抗菱刚度对平车性能的影响研究

2024-01-03张博宁王勇张胜建吕小勇

机械制造与自动化 2023年6期

张博宁,王勇,张胜建,吕小勇

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都 610031)

0 引言

铁路货物运输是运输的主要方式之一,它在整个运输领域中占有重要的地位并发挥着重要的作用。找出影响车辆性能的关键因素,对改进货车的性能有着重要的作用,其中抗菱刚度就是货车的动力学性能指标重要影响因素之一。

国内学者对货车抗菱刚度进行了大量的研究。王金栋等[1]研究推导了货车转向架斜楔减振器抗菱刚度计算方法。刘嘉兴等[2]通过Abaqus有限元软件和Simpack动力学软件进行仿真计算对变摩擦转向架斜楔等效刚度的计算进行了推导和应用。罗林涛等[3]指出交叉支撑装置可以提高高速转向架的抗菱刚度。任利惠等[4]对货车转向架抗菱刚度的测量方法进行了研究并提出了直接和间接两种测量方法。宋子洋等[5]研究铁路货车顶置式斜楔轴箱悬挂结构中斜楔摩擦角对三轴转向架动力学性能的影响。

前人关于抗菱刚度对货车动力学性能影响的研究较少,因此本文在前人的基础上,通过Simpack动力学软件建立出口的某型平车动力学模型,对不同抗菱刚度下的空车新轮、空车磨耗轮、重车新轮、重车磨耗轮的动力学性能分别进行仿真计算,研究抗菱刚度对其蛇行运动临界速度、运行平稳性、运行稳定性的影响规律。

1 整车非线性动力学模型

利用Simpack仿真软件对车辆系统进行建模和求解。

平车整车系统由1个车体和2个转向架组成,每个转向架又由2个轮对、4个轴箱、4个斜楔和构架组成。本模型采用传统的三大件式转向架,因此每个构架包括2个侧架和1个中央摇枕,共计27个刚体。各刚体的自由度数如表1所示。车体考虑6个自由度,即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头;侧架考虑6个自由度,即纵向、横向、垂向、侧滚、摇头、点头;摇枕考虑3 个自由度,即垂向、侧滚、摇头;斜楔考虑3个自由度,即纵向、横向、垂向,同时引入3个约束;轮对考虑6个自由度,即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头;轴箱考虑1个自由度,即点头;再考虑到钢轨的横向位移、垂向位移以及纵向的扭转,整个车辆系统共计80个自由度。

表1 车辆系统模型自由度

平车模型是一个繁琐的多体系统模型,部件与部件之间既存在相互作用力又有相对运动,除此以外,轮轨之间也存在相互作用。为了达到理论计算分析模型研究的主要目的,必须对一些次要因素进行相应的假定或简化。在建立出口的某型平车系统模型时做出如下假定:轮对、侧架、摇枕、车体和轴箱等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多,均视为刚体,即忽略各部件的弹性变形;不考虑平车牵引工况和相邻车的影响,只考虑单车模型;车体、转向架各部件及悬挂均对称布置。

建立的Simpack刚体非线性动力学模型如图1所示。

图1 平车Simpack模型

非线性轮轨接触几何关系采用P8踏面车轮和UIC54钢轨相匹配的轮轨接触几何关系。新轮和UIC54匹配的名义等效锥度为0.12,磨耗轮和UIC54匹配的名义等效锥度为0.3,轮轨接触点在车轮和钢轨上分布均匀。其中新轮的轮轨接触几何关系如图2所示。

图2 轮轨接触几何关系

2 抗菱刚度

抗菱刚度定义为两侧架因速度差导致出现前后错动情况而使转向架出现菱形变形,提供抵抗这种菱形变形的刚度即为抗菱刚度[2]。

本平车模型采用三大件式转向架,主要由中央摇枕和侧架组成,摇枕与侧架之间通过7组螺旋钢弹簧连接,每侧侧架与摇枕之间还设有两个斜楔,通过减振簧和侧架连接。传统三大件式转向架具有结构简单、均载性好、对线路适应性强、易于检修等优点,但是传统的三大件式结构也带来了抗菱刚度不足、蛇行失稳临界速度低的缺点[3]。三大件货车转向架抗菱刚度主要由摇枕弹簧、斜楔减振系统、轴箱弹性垫以及提高抗菱刚度装置4 个部分提供[5]。而本模型的抗菱刚度主要由变摩擦斜楔减振器提供。文献[1-2]中对抗菱刚度由变摩擦斜楔减振器提供的计算公式均有推导。根据文献[1]可知变摩擦斜楔减振器提供的抗菱刚度为

(1)

