不同車型對車-橋耦合系統動力特性的影響分析

丁 杰，嚴 波，丁旺才*

(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，湖南 株洲 412001)

當列車高速通過橋梁時，列車會引起橋梁的振動，同時橋梁的振動也會進一步加劇列車的振動，影響旅客的乘坐舒適度，也不利于橋梁的安全，這種車橋之間相互作用的問題就是車-橋耦合振動問題[1-3].自世界上第一條鐵路建成以來，車-橋耦合振動問題越來越受到國內外眾多學者的關注.G.Diana等[4]開展了大跨度懸索橋列車運行通過能力的研究，其數值仿真結果和試驗測量結果基本吻合.石廣田等[5]運用動柔度的思想建立高速鐵路車輛-軌道-橋梁垂向耦合動力學頻域模型，結合虛擬激勵法求解軌道譜激勵下的軌道系統和橋梁結構的隨機振動響應.孫宇等[6]基于格林函數和輪軌Hertz非線性接觸理論，提出了一種求解車輛-軌道垂向耦合動力學的新方法.李錦華等[7]研究了雙線列車通過橋梁時，列車速度、懸掛系數、軌道與橋梁連接參數對車-軌-橋耦合系統的動力學性能的影響.He X H和Li H[8]分析了一種新型風障對列車-橋梁系統空氣動力學的影響.耿烽等[9]利用ADMAS的Rail模塊建立了動車組車-軌耦合動力學模型，對車輛臨界速度、車輛平穩性和輪重減載率等動力學性能指標進行了仿真計算，結果表明各項動力學性能良好.李國芳等[10]運用UM軟件分別計算了高速客車在剛性軌道和無質量軌道模型下的車輛動力學性能.

法國的TGV列車是世界上最早商業運營的鉸接式高速列車[11].TGV列車的鉸接技術陸續被德國、西班牙和韓國等國家的鉸接式車輛所采用.國內研究機構和學者也陸續開展了鉸接式高速列車的研究和試制，并為澳大利亞、土耳其、馬來西亞等國家研制出口鉸接式客貨運列車.王福天等[12]闡述了鉸接式高速客車轉向架的設計思路，用3種不同自由度的計算模型對鉸接式車組的動力學性能進行了計算.張楠等[13]建立Thalys鉸接式高速列車動力學模型和Antoing橋梁動力學模型，計算了列車的振動加速度和橋梁的撓度、加速度等動力響應，計算結果與現場實測結果較好吻合.譚皓尹[14]分析了鉸接式動車組動力學性能，并分析了鉸接剛度和編組長度對車輛動力性能的影響.王金生等[15]建立了三個轉向架兩車編組的列車動力學模型，對列車在正常線路、側風和空氣彈簧失效三種工況下的平穩性和曲線通過性能進行了研究.

現有的研究成果多基于對非鉸接車輛-橋梁耦合動力學和鉸接車輛-橋梁耦合動力學進行單獨研究，對兩種車型動力學性能進行對比研究評價的文獻還較少.基于車-橋耦合理論，運用多體系統動力學軟件UM，分別建立了非鉸接式和鉸接式兩種高速列車頭車與簡支箱梁橋的車-橋耦合系統動力學模型，研究車輛和橋梁的動力學性能.同時，為了研究中央鉸接裝置對列車整體性能的影響，建立了兩種車型三輛編組列車-橋梁耦合系統動力學模型，系統分析了非鉸接列車和鉸接列車對車-橋耦合系統動力特性的影響.

1 車-橋耦合系統動力學模型

目前，在世界范圍內運營的輪軌高速列車的代表性車型主要有德國ICE、法國TGV、日本新干線、中國和諧號及中國標準動車組等.其中，大部分高速列車為動力分散型，車輛之間屬于非鉸接式聯接，每節車輛由兩個獨立轉向架支撐.法國TGV列車大多屬于動力集中型，中間車體為鉸接式車輛，前車(除頭車和尾車)尾端和后車前端共用一個鉸接轉向架支撐，從而減少了轉向架的數量，且車輛間采用鉸接裝置代替車鉤緩裝置使得耦合作用較為明顯.選用一種常見的非鉸接式高速列車(簡稱為A型車)和一種鉸接式高速列車(簡稱B型車)作為研究車型。兩種高速列車頭車的部分性能參數如表1所示.

