服役转臂节点刚度对运营车辆动力学影响研究

2020-05-29宋志坤胡晓依

铁道学报 2020年4期

宋志坤，王皓，胡晓依，孙琛，成棣,李强

(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044;2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

转臂式轴箱定位方式由于结构简洁、各向定位刚度选取独立与方便被各型动车组广泛运用。转臂节点由芯轴、橡胶弹簧、套筒组成，用以连接轮对与转向架从而传递牵引与制动力。但是随着橡胶转臂节点服役里程增加，受列车运行时产生的机械应力以及恶劣的环境因素影响，转臂节点橡胶弹簧会发生老化或疲劳现象，使转臂节点刚度发生改变，从而影响车辆动力学性能。

文献[1]针对CRH2型动车组轴箱转臂节点进行了60万km服役里程下刚度测试并进行了定位节点残余寿命分析。文献[2]仿真研究了在不同踏面类型条件下轴箱定位刚度对车辆动力学性能的影响。文献[3]研究了变刚度转臂定位节点对车辆动力学性能的影响，推导了变刚度模型的运动方程，研究了激扰频率和幅值对模型动态刚度的影响规律。文献[4]通过单轴、双轴与平面拉伸试验，研究了橡胶隔振器的静态性能。文献[5]分析了转臂节点的结构特点及失效原因，并根据转臂节点的运行情况，利用ABAQUS软件进行仿真分析和结构改进。文献[6]针对CW-2系列转向架的故障问题，提出转臂节点垂向刚度是导致其发生的原因之一。文献[7]通过建立悬挂参数失效模型，进行新车轮、磨耗车轮匹配新轨时悬挂参数失效的动力学计算，提出车辆动力学性能应考虑轮轨磨耗的影响。文献[8]以实测车轮磨耗廓形为依据，建立单车动力学模型进行车辆稳定性计算表明，一系定位纵向刚度在车轮磨耗前后对车辆稳定性均有较大影响。

但目前的研究对120万km服役后的转臂节点刚度变化范围尚未考虑，并且针对转臂节点刚度改变对动力学影响研究只针对标准轮轨匹配方式，对列车在实际线路上运行所出现的轨面廓形偏差所造成的轮轨匹配差异以及服役动车组抗蛇行减振器种类的差异也尚未涉及。本文利用SIMPACK软件建立CRH3型高速动车组动力学模型，对实测120万km转臂节点刚度变化数据进行统计与分析，确定服役转臂节点刚度变化范围，通过仿真计算得到纵、横向刚度变化对标准轮轨匹配下车辆动力学性能影响。同时，考虑实际运营时不同服役里程下车轮磨耗踏面、钢轨廓形差异以及在役抗蛇行减振器种类，研究转臂节点刚度变化对车辆动力学指标的影响。

1 转臂节点刚度测试及分析

本文所研究转臂节点为凹球形转臂节点，纵向刚度主要表现在橡胶弹簧压缩作用，横向刚度主要表现于横向的压缩与剪切作用。对于新品转臂节点，标准纵向刚度为120 MN/m，横向刚度为12.5 MN/m，出厂新品刚度要求为标准刚度± 15%，转臂节点旧品刚度要求范围为标准刚度± 20%。初步计算表明节点横向刚度在标准刚度±20%变化范围内，转臂节点横向刚度的增加，对动力学指标相对纵向刚度变化的影响要小得多[9]，因此本文重点研究节点纵向刚度变化的影响。对145个服役120万km转臂节点进行纵向刚度测试，具体测试装置如图1所示。测试方法为：通过加载预压力100 N以弥补测试部件与被测元件的间隙，再加载至130 kN后卸载至预载荷，循环3次，加、卸载速度均为2 mm/min。通过测试仪器获得第三个循环的加载过程中载荷变化量ΔF以及纵向位移量ΔS，计算得到转臂节点纵向刚度值[10]。120万km转臂节点纵向静刚度测试结果如图2、图3所示。服役120万km转臂节点纵向刚度范围分布在90～150 MN/m之间，绝大部分测试转臂节点符合旧品标准；测试纵向刚度变化率范围为-15%～10%，分布近似呈现正态分布，变化率主要集中在-10%～0%之间。

