摘要： 為研究高速動(dòng)車組車輛動(dòng)力學(xué)性能對(duì)抗蛇形減振器失效的敏感性，以國(guó)內(nèi)某型高速動(dòng)車組為研究對(duì)象，以其實(shí)際動(dòng)力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，建立該型動(dòng)車組的整車動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)抗蛇形減振器不同失效形式下的車輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)論認(rèn)為：抗蛇形減振器失效對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能尤其是對(duì)列車的橫向動(dòng)力學(xué)性能影響顯著；當(dāng)列車行駛速度在250～380 km/h時(shí)，車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)隨列車行駛速度的增大而增大，隨抗蛇形減振器失效個(gè)數(shù)的增加而增大。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組； 抗蛇形減振器； 失效； 安全性； 平穩(wěn)性； 臨界速度

中圖分類號(hào)： U213.55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：In order to study the sensibility of dynamic performance of high speed electric multiple unit on the failure of anti-yaw damper， taking a type of high speed electric multiple unit in China as the research object， a dynamic simulation model of high speed electric multiple unit based on its actual dynamic parameters is established. The dynamic performance of the vehicle is studied by setting different failure modes of the anti-yaw damper. The results show that the failure of anti-yaw damper has significant influence on the vehicle dynamic performance， especially the lateral dynamic performance of the train. When the train speed is 250～380 km/h， the dynamic performance index increases with the increase of the train speed， and the failure number of the anti-yaw damper also increases.

Key words：electric multiple unit； anti-yaw damper； failure； safety； stability； critical velocity

0 引 言

抗蛇形減振器是高速動(dòng)車組二系懸掛的重要組成部分，在列車高速行駛過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。由于鐵路油壓減振器在服役過(guò)程中提前出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性、功能性失效，對(duì)列車行駛的安全性、穩(wěn)定性和舒適性造成嚴(yán)重影響[1]，因此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。宋昊等[2]對(duì)六軸電力機(jī)車抗蛇形減振器失效時(shí)的車輛準(zhǔn)線型臨界速度進(jìn)行計(jì)算分析。ALONSO等[3]研究抗蛇形減振器特性對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性的影響。王成國(guó)等[4]建立鐵道車輛減振器的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。本文對(duì)抗蛇形減振器在不同故障形式下的動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，以判斷該車型的常規(guī)動(dòng)力學(xué)性能對(duì)其故障態(tài)的敏感性。

1 仿真模型

該型動(dòng)車組拖車轉(zhuǎn)向架與車體之間由一系懸掛連接，其中包括：軸箱彈簧、垂向減振器和轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)等。轉(zhuǎn)向架與車體之間由二系懸掛裝置連接，其中包括：空氣彈簧、抗蛇形減振器、橫向減振器和垂向減振器等。此外，車體與轉(zhuǎn)向架之間設(shè)有牽引拉桿、橫向止擋和抗側(cè)滾扭桿等。[5]利用SIMPACK子結(jié)構(gòu)建模方法，將一、二系懸掛裝置的作用力通過(guò)各種力元作用實(shí)現(xiàn)，充分考慮懸掛裝置的非線性特性，建立該型動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)仿真模型，見(jiàn)圖1。

將車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)軸箱裝置均視為剛體，充分考慮各部件間的連接關(guān)系，其中：車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)均有6個(gè)自由度，即縱向x、橫向y、垂向z、側(cè)滾φ、點(diǎn)頭γ和搖頭ψ；軸箱有1個(gè)繞輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度γ。整車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)共有15個(gè)剛體、50個(gè)自由度[6]。

在動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算中，以京滬高速實(shí)測(cè)軌道不平順度為輪軌激勵(lì)，模型采樣頻率設(shè)為1 000 Hz，模擬的線路長(zhǎng)度設(shè)為10 km，并取30～60 s的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2 仿真試驗(yàn)

重點(diǎn)研究減振器出現(xiàn)漏油故障時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為。由減振器的工作原理可知，當(dāng)發(fā)生漏油故障時(shí)，減振器會(huì)失去衰減振動(dòng)作用。因此，在本文建立的動(dòng)力學(xué)模型中考慮抗蛇形減振器功能完全喪失的情況，此時(shí)將液壓減振器的阻尼[7]設(shè)為0。

抗蛇形減振器故障設(shè)置5種情況：故障1為前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個(gè)抗蛇形減振器失效；故障2為前轉(zhuǎn)向架左側(cè)2個(gè)抗蛇形減振器全部失效；故障3為前后轉(zhuǎn)向架左側(cè)2個(gè)抗蛇形減振器全部失效；故障4為前轉(zhuǎn)向架兩側(cè)2個(gè)抗蛇形減振器全部失效；故障5為全部抗蛇形減振器失效。

2.1 安全性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

脫軌因數(shù)與輪重減載率是評(píng)價(jià)車輛行駛安全性的基本指標(biāo)。[8]對(duì)這2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，車輛行駛速度為250～380 km/h時(shí)在不同故障狀態(tài)下的脫軌因數(shù)和輪重減載率分別見(jiàn)圖2和3。

脫軌因數(shù)隨車輛行駛速度的增大而增大，隨減振器失效個(gè)數(shù)的增加而增大。當(dāng)前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個(gè)抗蛇形減振器失效時(shí)：行駛速度小于300 km/h，脫軌因數(shù)變化不大；行駛速度大于300 km/h時(shí)，脫軌因數(shù)迅速增大；行駛速度為325 km/h時(shí)，脫軌因數(shù)為0.747，接近安全限值0.8；行駛速度為380 km/h時(shí)，脫軌因數(shù)為1.9，遠(yuǎn)大于安全限值0.8。在其他故障狀態(tài)下，行駛速度為250 km/h以上時(shí)，脫軌因數(shù)最低（故障2）為1.4，遠(yuǎn)大于0.8，不滿足行車安全性要求。

