快捷货车抗蛇行减振器性能参数对动力学性能影响分析

李振华，王开云，王 超，凌 亮

快捷货车抗蛇行减振器性能参数对动力学性能影响分析

李振华1，王开云2，王 超2，凌 亮2

(1. 兰州交通大学，机电工程学院，兰州 730070；2. 西南交通大学，牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

基于车辆系统动力学理论，建立160 km/h快捷货车动力学模型，仿真分析了抗蛇行减振器的节点刚度、阻尼系数和卸荷速度对快捷货车动力学性能的影响。研究结果表明，适当增大减振器的阻尼系数可显著提高快捷货车的临界速度，并改善快捷货车的横向平稳性；随着减振器节点刚度的增加，快捷货车的临界速度先增大后减小，在节点刚度约为12 MN/m时，临界速度达到最大值；快捷货车的临界速度随减振器卸荷速度的增加而降低；抗蛇行减振器性能参数对轮轨相互作用的影响是有限的。

快捷货车；抗蛇行减振器；节点刚度；阻尼系数；卸荷速度；动力学性能

0 引 言

随着高时效要求及高附加价值货物运输需求的大幅增长，开行时速160 km/h快捷货运势在必行。快捷货运列车为满足运输要求，提升铁路竞争力，运行速度较传统货车提高到160 km/h。与传统货车不同，快捷货车转向架安装有抗蛇行减振器以保证车辆高速运行状态下的平稳性，在投入运营前分析其抗蛇行减振器性能参数对快捷货车动力学性能的影响尤为重要。国内外学者针对抗蛇行减振器对车辆动力学性能的影响进行了深入研究，刘建新等[1]基于车辆-耦合动力学理论，借助TTISIM仿真计算平台，具体分析抗蛇行减振器失效、第一级卸荷速度、阻尼对机车运行平稳性的影响；刘闯等[2]为解决高速动车组异常振动，从车轮踏面与线路状态、抗蛇行减振器等方面仿真分析，提出提高抗蛇行减振器动态刚度的建议；崔泽安等[3]通过试验验证油温对减振器动态特性的影响，研究了抗蛇行减振器橡胶节点刚度、卸荷速度、卸荷力对高速列车动力性能的影响；王艺璇等[4]分析了减振器常开阻尼孔径与其输出阻尼力的关系，并利用Adams/Rail建立高速动车组模型，研究了抗蛇行减振器阻尼孔径变化对高速动车组动力学性能的影响；郭兆团等[5]以我国现役动车组作为研究对象，仿真分析了抗蛇行减振器卸荷速度与卸荷力变化对其临界速度、车辆运行平稳性与安全性的影响；刘雅玲[6]采用AMESIM建立详细的液压减振器模型，从油液密度、油液黏度与节流孔直径等角度分析减振器阻尼特性变化规律，并为提高车辆小半径曲线通过性能提出优化建议；明星宇[7]基于SIMPACK/AMESIM联合仿真研究了抗蛇行减振器激励频率与激励振幅对抗蛇行减振器阻尼的变化规律，并分析了减振器等效线性阻尼与实时阻尼对临界速度的影响，仿真计算减振器等效线性阻尼、节点刚度、油液黏度与失效工况车辆动力学性能变化规律。金天贺等[8]分析了抗蛇行减振器与二系横向减振器阻尼特性变化对车辆动力学性能的影响，并考虑减振器结合阻尼效应，为高速车辆动力学性能提供优化建议；Wang等[9]建立了高速列车抗蛇行非线性液压减振器模型，并分析了减振器动态油液刚度、端部橡胶刚度和安装座刚度对其阻尼特性的影响；于曰伟等[10]建立了高速客车抗蛇行减振器阻尼匹配解析设计方法，为阻尼系数的初始设计提供了参考；文献[11, 12]分析了抗蛇行减振器特性对高速列车动力学性能的影响，并对非线性模型进行了优化；文献[13, 14]研究了抗蛇行减振器参数对机车车辆动力学性能的影响。