图1 静刚度测试

图2 纵向刚度分布

图3 纵向刚度变化率分布

为研究服役转臂节点刚度变化对车辆运行动力学性能的影响，前期在实际运营线路中选取了一列CRH3型高速动车组进行线路试验。该列车转臂节点服役里程为100万km，通过测试得到更换转臂节点前后经过同一区段的轴箱振动加速度与构架振动加速度。加速度传感器安装在轴箱端盖处以及位于轴箱正上方的构架部位。对测试结果进行1 000 Hz低通滤波，得到轴箱以及构架处振动加速度如图4、图5所示。

图4 轴箱加速度对比

图5 构架加速度对比

通过图4、图5可以看出，更换转臂节点后，轴箱处的垂向加速度、横向加速度最大值以及有效值均呈下降趋势，构架垂向加速度最大值及有效值增大，而横向加速度大幅度减小，最大降幅达到27%。由线路试验可知，更换转臂节点会影响轴箱以及构架处的振动响应，从而影响车辆动力学性能。但由于线路试验受环境因素影响较大，并且线路条件千差万别，故考虑实际运营时的轮轨匹配状态以及抗蛇行减振器种类研究服役周期内转臂节点刚度变化对车辆运行性能的影响具有一定的现实意义。

2 动力学模型的建立及验证

目前多体仿真软件能够较为准确地模拟车辆实际运营工况，克服了线路试验成本高、耗时长的缺点，故本文选择SIMPACK软件仿真分析服役转臂节点刚度对高速动车组动力学性能的影响规律。为避免电机与齿轮箱的影响，在SIMPACK软件中建立拖车的多体动力学模型，模型包括1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱转臂，其中轴箱转臂只考虑点头运动这1个自由度，其余均为6个自由度，共15个刚体、50个自由度。转臂与构架连接处即为转臂节点，此处用1个带有三向刚度、三向阻尼和扭转刚度的点力元模拟转臂节点特性，建立的CRH3型高速动车组动力学模型如图6所示。

图6 车辆系统动力学模型

利用文献[11]中线路工况进行仿真计算，在时域及频域内对车体与构架加速度进行比较，仿真结果与实测结果在时域波形上基本一致，并且具有一致的振动主频。

3 动力学仿真计算及分析

利用临界速度能够较为准确评判车辆动力学稳定性，并且车辆动力学系统是一个非线性系统，计算非线性临界速度能够充分考虑各结构部件对车辆运行产生的非线性影响，使结果更加符合实际。非线性临界速度计算方法为在轨道的初始端施加一段实测轨道谱，让动车组动力学模型以高速通过该路段，使之产生蛇行运动，再以一定减速度通过无激励轨道，判断使蛇行运动极限环收敛到一定值(本文取1 mm)的最高速度，即为非线性临界速度。由线路试验可知，更换转臂节点前后对构架横向加速度影响较大，但线路试验易受环境因素影响，为深入研究转臂节点刚度对构架横向振动以及动力学性能的影响，结合动力学仿真计算，根据高速动车组整车试验规范，将构架横向加速度进行0.5～10 Hz带通滤波后，获得振动加速度幅值。Sperling指标数值用于评价车辆运行平稳性，根据GB/T 5599计算方法，以车辆Sperling横向平稳性为评价指标分析服役转臂节点刚度变化对车辆运行平稳性的影响。若Sperling横向平稳性数值小于2.5，则判断列车运行平稳性等级为优。踏面的镟修以及车轮的更换与轮轨磨耗关系紧密，本文选取磨耗指数作为评判参考标准，研究转臂节点刚度变化对车辆轮轨磨耗的影响。

3.1 服役转臂节点刚度变化对车辆动力学影响分析

转臂节点旧品刚度要求范围为标准刚度± 20%，即转臂节点旧品纵向刚度范围为96～144 MN/m，横向刚度10～15 MN/m。结合实测120万km转臂节点刚度变化范围，在仿真计算时，将纵向刚度仿真工况扩展至90～150 MN/m，横向刚度为10～16 MN/m，以完全满足服役120万km范围内转臂节点刚度变化要求。车辆运行时安装T70抗蛇行减振器并以60N标准廓形钢轨与S1002CN镟修新轮进行匹配，得到非线性临界速度以及以300 km/h通过带有京沪实测激励谱的直线线路时的Sperling指标、磨耗指数、构架横向加速度幅值如图7～图10所示。

