西南交通大學(xué) 希望學(xué)院 四川成都 610400

近年來,鐵路憑借快速、安全、平穩(wěn)的突出優(yōu)勢(shì),在我國得到了快速發(fā)展。截至2018年底,我國鐵路運(yùn)營里程達(dá)到131 000 km。鐵路運(yùn)營安全是基礎(chǔ),隨著鐵路的快速發(fā)展,旅客對(duì)舒適性也提出了越來越高的要求。為保障車輛安全、舒適運(yùn)行,車輛懸掛系統(tǒng)通常采用兩級(jí)懸掛,通過對(duì)懸掛系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)置,提高車輛運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。對(duì)此，筆者借助SIMPACK軟件,分析采用轉(zhuǎn)臂式轉(zhuǎn)向架的車輛懸掛系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)車輛平穩(wěn)性運(yùn)行的影響。

1 車輛懸掛系統(tǒng)作用

懸掛系統(tǒng)是車輛和線路之間傳遞作用力與運(yùn)動(dòng)的主要載體,懸掛系統(tǒng)參數(shù)的變化將直接影響作用力的傳遞和車體振動(dòng)狀態(tài),是影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

車輛系統(tǒng)中,在車輛轉(zhuǎn)向架軸箱處設(shè)置一系懸掛,也稱作軸箱懸掛。同時(shí)，在構(gòu)架與車體連接處設(shè)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(cè)滾扭桿裝置、橫向止擋等。懸掛系統(tǒng)起著兩個(gè)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(gòu)架上;二是提高列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性,提高乘坐舒適性。[2]

2 動(dòng)力學(xué)模型

筆者著重圍繞某型客車轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)展開研究,應(yīng)用SIMPACK軟件建立車輛懸掛系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示[3]。在該動(dòng)力學(xué)模型中,通過一系懸掛裝置將輪軌作用力傳遞給轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(shù)有一系懸掛剛度、一系垂向阻尼、轉(zhuǎn)臂式定位剛度等，二系懸掛參數(shù)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(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型

在建立車輛懸掛系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型過程中,選用SIMPACK軟件中點(diǎn)到點(diǎn)2號(hào)阻尼力元、點(diǎn)到點(diǎn)并聯(lián)4號(hào)彈簧阻尼力元及5號(hào)緊湊力元,同時(shí)選用13號(hào)彈簧阻尼力元來分析抗側(cè)滾扭桿性能。在建立的車輛懸掛系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型中,共選用八個(gè)5號(hào)緊湊力元仿真一系懸掛系統(tǒng)的軸向彈簧，選用八個(gè)6號(hào)彈簧阻尼力元仿真一系垂向阻尼。二系懸掛系統(tǒng)中,設(shè)置四個(gè)橫向減振器、四個(gè)空氣彈簧及兩個(gè)抗蛇行減振器[4]。

3 主要參數(shù)

車輛懸掛系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型的各項(xiàng)主要參數(shù)見表1,按表中各參數(shù)分析車輛相關(guān)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。

表1 車輛懸掛系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型主要參數(shù)

4 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)

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

評(píng)價(jià)車輛乘坐舒適度最直接的指標(biāo)是車體振動(dòng)加速度,為了準(zhǔn)確地對(duì)舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià),不僅要考慮加速度的大小,而且要考慮加速度振動(dòng)頻率的影響及跳動(dòng)度。當(dāng)用加速度振動(dòng)頻率評(píng)定舒適性時(shí),一般采用Sperling指標(biāo)。

Sperling指標(biāo)是基于大量試驗(yàn)而制定的平穩(wěn)性指標(biāo),通常用于評(píng)價(jià)車輛本身的運(yùn)行品質(zhì)和旅客舒適度。平穩(wěn)性指標(biāo)W為[5-7]:

(1)

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

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

實(shí)際測(cè)得的振幅隨時(shí)間而變化,按照不同的采樣頻率處理,最終平穩(wěn)性指標(biāo)WΣ為：

(2)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5599—1985規(guī)定,振動(dòng)頻率修正因數(shù)和客車運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)見表2和表3[8]。

