铰接式转向架动车组车辆动力学性能研究

王俊锋, 张文朝, 李 跃, 赵 阳, 侯跃峰

(中车唐山机车车辆有限公司 转向架技术中心，河北 唐山 063000)

王俊锋,张文朝,李跃，等.铰接式转向架动车组车辆动力学性能研究[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2022,35(1):92-99.

近年来，随着经济水平快速提升，轨道交通行业也得到长足发展[1]，由于受到现场条件的限制，中小半径曲线、大坡度线路、车内噪声限制、车辆轻量化、车辆对环境振动影响等问题越来越突出[2]，对轨道车辆设计提出了更多的要求。铰接式转向架结构区别于传统转向架，在2节车体之间布置转向架，通过转向架直接连接前后车体。铰接式转向架具有噪音低、轮轨冲击小、曲线通过性能好、结构简单等优点[3]。

铰接式转向架车辆在国外已经有着几十年的发展历程[4]。最早采用铰接式转向架的高速列车为法国阿尔斯通的TGV，在此基础上，其又推出了一款同样采用铰接式转向架的AGV高速动车组列车[5]。日本953系列新干线列车、E993城际列车、50000特快列车、E331城际列车也都采用了铰接式转向架[6-7]。德国ET425系列动车组、瑞士FILRT电力动车组、荷兰SPRINTER列车均采用了铰接式转向架技术[8]。此后随着技术的不断发展，铰接式转向架在城轨车辆、动车组、货车等领域都得到长足发展[9]。目前中国研发的采用铰接式转向架的车辆主要有出口土耳其伊兹密尔铰接式轻轨[10]、马来西亚安邦线轻轨[11]、马其顿铰接式动车组[12]以及吉隆坡机场线铰接式车辆[13]。目前铰接式转向架车辆在我国市场还较少见，但铰接式转向架车辆在国际轨道交通领域具有十分广泛的应用前景。因此为开发“一带一路”沿线轨道交通市场，在契合“铁路走出去”的大背景下，开发一款专门适应国外市场、主要用于出口的铰接式动车组就显得尤为必要。

1 车辆结构

传统的轨道交通车辆通常采用2个转向架支撑车体，相邻车体之间通过钩缓装置连接。而铰接式转向架车辆相邻的车体共用一个转向架，只有前后首车采用独立转向架。本文铰接式动车组模型采用两动一拖编组形式，相邻车体采用铰接式转向架连接，铰接转向架为非动力转向架，采用转臂式轴箱，一系采用钢簧配合一系垂向减振器，二系悬挂包括：4个空气弹簧、横向减振器、抗蛇行减振器、垂向减振器和抗侧滚扭杆，横向止挡布置在牵引装置两侧，牵引装置采用Z字型牵引杆。两端动车采用传统动力转向架，基本结构与铰接式转向架相同，只是空气弹簧数量为2个。传统动力转向架每个转向架安装2个电机。车辆前进方向为1车，依次为2车、3车，车辆前进方向为构架1、轮对1，后面依次为2、3、4。1、4转向架为传统动力转向架，2、3 转向架为非动力铰接式转向架。车辆最高运行速度为160 km/h。

2 动力学模型

2.1 铰接式动车组动力学模型

图1 车辆多体动力学模型

铰接式车辆由于结构特点，与传统车辆相比一般无法分解为单节车辆，必须以列车形式进行建模。采用SIMPACK软件进行动力学建模(如图1所示)，建立三编组铰接式动车组动力学模型。列车系统共包括3个车体、4个构架、8个轮对、16个轴箱、4个电机，共35个刚体，106个自由度。每个动力转向架2个电机，通过力元连接在构架横梁上。车体、构架、轮对等部件均按照刚体考虑，忽略其弹性变形。各个部件之间通过弹簧阻尼力元连接，横向止挡、二系油压减振器采用非线性力元构建，一系悬挂、空簧、牵引拉杆采用线性力元构建。轮径860 mm，车辆踏面选择LM踏面，钢轨外形选择UIC60廓形，轨底坡为1∶20。