表1 兩種高速列車頭車的部分性能參數Tab.1 Some performance parameters of two kinds of high speed trains

簡支梁橋是較為常見的鐵路橋梁，這類橋梁具有結構簡單、整體性好、抗扭剛度大和耐久性能好等優點.我國高速鐵路橋梁以32 m預應力混凝土整孔簡支箱梁應用最廣，另有20 m和24 m兩種跨度的簡支梁橋主要用于配跨。橋梁模型選用預應力混凝土雙線整孔簡支箱(單箱單室)梁橋，跨度L為32 m，無砟軌道橋面，標準采用通橋(2008)2322A-Ⅱ.橋上軌道選用C60鋼軌，WJ-8型扣件系統，軌底坡設置為1/40，軌道不平順譜采用德國高速鐵路低干擾譜.橋梁的主要參數如表2所示.

表2 橋梁主要參數Tab.2 Main parameters of the bridge

在UM軟件中建立幾何模型時有在UM Input中直接建立和通過三維建模軟件建立模型后導入UM軟件兩種方式.車體和走行部分運用UM 直接建立，通過力元把相關體進行連接，建立車輛多剛體子系統模型.以輪對為例，說明在UM Input中建立模型的方法.輪對子系統Subsystems中提供了標準的參數化輪對模型供調用，設置名義滾動圓半徑為0.43 m，名義滾動圓橫向跨距為1.493 m，軸長2.2 m；在Identifiers中設置輪對質量mwset為2 000 kg、輪對側滾轉動慣量ixwset為800 kg·m2、輪對點頭轉動慣量iywset為80 kg·m2、輪對搖頭轉動慣量izwset為1 000 kg·m2.輪對三維模型如圖1所示.橋梁柔性體模型首先通過SolidWorks軟件建立三維模型，將橋梁三維模型轉化為X-t文件格式導入Ansys軟件，利用Ansys動力子結構技術對橋梁、鋼軌及軌道板單元屬性、質量剛度、選擇界面點等信息文件進行處理，通過Ansys-um子程序生成UM能識別的input.fss文件，從而生成橋梁子系統.其中簡支梁三維模型如圖2所示.軌道模型采用連續彈性基礎梁模型.通過輪軌關系和橋軌關系完成車-橋耦合系統模型的建立.兩種車型的頭車-橋梁耦合系統動力學模型如圖3所示.為了對比研究非鉸接列車和鉸接列車對車-橋耦合系統振動的影響，分別建立了三輛編組的A型和B型編組列車-橋梁耦合系統動力學模型，如圖4所示.其中，A型列車由三節非鉸接車輛組成，6個轉向架支撐；B型列車由一節鉸接中間車體和兩節前后端部車體組成，4個轉向架支撐.

2 不同車型頭車車-橋耦合系統振動響應的比較

2.1 車輛振動響應比較

列車運行的安全性和平穩性是客運系統最重要的因素.評價客車運行安全性的主要指標有車輛的輪重減載率、脫軌系數等；評價客車運行平穩性的主要指標有車體振動加速度和Sperling平穩性指數等.我國對客車運行的安全性和平穩性評價指標限值如表3所示.