图7 非线性临界速度

图8 Sperling平稳性指标

图9 磨耗指数

图10 构架横向加速度幅值

由图7～图10可知，60N标准廓形钢轨与S1002CN镟修新轮进行匹配时，在服役转臂节点纵向刚度变化范围内，车辆非线性临界速度随着转臂节点纵向刚度增加而下降，平均降幅达到20%，但仍大于设计速度380 km/h，满足运行稳定性要求。当转臂节点纵向刚度由90 MN/m增加到150 MN/m时, 车辆运行Sperling平稳性指标数值、磨耗指数以及构架横向加速度均呈现上升趋势，其平均增幅分别达到10%、46%与38%。转臂节点横向刚度由10 MN/m增加至16 MN/m，车辆非线性临界速度、Sperling横向平稳性指标数值、磨耗指数以及构架横向加速度最大改变量分别为1.8%、2.1%、8%与1.4%，但相对纵向刚度变化的影响要小得多，因此后文中设置转臂节点横向标准刚度为12.5 MN/m，重点分析转臂节点纵向刚度变化对车辆动力学性能影响。

3.2 服役条件设置及车辆动力学分析

车轮廓形：该CRH3型高速动车组运营车轮踏面为S1002CN踏面，镟修周期不超过30万km。分别选取镟修新轮，10万km磨耗踏面以及20万km磨耗踏面等3种类型踏面(以下简称S1002CN(0 km)、S1002CN(10万km)、S1002CN(20万km))，踏面廓形对比如图11所示。

图11 磨耗踏面形状对比

钢轨廓形：目前高速铁路大面积铺设60N廓形钢轨，由于线路打磨偏差以及钢轨磨耗，廓形千差万别。本文选取60N标准廓形、钢轨廓形打磨正偏差、钢轨廓形打磨负偏差加磨耗等3种钢轨廓形(以下简称60N、60N(positive)、60N(min-wear))，钢轨廓形对比如图12所示。

图12 轨面廓形对比

轮轨匹配：利用标准钢轨以及由于打磨偏差与磨耗形成的极限钢轨廓形与一个镟修周期内各阶段磨耗踏面进行轮轨匹配，轮轨匹配3 mm处名义等效锥度见表1。

表1 各型轮轨匹配下名义等效锥度

抗蛇行减振器：目前CHR3高速动车组适配T60与T70两种抗蛇行减振器，其特性参数对车辆动力学性能影响显著，两种减振器阻尼特性曲线如图13所示。

图13 抗蛇行减振器阻尼曲线

通过刚度测试得到服役120万km转臂节点纵向刚度分布在90～150 MN/m之间，通过仿真计算表明标准钢轨与标准车轮匹配时，转臂节点刚度在此范围内能够满足车辆动力学要求。为研究转臂节点在实际服役工况下能够保证车辆运行性能的裕度范围，现将转臂节点纵向刚度范围扩展40%，增加至60～180 MN/m。适配T60、T70抗蛇行减振器下，利用60N、60N(positive)和60N(min-wear)3种钢轨廓形与S1002CN(0 km)、S1002CN(10万km)和S1002CN(20万km)3种踏面廓形进行轮轨匹配，分析车辆在直线工况运行时，转臂节点刚度变化在适配不同抗蛇行减振器以及不同轮轨匹配状态下对车辆动力学性能的影响，得到非线性临界速度、舒适性指标、磨耗指数、构架横向加速度幅值如图14～图19所示。

如图14所示，匹配不同类型抗蛇行减振器时，转臂节点纵向刚度变化对车辆非线性临界速度影响程度不同。在适配T70抗蛇行减振器时，随着转臂节点纵向刚度增加，各轮轨匹配工况的非线性临界速度均呈现下降趋势。在T70+S1002CN(0 km)+60N(min-wear)、T70+S1002CN(10万km)+60N(min-wear)两种匹配下，转臂节点纵向刚度分别超过140 MN/m和100 MN/m时，非线性临界速度大幅度减小，出现晃车现象。通过单次积分法[12]进行晃车工况仿真，得到车辆运行时轮对横移量、车体横移量与运行速度之间的关系如图15、图16所示。随着运行速度的增加，轮对横移量呈现先增加后减小再增加的趋势，车体横移量呈现先增加后减小的趋势。在失稳轮轨匹配仿真工况下，车体横移以及轮对横移在失稳起始速度方面表现出一致性，说明此时发生了一次蛇行失稳现象。随着速度的继续增加，车体横移量减小，轮轨横移量上升，说明此时发生了二次蛇行失稳现象。适当减小转臂节点刚度能够减小一次蛇行失稳速度范围、轮对与车体横向位移量，并且能够提高二次蛇行失稳临界速度。在适配T60抗蛇行减振器时，转臂节点纵向刚度改变对车辆非线性临界速度影响较小，并能够大幅度改善适配T70抗蛇行减振器时出现的晃车现象，提升了车辆运行稳定性。

