基于UM的CRH2型車曲線通過性能分析

陳祺，火巧英，劉艷，劉曉良

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

0 引言

近年來(lái)，隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，列車逐步邁向高速化，輪軌間的動(dòng)力學(xué)性能特別是車輛的曲線通過性能，是關(guān)乎行車安全的重要因素。

本文以CRH2為研究對(duì)象，根據(jù)其構(gòu)造特征及技術(shù)參數(shù)，基于多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，在不同的線路工況下對(duì)其曲線通過性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)合高速動(dòng)車組曲線通過性能的相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析CRH2型車的曲線通過能力。

1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

1.1 動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)高速客車曲線通過車性能的指標(biāo)主要有：脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)、輪軌垂向力、輪軌橫向力、輪軸橫向力和車體振動(dòng)加速度[10]，如表1所示。

表1 高速客車曲線通過能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 CRH2力元簡(jiǎn)化及建模

CRH2轉(zhuǎn)向架采用SKTB-200，其中輪對(duì)為子系統(tǒng)，軸箱有1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，構(gòu)架為6個(gè)自由度的體。輪對(duì)軸箱與構(gòu)架通過鉸相連，懸掛裝置按簡(jiǎn)化力元建模[11]。在三維軟件SolidWorks中建立CRH2拖車的車體模型，通過外部接口導(dǎo)入到UM中，車體模型及轉(zhuǎn)向架分別如圖1、圖2所示。

圖1 CRH2拖車模型

圖2 CRH2拖車轉(zhuǎn)向架模型

2 曲線參數(shù)影響的仿真分析

2.1 曲線參數(shù)設(shè)置

CRH2型拖車的車輪半徑為430mm，選用LMA磨耗型踏面，鋼軌型面選用CN60，軌底坡坡度為1/40，輪軌型面匹配如圖3所示。

圖3 輪軌匹配示意圖

本文選取UIC-good作為軌道激勵(lì)，則UIC譜左右軌的水平和高低不平順幅值變化關(guān)系分別如圖4、圖5所示。

圖4 左軌高低不平順幅值圖

圖5 右軌水平不平順幅值圖

2.2 曲線半徑

根據(jù)我國(guó)高速鐵路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，曲線半徑取值參照《新建時(shí)速200～250km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》取4500～6000m，緩和曲線長(zhǎng)度根據(jù)《GB 50090—2006鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，速度取值為160～240km/h。

實(shí)設(shè)欠超高h(yuǎn)=50mm，根據(jù)《高速客運(yùn)專線暫行規(guī)定》，最大超高允許值為180mm。對(duì)于提速線路，根據(jù)《GB 50090—2006鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，實(shí)際欠超高或過超高之差允許值為110mm。

實(shí)設(shè)欠超高為50mm時(shí)，最大欠超高為101.04mm，最小欠超高為0.35mm，滿足規(guī)范要求。1位輪對(duì)左輪各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 欠超高工況下各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)仿真結(jié)果

從圖6可以得出在欠超高工況下，速度范圍160～240km/h時(shí)，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)都隨速度的增大而增大；當(dāng)速度>220km/h時(shí)，各動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)值都明顯增大；當(dāng)半徑為4500m，速度為240km/h時(shí)，各指標(biāo)值最大，輪重減載率超過0.60，故該工況下2型車的最大運(yùn)行時(shí)速不應(yīng)該超過240km/h；當(dāng)欠超高為50mm時(shí)，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)都隨著曲線半徑的增大而減小；欠超高工況下，當(dāng)半徑為4500m、速度為240km/h時(shí)，各指標(biāo)值最大，即證明小半徑大速度下車輛更容易脫軌。

實(shí)設(shè)過超高h(yuǎn)=160mm，最大過超高量為109.65mm，最小過超高量為8.96mm，滿足規(guī)范要求。測(cè)得1位輪對(duì)右輪各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)隨運(yùn)行距離的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 過超高工況下各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)仿真結(jié)果

由圖7可以得出，過超高工況下，速度在160～240km/h之間時(shí)，輪軌橫向力、輪軸橫向力和車體橫向振動(dòng)加速度都隨速度的增大而單調(diào)遞減。當(dāng)速度為220km/h，半徑為6000m時(shí)，輪重減載率已超過0.60，動(dòng)力學(xué)性能開始下降。故此工況下，2型車的最大速度不應(yīng)超過220km/h；當(dāng)實(shí)設(shè)過超高為160mm時(shí)，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)都隨著曲線半徑的增大而增大；過超高工況下，曲線半徑越大，速度越小，輪軌橫向力、輪軸橫向力和車體橫向加速度越大。

2.3 曲線超過

工況設(shè)置：曲線半徑R=5000m，實(shí)設(shè)超高h(yuǎn)=90～170mm(欠超高29.58mm～過超高45.16mm)，速度160～230km/h。1位輪對(duì)各指標(biāo)的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 超高對(duì)各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)影響的仿真結(jié)果

