連續(xù)走行搗固車材料車輪對懸掛系統(tǒng)垂向振動振幅仿真計算

袁燕萍

（昆明中鐵大型養(yǎng)路機械集團有限公司，云南 昆明 650215）

0 概述

連續(xù)走行搗固車（型號為DCL-32）為昆明中鐵大型養(yǎng)路機械集團有限公司生產的大型鐵路線路維護機械，可用于鐵路建設、大修和維修作業(yè)，對軌道進行撥道、起道抄平、石砟搗固及道床肩部石砟的夯實作業(yè)，使軌道方向、橫向水平和縱向水平均達到線路設計標準或線路維修規(guī)則的要求，提高道床石砟的密實度，增加軌道的穩(wěn)定性。整車由搗固主車和材料車構成，搗固主車采用兩個兩軸轉向架與1個單軸輪對，材料車為單軸輪對，另一端通過車架牽引梁鉸接在主車上。本文主要研究材料車輪對懸掛系統(tǒng)在線路行駛過程中的最大垂向振動振幅。

1 車輛-鋼軌軌道垂向動力學模型

材料車輪對懸掛系統(tǒng)如圖1所示，軸箱導框與車架為一體式焊接結構，輪對軸箱通過彈簧與阻尼器（油壓減振器）與軸箱導框進行連接，其中彈簧與軸箱導框之間通過上托梁與U型卸扣進行連接，油壓減振器直接連接車架與軸箱。由于輪對、車架和軸箱導框以及U型卸扣等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小得多，均可視為剛體，因此可將輪對懸掛系統(tǒng)簡化成如圖2所示的質量彈性阻尼模型。其中K為彈簧垂向剛度，C為油壓減振器阻尼。

根據連續(xù)走行搗固車材料車結構特點，建立動力學模型。由于車輛和軌道結構比較復雜，且車輛-軌道系統(tǒng)的耦合性很強，若完全模擬實際中的車輛系統(tǒng)和軌道結構，計算模型會很復雜，甚至是不可能建立的。因此，本文對車輛-軌道做相應的簡化，通過ANSYS/LS-DYNA軟件進行模型求解，本文在建立車輛-鋼軌垂向耦合動力學模型時，主要遵循以下基本原則：

（1）本文僅是針對車輛垂向振動響應進行分析，車體、輪對和一系考慮在模型中。

（2）不考慮相鄰車輛的縱向相對運動。

（3）不考慮鋼軌的彈性變形。

（4）輪軌接觸考慮為赫茲線性彈簧接觸。

基于以上假設，車體輪對只考慮垂向振動。對于全車模型，車體有2個自由度，分別是浮沉、側滾，輪子有2個自由度，分別是沉浮和側滾，整個車輛系統(tǒng)一共4個自由度。

2 不平順選取

在運行平穩(wěn)性分析中，只考慮車輛在垂向方向的運動，因此，系統(tǒng)可用以下非線性微分方程組進行描述：

激擾力矢量。

其中激擾力是通過鋼軌對輪對的強迫位移激振而得到，也即是由軌道不平順引起的。本文研究的是車輛垂向振動，因此只需考慮軌道垂直方向的不平順。線路不平順按波長可分為長波、中波和短波不平順[1]。現有研究普遍認為長波不平順對高速列車的動力學激勵影響比較大，短波不平順對軌道結構影響比較大[2]。搗固車作為工程維修車輛，自行速度和連掛運行速度分別為100km/h和120km/h，行駛速度與高速列車相差較大，因此本文分別對長波不平順與短波不平順進行研究計算。

3 長波不平順

長波不平順可由線路軌道譜進行描述。線路質量相當，則其軌道譜也接近。在我國還沒有自己軌道譜的情況下，借用與我國線路情況相接近的軌道譜，其計算結果基本符合實際情況。本文計算中用德國高速低干擾譜（如圖4）作為線路激擾輸入。

輪軌接觸剛度按如上公式計算，靜輪載p0=4.455t，車輪踏面為LMA磨耗型踏面，輪軌接觸常數G=4.25×10-8m/N2/3，由此得出等效線性接觸剛度KH=1.251×109N/m。車體重量（簧上質量）按材料車滿載狀況，行駛速度按100km/h計算，得出長波不平順下車體垂向位移曲線如圖5所示。

按照搗固車實際行駛能力，分別按車速80km/h、100km/h以及120km/h進行計算，得到三種行駛速度下最大位移幅值如表1所示。同時又對車體重量分別按照空載、滿載以及超載2t的情況下進行計算，得到三種質量下最大位移幅值如表2所示。

表1 不同速度車體位移幅值

表2 不同車重位移幅值

4 短波不平順

線路短波不平順即鋼軌頂面小范圍內的不平順，主要指波長1m以下的軌面不平順，主要包括焊縫接頭不平、軌面擦傷、剝離掉塊、波紋磨耗等。本文以低凹焊縫為例進行短波不平順激勵計算。低凹焊縫主要出現在焊縫及軟著區(qū)，如圖6所示，當用1m弦長測量時，焊縫及軟著區(qū)長度（λ）一般在 10～20mm 之間，幅值（δ1）在 0.1～0.4mm 之間，焊縫及軟著區(qū)外軌面不平順幅值（δ2）一般在0.1～0.3mm。

車體重量（簧上質量）按材料車滿載狀況，行駛速度按100km/h計算，得出由焊縫低凹引起的短波不平順情況下車體垂向位移曲線如圖7所示。

由該計算結果可看出，短波不平順對材料車垂向振動位移影響也很小，可忽略不計。

5 結論

綜合長波不平順與短波不平順對輪對的激勵響應計算結果可得出，車輛行駛速度增大，垂向振動位移幅值增大；車體重量在滿載情況下，振動位移幅值較空載情況下小，超載情況下位移幅值變大。但總的來說，由軌道不平順引起的材料車輪對垂向振動幅值較小。

［1］羅林，張格明，吳旺青，等.輪軌系統(tǒng)軌道平順狀態(tài)的控制[M].北京：中國鐵道出版社，2006，10.

［2］王午生.鐵路線路工程[M].上海：上海科學技術出版社，1999.