T 5599—1985规定,振动频率修正因数和客车运行平稳性等级见表2和表3[8]。

表2 振动频率修正因数

表3 车辆运行平稳性指标与等级

5 平稳性分析

车辆运行品质的优良取决于悬挂参数的大小,笔者主要考虑直线运行时悬挂参数对横向、垂向平稳性的影响[9-10]。

5.1 直线运行

在SIMPACK软件中,为模拟轨道的随机不平顺,提供了三种方法。一是确定性函数,如正余弦、阶跃和锯齿函数,便于进行理论分析。二是随机函数,轨道激励用多项式函数描述。三是将现场实测的数据作为激励。在仿真模型中,笔者采用随机函数给每侧钢轨按美国五级轨道谱频率施加激扰力。根据GB/T 5599—1985规定,加速度采集位置位于距转向架中心横向1 m的车体地板上。

图2所示为车辆运行速度在20～130 km/h变化时,车体垂向平稳性指标的变化趋势。随着运行速度的提高,轮轨激扰力增大,垂向振动加速度增大,垂向平稳性指标逐渐升高。当运行速度为130 km/h时,平稳性指标达到最大,其数值为2.2,根据我国标准，车辆的垂向平稳性指标W小于2.5时运行品质为优。

人体对横向振动和垂向振动的振动敏感度不同。横向振动时,人体对低于2 Hz的振动频率敏感。垂向振动时,人体对4～8 Hz的振动频率敏感。而车体的振动频率较低,一般为0.7～1.2 Hz。因此,人体更能够感受到横向振动。图3所示为客车运行速度在20～130 km/h时,车体横向平稳性指标的变化趋势。随着车辆运行速度提高,横向平稳性指标逐渐升高,当速度为130 km/h时,达到最大值,此时运行品质仍为优。

▲图2 车体垂向平稳性指标变化趋势▲图3 车体横向平稳性指标变化趋势

5.2 一系悬挂

图4所示为垂向平稳性指标随轴箱弹簧刚度变化趋势。由图4可以看出,无论增大轴箱弹簧横向、纵向刚度,还是增大垂向刚度,垂向平稳性指标都升高,但升高量非常小，车辆的动力学性能变差。轴箱弹簧垂向刚度为0.8 MN/m,横向、纵向刚度为0.8～1.4MN/m时,横向、纵向刚度增大为1.75倍,但垂向平稳性指标仅升高0.02,升高率为1%。因此,轴箱弹簧刚度对垂向平稳性指标影响很小,可以不予考虑。

▲图4 垂向平稳性指标随轴箱弹簧刚度变化趋势

图5所示为横向平稳性指标随轴箱弹簧刚度变化趋势。由图5可以看出,无论是增大轴箱弹簧垂向刚度,还是增大横向、纵向刚度,横向平稳性指标都在下降,车辆动力学性能变好,但横向平稳性指标变化很小。可见，在直线运行时,可以不考虑轴箱弹簧刚度对平稳性指标的影响。

▲图5 横向平稳性指标随轴箱弹簧刚度变化趋势

图6、图7所示分别为垂向和横向平稳性指标随转臂定位刚度变化趋势。随着转臂横向、纵向定位刚度的减小,垂向和横向平稳性指标均出现下降,车辆动力学性能变好,但整体影响不大。可见，研究直线运行时的车辆动力学性能,可以不考虑转臂定位刚度对垂向和横向平稳性的影响。

▲图6 垂向平稳性指标随转臂定位刚度变化趋势

图8、图9所示分别为垂向和横向平稳性指标随一系垂向减振器卸荷速度变化趋势。可以看出,当卸荷力一定时,垂向平稳性指标随着卸荷速度升高而降低,而横向平稳性指标则几乎没有影响。

▲图7 横向平稳性指标随转臂定位刚度变化趋势▲图8 垂向平稳性指标随一系垂向减振器卸荷速度变化趋势▲图9 横向平稳性指标随一系垂向减振器卸荷速度变化趋势

5.3 二系悬挂

二系弹簧悬挂系统通常使用空气弹簧,可提供三个方向的动态刚度。图10所示为垂向平稳性指标随空气弹簧刚度变化趋势。可以看出，空气弹簧横向、纵向刚度对垂向平稳性指标的影响不大,但垂向刚度对垂向平稳性指标的影响明显。空气弹簧横向、纵向刚度为0.18 MN/m,垂向刚度为0.38～0.63 MN/m时,垂向平稳性指标从2.0升高到2.4,舒适度为优。由于垂向刚度增大,车体的振动加速度增大,垂向平稳性指标也升高。可以得出结论,空气弹簧垂向刚度增大时,垂向平稳性指标升高,动力学性能变差,横向、纵向刚度对垂向平稳性指标的影响不大。

▲图10 垂向平稳性指标随空气弹簧刚度变化趋势

图11所示为横向平稳性指标随空气弹簧刚度变化趋势。可以看出,空气弹簧横向、纵向刚度对横向平稳性指标的影响较大,而空气弹簧垂向刚度对横向平稳性指标的影响不大。

▲图11 横向平稳性指标随空气弹簧刚度变化趋势

图12、图13所示分别为横向、垂向平稳性指标随抗蛇行减振器卸荷速度变化趋势。可以看出,卸荷力一定时,横向、垂向平稳性指标均随卸荷速度升高而降低,车辆性能变好,舒适度提高。因此,较小的减振器阻尼因数有利于平稳性的改善。

图14、图15所示分别为垂向、横向平稳性指标随二系横向减振器卸荷速度变化趋势。可以看出，卸荷力一定时,随着卸荷速度的升高,横向、垂向平稳性指标均在下降,平稳性得到改善。卸荷速度一定时,随着卸荷力减小,横向、垂向平稳性指标均在下降,平稳性提高。

▲图12 横向平稳性指标随抗蛇行减振器卸荷速度变化趋势▲图13 垂向平稳性指标随抗蛇行减振器卸荷速度变化趋势

6 结束语

伴随着高铁时代的到来,人们对车辆安全性、运营速度和舒适度有了更高要求，这就要求设计者要更加了解影响车辆动力学性能的关键问题,优化悬挂参数,改善车辆的动力学性能。笔者研究悬挂系统参数对车辆运行平稳性的影响。对于一系悬挂，随着车辆运行速度的提高,车体的横向和垂向平稳性均显著升高;在直线运行时，轴箱弹簧刚度对平稳性的影响较小，随着转臂横向、纵向、垂向刚度的增大,车体的垂向平稳性指标升高,横向平稳性指标下降,但变化不明显;随着一系垂向阻尼因数的增大,车体的垂向和横向平稳性指标升高,但是影响不大。对于二系悬挂，空气弹簧横向、纵向刚度为0.18～0.28 MN/m,垂向刚度为0.38～0.63 MN/m时,随着垂向刚度的增大,垂向平稳性指标升高,而对横向平稳性指标的影响不大;适当减小抗蛇形减振器阻尼因数和横向减振器阻尼因数，可以提高车辆的运行平稳性。

▲图14 垂向平稳性指标随二系垂向减振器卸荷速度变化趋势▲图15 横向平稳性指标随二系横向减振器卸荷速度变化趋势