表2 振動(dòng)頻率修正因數(shù)

表3 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)與等級(jí)

5 平穩(wěn)性分析

車輛運(yùn)行品質(zhì)的優(yōu)良取決于懸掛參數(shù)的大小,筆者主要考慮直線運(yùn)行時(shí)懸掛參數(shù)對(duì)橫向、垂向平穩(wěn)性的影響[9-10]。

5.1 直線運(yùn)行

在SIMPACK軟件中,為模擬軌道的隨機(jī)不平順,提供了三種方法。一是確定性函數(shù),如正余弦、階躍和鋸齒函數(shù),便于進(jìn)行理論分析。二是隨機(jī)函數(shù),軌道激勵(lì)用多項(xiàng)式函數(shù)描述。三是將現(xiàn)場實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)作為激勵(lì)。在仿真模型中,筆者采用隨機(jī)函數(shù)給每側(cè)鋼軌按美國五級(jí)軌道譜頻率施加激擾力。根據(jù)GB/T 5599—1985規(guī)定,加速度采集位置位于距轉(zhuǎn)向架中心橫向1 m的車體地板上。

圖2所示為車輛運(yùn)行速度在20～130 km/h變化時(shí),車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的變化趨勢(shì)。隨著運(yùn)行速度的提高,輪軌激擾力增大,垂向振動(dòng)加速度增大,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸升高。當(dāng)運(yùn)行速度為130 km/h時(shí),平穩(wěn)性指標(biāo)達(dá)到最大,其數(shù)值為2.2,根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)，車輛的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)W小于2.5時(shí)運(yùn)行品質(zhì)為優(yōu)。

人體對(duì)橫向振動(dòng)和垂向振動(dòng)的振動(dòng)敏感度不同。橫向振動(dòng)時(shí),人體對(duì)低于2 Hz的振動(dòng)頻率敏感。垂向振動(dòng)時(shí),人體對(duì)4～8 Hz的振動(dòng)頻率敏感。而車體的振動(dòng)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(dòng)。圖3所示為客車運(yùn)行速度在20～130 km/h時(shí),車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的變化趨勢(shì)。隨著車輛運(yùn)行速度提高,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)逐漸升高,當(dāng)速度為130 km/h時(shí),達(dá)到最大值,此時(shí)運(yùn)行品質(zhì)仍為優(yōu)。

▲圖2 車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化趨勢(shì)▲圖3 車體橫向平穩(wěn)性指標(biāo)變化趨勢(shì)

5.2 一系懸掛

圖4所示為垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨軸箱彈簧剛度變化趨勢(shì)。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(wěn)性指標(biāo)都升高,但升高量非常小，車輛的動(dòng)力學(xué)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(shí),橫向、縱向剛度增大為1.75倍,但垂向平穩(wěn)性指標(biāo)僅升高0.02,升高率為1%。因此,軸箱彈簧剛度對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)影響很小,可以不予考慮。

▲圖4 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨軸箱彈簧剛度變化趨勢(shì)

圖5所示為橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨軸箱彈簧剛度變化趨勢(shì)。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(wěn)性指標(biāo)都在下降,車輛動(dòng)力學(xué)性能變好,但橫向平穩(wěn)性指標(biāo)變化很小?？梢姡谥本€運(yùn)行時(shí),可以不考慮軸箱彈簧剛度對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)的影響。

▲圖5 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨軸箱彈簧剛度變化趨勢(shì)

圖6、圖7所示分別為垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨轉(zhuǎn)臂定位剛度變化趨勢(shì)。隨著轉(zhuǎn)臂橫向、縱向定位剛度的減小,垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均出現(xiàn)下降,車輛動(dòng)力學(xué)性能變好,但整體影響不大?？梢?，研究直線運(yùn)行時(shí)的車輛動(dòng)力學(xué)性能,可以不考慮轉(zhuǎn)臂定位剛度對(duì)垂向和橫向平穩(wěn)性的影響。

