某養路車輛動力學性能仿真

王帆 周文祥 劉宇

摘 要：利用多體動力學軟件SIMPACK，建立養路車輛動力學仿真模型，分析了養路車輛的非線性臨界速度、直線運行平穩性以及曲線通過性能等動力學指標。結果表明，該養路車輛具有良好的動力學性能。

關鍵詞：養路車輛；臨界速度；平穩性；曲線通過性能

中圖分類號：U273 文獻標識碼：A

大型養路機械在我國鐵路的推廣使用，為鐵路提速擴能、保證運輸安全發揮了重要作用。這對養路車輛動力學性能提出了更高的要求，因而有必要對其動力學性能進行評價。

1 某養路車輛的動力學模型

某養路車輛轉向架為焊接H型構架，導框式軸箱定位，一系懸掛包括軸箱、雙卷螺旋彈簧、斜鍥減振器、油壓減振器等，車體由常接觸彈性旁承和球面心盤共同承載，坐落在構架上，再通過一系懸掛作用在軸箱和輪對上。其最高運行速度為100km/h，構造速度為120km/h。

利用SIMPACK建立某養路車輛動力學仿真模型。用數值積分方法求解，充分考慮輪軌接觸幾何和蠕滑關系的非線性、輪對自由橫動量和軸箱橫向止擋的非線性、一系減振器卸荷特性的非線性。

2 動力學性能計算分析

車輛運行穩定性和曲線通過性能往往相互矛盾，二者要同時兼顧，才能保證車輛具有良好的動力學性能。利用SIMPACK進行動力學性能分析，主要對養路車輛非線性臨界速度、直線運行平穩性和曲線通過性能等進行計算。

2.1 養路車輛非線性臨界速度

在SIMPACK中，首先讓車輛在一段有激擾的直線上運行，然后在一段光滑的線路上繼續運行，觀察各輪對橫向位移的收斂情況來判斷是否失穩。利用上述方法得出一位輪對橫向位移時間曲線，如圖1所示。當v=185km/h時，輪對橫向位移很快趨向于零，因而該養路車輛的非線性臨界速度為185km/h，能夠滿足100km/h安全運行的要求。

2.2 養路車輛直線運行平穩性

直線運行平穩性，是反映車輛總體綜合動力學性能的重要指標，采用最大振動加速度和平穩性指標進行評定，并按照GB/T17426-1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》規定進行評價。

利用變參數法分析養路車輛以40-140km /h的速度在直線上運行時的動力學性能。采用秦沈線實測軌道譜激擾，考慮水平、垂向和橫向不平順。

由圖2、3可知：該養路車輛的橫向、垂向平穩性指標都隨著速度的增加而增大。且各平穩性指標在120km/h（構造速度）速度范圍內均小于標準值3.0，達到GB/T17426-1998的優級標準；在140km/h速度范圍內仍小于3.5，達到良好標準。說明該養路車輛具有良好的運行平穩性。

2.3 養路車輛曲線通過性能分析

養路車輛曲線通過性能主要以脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力等安全性評價指標衡量。按照某廠家相關標準要求，結合實際情況，以60km/h速度通過現有R600半徑曲線進行線路試驗。固本文重點分析了養路車輛以不同速度通過R600曲線半徑時的曲線通過性能。

2.3.1 R600m曲線通過性能

計算養路車輛以40～90km/h的速度通過R600m曲線的各項動力學指標。曲線組成為：直線100m+緩和曲線120m+圓曲線300m+緩和曲線120m+直線100m，線路超高為120mm，軌道激勵為秦沈軌道譜。

養路車輛的輪軸橫向力、輪對搖頭角、輪重減載率和脫軌系數隨速度變化情況如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

分析知：

（1）40≤V<70km/h時，各項動力學指標隨著速度的增大而減小，曲線通過性能逐漸提高；

（2）V>80km/h時，動力學指標隨著速度的增大而增大，曲線通過性能逐漸降低；

（3）70≤V≤80km/h時，未被平衡的離心加速度接近于零，此時動力學指標最低，曲線通過性能達到最優；

（4）一位輪對是導向輪對，其各項動力學指標均大于其他三位輪對。

以不同速度通過R600m半徑曲線時，養路車輛的輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率、輪對搖頭角等均滿足GB/T17426-1998相關要求，說明養路車輛在R600m半徑曲線上，具有良好的曲線通過性能。

2.3.2 其他曲線工況

為了更全面的了解該養路車輛的曲線通過性能，又分析了其他曲線工況，曲線采用秦沈軌道譜激擾，緩和曲線為120m，圓曲線為600m。由上節知一位輪對的動力學指標最為惡劣，因此以一位輪對為研究對象，計算結果見表1。可知，其他曲線工況下，各項動力學指標仍滿足GB/T17426-1998相關要求，該養路車輛的曲線通過性能優良。

結語

經過以上仿真分析可以可知：

（1）某養路車輛的非線性臨界速度為185km/h，遠大于其構造速度120m/h，能滿足最高運行速度100km/h的運行要求，并具有足夠的安全裕量。

（2）在規定的運行速度范圍內，橫向和垂向平穩性指標隨著速度的增加而增大，且都小于3.0，符合優秀等級要求，具有很好的直線運行平穩性。

（3）以不同速度通過R600曲線半徑以及以單一速度通過不同半徑曲線時，其各項動力學指標都在規定的限度值內，說明曲線通過性能良好。

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