輪重減載率隨車輛行駛速度的增大而增大。前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個(gè)抗蛇形減振器失效時(shí)：在行駛速度為325 km/h以下時(shí)，輪重減載率小于0.65，滿足行車安全性要求；在行駛速度為350 km/h以上時(shí)，輪重減載率大于0.65，不滿足行車安全性要求。2個(gè)及以上抗蛇形減振器失效時(shí)，相同速度級(jí)的輪重減載率數(shù)值差別不大，行駛速度為300 km/h以下時(shí)的輪重減載率均小于0.65，行駛速度為300 km/h以上時(shí)的輪重減載率均大于0.65，不滿足行車安全性要求。

2.2 平穩(wěn)性分析

我國(guó)評(píng)價(jià)機(jī)車車輛/動(dòng)車組平穩(wěn)性的指標(biāo)包括車體橫向、垂向振動(dòng)加速度和橫向、垂向Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)[9]。行駛速度為250～380 km/h時(shí)車體的平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～7。

由圖4可以看出，車輛垂向振動(dòng)加速度隨車輛行駛速度的增大而增大，隨減振器失效個(gè)數(shù)的增加而增大。1個(gè)抗蛇形減振器失效對(duì)車體垂向振動(dòng)加速度影響不大，當(dāng)2個(gè)及以上抗蛇形減振器失效時(shí)，車體垂向振動(dòng)加速度明顯大于正常態(tài)的加速度，抗蛇形減振器全部失效時(shí)，垂向振動(dòng)加速度最大值為0.616 m/s2。

由圖5可以看出，車體橫向振動(dòng)加速度隨車輛

行駛速度的增大而增大。當(dāng)前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個(gè)抗蛇形減振器失效時(shí)：行駛速度為300 km/h以下時(shí)，車體橫向振動(dòng)加速度略高于正常態(tài)；行駛速度為325 km/h以上時(shí)，車輛橫向振動(dòng)加速度明顯增大。當(dāng)2個(gè)及以上抗蛇形減振器失效時(shí)，相同速度的橫向振動(dòng)加速度最大值差別不大。當(dāng)行駛速度為380km/h、前轉(zhuǎn)向架兩側(cè)抗蛇形減振器失效時(shí)，車體橫向振動(dòng)加速最大值為1.131 m/s2。

由圖6可以看出，車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨車輛行駛速度的增大而增大。1個(gè)抗蛇形減振器失效對(duì)車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)影響較小。當(dāng)2個(gè)及以上抗蛇形減振器失效時(shí)，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)與正常態(tài)相比增大明顯。全部抗蛇形減振器失效時(shí)，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)為2.19。

由圖7可以看出，當(dāng)前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個(gè)抗蛇形減振器失效時(shí)：行駛速度為300 km/h以下時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)略高于正常態(tài)；行駛速度為325 km/h以上時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)明顯增大；行駛速度為350 km/h以上時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)大于2.5，不滿足行車平穩(wěn)性要求。行駛速度為250 km/h以上、2個(gè)及以上抗蛇形減振器失效時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均大于2.5，不滿足行車平穩(wěn)性要求。

2.3 穩(wěn)定性分析

針對(duì)車輛穩(wěn)定性指標(biāo)，計(jì)算發(fā)生故障時(shí)列車的抗蛇形臨界速度。在SIMPACK中給車輛模型的第一輪對(duì)施加6 mm的初始橫移量，然后使車輛以一定的速度行駛在水平直線線路上，通過(guò)觀察第一輪對(duì)的橫向位移是否收斂判斷車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]，抗蛇形臨界速度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，抗蛇形減振器失效時(shí)對(duì)車輛抗蛇形臨界速度影響較大。當(dāng)1個(gè)抗蛇形減振器失效時(shí)，車輛蛇形臨界速度為328 km/h，下降31.8%；當(dāng)2個(gè)轉(zhuǎn)向架左側(cè)抗蛇形減振器失效時(shí)，臨界速度為190 km/h，下降60.5%；當(dāng)抗蛇形減振器全部失效時(shí)，臨界速度為201 km/h，下降58.2%。

3 結(jié) 論

對(duì)所建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析可知，車輛動(dòng)力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)隨列車行駛速度的增大而增大，隨抗蛇形減振器失效個(gè)數(shù)的增加而增大。

在多種情況下列車脫軌因數(shù)大于0.8、輪重減載率大于0.65，不滿足行車安全性要求，包括：（1）前轉(zhuǎn)向架左側(cè)1個(gè)抗蛇形減振器失效、行駛速度在350 km/h以上；（2）前轉(zhuǎn)向架左側(cè)2個(gè)抗蛇形減振器失效；（3）2個(gè)轉(zhuǎn)向架左側(cè)抗蛇形減振器失效、前轉(zhuǎn)向架兩側(cè)抗蛇形減振器失效；（4）全部抗蛇形減振器失效、行駛速度在250 km/h以上。與此同時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)大于2.5，也不滿足行車平穩(wěn)性要求。

當(dāng)抗蛇形減振器失效時(shí)，車輛的抗蛇形臨界速度急劇下降，其中2個(gè)轉(zhuǎn)向架左側(cè)抗蛇形減振器失效時(shí)的臨界速度最低為190 km/h，下降幅度達(dá)60.5%。

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（編輯 武曉英）