鉸接車與非鉸接車車-橋耦合系統振動特性的對比分析

丁 杰，丁旺才，嚴 波，衛曉娟

（1.蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070；2.中車株洲電力機車有限公司，株洲 412001）

0 引言

當列車通過橋梁時，機車車輛荷載通過輪軌關系、橋軌關系將荷載傳遞給橋梁，引起橋梁的振動和變形，橋梁的振動和變形也會反過來加劇車輛的振動響應[1]。因此研究車輛-線路-橋梁耦合的動力學性能具有重要的理論價值和工程實際意義。國內外眾多學者陸續開展了車輛-線路-橋梁振動性能的研究。C.L.Dhar[2]將車輛簡化為多剛體系統，研究了列車進橋時車橋系統的垂向振動情況。G.Diana[3]考慮彈性軌道和輪軌關系，建立了車輛-線路-橋梁動力學模型，仿真結果與實測結果基本一致。翟婉明[4]提出了車輛-軌道耦合動力學新理論，并在鐵路工程中得到了廣泛應用。李小珍[5]探討了詳細的車橋耦合關系，建立了車橋耦合系統控制方程，提出了方程求解的分離迭代技術。夏禾[6]等對車橋耦合系統在隨機激勵下的動力學行為進行了研究，并提出了上承式鋼板梁橋的加固方案。

法國的TGV鉸接式高速列車在技術上和商業運用上取得巨大成功后，德國、西班牙、韓國和中國等國家也紛紛加入了鉸接式高速列車的研制和運營的行列之中。鉸接式高速列車和非鉸接式高速列車的運行性能的對比研究也得到了眾多學者的關注。翟婉明[7]建立了鉸接式高速列車-軌道垂向耦合動力學模型，對鉸接式高速列車和非鉸接式高速列車的垂向動力學性能進行了對比研究。研究結果表明，鉸接式高速列車具有良好的垂向動力性能。王福天等[8]闡述了鉸接式高速列車轉向架的設計原則和設計思路，運用STUDYNA、MEDYNA和TPLDYN A三種軟件對車組的運行穩定性、運行平穩性和曲線通過性能進行了計算。張楠等[9]建立了115個自由度的Thalys鉸接式高速列車動力學模型和Antoing橋梁動力學模型，分析了列車的振動加速度和橋梁的撓度、加速度等動力響應，并與現場實測結果較好吻合。以上研究均采用數值積分的方法開展研究，但運用多體動力學軟件對鉸接式高速列車車-橋耦合系統振動響應的研究還比較少見。本文基于車-橋耦合關系，考慮列車在橋梁上高速運行的情況，運用多體動力學軟件UM，分別建立了鉸接車與非鉸接車的三輛車編組列車模型和簡支箱梁橋的車-橋耦合系統動力學模型，列車在橋梁上高速運行時，對列車和橋梁的動力學性能進行了對比 研究。

1 鉸接車與非鉸接車的結構特點

目前，國內運行的高速列車均為非鉸接車車輛，兩個轉向架單獨支撐每節車輛，車輛之間通過車鉤連掛，車鉤傳遞牽引力及沖擊力，車輛之間的耦合作用并不明顯。而鉸接車高速列車除頭車和尾車采用傳統的動力轉向架外，中間車輛使用鉸接轉向架，轉向架支撐著前車的端部和后車的前部，中間車前后兩端分別為支承端和鉸接端，支承端端墻兩側各放置一個二系懸掛彈簧承臺，中間為一個下球心盤座。鉸接端無二系懸掛彈簧承臺，中間放置一個上球心盤座。支承端的下球心盤座和鉸接端的上球心盤座鉸接在一起，鉸接端車體的一部分垂向載荷通過球心盤座傳遞給支承端車體，再通過彈簧承臺傳遞給空氣彈簧及轉向架構架。這樣就相當于一個轉向架支撐了一節車輛，使得列車中的轉向架數量大大減少，減輕了列車的自重，同時列車的運行阻力和振動噪聲也隨著轉向架數量的減少而大幅降低，但車輛之間通過中央彈性鉸等緊密鉸接，因此車輛之間的耦合作用較為明顯。現有的鉸接車轉向架主要有鉸接裝置與搖枕相連的有搖枕結構和無搖枕結構兩種。

2 車-橋耦合系統動力學模型的建立

本文建立的非鉸接車模型的三節車體使用車鉤連接，由六個轉向架支撐；鉸接車模型采用TGV無搖枕轉向架結構，列車包括三節車體（一個鉸接中間車體和兩個端部車體），由四個轉向架支撐。兩種車型均是由車體、轉向架和輪對組成的多剛體系統，按照體、鉸、力元的步驟由下而上的順序建模。在UM軟件中建立幾何外形時有在UM Input中直接建立和將SolidWorks、UG等三維CAD幾何模型導入UM軟件兩種方式，鉸接車與非鉸接車的幾何外形采用UM軟件直接建立和三維模型導入UM軟件相結合的方式[10]。力元（彈簧、阻尼器等）的幾何外形通過UM直接建立，軸箱、構架、車體等幾何外形通過外部導入的方式實現。兩種車型的車輪滾動圓直徑，滾動圓橫向跨距一致，軸距相同，三輛車編組的鉸接車與非鉸接車列車動力學模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 非鉸接車列車模型