▲圖6 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨轉(zhuǎn)臂定位剛度變化趨勢(shì)

圖8、圖9所示分別為垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨一系垂向減振器卸荷速度變化趨勢(shì)?？梢钥闯?當(dāng)卸荷力一定時(shí),垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著卸荷速度升高而降低,而橫向平穩(wěn)性指標(biāo)則幾乎沒有影響。

▲圖7 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨轉(zhuǎn)臂定位剛度變化趨勢(shì)▲圖8 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨一系垂向減振器卸荷速度變化趨勢(shì)▲圖9 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨一系垂向減振器卸荷速度變化趨勢(shì)

5.3 二系懸掛

二系彈簧懸掛系統(tǒng)通常使用空氣彈簧,可提供三個(gè)方向的動(dòng)態(tài)剛度。圖10所示為垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨空氣彈簧剛度變化趨勢(shì)。可以看出，空氣彈簧橫向、縱向剛度對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響不大,但垂向剛度對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響明顯?？諝鈴椈蓹M向、縱向剛度為0.18 MN/m,垂向剛度為0.38～0.63 MN/m時(shí),垂向平穩(wěn)性指標(biāo)從2.0升高到2.4,舒適度為優(yōu)。由于垂向剛度增大,車體的振動(dòng)加速度增大,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)也升高?？梢缘贸鼋Y(jié)論,空氣彈簧垂向剛度增大時(shí),垂向平穩(wěn)性指標(biāo)升高,動(dòng)力學(xué)性能變差,橫向、縱向剛度對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響不大。

▲圖10 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨空氣彈簧剛度變化趨勢(shì)

圖11所示為橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨空氣彈簧剛度變化趨勢(shì)?？梢钥闯?空氣彈簧橫向、縱向剛度對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響較大,而空氣彈簧垂向剛度對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響不大。

▲圖11 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨空氣彈簧剛度變化趨勢(shì)

圖12、圖13所示分別為橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨抗蛇行減振器卸荷速度變化趨勢(shì)。可以看出,卸荷力一定時(shí),橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)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(shù)有利于平穩(wěn)性的改善。

圖14、圖15所示分別為垂向、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨二系橫向減振器卸荷速度變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，卸荷力一定時(shí),隨著卸荷速度的升高,橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均在下降,平穩(wěn)性得到改善。卸荷速度一定時(shí),隨著卸荷力減小,橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均在下降,平穩(wěn)性提高。

▲圖12 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨抗蛇行減振器卸荷速度變化趨勢(shì)▲圖13 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨抗蛇行減振器卸荷速度變化趨勢(shì)

6 結(jié)束語

伴隨著高鐵時(shí)代的到來,人們對(duì)車輛安全性、運(yùn)營速度和舒適度有了更高要求，這就要求設(shè)計(jì)者要更加了解影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵問題,優(yōu)化懸掛參數(shù),改善車輛的動(dòng)力學(xué)性能。筆者研究懸掛系統(tǒng)參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。對(duì)于一系懸掛，隨著車輛運(yùn)行速度的提高,車體的橫向和垂向平穩(wěn)性均顯著升高;在直線運(yùn)行時(shí)，軸箱彈簧剛度對(duì)平穩(wěn)性的影響較小，隨著轉(zhuǎn)臂橫向、縱向、垂向剛度的增大,車體的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)升高,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)下降,但變化不明顯;隨著一系垂向阻尼因數(shù)的增大,車體的垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)升高,但是影響不大。對(duì)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(shí),隨著垂向剛度的增大,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)升高,而對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響不大;適當(dāng)減小抗蛇形減振器阻尼因數(shù)和橫向減振器阻尼因數(shù)，可以提高車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。

▲圖14 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨二系垂向減振器卸荷速度變化趨勢(shì)▲圖15 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨二系橫向減振器卸荷速度變化趨勢(shì)