懸掛系統參數對軌交車輛運行平穩性的影響分析

西南交通大學 希望學院 四川成都 610400

近年來,鐵路憑借快速、安全、平穩的突出優勢,在我國得到了快速發展。截至2018年底,我國鐵路運營里程達到131 000 km。鐵路運營安全是基礎,隨著鐵路的快速發展,旅客對舒適性也提出了越來越高的要求。為保障車輛安全、舒適運行,車輛懸掛系統通常采用兩級懸掛,通過對懸掛系統參數進行優化設計和設置,提高車輛運行的安全性和平穩性。對此，筆者借助SIMPACK軟件,分析采用轉臂式轉向架的車輛懸掛系統主要參數對車輛平穩性運行的影響。

1 車輛懸掛系統作用

懸掛系統是車輛和線路之間傳遞作用力與運動的主要載體,懸掛系統參數的變化將直接影響作用力的傳遞和車體振動狀態,是影響車輛動力學性能的關鍵因素。

車輛系統中,在車輛轉向架軸箱處設置一系懸掛,也稱作軸箱懸掛。同時，在構架與車體連接處設置二系懸掛[1]。二系懸掛的主要組成部件有二系橫向減振器、二系垂向減振器、空氣彈簧懸掛裝置、抗側滾扭桿裝置、橫向止擋等。懸掛系統起著兩個方面的作用:一是傳遞作用力,通過二系懸掛裝置將車體載荷傳遞到構架上;二是提高列車運行的安全性和穩定性,提高乘坐舒適性。[2]

2 動力學模型

筆者著重圍繞某型客車轉向架懸掛系統展開研究,應用SIMPACK軟件建立車輛懸掛系統垂向動力學模型，如圖1所示[3]。在該動力學模型中,通過一系懸掛裝置將輪軌作用力傳遞給轉向架構架,再通過二系懸掛裝置傳遞給車體。該模型中主要的一系懸掛參數有一系懸掛剛度、一系垂向阻尼、轉臂式定位剛度等，二系懸掛參數有空氣彈簧剛度、二系橫向阻尼、二系垂向阻尼等。

▲圖1 車輛懸掛系統垂向動力學模型

在建立車輛懸掛系統垂向動力學模型過程中,選用SIMPACK軟件中點到點2號阻尼力元、點到點并聯4號彈簧阻尼力元及5號緊湊力元,同時選用13號彈簧阻尼力元來分析抗側滾扭桿性能。在建立的車輛懸掛系統垂向動力學模型中,共選用八個5號緊湊力元仿真一系懸掛系統的軸向彈簧，選用八個6號彈簧阻尼力元仿真一系垂向阻尼。二系懸掛系統中,設置四個橫向減振器、四個空氣彈簧及兩個抗蛇行減振器[4]。

3 主要參數

車輛懸掛系統垂向動力學模型的各項主要參數見表1,按表中各參數分析車輛相關動力學指標。

表1 車輛懸掛系統垂向動力學模型主要參數

4 車輛運行平穩性指標

列車在線路上運行,受到外界激勵會引起車輛系統的振動,常見的有軌道激擾、車體偏心、踏面磨損和自然環境條件[4]。采用懸掛系統可控制振動,確保貨物的完整性和乘客的舒適性。

評價車輛乘坐舒適度最直接的指標是車體振動加速度,為了準確地對舒適度進行評價,不僅要考慮加速度的大小,而且要考慮加速度振動頻率的影響及跳動度。當用加速度振動頻率評定舒適性時,一般采用Sperling指標。

Sperling指標是基于大量試驗而制定的平穩性指標,通常用于評價車輛本身的運行品質和旅客舒適度。平穩性指標W為[5-7]:

(1)

式中：A為振動加速度，cm/s2；f為振動頻率，Hz；F(f)為關于振動頻率的修正因數。

考慮到人體對各種振動頻率的敏感度不同，引入F(f)參數,其垂向和橫向的值各不相同。

實際測得的振幅隨時間而變化,按照不同的采樣頻率處理,最終平穩性指標WΣ為：

(2)

