橫向減振器布置方式對地鐵車輛動力學性能的影響

黃運華 李 芾 付茂海 宋國強

(1.西南交通大學機械工程學院,610031,成都;2.武漢工業職業技術學院,430064,武漢∥第一作者,副研究員)

橫向減振器作為地鐵車輛懸掛系統的關鍵部件之一,其性能的優劣直接影響車輛運行的安全性和平穩性。本文以地鐵某B型車輛(速度為80 km/h)為例,從二系橫向減振器在轉向架上的布置方式入手,重點分析研究不同布置方式對地鐵車輛動力學性能的影響,以供我國城市軌道交通車輛設計時參考。

1 橫向減振器布置方式分析

鐵路車輛上采用橫向減振器與彈簧一起構成彈簧減振裝置。其中彈簧主要起緩沖作用;而橫向減振器的作用則是減小振動,其作用力總是與運動的方向相反,起著阻止振動的作用。橫向減振器安裝在車體與轉向架之間,用于控制車體相對于轉向架之間的橫移和搖頭運動,以改善車輛的橫向運行性能。在進行鐵路客車轉向架設計時,一般都在每個轉向架上配置兩個橫向減振器。根據轉向架的結構以及設計者的設計思路,兩橫向減振器在轉向架的布置方式一般有兩種:圖1(a)所示為兩橫向減振器呈斜對稱布置,此種方式應用比較多見;圖1(b)為兩橫向減振器對稱布置。

在地鐵車輛轉向架的設計中,因受諸多因素影響,各型地鐵車輛轉向架上大多僅安裝一個橫向減振器。其布置方式如圖1(c)所示。圖1基本上涵蓋了軌道車輛轉向架常見的二系橫向減振器的三種布置方式。橫向減振器的各種布置方式各有其優缺點。單從結構上來說,圖1(a)、(b)分別采用斜對稱和對稱結構,符合機車車輛結構設計的基本原則,有利于結構的強度設計;而圖1(c)采用單個減振器結構,屬于非對稱設計,應該說是不利的,然而卻在城市軌道交通車輛上得到普遍應用。采用單個減振器,一方面便于結構設計,另一方面可以節約橫向減振器的投資成本。而從動力學角度看,各種橫向減振器布置方式下的動力學性能存在一定的差異,特別是當某一橫向減振器失效后,對轉向架動力學性能的影響差異較大。很明顯,采用圖1(a)、(b)的結構形式,當某一側橫向減振器失效,其另一側橫向減振器還能起到一定的阻尼作用;而采用圖1(c)的結構形式,當減振器失效,則整個轉向架就失去了橫向阻尼作用,勢必對動力學性能帶來不利影響。本文后續部分即根據地鐵某B型車輛轉向架(速度為80 km/h)的基本結構,通過仿真分析,說明橫向減振器的布置方式對地鐵車輛動力學性能的影響。

圖1 橫向減振器在車輛轉向架上的布置簡圖

2 動力學模型及說明

為了分析比較橫向減振器不同布置方式對地鐵車輛動力學性能的影響,需針對不同的轉向架結構形式建立各自的動力學計算模型。計算時采用SIMPACK多體系統動力學軟件,在SIMPACK環境下建立橫向減振器雙側斜對稱布置方式時的地鐵某B型車輛動車的多剛體系統動力學模型(如圖2所示)。由于橫向減振器的三種布置方式僅是橫向減振器位置和個數不同而已,對于參數化設計的SIMPACK而言是很容易實現的。將圖2中橫向減振器的縱向位置移動到轉向架的中心,即為橫向減振器雙側對稱布置方式時的計算模型;而在此基礎上直接刪掉一個橫向減振器,即為橫向減振器單側布置方式的動力學計算模型。

圖2 車輛動力學計算模型

分析計算時為方便比較,除二系橫向減振器的布置不同外,地鐵車輛的其它結構和參數完全相同,且雙側布置時兩個橫向減振器阻尼系數之和與單側布置時的相等;此外,計算模型中均采用LM磨耗型踏面和60 kg/m鋼軌。

3 動力學計算結果及分析

一般說來,二系橫向減振器主要影響車輛的橫向運行平穩性。為了充分地進行比較分析,本文對車輛的運行穩定性、運行平穩性和曲線通過性能等均進行了詳細計算和分析。同時,為了更好地研究其影響程度,仿真計算時分別計算了橫向減振器在正常工作與失效時的情形,且失效時假定每個轉向架僅一個橫向減振器失效。為不失一般性,本文僅對車輛在定員工況下的動力學性能進行了計算。

3.1 車輛運行穩定性分析

運行穩定性主要是研究車輛蛇行運動的臨界速度。蛇行運動是由于帶有錐度的整體輪對在鋼軌上運行而產生的。計算中使車輛以速度v運行在某一特定線路上,該線路的初始段有隨機激勵(軌面不平順),線路的后一段則為光滑軌道。車輛運行在光滑線路上一定時間后,通過觀察車輛系統各剛體的位移隨車輛行程的變化情況來判定非線性車輛系統的蛇行穩定性的臨界速度。如果剛體位移隨車輛行程逐漸減小(即收斂),則車輛的運行是穩定的;如果剛體位移發散,則車輛處于失穩狀態;如果剛體位移既不收斂也不發散,則處于臨界狀態,此時相對應的車輛運行速度稱為車輛的蛇行運動臨界速度v cr。

