转向架群配置高速货运动车组车辆曲线通过动态特性研究

2020-09-10张为黎陈再刚王家鑫王开云

内燃机与配件 2020年11期

张为黎陈再刚王家鑫王开云

摘要：为了揭示我国最新研发的转向架群配置高速货运动车组车辆动力学特性，本文综合考虑车辆三系悬挂与转向架群配置的结构和功能特点，基于多体系统动力学理论，建立了转向架群配置的高速货运动车组车辆系统动力学模型。仿真分析了空、重车情况下车辆以不同速度通过曲线的轮轨动态相互作用、车辆运行安全性、车辆运行平稳性等动态性能指标。研究结果表明：①无论空车或重车在本文仿真计算的曲线工况下其各项动力学指标均在限值之内;②轮轨动态相互作用和车辆运行安全性随着速度的增加基本都呈现先减小后增大的趋势，最小值基本都在车速325km/h左右出现;③重车轮轨动态相互作用以及倾覆系数均大于空车，而脱轨系数则是空车大于重车;④车体垂向加速度以及垂向平稳性指标随车辆运行速度变化较小，横向加速度随车速增大而增大，横向平稳性指标则有先增大后减小再增大的趋势，垂向或横向平稳性指标都为优。

Abstract： In order to reveal the dynamic characteristics of the newly developed vehicle in high-speed freight EMU equipped with two bogie groups with each having two double-axle bogies， this paper established the system dynamics model of this railway vehicle based on the multi-body system dynamics theory， where the three suspension units， the structure and function characteristics of the high-speed freight railway vehicle was comprehensively taken into account. The dynamic performance indexes such as wheel-rail interaction， vehicle running safety and vehicle running stability were analyzed by simulation. The studied results indicate that： ①the dynamic indexes of both the empty and the heavy vehicles are less than the corresponding limit values at the curve conditions studied in this paper; ②with increase of the vehicle running speed， the wheel-rail dynamic interaction and vehicle operation safety decrease firstly and then increase in general， and the minimum value basically appears around the speed of 325 km/h; ③the wheel-rail dynamic interaction and overturning coefficient of the heavy vehicle are larger than that of the empty vehicle， while the derailment coefficient is much less than that of the empty vehicle; ④the vertical acceleration and the vertical stability of the vehicle vary little with the running speed of the vehicle， while the lateral acceleration increases with the speed of the vehicle， and the lateral stability tends to increase firstly， then decrease and then increase with speed; and both the vertical and horizontal stability indexes are in the excellent range.

關键词：转向架群配置;高速货运动车组;行车安全;曲线通过;系统动力学

Key words： bogie group;high-speed freight EMU;running safety;curve negotiation;system dynamics

0 引言

为满足国内电商货物等对时效性要求较高的货物的运输能力，我国相关单位研发了一种转向架群配置的高速货运动车组，设计时速为250km/h及以上。该货运动车组的特点是依靠增加转向架数量来增加轴数从而提高动车组的载重能力。相比传统的动车组车辆，其结构更加复杂，一节车包含四个两轴转向架，每两个转向架通过过渡构架组成一个转向架群，转向架群通过第三系悬挂单元与车体相连。由于该货运动车组还处在研发设计阶段，其结构与传统动车组结构相差较大，且其设计运行速度高、载重大，其动力学性能尤其是曲线通过性能如何不得而知，亟需建立其动力学模型开展动力学特性研究，为评估该高速货运动车组动态性能是否满足要求提供理论参考。

关于列车曲线通过性能的研究，已有许多学者开展了大量的研究工作。例如，付茂海[1]等建立了多刚体客运列车动力学模型，研究了不同速度、不同曲线、不同悬挂参数以及车体重心高对车辆曲线通过动态性能的影响规律。朱颖[2]等人基于车辆-轨道耦合动力学理论，利用西南交通大学研发的TTISIM软件对列车不同速度下曲线通过动力学指标进行仿真分析。李敏[3]等人针对某型内燃机车，利用多体动力学软件SIMPACK，仿真分析了该机车以不同速度通过小曲线半径的动力学性能，并与实测数据进行了对比分析。冯仲伟[4]基于多体动力学软件UM建立了某高速动车组动力学模型，分析了不同速度、不同曲线半径、钢轨类型、曲线超高等因素对车辆曲线通过安全性的影响。陈鹏[5]等基于多体动力学理论，分析了车辆运行速度、曲线超高等对曲线通过动力学指标以及轮轨磨耗的影响规律。王开云[6]等基于机车-轨道耦合动力学理论，分析了不同车辆通过不同半径，尤其是小半径曲线下的动态相互作用。