式中:b为斜楔宽度;kx表示斜楔弹簧刚度;ky表示摇枕弹簧刚度;α为副摩擦面与水平面间的夹角。

原车设计的空车抗菱刚度为2.5MN·m/rad,重车的抗菱刚度为7MN·m/rad。

3 仿真计算结果分析

3.1 抗菱刚度对蛇行运动临界速度的影响

蛇行运动稳定性是轨道车辆最重要的性能指标之一,通过动力学仿真计算蛇行运动临界速度最常用的方法有降速法和极限环法。

本模型采用极限环法获取临界速度,即当模型在没有任何激扰的理想情况下运行一段距离后给轨道加激励,然后再恢复初始的理想状态,车辆系统首次出现不能回到平衡位置的情况,此时的速度即为临界速度。添加激励有很多种方法,例如实测的轨道激励样本、车辆某些结构的初始位移或速度、随机的初始状态都可以作为添加的激励。考虑到出口国铁路线路较差,本模型采用美国4级谱作为轨道激励,分别计算了空车新轮、空车磨耗轮、重车新轮、重车磨耗轮4种工况下不同抗菱刚度的蛇行运动临界速度(图3)。

图3 临界速度

根据图3可以看出,抗菱刚度对空车新轮的影响最小,对重车新轮的影响最大。

随着抗菱刚度的增加,空车新轮的临界速度缓慢增加。当抗菱刚度大于3MN·m/rad时,随着抗菱刚度的增加临界速度趋于稳定。对于其他3种工况,随着抗菱刚度的增加,临界速度整体上呈现出阶梯状增长;当抗菱刚度小于3MN·m/rad时,随着抗菱刚度的增加,临界速度快速升高;当抗菱刚度大于3MN·m/rad时,空车磨耗轮和重车磨耗轮的临界速度升高速度减缓,重车新轮的临界速度升高速度依然较快;当抗菱刚度大于7MN·m/rad后,重车新轮的临界速度增长幅度较大后趋于稳定。

3.2 抗菱刚度对平稳性的影响

我国现行铁路轨道车辆的评价标准主要依据GB/T5599—2019[6],其中用于评价平稳性的部分绝大多数是基于Sperling平稳性指标发展而来。

平稳性指标计算公式为[7]

(2)

式中:A为振动加速度;f为振动频率;F(f)为频率修正系数。

货车的平稳性评定标准见表2[7]。

表2 平稳性指标等级表

本模型以出口的某型平车作为分析对象,该车的设计速度为100km/h,因此,本模型对4种工况均以100km/h的速度在加有美国4级谱的轨道上进行仿真,对测得的平稳性数据进行分析。

图4—图5所示分别为空车横向、垂向平衡性。从图4和图5可以看出,抗菱刚度对空车新轮的横向和垂向平稳性均没有什么影响。当抗菱刚度过低小于1.5 MN·m/rad时,空车新轮和磨耗轮的平稳性都非常差,磨耗轮的横向平稳性已经不能达到合格的标准;当抗菱刚度大于1.5 MN·m/rad,空车横向平稳性随着抗菱刚度的增大缓慢减小最后趋于稳定;空车垂向平稳性几乎不受抗菱刚度的影响。

图4 空车横向平稳性

图5 空车垂向平稳性

图6—图7所示分别为重车垂向、横向平稳性。从图6和图7可以看出,当抗菱刚度小于3 MN·m/rad时,抗菱刚度对重车后端垂向平稳性影响较小,重车其他横向和垂向平稳性都较差,且对横向平稳性的影响更大,抗菱刚度从2 MN·m/rad增到3 MN·m/rad这一过程中,重车平稳性指标大幅度降低,重车的平稳性大幅提高;当抗菱刚度大于3 MN·m/rad后,磨耗轮横向平稳性随着抗菱刚度的增加逐渐减小,重车新轮横向平稳性和重车垂向平稳性几乎不再受抗菱刚度的影响。

图6 重车垂向平稳性

图7 重车横向平稳性

3.3 抗菱刚度对运行稳定性的影响

运行稳定性主要是通过对轮重减载率,脱轨系数,轮轴横向力3项指标进行评定。GB/T5599—2019中3项指标的规定如下[6]:货车在通过小曲线半径(250m～400m)时脱轨系数应小于等于1.2;在试验速度小于160km/h的情况下,轮重减载率应不高于0.65;轮轴横向力的计算公式为H≤15+(P0/3),式中的P0为静轴质量。

货车在通过曲线时最容易发生脱轨,因此本模型在进行运动安全性仿真时选取半径R350m 、超高h100mm、缓和曲线110m的小半径曲线进行仿真,通过速度设为60km/h,曲线全程加载美国4级谱。为了更直观地观察抗菱刚度对这些指标的影响趋势,对轮重减载率、脱轨系数、轮轴横向力3项指标进行归一化处理并进行分析,如图8—图10所示。