图14 不同服役里程下各轮轨匹配非线性临界速度

图15 单次积分法轮对横移量

图16 单次积分法车体横移量

由图17可以看出，转臂节点纵向刚度变化对Sperling指标影响显著，并与钢轨类型、车轮服役里程以及抗蛇行减振器密切相关。总体而言，随着纵向刚度增加，各轮轨匹配下舒适性指标数值呈现增大趋势。就抗蛇行减振器而言，T60抗蛇行减振器匹配下，转臂节点纵向刚度改变对车辆运行Sperling指标影响较小，并且相较于T70减振器，各工况匹配下Sprling指数均明显下降。对于服役里程而言，车轮服役里程越大，Sperling指标越小，提升了车辆运行平稳性。对于轮轨匹配而言，60N(min-wear)钢轨仿真时，Sperling指标在各工况内均为最大值。在T70+S1002CN(0 km)+60N(min-wear)、T70+S1002CN(10万km)+60N(min-wear)两种匹配下，当转臂节点刚度分别超过120 MN/m与100 MN/m时，Sperling指标数值超过了2.5，舒适性等级降为良，影响车辆运行平稳性。

在图18中，磨耗指数数值随着转臂节点纵向刚度增加呈现上升趋势。适配T70抗蛇行减振器时，60N(min-wear)钢轨匹配不同服役里程车轮踏面时，其磨耗指数均为最大值，其中当T70+S1002CN(10万km)+60N(min-wear)匹配时，磨耗指数显著增大，最大增幅可达231%。适配T60抗蛇行减振器时，转臂节点纵向刚度对磨耗指数的影响降低，各仿真工况磨耗指数大幅减小，从而减缓了轮轨磨耗。

图17 不同服役里程下各轮轨匹配Sperling指标

图18 不同服役里程下各轮轨匹配磨耗指数

图19 不同服役里程下构架横向加速度幅值

如图19所示，转臂节点纵向刚度由60 MN/m增加到180 MN/m时，构架横向加速度幅值均呈上升趋势，而转臂节点纵向刚度对其影响程度与抗蛇行减振器种类以及轮轨匹配状态有关，以T70+S1002CN(0 km)+60N(min-wear)以及T70+S1002CN(10万km)+60N(min-wear)仿真工况最为显著，增幅分别达到64%和48%。安装T60抗蛇行减振器时，纵向刚度变化对各轮轨匹配工况下的构架横向加速度幅值影响较小，其平均最大影响程度不超过8%。

转臂节点刚度变化对动力学性能指标的影响程度与轮轨匹配状态及抗蛇行减振器种类密切相关。匹配T60抗蛇行减振器时，转臂节点刚度变化对动力学性能指标影响程度下降，并且使用T60抗蛇行减振器时，能够改善晃车现象，提高车辆运行平稳性以及降低轮轨磨耗。匹配T70抗蛇行减振器时，减小转臂节点刚度能够有效增加车辆非线性临界速度，提高一次蛇行运动发生临界速度以及减小轮对、车体横移量幅值，大幅度提高了车辆运行稳定性。同时，降低转臂节点纵向刚度能够有效减小Sperling横向平稳性指标数值、磨耗指数以及构架横向加速度，从而提高车辆运行平稳性并减缓了轮轨磨耗。当轮轨匹配状态较差时，转臂节点刚度变化对动力学性能影响程度显著提高，以60N(min-wear)钢轨匹配S1002CN新轮以及磨耗车轮最为显著，在服役转臂节点纵向刚度变化范围内，该工况容易出现晃车现象、Sperling横向平稳性指标数值超过了2.5以及构架横向加速度大幅度增加等情况，致使运行稳定性与平稳性下降，同时，轮轨磨耗数值较其他匹配工况显著增大。为提高车辆运行稳定性、平稳性以及降低轮轨磨耗，应该避免使用60N(min-wear)钢轨，即打磨负偏差加磨耗后的60N钢轨。