SIMPACK在动车组工艺转向架动力学性能分析中的应用

2021-02-28河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室唐山学院

电子世界 2021年22期

河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室唐山学院戴俊

根据动车组检修需要，新研制的动车组工艺转向架主要包括车体、构架、车轮、轴箱、定位装置以及U型横梁等。定位装置等构架坐落在轴箱上面，构架上有横梁用来支撑车体，横梁上的支撑装置可以沿宽度方向相对运动，满足不同车体宽度的要求。横梁为支撑车体的主体机构，由上心盘、中心销等构成，横梁通过心盘与构架连接，它可以相对构架摇头和微幅侧滚。

本文针对动车组工艺转向架工作运行的线路特点，对其运动稳定性、运行平稳性和曲线通过安全性进行全面校核计算。本次计算考虑工艺转向架装载CRH1、CRH2、CRH3、CRH5四种典型车体工况。考虑带回转旁承和不带回转旁承两种类型，对带回转旁承的工艺转向架，进行9号道岔的通过安全性分析。

1 动力学说明

依据国标GB5599-85“铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范”，需要达到的有关动力学性能指标如下：车辆横向和垂向平稳性指标≤2.5；脱轨系数Q/P≤1.2（第一限度），Q/P≤1.0（第二限度）；轮重减载率 ΔP/P≤0.65（第一限度），ΔP/P≤0.60（第二限度）；倾覆系数D＜0.8。

轮轴横向力的限制值：

式(1)中：H——轮轴横向力（构架力），单位kN；Pst1，Pst2——左右车轮静载荷，单位kN。

据此，动车组工艺转向架车轮轨力的限制如表1所示。

表1 轮轨横向力允许值（KN）

另外，要求车辆系统的蛇行失稳临界速度要高于其最高运行速度，并且应具有足够的余量。

2 车辆系统非线性数学模型的建立

轮轨接触几何参数表现为轮对横向位移的线性函数，因此，用轮对横向位移量表示轮轨接触几何参数，采用线性插值来计算中间值。

动车组工艺转向架的钢轨采用T60钢轨，车轮踏面为LM踏面，轮对内侧距1353mm，采用Simpack中的Kalker程序运用非线性简化蠕滑理论来计算轮轨间的蠕滑力。

建立数学模型，将系统横向和垂向运动进行耦合，以前进方向作为正方向。坐标系的取法如下：车辆的前进方向为x轴；y轴平行于轨道平面指向右方；z轴垂直向下，整个系统的自由度共计49个。

3 动力学性能计算

在原始计算参数的基础上，采用多体动力学分析软件SIMPACK进行计算。计算时最高试验速度为3.6km/h，实际运行速度3km/h，轨道谱采用美国5级谱。

3.1 车辆系统运动稳定性分析

给定一段有限长的实际轨道随机不平顺激扰样本函数，先让车辆在一段以美国5级线路谱为激扰的直线轨道上运行，然后去掉激扰，让车辆在理想平直轨道上运行，跑完全程后看它能否趋于平衡位置，从而确定车辆的蛇行失稳临界速度。车辆系统收敛仿真情况见图1和图2。

图1 车辆系统收敛时的情形

图2 车辆系统失稳时的情形

仿真计算认为：装载CRH2的MC1车的车辆系统的临界速度为32km/h；四种车型均远远高于最高运行速度，并有足够的裕量。

3.2 车辆系统运行平稳性分析

参照GB5599-85，根据车体在运行速度V小于等于140km/h，分析车体平均最大振动加速度来评定客车运行平稳性：

式(2)中，Amax为客车车体平均最大振动加速度（单位：g）；V为客车运行速度（单位：km/h）；C为常数，数值依据国标按平稳性等级确定。

在前后U型梁横向中心线上方，距车体中心线1m处的车底架中梁下盖板上选取两个采样点；考察指标为2个采样点的横向和垂向的平稳性指标及平均值。

图3为车辆运行速度为3km/h情况下，装载CRH2动车的转向架车体的加速度响应，根据GB5599-85中客车运行平稳性的等级标准，CRH2车体的横向和垂向加速度值都达到一级优等的标准。表2为装载CRH2的动车车体的平稳性指标。根据国标GB5599-85，装载CRH2车体横向和垂向平稳性指标值都为优等。

图3 支撑CRH2车体时的车体

表2 CHR2车体平稳性指标

3.3 车辆系统曲线通过性能分析

（1）CRH2动车正向通过9号道岔响应分析

计算时，选择车辆通过混凝土枕60kg/m钢轨9号提速单开道岔，9号岔道曲线半径为R180m小曲线，运行速度为3km/h。计算该道岔运行条件下的曲线通过安全性，包含轮轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率以及倾覆系数；计算时取各自的最大值。轮轨横向力和脱轨系数均是指轮对曲线外侧（或左侧）车轮轮轨间的最大横向力和最大脱轨系数。

表3为动力学性能分析，可以看出各参数都能满足国标GB5599-85要求，平稳性能优等。