某出口地鐵車輛傾擺試驗與仿真對比研究

牛成亮,李永生,王 雯

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)

某出口地鐵車輛需根據(jù)AS 7507:2017《Rolling Stock Outlines》標準[1]進行傾擺試驗,試驗可以是靜態(tài)測試,即通過抬高靜止車輛的一側(cè)模擬車輛最大超高,也可以是動態(tài)測試,即車輛以較大速度通過特殊曲線模擬最大欠超高。參考GM/RC2641[2]第2.6.15條款的RC140～RC143,采用SIMPACK 多體動力學軟件建立車輛模型進行相應仿真分析,將仿真計算結果與試驗測試結果進行對比,主要從一系側(cè)滾角、二系側(cè)滾角、車體傾擺量和車體下垂量4個方面進行比較,傾擺試驗測試原理如圖1所示。

圖1 傾擺試驗測試原理圖

1 試驗測試

出口地鐵車輛定距為16 500 mm,軸距為2 500 mm,最高運行速度為130 km/h。進行傾擺試驗時需逐步抬升車輪,故采用50 mm、85 mm、120 mm 和140 mm 4種不同厚度的墊塊,需要重點關注的是最大超高為140 mm 墊塊的試驗結果。為了保證安全,試驗時車輛兩側(cè)用吊帶進行二次保護(圖2),以防止車輛傾覆。

圖2 防止車輛傾覆吊帶

1.1 試驗墊塊

試驗墊塊的作用是通過墊高輪對一側(cè)車輪來模擬線路超高。為了從小到大逐步模擬線路超高,選用4種長度均為100 mm 的墊塊。墊塊1:厚度為(4×50±1)mm;墊塊2:厚度為(4×85±1)mm;墊塊3:厚度為(4×120±1)mm;墊塊4:厚度為(4×140±1)mm。

為避免試驗時墊塊與輪緣相互干涉,在墊塊上方設置一個32.5 mm×15 mm 的倒角。

1.2 千斤頂

千斤頂主要用于抬升車輪,在理想情況下,這種液壓裝置通過可控方式可以同時抬升所有車輪。

1.3 安全裝置

為避免車輪打滑及車輛傾覆,需根據(jù)試驗現(xiàn)場條件設計工裝(圖3),以保證人員與車輛安全。

圖3 防止車輛打滑工裝

1.4 試驗條件

為了避免室外風速等因素影響試驗結果,選擇在室內(nèi)完成傾擺試驗。在平直軌道上進行傾擺試驗,其中對應車輛長度的軌道軌頂面的水平誤差控制在1 mm 以內(nèi)。為防止千斤頂和軸箱間發(fā)生滑動,操作時需要在千斤頂上面加一塊橡膠墊,根據(jù)具體墊塊的厚度抬升合適高度,并對墊塊進行更換。在傾擺試驗過程中隨時觀察車輛狀態(tài),一旦車輛有傾覆的風險,立即停止試驗并調(diào)整墊塊厚度。

1.5 車輛加載

為模擬AW3工況,需要將沙袋擺在合適的位置,根據(jù)相關研究成果可知[3-4],座椅上的乘客平均重心在距離座椅面235 mm 以上位置,站著的乘客平均重心在距離地板面963 mm 以上位置。在試驗前,通過理論計算,選取合適的沙袋和木質(zhì)托盤進行加載,加載示意圖如圖4所示。加載完成后,在稱重臺上進行驗證和調(diào)整,使其重心和慣量等最大限度接近實際的AW3工況。

圖4 AW3加載示意圖

1.6 測點布置

在車體(包括外部閉路電視攝像頭)、轉(zhuǎn)向架構架和軸箱上固定28個反光膠帶標記。這些標記的命名規(guī)則是:2位端與2位側(cè)是A 系列,1位端與2位側(cè)是B系列,2位端與1位側(cè)是C 系列,1位端與1位側(cè)是D 系列,如圖5所示。

圖5 測點布置圖

1.7 試驗步驟

具體的試驗步驟如下:

(1) 記錄車輛相關信息;

(2) 通過萊卡全站儀,根據(jù)試驗現(xiàn)場情況選取合適位置,建立全局坐標系[5];

(3) 測量確認軌距及軌頂尺寸,測量基準如圖6所示;

圖6 軌距及軌頂尺寸示意圖

(4) 將車輛放置在試驗線路上;

(5) 確定車體及轉(zhuǎn)向架上的靶標測點位置;

(6) 確保車輛中心線與所在軌道中心線重合;

(7) 確保停放制動正常開啟;

(8) 將工裝放置在合適位置,保證車輛輪對不會產(chǎn)生橫向滑動。在車輛兩側(cè)系好高強度吊帶,防止車輛傾覆;

(9) 釋放車輛制動使懸掛部件能夠自由工作。檢查閘瓦是否與制動盤接觸;

(10) 確認所有空氣彈簧處于正常充氣狀態(tài),隔離空壓機,高度調(diào)整閥處于正常狀態(tài);

(11) 采用全站儀分別對車體、構架及軸箱的靶標測點初始位置進行測量,所有數(shù)據(jù)都是基于前面建立的全局坐標系;