從圖8可以得出，在同一速度下，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)都隨超高量的增大而增大；同一超高下，輪重減載率隨速度的增大而增大；脫軌系數(shù)和輪軌橫向力隨速度的增大而減??；說(shuō)明在過超高狀態(tài)下，當(dāng)速度超過200km/h時(shí)，輪對(duì)反而不易脫軌；在半徑5000m時(shí)，2型車的實(shí)際運(yùn)行速度不應(yīng)>200km/h，超高取值不應(yīng)超過170mm。

2.4 緩和曲線

工況設(shè)置：曲線半徑R=5000m，實(shí)設(shè)緩和曲線長(zhǎng)度P=100～400mm，實(shí)設(shè)超高為110mm(欠超高14.84mm～過超高49.58mm)，速度160～230km/h。1位輪對(duì)右輪脫軌系數(shù)和輪重減載率的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 緩和曲線長(zhǎng)度對(duì)各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)影響的仿真結(jié)果

從圖9可以得出，在半徑為5000m時(shí)，隨著緩和曲線長(zhǎng)度的增加，輪重減載率單調(diào)遞減；脫軌系數(shù)在300m時(shí)最大，超過300m以后明顯減小。根據(jù)《GB 50090—2006鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，半徑為5000m時(shí)，緩和曲線長(zhǎng)度推薦值最小為300m。故實(shí)際緩和曲線長(zhǎng)度取值應(yīng)按大于標(biāo)準(zhǔn)推薦值。

3 懸掛參數(shù)分析

3.1 一系軸箱彈簧剛度

軸箱彈簧主要起緩和垂向沖擊的作用，故分析其垂向剛度對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能的影響。CRH2原型車的垂向剛度為1.2MN/m，取值0.5～2.0MN/m時(shí)，各指標(biāo)隨剛度變化的關(guān)系如表2所示。

表2 垂向定位剛度對(duì)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響

從表2可知，軸箱彈簧的垂向定位剛度對(duì)各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響較小，隨著剛度值的增大，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)值都減小。因此，垂向剛度取0.5～2.0MN/m時(shí)都可保證其良好的動(dòng)力學(xué)性能。

進(jìn)一步分析橫向和縱向剛度對(duì)車輛曲線通過性能的影響。CRH2原型車的橫向和縱向剛度都為0.9MN/m，剛度變化取0.2～1.5MN/m，測(cè)量1位輪對(duì)各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 車體各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)隨橫向剛度的變化關(guān)系

從圖10可知，軸箱彈簧的橫向和縱向定位剛度對(duì)各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響較大，隨著橫向剛度值的增大，除車體橫向振動(dòng)加速度外，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)值都單調(diào)遞增。橫向剛度超過0.9MN/m時(shí)，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化量較小。因此，橫向和縱向剛度取0.9～1.5MN/m時(shí)都可保證其良好的動(dòng)力學(xué)性能。

3.2 抗蛇形減振器阻尼系數(shù)

抗蛇行減振器主要起衰減車輛曲線通過時(shí)的蛇行失穩(wěn)作用。因此，抗蛇行減振器的阻尼系數(shù)對(duì)車輛在直線上的非線性蛇行臨界速度影響較大。CRH2原型車的阻尼為750(kN·s)/m，阻尼系數(shù)取值為：250～900(kN·s)/m，阻尼對(duì)曲線通過時(shí)的最大限制速度的影響規(guī)律見表3。

表3 阻尼系數(shù)對(duì)臨界速度的影響

從表3可知，抗蛇形減振器的阻尼對(duì)車輛臨界速度的影響較大，隨著阻尼系數(shù)的增大，臨界速度呈遞增規(guī)律。因此，CRH2型車的阻尼系數(shù)至少取600(kN·s)/m時(shí)，才可使其蛇行失穩(wěn)速度大于最大試驗(yàn)速度250km/h，留有足夠大的安全裕度，可以保證車輛良好的動(dòng)力學(xué)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以CRH2型動(dòng)車的構(gòu)造參數(shù)和高速鐵路線路參數(shù)為依據(jù)，在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件UM中建立了CRH2模型和線路模型。研究曲線參數(shù)對(duì)曲線通過能力的影響，并對(duì)車輛懸掛參數(shù)進(jìn)行了分析，綜合考慮車—線的影響。結(jié)論如下：

1)欠超高工況時(shí)：曲線半徑越大，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)值越小。該工況下最大速度不應(yīng)超過240km/h，半徑取6000m時(shí)各動(dòng)力學(xué)性能最優(yōu)。過超高工況時(shí)：曲線半徑越大，各指標(biāo)值越大。該工況下最大速度不應(yīng)超過220km/h，半徑取4500m時(shí)性能最優(yōu)。

2)同一速度下，各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)隨超高的增大而單調(diào)增大；結(jié)果表明：半徑為5000m時(shí)，速度不超過200km/h，超高≤170mm，CRH2拖車的曲線通過性能最好。

3)曲線半徑和超高對(duì)平穩(wěn)性的影響很小，但速度對(duì)平穩(wěn)性影響較明顯。速度為230km/h時(shí)，平穩(wěn)性指標(biāo)值均<2.5。

4)當(dāng)軸箱彈簧垂向剛度0.5～2.0MN/m，橫向和縱向剛度取0.9～1.5MN/m時(shí)，抗蛇行減振器阻尼取250～900(kN·s)/m，可使動(dòng)力學(xué)性能良好。