“车-货”耦合的高速货运动车组动力学性能分析

徐士恒，王勇，石俊杰

(1. 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2. 中车唐山机车车辆有限公司 技术研究中心，河北 唐山 063035)

0 引言

交通运输和物流业是我国经济社会发展的基础性、战略性和服务性产业。近年来随着经济和电子商务的发展，货物快运市场规模持续快速增长，潜力巨大，然而既有的铁路快运份额很低[1]，加速铁路快速货物运输发展，不仅可以满足货主对高附加值货物的高时效性要求，更对提高高铁线路利用率、创造良好的社会效益和经济效益具有重要意义。在货车上加装集装器的模式在国外已有大量实际应用[2-3]。集装器具备运输效率高、容易联运、对货物种类要求低的优点，结合高速货运动车组的快速、平稳性强等特点，势必成为未来铁路货运的主流方式。

在以往的货车模型中，往往都是将货物与车体的连接视作刚性连接，忽略了其中的连接关系而考虑成一个整体。在高速运行的货车模型中，货物的振动愈发明显[4]，其与车体的装载加固关系使车体和货物的振动特征耦合。货物与车体的振动相互作用、相互影响，对整车的动力学性能会产生一定的影响。本文对装载集装器的高速货运动车组进行分析，通过SIMPACK动力学仿真软件建立“车-货”耦合的高速货运动车组模型，分析其运动稳定性、运行平稳性及曲线通过性能。对不同运行速度下的车辆系统动力学性能和货物的振动响应进行校核计算与分析。

1 车-货耦合的高速货运动车组特点

一般的多刚体模型，车体与货物均考虑为一个刚体，忽略了货物与车体的相互作用，本文基于时速250 km/h以上的货运动车组模型，结合集装器的布置和安装方式，在所建立的多刚体货运动车组模型基础上，将每个集装器均考虑成单独的刚体，综合考虑集装器与车厢的连接，建立更接近实际的考虑集装器货物与车体间的装载加固关系的“车-货”耦合动力学仿真模型，从而考虑“车-货”耦合的货运动车组在不同运行速度下的动力学性能，用动力学评价指标进行分析对比。

2 车-货耦合的动力学模型

2.1 动力学模型建立

传统的车辆系统模型是一个复杂的非线性多刚体模型，本文采用了经典的车辆动力学模型[5]，在模型建立中充分考虑了轮轨接触几何关系、轮轨相互作用力及悬挂元件特性等非线性因素[6]，保证模型的研究内容符合实际情况。为了更好地模拟货运动车组的运行性能，建模时考虑了将车辆横向运动和垂向运动耦合起来的数学模型。多刚体货运动车组拖车由1个车体、2个构架、4个轮对和8个转臂组成。各刚体自由度(以轨道为参考坐标系)由表1所示，每节车共50个自由度。

表1 车辆系统自由度

另外，考虑了承载20个集装器，其结构外形示意图如图1所示[7]。集装器每个自重163 kg，每个载重625 kg，集装器容积5.8 m3。集装器沿车体长度方向并排布置，每个集装器均为6个自由度的刚体，其与车体的紧固装置由底部的刚性支撑及横向、纵向的限位抓钩组成。

图1 集装器结构外形示意图

集装器与车体固定的限位抓钩结构示意图如图2所示。其安装和布置方式为每个集装器的左右两侧各有3个横向限位抓钩，具有2 mm的间隙，在模型中以非线性弹簧-阻尼力元模拟，设置较大刚度参数以模拟非线性止档特性；中间18个集装器纵向每侧有2个抓钩，和集装器外壁通过橡胶块接触，采用分段线性弹簧-阻尼力元模拟，在小位移范围内为橡胶块刚度，之外为大刚度；前后端部2个集装器内侧各有2个抓钩，连接方式与中间集装器的纵向抓钩力元一致，外侧抓钩和集装器刚性接触，直接以大刚度力元模拟。

图2 限位抓钩结构示意图

考虑集装器及货物与车体连接关系的“车-货”耦合货运动车组动力学仿真模型如图3所示。

图3 “车-货”耦合模型

2.2 仿真工况设置

高速货运动车组的仿真计算工况分为直线工况与曲线工况，对设计时速为250 km/h的动车组在不同速度下的动力学性能进行分析。

工况1：前段直线轨道采用武广谱为激扰，后段为理想平直的轨道，运行速度为100 km/h～600 km/h，计算车辆蛇行失稳临界速度。

工况2：全程采用武广谱的直线轨道和R7000 m半径曲线轨道，运行速度为100 km/h～400 km/h，计算车辆运行平稳性和曲线通过安全性。

3 动力学性能分析

3.1 运动稳定性

本文用轮对横向运动的极限环幅值来分析货运动车组的运动稳定性，当极限环幅值超过1 mm，即判定系统出现蛇行运动失稳。由图4可见，正常工况下新轮货运动车组拖车在600 km/h速度范围内轮对横移无谐波，在激扰消失后轮对稳定在平衡位置，其临界速度超过600 km/h，满足最高运行速度250 km/h的要求，且有较大的安全裕量。

图4 极限环幅值

3.2 运行平稳性

货运动车组车辆的运行平稳性数据的采样、处理和分析方法及平稳性指标计算方法根据《高速动车组整车试验规范》进行，对单节货运动车组拖车前后测点的振动响应和平稳性指标进行校核。由于在动车组运行过程中，货物的振动、冲击随着车辆运行速度加快而愈发剧烈，本节对车厢中前、中、后3个集装器的振动加速度也进行了对比计算分析。由图5和图6(本刊黑白印刷，相关疑问咨询作者)可以看出车辆的运行平稳性指标随着速度升高呈现增大的趋势，但在400 km/h的运行速度下，平稳性指标仍然<2.5，为优级。前后端部的集装器测点横向振动加速度明显大于车体地板对应位置测点的结果，垂向振动加速度也比车体地板位置的大，说明在货运动车组高速运行时考虑集装器及货物与车体耦合的动力学模型更趋近实际情况，并可更准确地对所运送货物的完整性和安全性进行评估。

图5 车体测点的平稳性指标和振动加速度

图6 集装器最大加速度

3.3 曲线通过性能

本节采用脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、轮轴横向力、轮轨垂向力及磨耗指数等指标，对考虑“车-货”耦合模型货运动车组拖车的曲线通过性能进行校核。由图7结果可见，所计算的速度通过7000 m半径曲线时货运动车组拖车的脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、轮轴横向力等指标均小于规范规定的安全限度，说明时速250 km/h以上货运动车组可以在7000 m半径曲线上以400 km/h以内的速度安全运行。

图7 曲线通过性能

4 结语

在传统高速货运动车组多刚体模型的基础上考虑了集装器的装载加固及排列方式，对集装器及货物和车辆进行了耦合振动特征动力学建模，并对该“车-货”耦合模型进行了动力学仿真分析。通过计算可知，“车-货”耦合的动力学模型更贴近实际情况。动车组拖车的临界速度在600 km/h以上，满足最高运行速度为250 km/h的设计要求，并且留有足够的安全裕量；车体的运行平稳性在400 km/h范围内都符合标准优级要求，耦合模型下集装器的横向、垂向振动加速度总体上比车体大，更符合实际情况，也利于真实评估货物的完整性和安全性；在曲线通

过安全性方面，在7000 m半径曲线上和400 km/h运行速度范围以内，各项评价指标均符合标准规定的安全限度要求，具有良好的曲线通过性能。综上所述，“车-货”耦合的高速货运动车组能够满足250 km/h范围内的安全平稳运行要求。