目前有关抗蛇行减振器对车辆动力学性能的影响研究多是针对机车或高速动车组，而对安装抗蛇行减振器的快捷货车的动力学性能研究较少，且快捷货车与传统货车相比运行速度提高到160 km/h，有必要分析在较高运行速度下抗蛇行减振器性能参数对快捷货车动力学性能的影响。因此本文基于多体动力学理论，利用Simpack动力学仿真软件，建立HZ160C3转向架的快捷货车动力学模型，分析抗蛇行减振器橡胶节点刚度、阻尼系数、卸荷速度对其临界速度与动力学性能的影响，以期为快捷货车的动力学性能提升提供参考。

1 动力学模型的建立

快捷货车HZ160C3转向架与传统货车三大件式转向架结构不同，主要由构架、轮对轴箱悬挂装置、制动装置、牵引装置、二系橡胶弹簧、一系垂向减振器、二系横向减振器、抗蛇行减振器等零部件组成。其中，转臂与构架间采用橡胶节点连接，轴箱顶部设置双卷螺旋弹簧，转臂与螺旋弹簧间设置橡胶隔振垫；构架与转臂间设置垂向液压减振器；二系采用橡胶弹簧悬挂，车体与转向架间安装抗蛇行减振器，牵引拉杆座与构架间安装横向减振器；基础制动装置采用轴盘制动，每轴安装两套制动单元。根据上述结构特征在Simpack中建立快捷货车动力学模型，如图1所示，快捷货车主要动力学参数见表1。快捷货车动力学模型主要由一个车体、两个构架、两个牵引拉杆、四个轮对与八个转臂轴箱组成，车体、构架、轮对、牵引拉杆均为6自由度，转臂轴箱考虑绕轴旋转自由度，共计62个自由度。仿真计算工况设置为：速度为160 km/h，通过曲线工况时，曲线半径为2 200 m，超高为150 mm。既有提速线路是开行快捷货车的主要线路基础，美国六级轨道谱与既有提速线路不平顺差别不大，故仿真中线路不平顺采用美国六级轨道谱[15]。

图1 快捷货车动力学模型

表1 快捷货车主要动力学参数

2 减振器性能参数对临界速度的影响分析

图2展示了抗蛇行减振器节点刚度对快捷货车临界速度的影响，可以看出临界速度随节点刚度的增大呈先增长后降低的趋势。① 当节点刚度为12 MN/m时，货车临界速度达到最大值420 km/h；② 当节点刚度小于12 MN/m时，货车临界速度随节点刚度的增大而大幅增加；③ 当节点刚度大于12 MN/m后，临界速度逐渐减小，且刚度越大，临界速度的降低趋势越平缓：当节点刚度由12 MN/m增至50 MN/m时临界速度降低了19%，当节点刚度由50 MN/m增至90 MN/m时临界速度降低了6%。

图2 节点刚度对临界速度的影响

抗蛇行减振器阻尼特性与其两端相对运动速度之间呈一定非线性关系，阻尼特性曲线如图3所示。为获得抗蛇行减振器阻尼特性对临界速度的影响规律，本文以原始阻尼系数作为标准阻尼特性，选取原始阻尼特性的20%、60%、140%、160%进行仿真分析，仿真结果 如图4所示。抗蛇行减振器阻尼系数对货车临界速度影响较大，临界速度随阻尼系数的增大呈明显增长趋势，且阻尼特性参数比值越高，临界速度的增长趋势越明显。当阻尼系数为原参数的160%时，临界速度达到618 km/h，较原始参数临界速度339 km/h增长了45%。主要原因是阻尼系数比值越大，对应的阻尼力就越大，抑制车辆蛇行运动的趋势越大，车辆的临界速度也随之增大。

图4 阻尼系数对临界速度的影响

抗蛇行减振器不同卸荷速度对临界速度的影响变化见图5。临界速度随抗蛇行减振器卸荷速度的增大呈下降趋势，卸荷速度0.03 m/s时的临界速度为301 km/h，较卸荷速度0.01 m/s时的临界速度339 km/h降低了11%，其原因是，由于卸荷速度的增加，导致同一时间内阻尼力不足，减小了抗蛇行减振器对车辆蛇行运动的抑制作用，故临界速度也随之减小。

