不同车型对车-桥耦合系统动力特性的影响分析

2020-11-25丁旺才

兰州交通大学学报 2020年5期

丁杰，严波，丁旺才*

(1. 兰州交通大学机电工程学院，兰州 730070；2. 中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412001)

当列车高速通过桥梁时，列车会引起桥梁的振动，同时桥梁的振动也会进一步加剧列车的振动，影响旅客的乘坐舒适度，也不利于桥梁的安全，这种车桥之间相互作用的问题就是车-桥耦合振动问题[1-3].自世界上第一条铁路建成以来，车-桥耦合振动问题越来越受到国内外众多学者的关注.G.Diana等[4]开展了大跨度悬索桥列车运行通过能力的研究，其数值仿真结果和试验测量结果基本吻合.石广田等[5]运用动柔度的思想建立高速铁路车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学频域模型，结合虚拟激励法求解轨道谱激励下的轨道系统和桥梁结构的随机振动响应.孙宇等[6]基于格林函数和轮轨Hertz非线性接触理论，提出了一种求解车辆-轨道垂向耦合动力学的新方法.李锦华等[7]研究了双线列车通过桥梁时，列车速度、悬挂系数、轨道与桥梁连接参数对车-轨-桥耦合系统的动力学性能的影响.He X H和Li H[8]分析了一种新型风障对列车-桥梁系统空气动力学的影响.耿烽等[9]利用ADMAS的Rail模块建立了动车组车-轨耦合动力学模型，对车辆临界速度、车辆平稳性和轮重减载率等动力学性能指标进行了仿真计算，结果表明各项动力学性能良好.李国芳等[10]运用UM软件分别计算了高速客车在刚性轨道和无质量轨道模型下的车辆动力学性能.

法国的TGV列车是世界上最早商业运营的铰接式高速列车[11].TGV列车的铰接技术陆续被德国、西班牙和韩国等国家的铰接式车辆所采用.国内研究机构和学者也陆续开展了铰接式高速列车的研究和试制，并为澳大利亚、土耳其、马来西亚等国家研制出口铰接式客货运列车.王福天等[12]阐述了铰接式高速客车转向架的设计思路，用3种不同自由度的计算模型对铰接式车组的动力学性能进行了计算.张楠等[13]建立Thalys铰接式高速列车动力学模型和Antoing桥梁动力学模型，计算了列车的振动加速度和桥梁的挠度、加速度等动力响应，计算结果与现场实测结果较好吻合.谭皓尹[14]分析了铰接式动车组动力学性能，并分析了铰接刚度和编组长度对车辆动力性能的影响.王金生等[15]建立了三个转向架两车编组的列车动力学模型，对列车在正常线路、侧风和空气弹簧失效三种工况下的平稳性和曲线通过性能进行了研究.

现有的研究成果多基于对非铰接车辆-桥梁耦合动力学和铰接车辆-桥梁耦合动力学进行单独研究，对两种车型动力学性能进行对比研究评价的文献还较少.基于车-桥耦合理论，运用多体系统动力学软件UM，分别建立了非铰接式和铰接式两种高速列车头车与简支箱梁桥的车-桥耦合系统动力学模型，研究车辆和桥梁的动力学性能.同时，为了研究中央铰接装置对列车整体性能的影响，建立了两种车型三辆编组列车-桥梁耦合系统动力学模型，系统分析了非铰接列车和铰接列车对车-桥耦合系统动力特性的影响.

1 车-桥耦合系统动力学模型

目前，在世界范围内运营的轮轨高速列车的代表性车型主要有德国ICE、法国TGV、日本新干线、中国和谐号及中国标准动车组等.其中，大部分高速列车为动力分散型，车辆之间属于非铰接式联接，每节车辆由两个独立转向架支撑.法国TGV列车大多属于动力集中型，中间车体为铰接式车辆，前车(除头车和尾车)尾端和后车前端共用一个铰接转向架支撑，从而减少了转向架的数量，且车辆间采用铰接装置代替车钩缓装置使得耦合作用较为明显.选用一种常见的非铰接式高速列车(简称为A型车)和一种铰接式高速列车(简称B型车)作为研究车型。两种高速列车头车的部分性能参数如表1所示.

表1 两种高速列车头车的部分性能参数Tab.1 Some performance parameters of two kinds of high speed trains

简支梁桥是较为常见的铁路桥梁，这类桥梁具有结构简单、整体性好、抗扭刚度大和耐久性能好等优点.我国高速铁路桥梁以32 m预应力混凝土整孔简支箱梁应用最广，另有20 m和24 m两种跨度的简支梁桥主要用于配跨。桥梁模型选用预应力混凝土双线整孔简支箱(单箱单室)梁桥，跨度L为32 m，无砟轨道桥面，标准采用通桥(2008)2322A-Ⅱ.桥上轨道选用C60钢轨，WJ-8型扣件系统，轨底坡设置为1/40，轨道不平顺谱采用德国高速铁路低干扰谱.桥梁的主要参数如表2所示.