根據國家標準GB/T 5599—1985規定,振動頻率修正因數和客車運行平穩性等級見表2和表3[8]。

表2 振動頻率修正因數

表3 車輛運行平穩性指標與等級

5 平穩性分析

車輛運行品質的優良取決于懸掛參數的大小,筆者主要考慮直線運行時懸掛參數對橫向、垂向平穩性的影響[9-10]。

5.1 直線運行

在SIMPACK軟件中,為模擬軌道的隨機不平順,提供了三種方法。一是確定性函數,如正余弦、階躍和鋸齒函數,便于進行理論分析。二是隨機函數,軌道激勵用多項式函數描述。三是將現場實測的數據作為激勵。在仿真模型中,筆者采用隨機函數給每側鋼軌按美國五級軌道譜頻率施加激擾力。根據GB/T 5599—1985規定,加速度采集位置位于距轉向架中心橫向1 m的車體地板上。

圖2所示為車輛運行速度在20～130 km/h變化時,車體垂向平穩性指標的變化趨勢。隨著運行速度的提高,輪軌激擾力增大,垂向振動加速度增大,垂向平穩性指標逐漸升高。當運行速度為130 km/h時,平穩性指標達到最大,其數值為2.2,根據我國標準，車輛的垂向平穩性指標W小于2.5時運行品質為優。

人體對橫向振動和垂向振動的振動敏感度不同。橫向振動時,人體對低于2 Hz的振動頻率敏感。垂向振動時,人體對4～8 Hz的振動頻率敏感。而車體的振動頻率較低,一般為0.7～1.2 Hz。因此,人體更能夠感受到橫向振動。圖3所示為客車運行速度在20～130 km/h時,車體橫向平穩性指標的變化趨勢。隨著車輛運行速度提高,橫向平穩性指標逐漸升高,當速度為130 km/h時,達到最大值,此時運行品質仍為優。

▲圖2 車體垂向平穩性指標變化趨勢▲圖3 車體橫向平穩性指標變化趨勢

5.2 一系懸掛

圖4所示為垂向平穩性指標隨軸箱彈簧剛度變化趨勢。由圖4可以看出,無論增大軸箱彈簧橫向、縱向剛度,還是增大垂向剛度,垂向平穩性指標都升高,但升高量非常小，車輛的動力學性能變差。軸箱彈簧垂向剛度為0.8 MN/m,橫向、縱向剛度為0.8～1.4MN/m時,橫向、縱向剛度增大為1.75倍,但垂向平穩性指標僅升高0.02,升高率為1%。因此,軸箱彈簧剛度對垂向平穩性指標影響很小,可以不予考慮。

▲圖4 垂向平穩性指標隨軸箱彈簧剛度變化趨勢

圖5所示為橫向平穩性指標隨軸箱彈簧剛度變化趨勢。由圖5可以看出,無論是增大軸箱彈簧垂向剛度,還是增大橫向、縱向剛度,橫向平穩性指標都在下降,車輛動力學性能變好,但橫向平穩性指標變化很小。可見，在直線運行時,可以不考慮軸箱彈簧剛度對平穩性指標的影響。

▲圖5 橫向平穩性指標隨軸箱彈簧剛度變化趨勢

圖6、圖7所示分別為垂向和橫向平穩性指標隨轉臂定位剛度變化趨勢。隨著轉臂橫向、縱向定位剛度的減小,垂向和橫向平穩性指標均出現下降,車輛動力學性能變好,但整體影響不大。可見，研究直線運行時的車輛動力學性能,可以不考慮轉臂定位剛度對垂向和橫向平穩性的影響。

▲圖6 垂向平穩性指標隨轉臂定位剛度變化趨勢

圖8、圖9所示分別為垂向和橫向平穩性指標隨一系垂向減振器卸荷速度變化趨勢。可以看出,當卸荷力一定時,垂向平穩性指標隨著卸荷速度升高而降低,而橫向平穩性指標則幾乎沒有影響。