2.2 计算工况设置

车辆动力学性能评价主要由直线通过性能和曲线通过性能组成。按照现场要求计算不同工况下的车辆动力学性能指标，并对结果进行综合分析评价。具体工况如下：

(1)直线工况。长度1 000 m，在美国6级轨道谱轨道激励下车辆以不同的速度(40～180 km/h，步长20 km/h)通过线路分析其动力学性能。

(2)曲线工况。正线曲线半径R=300 m，外轨加宽5 mm，曲线外轨超高h=120 mm，圆曲线长度200 m，缓和曲线长度L=100 m，曲线段轨道要差于直线段，因此曲线段轨道不平顺选用美国5级轨道谱，车辆以73 km/h速度通过曲线段。

(3)S曲线工况。车场线小半径S曲线，曲线半径150 m，无超高，缓和曲线长度L=15 m，夹直线长度20 m，圆曲线段长度100 m，轨道不平顺选用美国5级轨道谱，车辆以15 km/h速度通过曲线段。

(4)扭曲线路工况。根据标准要求，通过设置三角坑来模拟轨道扭曲工况。在半径150 m曲线线路上，缓和曲线60 m，超高0.09 m，圆曲线100 m，在外轨进缓和曲线位置设置了20 mm深度的凹坑。车辆通过速度为5 km/h，不考虑轨道不平顺。

3 仿真结果分析

车辆动力学性能评价存在很多标准，运用比较广泛的有英国EN 14363、铁路联盟UIC 518、美国AAR系列、澳大利亚AS 7509、中国GB/T 5599—2019、TB 2360等。本文的车辆主要用于出口，因此各项动力学指标以UIC 518为主，兼顾GB/T 5599—2019。

3.1 稳定性分析

图2 构架横向加速度RMS值

校核过程中，将车辆以20～180 km/h速度在AAR6的直线线路运行工况作为判定条件，得到各个构架横向加速度随速度的变化过程，见图2。结果表明，新轮新轨条件下车辆构架横向加速度低于规定的限值，且仍有一定的安全裕度，所以动车组的运行稳定性满足160 km/h的设计要求。

3.2 直线运行性能分析

根据UIC 518—2009标准规定，车辆运行平稳性可由横向和垂向加速度最大值及加速度均方根值来表示。车体最大横向和垂向加速度均不能超过[Aymax,Azmax]lim=2.5 m/s2，而横向加速度均方根值的限度为[Ayrms]lim=0.5 m/s2，垂向加速度均方根值的限度为[Azrms]lim=1 m/s2。此外，根据车轴横向力之和标准规定，车辆运行平稳性的评定采用司机室座椅上方位置的平稳性指标来表示，新车平稳性需要达到优秀，即不超过2.5。

车体横向最大加速度Ay、垂向最大加速度Az、横向加速度均方根值Ayrms、垂向加速度均方根值Azrms、横向平稳性指标Wzy和垂向平稳性指标Wzz分别绘于图3～图5中。

图3 车体最大加速度

图4 车体加速度均方根值

图5 车体平稳性指标

结果表明，AAR6线路条件下，在180 km/h速度以内的车体横向及垂向振动加速度最大值均低于2.5 m/s2，横向振动加速度均方根值低于0.5 m/s2，垂向振动加速度均方根值低于1 m/s2，满足UIC 518—2009中的要求。AAR6线路条件下，各个速度下车体横向和垂向加速度均方根值均未超出UIC 518—2009中规定的限值。此外，AAR6线路条件下，在180 km/h速度以内的车体横向及垂向平稳性指标均小于2.5，达到GB/T 5599—2019规定的优秀标准。