综上所述，已有许多学者针对轨道车辆曲线通过动力学性能进行了相关研究，这些研究工作为传统轨道车辆动力学分析尤其是曲线通过性能分析提供了很好的理论参考和借鉴。因此，本文基于多体系统动力学理论[7]，运用多体动力学软件SIMPACK建立了转向架群配置高速货运动车组车辆动力学模型，分析了空、重车在不同速度下通过曲线的动态特性。研究结果表明，在本文分析的曲线工况以及速度条件下，该动车组车辆空、重车曲线通过动态特性指标均处于安全限值内。

1 转向架群配置高速货运动车组车辆动力学模型

转向架群配置高速货运动车组车辆包括一个车体、两个过渡构架、四个构架以及八个轮对。其中车体与过渡构架之间通过三系悬挂单元连接，包括三系橡胶堆、三系抗蛇行减振器、三系横向减振器以及抗侧滚扭杆等。而过渡构架则通过二系悬挂单元与构架相连，包括二系空气弹簧、二系抗蛇行减振器以及二系垂、横向减振器等。构架之下为轮对，两者之间通过一系悬挂单元相连，包括一系钢簧以及一系垂向减振器等。各车辆系统主要部件及悬挂单元如图1所示。

本文在此基础上，基于多体动力学理论，建立了转向架群配置高速货运动车组车辆动力学仿真模型。该转向架群配置高速货运动车组车辆与以往的高速动车组车辆不同之处在于其多了过渡构架这一部件，过渡构架向上通过三系悬挂单元与车体相连，每一过渡构架下有两个二轴转向架并通过二系悬挂单元与之相连。如图2所示，该动力学模型充分考虑了系统中存在的非线性特性如抗蛇形减振器、横向减振器、悬挂单元阻尼等，代表主要零部件的刚体拥有5个自由度：横移、沉浮、侧滚、摇头、点头，该车辆动力学模型共有75个自由度。

2 转向架群配置高速货运动车组车辆曲线通过动态特性分析

为分析转向架群配置高速货运动车组通过曲线的动态特性，根据《铁路线路设计规范》（TB10098-2017）[8]设置线路曲线参数如下：曲线半径7000m，圆曲线长度1000m，缓曲长度680m，直线长200m，超高175mm;线路随机不平顺采用我国高速铁路无砟轨道谱;曲线通过速度范围为200～400km/h。由于轴数的增加，转向架群配置高速貨运动车组车辆其载重相比于传统的动车组车辆也有所增加，因此其重车状态下通过曲线的轮轨动态相互作用是否超过其限值也是我们关注的重点，因此本节对空车以及重车通过曲线的动态运行性能均进行了仿真计算，不仅计算了空、重车在曲线状态下各指标随运行速度的变化趋势，也比较了空、重车曲线通过动态运行性能的差异。

2.1 轮轨动态相互作用

空、重车以250km/h速度惰行通过曲线时前、后转向架各轮对的轮轨动态横向力时域曲线图如图3与图4所示。空车条件下，前转向架群一、三位轮对内侧轮轨横向力最大值分别为5.32kN、5.40kN，二、四位轮对轮轨内侧横向力最大值约为2.37kN、2.61kN;后转向架群一、三位轮对内侧轮轨横向力最大值分别为5.53kN、5.44kN，二、四位轮对内侧轮轨横向力最大值分别为2.54kN、2.52kN。由此可知，无论是前转向架群还是后转向架群，其一、三位轮对的内侧轮轨横向力均大于二、四位轮对的内侧轮轨横向力，对于外侧轮轨横向力也有类似结果。而对于重车而言，其前转向架群一、三位轮对内侧轮轨横向力最大值分别为9.41kN、9.57kN，二、四位轮对内侧轮轨横向力最大值分别为4.77kN、4.61kN;后转向架群一、三位轮对内侧轮轨横向力最大值约为9.71kN、9.48kN，二、四位内侧轮对轮轨横向力最大值分别为5.25kN以及4.46kN。同样地，对于外侧轮轨横向力也有类似的结果。且重车各轮对内侧轮轨横向力稍大于外侧轮轨横向力，重车各轮对对应轮轨横向力均大于空车。

轮轨动态相互作用指标随车辆运行速度变化趋势如图5所示，图中各指标为所有轮对中的峰值。由图5可知，车辆在曲线运行时，随着车辆运行速度的提升，无论空车还是重车，各轮轨动态相互作用指标基本呈现先减小后增大的趋势，各指标几乎均在车速325km/h左右达到最小，重车的轮轨动态相互作用指标在各速度等级下均大于空车轮轨动态相互作用指标，重车运行各轮轨动态相互作用较之于空车更为恶劣，但无论空车或重车其轮轨动态相互作用指标均小于其限值。

