高速動車組柔度系數測定及方法研究

曹曉寧+王秀剛+張振先+梁海嘯+李海濤

摘 要：柔度系數是車輛設計的重要參數，關系到車輛的抗側滾性能，對車輛運行的限界安全有直接影響。針對高寒防風沙動車組，提出了基于整車振動模擬試驗臺的柔度系數的測定方法，并運用位姿反解的方法對作動器執行命令進行解算，實現試驗臺的加載；區別于傳統的測定手段，該方法可得到試驗過程中車體、轉向架轉角的連續數據，是一種動態的測定手段，獲取柔度系數隨車體、轉向架側滾角度變化的規律；試驗結果表明，被試車輛柔度系數最大值0.285，符合UIC505標準的要求，同時也為高寒防風沙動車組的設計提供數據積累和技術支撐。

關鍵詞：高速動車組；整車振動模擬試驗臺；柔度系數；姿態解算；試驗方法

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.088

1 前言

隨著我國軌道車輛出口項目的逐年增加，為滿足車輛出口要求，國內的標準需進一步與國際標準接軌，或需采用出口目標國的標準執行；車輛柔度系數是車輛運行安全、舒適性的重要指標，是歐洲（EN）及國際鐵路聯盟（UIC）標準執行的重要參數，柔度系數的測定尤為重要。

傳統的測定方法有重錘法、傾角法、加速度傳感法，其中重錘法、傾角法均需采用不同高度的墊塊進行超高模擬，但重錘法受限于墊塊的尺寸，無法實現柔度系數的動態測定，且試驗精確較低；傾角法則受制于所采用角度傳感器的精度，不確定因素較大；加速度傳感器法，依托于車輛的線路運行工況，且須控制車輛在低速運行狀態，降低車輛慣性加速度的影響，試驗結果精度低。針對此類問題，本文提出一種依托整車振動模擬試驗臺進行柔度系數測定的方法，可實現柔度系數的連續性測定，試驗的精度高。

2 整車振動模擬試驗臺

本試驗方法基于中車青島四方股份公司的整車振動模擬試驗臺，該試驗臺是用于研究車輛裝配狀態下的特性參數，再現車輛在線路運營時的振動狀態，為車輛的振動性能設計優化提供試驗平臺，為轉向架設計驗證提供試驗手段。

本試驗臺由機械系統、控制系統、液壓系統、試驗測試工具組件等組成。機械系統包括四個運動平臺、模擬車體加載平臺、反應基座等；控制系統包括Flextest200控制機柜、主機和控制線纜等；液壓系統由液壓油源（六臺，約3000升/分鐘）、液壓作動器（31個）、液壓管路及閥、（5個）分油控制單元和多個蓄能器等；試驗測試工具組件包括六自由度力傳感器（4個）、位移傳感器和加速度傳感器、SOMAT數采設備、試驗車軸及多種夾具、標定框架工裝及砝碼等。試驗臺的核心組成為4個六自由度振動平臺、一個模擬車體加載平臺，每個振動平臺為7缸六自由度系統，可實現車輛運行姿態的模擬，圖1所示。

整車振動模擬試驗臺性能參數如下：

可實現垂向、橫向、縱向，點頭、搖頭、側滾等自由度運動，最大垂向位移+/-100mm，最大橫向位移+/-100mm，最大縱向位移+/-85mm； 振動信號再現頻率范圍0Hz～50Hz，最大加速度10g。

3 柔度系數試驗方法

3.1 柔度系數定義

工程上為確定車輛在線路運行時的動態尺寸，需確定車輛因彈簧裝置的柔性作用產生的位移幅度，采用柔度系數進行考核。UIC505標準定義車輛柔度系數如下：

當車輛停在超高為D的線路上時，在彈簧上的車體要傾斜，并與軌面的垂線間形成η角，η角與線路超高角δ的比值η/δ為車輛的柔度系數，用S表示，且柔度系數S<0.4。

柔度系數的公式描述如下：

其中，δi為因軌道超高引起的輪對側滾角；ηi為車體相對于軌道平面的夾角，n為計算樣本點數量；由于實際測試的數據為車體相對于水平面的夾角θi，因此ηi=θi-δi。

3.2 基于試驗臺的試驗方法

圖2位基于整車振動模擬試驗臺的柔度系數試驗示意圖。將車輛靜置于試驗臺上，輪對與作動平臺之間無剛性約束（但設置限位檔）；通過試驗臺位姿的解算方法，得到試驗臺平臺加載試驗譜，模擬曲線軌道的超高、角度，測試車輪側滾角度、車體側滾角度等，用于計算柔度系數。

4 姿態解算

運用姿態解算技術，獲取各作動器的執行命令，實現相應振型的測試。結合試驗臺結構對稱性，將兩組振動平臺其簡化為圖3形式。O-XYZ為試驗臺基礎坐標系，兩振動平臺的坐標系O1-x1y1z1及O2-x2y2z2。圖中1～14為作動器下鉸鏈點，1'～14'為作動器上鉸鏈點；l1～l4、v1～v2、h1～h4為試驗臺幾何關系參量。

5 試驗分析

5.1 振動平臺加載譜

如圖4所示，運用位姿解算的方法，得到四個振動平臺單周期內的加載譜。結合車輪實際運行線路軌道超高量，計算振動平臺的運動（輪對側滾交）角度最大為6.43°；圖5位試驗現場。

5.2 試驗結果

圖6及圖7被試動車組柔度系數試驗結果，試驗測定了車輛一位側及二位側被抬升時的結果，將被試結果選定一定的樣本數量進行統計分析，得到柔度系數的那你和曲線，可知被試車輛一位側抬升時柔度系數值為0.285，二位側抬升時柔度系數值為0.249，則被試車輛柔度系數最大值為0.285，小于UIC505關于車輛柔度系數（最大0.4）的要求，被試車輛合格。

6 結論

本文提出一種整車振動模擬試驗臺的車輛柔度系數測定方法，并對某高速沙動車組進行實際測定，結論如下：

（1）運用姿態解算方法，試驗得到了振動平臺實際加載的命令譜，振動平臺最大轉角位6.43度；

（2）試驗結果表明，被試車輛柔度系數最大值0285，符合UIC505標準的要求，為高寒防風沙動車組的設計提供數據積累和技術支撐。

參考文獻

[1]顧永輝.軌道車輛垂向振動性能研究及減振器阻尼參數選擇[D].上海：上海交通大學，2008.

[2]嚴雋耄.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2003：31-32.

[3]王金鳳.鄭西高速鐵路環境振動衰減特性分析[D].成都：西南交通大學，2011.

[4]城軌車輛柔度系數的測定方法研究[J].中國測試，2010：36-06.

[5]周若湘， 匡如華.抗側滾扭桿裝置在城市軌道車輛中的應用[J].鐵道車輛，2001，（12）.

[6]陸冠東.車輛系統動力學計算方法研究[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[7]張衛華.高速列車耦合大系統動力學理論與實踐[M]. 北京：科學出版社，2013： 108.endprint