圖3為地鐵車輛在新輪狀態下橫向減振器三種不同布置形式時的蛇行運動臨界速度比較。由圖3可見,在正常工況下橫向減振器布置方式對蛇行運動臨界速度的影響并不顯著,三種布置方式下地鐵車輛的蛇行運動臨界速度幾乎一樣,僅單側布置時略小一點;而當每個轉向架的1個橫向減振器失效后,雙側對稱和雙側斜對稱布置的蛇行運動臨界速度相對于正常工況略有減小,而單側布置的蛇形運動臨界速度卻相對減小了很多。顯然,采用雙側布置方式可以很好地應對減振器突然失效事故的發生;而單側布置方式一旦減振器失效就會使蛇行運動臨界速度降低,造成車輛必須低速行駛且要及時更換或維修,否則就可能引起安全事故。因此,從運行穩定性而言,橫向減振器以采用雙側布置方式為宜。

圖3 車輛的蛇行運動臨界速度比較

3.2 車輛運行平穩性分析

運行平穩性是指車輛在最高運行速度范圍內,在規定線路運行時不會產生過大的振動,并使乘客感到舒適,設備能平穩工作的性能。本文計算了地鐵車輛在橫向減振器的不同布置方式下以80 km/h速度運行在美國IV級線路上的橫向和豎向響應。利用計算程序計算出車輛各部件的位移、速度、加速度響應,并根據車體振動橫向及豎向加速度隨時間的變化歷程,求出車輛的橫向及豎向平穩性指標Wy、Wz(具體結果如圖4所示)。

由圖4可以看出:無論是橫向減振器在正常工況還是失效工況下,雙側對稱布置和雙側斜對稱布置時的平穩性都優于單側布置;而雙側對稱布置同雙側斜對稱布置的平穩性指標和最大加速度均比較接近。就正常工況和失效工況兩者而言,當橫向減振器單側布置時,其平穩性指標相差比較大,一旦減振器失效,Wy、Wz均不符合GB 5599—85《鐵道車輛動力車性能評定和試驗鑒定規范》的優級標準,特別是Wy已不合格了;橫向和豎向加速度也大大超過2.5 m/s2,也已不合格了。當橫向減振器雙側布置時,盡管在失效工況下各平穩性指標均有增大趨勢,但還在GB 5599—85的優級標準內,能滿足運行要求的,而采用雙側布置的兩種形式其平穩性指標也比較接近。因此,就運行平穩性而言,橫向減振器以采用雙側布置方式為宜。

3.3 車輛曲線通過性能分析

車輛曲線通過性能的好壞直接影響到地鐵車輛的行車安全。用于評價車輛曲線通過安全性的指標有很多,本文選擇輪軌橫向力Q,輪軸橫向力H,脫軌系數Q/P(其中P為單個車輪作用于鋼軌的豎向力),輪重減載率 ΔP/(其中 ΔP為輪重的減載量,為減載或增載側車輪平均輪重)以及傾覆系數D等動力學指標來進行比較分析。計算曲線通過時,線路曲線半徑R取500 m,超高取60 mm,緩和曲線長度取60 m,車輛最大通過速度取71.3 km/h(即最大欠超高為60 mm)。表1列出了車輛通過該曲線時的各動力學性能指標最大值。

圖4 橫向減振器在不同布置方式下的地鐵車輛運行平穩性比較

從表1的各動力學性能指標計算結果來看,在橫向減振器正常工況下,其各種布置方式的優劣難分:對于Q和D值,雙側對稱布置時略大;而對于H和ΔP/P—值,單側布置時略大;D值又以單側布置時為最小。由表1可知:在橫向減振器的各種布置方式下的各動力學性能指標均在GB 5599—85的規定范圍之內;在橫向減振器失效工況下,單側布置方式時的各動力學性能指標均比雙側布置時的大,不過仍在相關標準范圍內。總體上,無論是在正常工況還是失效工況下,雙側對稱和雙側斜對稱布置的各動力學性能指標比較接近,橫向減振器布置方式對車輛曲線通過性能的影響不明顯。

表1 橫向減振器不同布置方式時的地鐵車輛曲線通過性能

4 結語

橫向減振器是機車車輛的關鍵部件之一,主要用來抑制車體相對于轉向架構架的橫向運動,以提高車輛的運行品質和舒適度。本文分析研究了地鐵車輛橫向減振器不同布置方式對其動力學性能的影響。研究結果表明:當橫向減振器處于正常工況時,采用雙側對稱或雙側斜對稱布置方式的運行平穩性優于單側布置,而三種布置方式的運行穩定性和曲線通過安全性的差異不大;當橫向減振器失效時,單側布置方式的蛇行運動臨界速度、運行平穩性和曲線通過安全性均比雙側布置方式時差;雙側對稱和雙側斜對稱兩種布置方式的動力學性能比較接近。因此,在進行地鐵車輛轉向架設計時,為保證安全和運行品質,建議橫向減振器以雙側對稱或雙側斜對稱布置方式為宜。

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