2.2 车辆运行安全性

图6以及图7分别为空、重车以250km/h的速度惰行通过曲线时前、后转向架群各轮对的轮重减载率时域图，由于脱轨系数和倾覆系数时域曲线类似，限于篇幅，这里就不一一列举。当空车运行时，前转向架群四个轮对的内侧轮重减载率最大值分别约为0.3、0.3、0.29以及0.3，而对应的外侧轮重减载率最大值分别约为0.34、0.26、0.32以及0.27;后转向架各位轮对的内侧轮重减载率最大值分别约为0.29、0.3、0.29和0.3，而对应的外侧轮重减载率最大值依次约为0.31、0.26、0.3和0.27。对于重车而言，其前转向架群四个轮对的内侧轮重减载率最大值依次约为0.32、0.32、0.33以及0.32，而对应的外侧轮重减载率最大值依次约为0.34、0.34、0.35以及0.33;后转向架四个轮对的内侧轮重减载率最大值依次约为0.31、0.32、0.32和0.32，而对应的外侧轮重减载率最大值依次约为0.34、0.33、0.34和0.32。由此可见，当该转向架群配置的动车组车辆以250km/h的速度在该曲线惰行时，空车各轮对轮重减载率均稍小于重车，但空、重车轮重减载率均小于限值。

图8所示为车辆运行安全性指标随车辆运行速度的变化趋势，图中各指标为所有轮对中的峰值。从图7中可以看出，车辆在曲线运行时，随着车辆运行速度的提升，各轮轨运行安全性指标（即脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数）基本呈现先减小后增大的趋势，各指标几乎均在325km/h左右达到最小（空车轮重减载率在275km/h达到最小）。此外，空车脱轨系数在各速度等级下均大于重车，而倾覆系数则基本是重车大于空车，空、重车在各车辆运行速度下轮重减载率最大达到0.6左右，但仍小于其限值。

2.3 車辆运行平稳性

图9所示为车体垂、横向加速度以及车体垂、横向平稳性指标在曲线运行时随车辆运行速度的变化趋势。由图可知，车速对车体垂向加速度的影响十分微小，而横向加速度则随着速度的增加而增加，且空、重车横向加速度几乎一致。同时垂向平稳性指标也受车速影响不大，而横向平稳性指标则有先增大后减小再增大的趋势，但无论垂向或横向平稳性指标都为优。

3 结论

本文根据我国设计的转向架群配置高速货运动车组实际结构和功能，基于多体动力学理论建立了转向架群配置高速货运动车组车辆动力学模型，对比分析了空、重车状态下车辆通过曲线的动态特性，主要研究结论总结如下：

①该转向架群配置高速货运动车组空、重车200～400km/h运行速度下通过本文中给定的曲线时，空、重车各动力学指标均在限值之内;

②轮轨动态相互作用指标随着车辆运行速度的提升，基本呈现先减小后增大的趋势，各指标几乎均在325km/h左右达到最小，且总体上重车各指标大于空车;

③车辆运行安全性指标随着车辆运行速度增加呈现先减小后增大的趋势，各指标也几乎都在325km/h左右达到最小。其中，空车脱轨系数在各速度等级下大于重车，而倾覆系数则是重车大于空车，空、重车轮重减载率最大能达到0.6左右;

④曲线通过时，车体垂向加速度以及平稳性指标受车速影响较小，而横向加速度则随着速度的增加而增加，且空、重车横向加速度几乎一致，而横向平稳性指标则有先增大后减小再增大的趋势，但无论垂向或横向平稳性指标都为优。

参考文献：

[1]付茂海，严隽耄.高速客车通过曲线时的动态响应及安全性研究[J].西南交通大学学报，1991（01）：53-59.

[2]朱颖，周惟俊.铁路最小曲线半径的动力性能分析[J].铁道标准设计，2005（01）：25-28.

[3]李敏，罗贇，杨勇军.A1A-A1A轴式动车动态通过小半径曲线动力学性能仿真与实测比较分析[J].机车电传动，2014（02）：35-37，61.

[4]冯仲伟.小半径曲线上动车组运行安全性仿真研究[J].中国铁道科学，2017，38（05）：9-15.

[5]陈鹏，高亮，郝建芳.铁路曲线上轮轨磨耗影响参数的仿真研究[J].中国铁道科学，2007（05）：19-23.