图5 卸荷速度对临界速度的影响

综合以上分析，可知抗蛇行减振器性能参数对临界速度具有明显影响，从提高临界速度角度可考虑选取抗蛇行减振器节点刚度为12 MN/m，并适当提高阻尼系数。

3 减振器性能参数对运行平稳性的影响分析

快捷货车以160 km/h速度在直线轨道上运行时车体加速度、平稳性指标随抗蛇行减振器节点刚度的变化情况如图6、图7所示。由图7可知，车体横向平稳性指标随节点刚度的增加呈小幅增加趋势，10 MN/m与80 MN/m时横向平稳性指标分别为2.84和2.95，仅增长了3.9%。此外，抗蛇行减振器节点刚度的变化对车体垂向加速度、横向加速度与垂向平稳性指标影响较小。

图6 节点刚度对车体加速度的影响

图7 节点刚度对平稳性指标的影响

不同抗蛇行减振器阻尼系数对车体加速度与车体平稳性指标的影响变化如图8、图9所示。

由图8可知，车体横向加速度随阻尼系数的增加呈降低趋势，阻尼特性60%～100%范围内降低趋势最为明显，原始参数下车辆横向加速度为1.51 m/s2，较60%阻尼特性下的加速度2.07 m/s2降低了27%。

图8 阻尼系数对车体加速度的影响

由图9可知，车体横向平稳性指标随阻尼系数的增加而逐渐减小，160%阻尼特性下的横向平稳性指标为2.78，较20%阻尼特性下的横向平稳性指标3.28降低了15%。阻尼系数的变化对车体垂向加速度与垂向平稳性指标均无明显影响。

图9 阻尼系数对平稳性指标的影响

减振器卸荷速度变化对车体加速度影响如图10所示。随着卸荷速度的增加，车体横向加速度呈先降低后增长的趋势，在卸荷速度为0.01 m/s时达到最小值1.51 m/s2，低于此值时车体横向加速度呈缓慢降低趋势，高于此值时车体横向加速度的增长趋势较为明显。卸荷速度为0.04 m/s时车体加速度为1.96 m/s2，增加了30%，但车体垂向加速度并无明显变化。

减振器卸荷速度的变化对平稳性指标的影响如图11所示，可见随着卸荷速度的增加，横向平稳性指标呈增长趋势，当卸荷速度增长至0.02 m/s后，横向平稳指标的增长趋势愈为平缓。此外，卸荷速度变化对垂向平稳性指标并未产生明显影响。

图10 卸荷速度对车体加速度的影响

图11 卸荷速度对平稳性指标的影响

综上可见，抗蛇行减振器性能参数对快捷货车的垂向动力学性能影响较低，影响程度与抗蛇行减振器的安装方式有关。由于抗蛇行减振器纵向安装，与垂向偏角小于5°，因此抗蛇行减振器主要限制车辆的摇头运动，而对车辆的垂向动力学性能影响较小。

4 减振器性能参数对曲线通过性能的影响分析

快捷货车以160 km/h通过2 200 m曲线半径轨道时，抗蛇行减振器节点刚度变化对曲线通过性能影响结果如图12所示。由图12(a)可知，轮轨横向力随节点刚度的增加呈现“降低—增长—平缓”趋势，节点刚度20 kN/mm时轮轨横向力达到最小值67.0 kN，轮轨垂向力受节点刚度变化影响较小。由图12(b)可知，轮轴横向力与轮轨横向力变化趋势相反，呈“增长—降低—平缓”趋势，节点刚度在20 kN/mm时轮轴横向力达到最大值37.6 kN；节点刚度大于20 kN/mm后，轮轴横向力随节点刚度的增加而减小；节点刚度大于40 kN/mm后，轮轴横向力受节点刚度影响较小。由图12(c)、(d)可知，节点刚度变化条件下，脱轨系数与轮重减载率均有一定的变化，整体趋势较为平缓。脱轨系数随节点刚度的增加呈“增长—降低”的趋势，在节点刚度为40 kN/mm时达到最大值0.55；节点刚度在10 kN/mm时轮重减载率达到最小值0.51；节点刚度大于10 kN/mm后，轮重减载率随节点刚度的增加呈现“先降低后增长”的趋势，在节点刚度为50 kN/mm时轮重减载率为0.54。