3.3 曲线通过能力

3.3.1 标准要求

根据要求，该车辆安全性指标应符合UIC 518—2009和GB/T 5599—2019标准规定的相关要求，主要动力学性能应达到以下指标：

(2)脱轨系数采用UIC 518—2009进行评定。[(Q/P)2m]lim=0.8。

3.3.2 R300曲线通过性能

R300曲线车轴横向力计算结果如图6(a)所示。结果表明，当车辆以73 km/h通过R300曲线时车轴横向力未超过标准限值。轮对减载侧轮重减载率和脱轨系数的计算结果绘于图6(b)和图6(c)中。在所计算工况中，各轮对脱轨系数和减载侧轮重减载率均未超过UIC 518—2009中规定的0.8限值，各轮对轮重减载率均未超过标准中规定的限值0.6。

图6 R300曲线车辆通过性能

3.3.3 半径150的S曲线通过性能

图7、图8、图9分别为动车组以15 km/h通过S形小半径曲线时对应的车轴横向力、减载侧轮重减载率和脱轨系数。如图7所示，当动车组通过半径为150 m的S曲线时，各轮对的车轴横向力均小于UIC 518—2009中规定的限值。

图7 S150小半径曲线车轴横向力

各个轮对对应的轮重减载率的计算结果如图8所示。结果表明，在所计算的工况中，各轮对的轮重减载率均未超过标准规定的第一限值0.6。

图8 S150小半径曲线轮重减载率

脱轨系数Q/P的计算结果绘于图9中。结果表明，在所计算的工况中，各轮对的脱轨系数均未超过UIC 518—2009中规定的限值0.8。

图9 S150小半径曲线脱轨系数

车辆以15 km/h速度通过150 m的S形小半径车场线时，在AAR5线路条件下，对各个轮对的车轴横向力、轮重减载率、脱轨系数指标进行计算发现，其各项指标均小于标准中规定的限值。总体看，铰接式转向架动车组能够安全通过150 m半径S形曲线。

3.4 车辆抗扭曲和抗倾覆能力

图10、图11、图12为动车组以5 km/h速度通过施加三角坑的R150曲线时对应的各个轮对车轴横向力、轮重减载率和脱轨系数。4个转向架对应车轴横向力计算结果如图10所示，其中高轨代表在过曲线时的外侧轮，低轨代表在过曲线时的内侧轮。结果没有发现高于56.6 kN的峰值，计算结果满足UIC 518标准的要求。

图10 R150三角坑工况车轴横向力

各个轮对对应减载侧轮重减载率计算结果如图11所示，其中左侧轮对通过曲线的外侧高轨，右侧轮对通过曲线内侧低轨。如图11所示，结果没有发现高于0.6的峰值，计算结果满足UIC 518标准的要求。各个轮对对应脱轨系数计算结果如图12所示，也均未超标。

图11 R150三角坑工况轮重减载率

图12 R150三角坑工况脱轨系数

如仿真所示结果，铰接式转向架车辆具有良好的抗侧滚、抗线路扭曲能力，在通过施加三角坑的小半径曲线时各项动力学指标均未超过标准的要求。

4 结论

介绍了铰接式转向架动车组，并进一步研究了极限工况下其车辆动力学性能，分析结果表明，铰接式转向架车辆具有较好的曲线通过性能，在正线曲线和小半径S曲线工况其脱轨系数、轮重减载率、车轴横向力等指标都满足标准要求。铰接式转向架车辆具有较高的适应线路扭曲能力，在通过三角坑工况时，铰接式转向架车辆轮对受到的轮轨冲击远小于标准要求。

通过分析各个轮对对应曲线通过性能发现，与传统转向架不同，铰接式转向架在作为前车后转向架同时也是后车前转向架，因此铰接式转向架轮对对应的车轴横向力、脱轨系数等数值与前部独立转向架轮对幅值相差很小，这个是值得注意的。综上所述，铰接式转向架车辆具有曲线通过性能好、轮轨作用力小、抗线路扭曲能力强、运行平稳等特点，充分说明铰接式转向架车辆在技术上已经成熟，是一种适应轨道交通需求的新型车辆。