表2 桥梁主要参数Tab.2 Main parameters of the bridge

在UM软件中建立几何模型时有在UM Input中直接建立和通过三维建模软件建立模型后导入UM软件两种方式.车体和走行部分运用UM 直接建立，通过力元把相关体进行连接，建立车辆多刚体子系统模型.以轮对为例，说明在UM Input中建立模型的方法.轮对子系统Subsystems中提供了标准的参数化轮对模型供调用，设置名义滚动圆半径为0.43 m，名义滚动圆横向跨距为1.493 m，轴长2.2 m；在Identifiers中设置轮对质量mwset为2 000 kg、轮对侧滚转动惯量ixwset为800 kg·m2、轮对点头转动惯量iywset为80 kg·m2、轮对摇头转动惯量izwset为1 000 kg·m2.轮对三维模型如图1所示.桥梁柔性体模型首先通过SolidWorks软件建立三维模型，将桥梁三维模型转化为X-t文件格式导入Ansys软件，利用Ansys动力子结构技术对桥梁、钢轨及轨道板单元属性、质量刚度、选择界面点等信息文件进行处理，通过Ansys-um子程序生成UM能识别的input.fss文件，从而生成桥梁子系统.其中简支梁三维模型如图2所示.轨道模型采用连续弹性基础梁模型.通过轮轨关系和桥轨关系完成车-桥耦合系统模型的建立.两种车型的头车-桥梁耦合系统动力学模型如图3所示.为了对比研究非铰接列车和铰接列车对车-桥耦合系统振动的影响，分别建立了三辆编组的A型和B型编组列车-桥梁耦合系统动力学模型，如图4所示.其中，A型列车由三节非铰接车辆组成，6个转向架支撑；B型列车由一节铰接中间车体和两节前后端部车体组成，4个转向架支撑.

2 不同车型头车车-桥耦合系统振动响应的比较

2.1 车辆振动响应比较

列车运行的安全性和平稳性是客运系统最重要的因素.评价客车运行安全性的主要指标有车辆的轮重减载率、脱轨系数等；评价客车运行平稳性的主要指标有车体振动加速度和Sperling平稳性指数等.我国对客车运行的安全性和平稳性评价指标限值如表3所示.

运用UM软件对图3所示的两种头车-桥梁耦合系统动力学模型进行动力学仿真，车速设置为200 km/h、220 km/h、250 km/h三种工况.图5～图10分别为两种车型的轮重减载率、脱轨系数、车体振动加速度和Sperling指数大小随车速变化对比图.从图中可以看出，随着列车运行速度的增加，两种头车的性能指标均有所增加，车辆的振动响应越来越剧烈；A型车指标变化较明显，B型车指标变化幅度较平稳.在车速200 km/h和220 km/h两种工况下，两种头车的安全性和平稳性指标均在优秀的范围内.当速度增至250 km/h时，A型车的轮重减载率和脱轨系数已濒临安全行驶的限度，影响到行车的安全性能，同时Sperling平稳性等级已降至良好级别，该现象与A型车最大设计速度为250 km/h相吻合.

2.2 桥梁振动响应比较

列车通过桥梁时对桥梁不仅有垂向作用使桥梁产生垂向振动与变形，还对桥梁产生横向作用使桥梁产生横向振动与变形，同时桥梁的振动和变形也会加剧车辆的振动响应.我国高速铁路无砟轨道桥梁的部分振动参数限值如表4所示(最高车速300 km/h).

表4 无砟轨道桥梁部分振动参数限值Tab.4 Limit of performance parameters of non-ballasted track bridge

在车速分别为200 km/h、220 km/h、250 km/h三种工况下，桥梁的跨中振动位移、振动加速度分别如图11～图14所示.从图中可以得出，桥梁的跨中振动位移、振动加速度随着车速的增加而递增，车速的增加加剧了桥梁的振动响应.B型车经过桥梁时，桥梁的跨中振动位移明显大于A车型，这与B型车自重较大有关，但两种头车高速通过桥梁时引起的桥梁的跨中振动位移、加速度仍在无砟轨道桥梁振动参数限值范围内，并还有很大的安全余量.因此，两种头车在三种速度工况下经过桥梁时，桥梁结构的安全性能够得到保证，且有较大的冗余.

3 铰接列车和非铰接列车车-桥耦合系统振动响应比较

对图4所示的A型和B型两种列车-桥梁耦合系统动力学模型进行动力学仿真，取车速为240 km/h.图15～图18是两种三辆编组列车的中间车体、尾车垂向振动加速度和列车过桥时引起的桥梁跨中振动加速度仿真结果.

由图15和图16可见，三辆编组列车通过桥梁时，列车和桥梁跨中的振动都较头车过桥时显著增强.B型列车受桥梁和线路激扰引起的振动比A型列车弱很多，且衰减速度较快.其原因是B型列车车辆之间存在通过中央弹性铰铰接并设置有很多的纵向减振器，使得车辆间的耦合抑制作用显著增强，从而减弱了整体振动水平[16].两种类型列车中间车体的振动都比各自尾车的振动要弱，这是由于尾车仅在前端受到中间车体的耦合抑制作用，这种耦合抑制作用相对于中间车体同时受到前后两端的抑制程度已大大降低.图17和图18表明，B型列车过桥时引起的桥梁跨中振动小于A型列车.说明B型列车具有优良的整体性，有利于列车安全运行.