運用UM軟件對圖3所示的兩種頭車-橋梁耦合系統動力學模型進行動力學仿真，車速設置為200 km/h、220 km/h、250 km/h三種工況.圖5～圖10分別為兩種車型的輪重減載率、脫軌系數、車體振動加速度和Sperling指數大小隨車速變化對比圖.從圖中可以看出，隨著列車運行速度的增加，兩種頭車的性能指標均有所增加，車輛的振動響應越來越劇烈；A型車指標變化較明顯，B型車指標變化幅度較平穩.在車速200 km/h和220 km/h兩種工況下，兩種頭車的安全性和平穩性指標均在優秀的范圍內.當速度增至250 km/h時，A型車的輪重減載率和脫軌系數已瀕臨安全行駛的限度，影響到行車的安全性能，同時Sperling平穩性等級已降至良好級別，該現象與A型車最大設計速度為250 km/h相吻合.

2.2 橋梁振動響應比較

列車通過橋梁時對橋梁不僅有垂向作用使橋梁產生垂向振動與變形，還對橋梁產生橫向作用使橋梁產生橫向振動與變形，同時橋梁的振動和變形也會加劇車輛的振動響應.我國高速鐵路無砟軌道橋梁的部分振動參數限值如表4所示(最高車速300 km/h).

表4 無砟軌道橋梁部分振動參數限值Tab.4 Limit of performance parameters of non-ballasted track bridge

在車速分別為200 km/h、220 km/h、250 km/h三種工況下，橋梁的跨中振動位移、振動加速度分別如圖11～圖14所示.從圖中可以得出，橋梁的跨中振動位移、振動加速度隨著車速的增加而遞增，車速的增加加劇了橋梁的振動響應.B型車經過橋梁時，橋梁的跨中振動位移明顯大于A車型，這與B型車自重較大有關，但兩種頭車高速通過橋梁時引起的橋梁的跨中振動位移、加速度仍在無砟軌道橋梁振動參數限值范圍內，并還有很大的安全余量.因此，兩種頭車在三種速度工況下經過橋梁時，橋梁結構的安全性能夠得到保證，且有較大的冗余.

3 鉸接列車和非鉸接列車車-橋耦合系統振動響應比較

對圖4所示的A型和B型兩種列車-橋梁耦合系統動力學模型進行動力學仿真，取車速為240 km/h.圖15～圖18是兩種三輛編組列車的中間車體、尾車垂向振動加速度和列車過橋時引起的橋梁跨中振動加速度仿真結果.

由圖15和圖16可見，三輛編組列車通過橋梁時，列車和橋梁跨中的振動都較頭車過橋時顯著增強.B型列車受橋梁和線路激擾引起的振動比A型列車弱很多，且衰減速度較快.其原因是B型列車車輛之間存在通過中央彈性鉸鉸接并設置有很多的縱向減振器，使得車輛間的耦合抑制作用顯著增強，從而減弱了整體振動水平[16].兩種類型列車中間車體的振動都比各自尾車的振動要弱，這是由于尾車僅在前端受到中間車體的耦合抑制作用，這種耦合抑制作用相對于中間車體同時受到前后兩端的抑制程度已大大降低.圖17和圖18表明，B型列車過橋時引起的橋梁跨中振動小于A型列車.說明B型列車具有優良的整體性，有利于列車安全運行.

4 結論

基于UM軟件分別建立A型、B型兩種高速列車頭車以及A型和B型兩種三輛編組列車與簡支箱梁橋的車-橋耦合系統動力學模型，對比分析了車輛安全性、穩定性性能指標和橋梁的結構動力學性能指標，研究了非鉸接列車和鉸接列車對車-橋耦合系統振動的影響，得出以下結論：

1) 頭車高速經過橋梁時，隨著車速的增加，車輛和橋梁的性能指標均呈增加的趨勢，車速的增加加劇了車輛、橋梁的振動響應；A型車在250 km/h車速下的安全性、穩定性已處于臨界狀態；B型車由于自重大，其引起的橋梁振動程度較強.

2) 三輛編組的兩種列車高速經過橋梁時，列車和橋梁的振動都較單節頭車過橋時顯著增強，中間車體的振動都比尾車的振動要弱；由于B型列車車輛之間鉸接耦合作用較強，且設置有縱向減振器的原因，B型列車過橋時引起的車輛和橋梁的振動反而小于A型列車.