阻尼系数对快捷货车曲线通过性能的影响如图13所示，轮轨横向力随阻尼系数的增大而逐渐增加；轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率随阻尼系数的增大呈平缓降低趋势，但整体变化情况较小；轮轴横向力呈先降低后增长的趋势，阻尼特性为80%时轮轴横向力达到最小值24.66 kN，阻尼特性由40%增大到80%时，轮轴横向力明显降低，降幅为35%；阻尼特性由80%增大至140%时，轮轴横向力增长明显，增幅为36%。

图14为抗蛇行减振器卸荷速度变化对曲线通过性能的影响规律，轮轨横向力与轮轨垂向力随卸荷速度的增加有一定的变化趋势，但变化范围较为平缓（见图a）。轮轴横向力呈波形趋势，卸荷速度为0.015 m/s时轮轴横向力达到最小值24.66 kN；卸荷速度由0.005 m/s增加至0.015 m/s时，轮轴横向力随之减小；卸荷速度由0.015 m/s增加至0.04 m/s时，轮轴横向力随之增大（见图b）。脱轨系数随卸荷速度的增大而小幅增加（见图c），轮重减载率在卸荷速度较大时略有降低（见图d）。

5 结 论

本文基于多体动力学软件SIMPACK建立快捷货车动力学模型，分析了抗蛇行减振器性能参数对货车临界速度、运行平稳性与曲线通过性能的影响，得到如下结论：

(1)抗蛇行减振器性能参数对快捷货车临界速度有明显影响，临界速度随阻尼系数的增大而大幅增加，随卸荷速度的增大而线性减小，随节点刚度的增加呈现先增后降趋势，且抗蛇行减振器节点刚度为12 MN/m时，快捷货车临界速度最优。

(2)抗蛇行减振器性能参数对快捷货车垂向平稳性影响较低，减振器节点刚度对车辆横向平稳性有较大影响，而抗蛇行减振器阻尼系数的增大会优化车辆横向平稳性，卸荷速度的增加会恶化车辆横向平稳性。

(3)抗蛇行减振器性能参数对快捷货车曲线通过性能均有不同程度影响，节点刚度、阻尼系数、卸荷速度均对轮轨横向力、轮轴横向力有较大影响。

综上所述，抗蛇行减振器性能参数对快捷货车临界速度、运行平稳性、曲线通过性能均有不同程度影响，因此，以其中某一指标作为参数优化依据考虑不够全面，应综合考虑性能参数对货车动力性能的影响。

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Influence of Performance Parameters of Anti-yaw Damper on the Dynamic Performance of Fast Freight Wagon

LI Zhen-hua1, WANG Kai-yun2, WANG Chao2, LING Liang2

(1. School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Based on the theory of vehicle system dynamics, the model of the 160 km/h freight car has been established. The effect of key parameters of anti-yaw damper, including joint stiffness, damping coefficient and unloading rate, on dynamic performance of the wagon has been investigated. It is indicated that the proper increase of damping coefficient can increase the critical speed and improve lateral ride comfort of the fast freight wagon significantly. The critical speed of the wagon increases first and then decreases with increasing joint stiffness of the damper, and the critical speed attains its maximum at the joint stiffness of 12MN/m. Besides, the critical speed decreases as the unload rate of the damper increases. The effect of performance of the anti-yaw damper on wheel-rail interaction is limited.

fast freight wagon; anti-yaw damper; joint stiffness; damping coefficient; unloading rate; dynamic performance

U272.1

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2020.11.008

1672-4747(2021)04-0118-08

2020-10-10

2020-11-27

2021-02-17

国家重点研发计划子任务资助课题：基于车-线耦合的快捷货车轮轨低动力作用设计技术(2017YFB1201302-09)

李振华(1990—)，女，博士研究生，研究方向为车辆系统动力学，E-mail：578749241@qq.com

王开云(1974—)，男，研究员，博士生导师，研究方向为机车车辆—轨道耦合动力学，E-mail：kywang@swjtu.edu.cn

李振华，王开云，王超，等. 快捷货车抗蛇行减振器性能参数对动力学性能影响分析[J]. 交通运输工程与信息学报，2021, 19(4): 118-125.

LI Zhen-hua, WANG Kai-yun, WANG Chao, et al. Influence of Performance Parameters of Anti-yaw Damper on the Dynamic Performance of Fast Freight Wagon[J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(4): 118-125.

(责任编辑：刘娉婷)