(12) 抬升1位側(cè)的車輪,每抬升一個固定高度都要及時添加合適厚度的墊塊。所有千斤頂要同時動作,以保證同側(cè)的車輪同步被抬升。當抬升到50 mm高度時,通過全站儀對所有靶標測點進行測量并記錄,然后繼續(xù)抬升車輪至下一固定高度85 mm。以此類推,直至完成140 mm 高度的測量;

(13) 采用千斤頂繼續(xù)抬高車輪,逐步拆除墊片,使被測面緩慢下降,直至恢復到車輛水平原始狀態(tài)。在拆除墊片過程中,同樣對固定高度工況下的車輛靶標測點進行測量并記錄。所有的測量結果應該由以車輛縱向中線為基準的橫向坐標和垂向坐標提供;

(14) 由于試驗后車輛未必完全恢復到初始狀態(tài)。需將被測車輛從被測軌道移走,重新對車輛進行調(diào)整,可能要前后移動車輛,或者對空氣彈簧充氣或放氣,重新檢查高度閥狀態(tài),直到與試驗前狀態(tài)一致;

(15) 將車輛再次放置到被測軌道上,位置與上次相同,同時確保車輪中心線與軌道中心線一致;

(16) 重復第1 次測試步驟,抬升車輛2位側(cè)進行試驗測試,直至完成所有數(shù)據(jù)采集。在試驗過程中,受到現(xiàn)場試驗條件限制,構架或軸箱上靶標測點如果不容易被測到,可通過鋼板尺與水平儀等工具找到附近能被測到的點進行測量,通過尺寸換算得到想要的結果。

2 仿真分析模型建立

采用SIMPACK 多體動力學軟件建立車輛動力學仿真模型[6](圖7),車輛前進方向上的第1個輪對被定義為第1輪對,車輛向前行駛方向為X軸,Y軸平行于軌道平面且指向右側(cè),Z軸垂直于軌道平面且方向向下。本文研究的地鐵車輛,每輛車由1個車體、2個轉(zhuǎn)向架、4個輪對與8個軸箱組成,車體、每個轉(zhuǎn)向架與每個輪對各有6個自由度,即縱向、橫移、浮沉、側(cè)滾、搖頭與點頭,其中輪對縱向和側(cè)滾運動為非獨立運動。

圖7 SIMPACK 車輛動力學模型

為使動力學車輛模型與實車最大程度保持一致,需輸入試驗工況下的實車相關參數(shù),包括車體重心、一系懸掛剛度、二系懸掛剛度、加載沙袋質(zhì)量與排列、重心位置以及基于全局坐標系的靶標測點位置等。

建立SIMPACK 模型時,工況與試驗測試要保持一致,輸出結果包括一系懸掛在不同工況下的側(cè)滾角度、二系懸掛在不同工況下的側(cè)滾角度、不同超高下靶標測點的傾擺量與下降量。

3 試驗測試與仿真分析結果對比

3.1 仿真與試驗對比原則

根據(jù)GM/RC 2641:2009《Recommendations for Vehicles Static Testing(第二版)》的要求,仿真分析與試驗測試對比時,需滿足以下兩點要求:(1)側(cè)滾角誤差絕對值小于等于0.23°;(2)位移量誤差絕對值小于等于10 mm。

理論上,車體與轉(zhuǎn)向架構架的初始角和最終角均為零。但是,不可能把目標標記放在兩側(cè)并使它們完全處于水平高度,如圖8所示。

圖8 原始測點布置示意圖

在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中,初始角度存在負值或正值。假設測試設備的原始數(shù)據(jù)錯誤導致了異常的側(cè)滾角,為了得到本報告的相關性結論,忽略這些數(shù)據(jù)是合理的。

3.2 仿真與試驗對比結果

進行試驗測試時,利用徠卡全站儀根據(jù)測試坐標系得到反射靶標和測試軌道的初始坐標,然后轉(zhuǎn)入全局坐標系,計算得到一系懸掛轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角和二系懸掛車體側(cè)滾角。輪對抬高到140 mm 時,一系懸掛轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角仿真分析與試驗測試差值最大為0.16°,二系懸掛車體側(cè)滾角仿真分析與試驗測試差值最大為0.11°,均小于GM/RC 2641中規(guī)定的0.23°要求,結果見表1,詳細數(shù)據(jù)見圖9～圖12。

表1 側(cè)滾角誤差絕對值仿真分析與試驗測試結果對比(°)

圖9 一系懸掛轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角(2位端)

圖10 一系懸掛轉(zhuǎn)向架側(cè)滾角(1位端)

圖11 二系懸掛車體側(cè)滾角(2位端)

圖12 二系懸掛車體側(cè)滾角(1位端)

當輪對抬高到140 mm 時,2位側(cè)傾擺量仿真分析與試驗測試差值最大為8.12 mm,1位側(cè)下降量仿真分析與試驗測試差值最大為4.70 mm,小于GM/RC 2641中要求的10 mm,位移量誤差絕對值仿真分析與試驗測試結果對比見表2。

表2 位移量誤差絕對值仿真分析與試驗測試結果對比

4 結論

本文基于AS 7507:2017標準要求開展了傾擺試驗測試,同時采用SIMPACK 多體動力學軟件建立了車輛模型并進行了仿真分析,最后對比了試驗測試結果與仿真計算結果。結果表明,傾擺試驗結果與仿真計算結果基本一致,對以后利用仿真分析取代試驗測試進行了有益探索。