▲圖7 橫向平穩性指標隨轉臂定位剛度變化趨勢▲圖8 垂向平穩性指標隨一系垂向減振器卸荷速度變化趨勢▲圖9 橫向平穩性指標隨一系垂向減振器卸荷速度變化趨勢

5.3 二系懸掛

二系彈簧懸掛系統通常使用空氣彈簧,可提供三個方向的動態剛度。圖10所示為垂向平穩性指標隨空氣彈簧剛度變化趨勢。可以看出，空氣彈簧橫向、縱向剛度對垂向平穩性指標的影響不大,但垂向剛度對垂向平穩性指標的影響明顯。空氣彈簧橫向、縱向剛度為0.18 MN/m,垂向剛度為0.38～0.63 MN/m時,垂向平穩性指標從2.0升高到2.4,舒適度為優。由于垂向剛度增大,車體的振動加速度增大,垂向平穩性指標也升高。可以得出結論,空氣彈簧垂向剛度增大時,垂向平穩性指標升高,動力學性能變差,橫向、縱向剛度對垂向平穩性指標的影響不大。

▲圖10 垂向平穩性指標隨空氣彈簧剛度變化趨勢

圖11所示為橫向平穩性指標隨空氣彈簧剛度變化趨勢。可以看出,空氣彈簧橫向、縱向剛度對橫向平穩性指標的影響較大,而空氣彈簧垂向剛度對橫向平穩性指標的影響不大。

▲圖11 橫向平穩性指標隨空氣彈簧剛度變化趨勢

圖12、圖13所示分別為橫向、垂向平穩性指標隨抗蛇行減振器卸荷速度變化趨勢。可以看出,卸荷力一定時,橫向、垂向平穩性指標均隨卸荷速度升高而降低,車輛性能變好,舒適度提高。因此,較小的減振器阻尼因數有利于平穩性的改善。

圖14、圖15所示分別為垂向、橫向平穩性指標隨二系橫向減振器卸荷速度變化趨勢。可以看出，卸荷力一定時,隨著卸荷速度的升高,橫向、垂向平穩性指標均在下降,平穩性得到改善。卸荷速度一定時,隨著卸荷力減小,橫向、垂向平穩性指標均在下降,平穩性提高。

▲圖12 橫向平穩性指標隨抗蛇行減振器卸荷速度變化趨勢▲圖13 垂向平穩性指標隨抗蛇行減振器卸荷速度變化趨勢

6 結束語

伴隨著高鐵時代的到來,人們對車輛安全性、運營速度和舒適度有了更高要求，這就要求設計者要更加了解影響車輛動力學性能的關鍵問題,優化懸掛參數,改善車輛的動力學性能。筆者研究懸掛系統參數對車輛運行平穩性的影響。對于一系懸掛，隨著車輛運行速度的提高,車體的橫向和垂向平穩性均顯著升高;在直線運行時，軸箱彈簧剛度對平穩性的影響較小，隨著轉臂橫向、縱向、垂向剛度的增大,車體的垂向平穩性指標升高,橫向平穩性指標下降,但變化不明顯;隨著一系垂向阻尼因數的增大,車體的垂向和橫向平穩性指標升高,但是影響不大。對于二系懸掛，空氣彈簧橫向、縱向剛度為0.18～0.28 MN/m,垂向剛度為0.38～0.63 MN/m時,隨著垂向剛度的增大,垂向平穩性指標升高,而對橫向平穩性指標的影響不大;適當減小抗蛇形減振器阻尼因數和橫向減振器阻尼因數，可以提高車輛的運行平穩性。

▲圖14 垂向平穩性指標隨二系垂向減振器卸荷速度變化趨勢▲圖15 橫向平穩性指標隨二系橫向減振器卸荷速度變化趨勢