圖2 鉸接車列車模型

橋梁選用跨度為32m的預應力混凝土雙線整孔簡支箱（單箱單室）梁橋，標準為通橋（2008）2322A-Ⅱ。在ANSYS中建立橋梁柔性體模型，通過ANSYS_UM程序生成input.fss文件，之后把生成的input.fss文件導入UM軟件。雙線整孔簡支箱梁的一端安裝一個固定支座和一個橫向活動支座,另一端安裝一個縱向活動支座和一個多向活動支支座。固定支座和縱向活動支座一般應該在梁的同一側，橫向活動支座與多向活動支座一般應在梁的另一側，因此在調整好相關位置參數之后對橋梁模型設置相應的special forces力元約束，生成橋梁子系統。分別導入車輛子系統和橋梁柔性子系統，調整兩子系統之間的相對位置，由于是運行雙線的橋梁，使得車輛位于橋梁上線路一側的相應位置。鉸接車與非鉸接車車-橋耦合系統動力學模型分別如圖3和圖4所示。

圖3 非鉸接車-橋耦合系統動力學模型

圖4 鉸接車車-橋耦合系統動力學模型

3 車-橋耦合振動特性對比分析

在仿真分析中，軌道采用C60鋼軌，軌底坡為1/40，軌道不平順為長波不平順（波長20m，波深6 mm），車速為250km/h。鉸接車與非鉸接車車-橋耦合系統振動動態響應仿真結果如圖5～圖12所示。

圖5 鉸接車與非鉸接車尾車垂向振動加速度

圖6 鉸接車與非鉸接車中間車體垂向振動加速度

從圖5可看出鉸接車尾車垂向振動加速度較小于非鉸接車的尾車，這是由于鉸接車的尾車后端無其他車體的耦合約束，但在前端，尾車的振動受到中間車車體的耦合抑制，車鉤耦合作用相對于非鉸接車要強烈一些。從圖6中可看出鉸接車中間車體的垂向振動加速度明顯小于非鉸接車的垂向振動加速度，鉸接式列車的轉向架置于相鄰兩車之間，車與車之間設置有減振器，中間車的振動受到兩側的耦合抑制，車體間的耦合作用較強，車體振動相互抑制削弱；而非鉸接車的中間車兩側通過車鉤與端部車連掛，受到的耦合抑制作用要小。

為了驗證鉸接車縱向耦合作用強弱對車體振動加速度的影響，就縱向減振器對鉸接車的頭車和中間車的振動加速度進行對比分析。從圖7可以看出，有無縱向減振器下鉸接車的頭車振動加速度大小基本相同，縱向阻尼對鉸接車的頭車振動加速度的影響較小。圖8可以看出，無縱向減振器的情況下，鉸接車中間車的垂向振動加速度明顯增大，說明鉸接車之間的縱向減振器對抑制中間車車體振動有明顯的作用。結合圖7和圖8進一步分析可知，頭車車體只有尾端有縱向阻尼，單側阻尼對車體振動的抑制作用并不明顯；而中間車車體兩端都有縱向阻尼，兩側阻尼所產生的對振動的抑制作用有很明顯的效果。

圖7 縱向阻尼對鉸接車頭車振動的影響

圖8 縱向阻尼對鉸接車中間車振動的影響

圖9 有縱向阻尼時鉸接車頭車與中間車振動對比

圖10 無縱向阻尼時鉸接車頭車與中間車振動對比

圖9顯示鉸接車頭車的振動比中間車大一些，體現了鉸接式列車在車體加速度的分布上，呈兩端大、中間小趨勢的規律。圖10是鉸接車去掉縱向減振器的情況，此時中間車的垂向振動加速度明顯增大，與頭車的垂向振動加速度已經比較接近，但是還是小于頭車的振動加速度，這與非鉸接車呈現的結果是一致的，端部車的垂向振動加速度一般都大于中間車。一般情況下，無論是鉸接車還是非鉸接車，中間車的振動都有弱于端部車，中間車的舒適性好于端部車；鉸接車的中間車的舒適性一般要好于非鉸接車，鉸接式連接可以增加列車的穩定性，能有效降低車體的振動。

圖11 橋梁跨中垂向振動加速度

圖12 鉸接車有無縱向阻尼下橋梁跨中垂向振動加速度

橋梁跨中豎向振動加速度限值是[a]max=0.35g（有柞軌道橋梁），[a]max=0.50g（無柞軌道和明橋面橋梁），圖11顯示非鉸接車激勵下的橋梁垂向振動加速度略大于鉸接車，鉸接車激勵下的振動衰減的較快，但兩種情況下的橋梁跨中振動加速度相差較小，因此鉸接車和非鉸接車對橋梁的垂向振動的影響作用基本相當，橋梁的動力學指標均在安全范圍以內，且具有很大的安全余量。從圖12可以看出，鉸接車有無縱向減振器對橋梁跨中垂向振動幾乎無影響，說明縱向減振器對車輛與橋梁間的耦合作用影響有限，車體間的耦合作用強弱與橋梁振動的響應基本不相關，也正說明圖11中兩種情況下橋梁跨中垂向振動加速度的不同并不是車體間縱向阻尼引起的，而是由車輛本身的性能參數所決定。

4 結語

本文運用多體動力學軟件UM分別建立三節鉸接車、三節非鉸接車模型與簡支箱梁橋的車橋耦合系統動力學模型，對鉸接車與非鉸接車的車橋振動特性做了對比分析，進而仿真分析了鉸接車有無縱向減振器時的車橋振動特性，得到了以下結論：

1）端部車的垂向振動強于中間車的垂向振動。鉸接車的中間車車體垂向振動明顯小于非鉸接車中間車車體，鉸接車中間車的舒適性一般好于非鉸接車中間車。

2）鉸接車的主要優點是車體間的阻尼加強了車體間的耦合作用，中間車車體振動得到一定的有效抑制，使得中間車受耦合抑制較強而振動較弱，但對于頭車和尾車來說阻尼所起到的抑制作用較為有限，有無縱向減振器對車輛振動程度的影響較小。

3）鉸接車與非鉸接車作用下橋梁的跨中垂向振動基本相同，車體間耦合作用的強弱對橋梁的垂向振動影響有限。