劉志遠(yuǎn) 徐騰養(yǎng) 郭兆團(tuán)

1(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通系 河南 鄭州 450000)

2(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610031)

0 引 言

空簧作為車(chē)輛懸掛系統(tǒng)中最重要的零部件之一,直接影響車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能。空氣彈簧原理就是利用空氣的可壓縮性,在彈性的氣囊中充入一定空氣,氣囊內(nèi)部的氣體體積會(huì)隨著外界激勵(lì)大小一起變化,即外界機(jī)械能壓縮空氣做功,將外界的振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行柔性傳遞,可以有效隔離振動(dòng),提高乘客舒適度[1]。關(guān)于空簧的研究,國(guó)內(nèi)外有不少文對(duì)此進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[2-4]對(duì)空簧模型展開(kāi)了深層次的研究。文獻(xiàn)[5-6]分別研究了空簧對(duì)單軌車(chē)輛、擺式車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能影響。文獻(xiàn)[7-8]分別從不同角度分析了空簧對(duì)地鐵、米軌車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能影響。文獻(xiàn)[9]研究了空簧對(duì)高鐵垂向動(dòng)力學(xué)性能影響。文獻(xiàn)[10]對(duì)高速列車(chē)空簧爆裂應(yīng)急工況性能進(jìn)行了分析。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于空簧的研究主要是針對(duì)于模型研究。本文受中車(chē)主機(jī)廠委托,對(duì)該高速動(dòng)車(chē)懸掛參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)分析了空氣彈簧發(fā)生故障后,其對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生什么影響、其舒適性是怎樣變化的、是否影響行車(chē)安全等。故本文基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立了我國(guó)某高速動(dòng)車(chē)組兩動(dòng)一拖動(dòng)力學(xué)模型,模型中空氣彈簧處于失效狀態(tài),通過(guò)仿真分析了該動(dòng)車(chē)組在空簧失效工況下,其穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、安全性的變化情況,對(duì)于后期動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)方面問(wèn)題處理具有一定參考作用,也有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

本文中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型為兩動(dòng)一拖3編組模型,每輛車(chē)包括1個(gè)車(chē)體、2個(gè)構(gòu)架、2個(gè)牽引拉桿、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)。每輛車(chē)的自由度選擇如表1所示,共有62個(gè)自由度,即整個(gè)3編組動(dòng)力學(xué)模型有186個(gè)自由度。車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 我國(guó)某高速動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)模型

表1 該高速動(dòng)車(chē)組每輛車(chē)自由度

2 空簧失效對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)影響

2.1 空簧失氣對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性影響

車(chē)輛穩(wěn)定性通過(guò)車(chē)輛蛇行臨界速度大小來(lái)體現(xiàn),蛇行臨界速度越大,說(shuō)明車(chē)輛穩(wěn)定性越好。本文計(jì)算車(chē)輛蛇行臨界速度工況為先讓動(dòng)車(chē)組在一段實(shí)測(cè)不平順的軌道譜上運(yùn)行,激發(fā)車(chē)輛振動(dòng),然后讓動(dòng)車(chē)組再在理想的軌道譜上運(yùn)行,觀察動(dòng)車(chē)組振動(dòng)是否能衰減到平衡位置。動(dòng)車(chē)組在某一速度下,振動(dòng)恰好無(wú)法收斂,這一速度即為動(dòng)車(chē)組蛇行臨界速度。表2為車(chē)輛正常情況下及空簧失氣狀態(tài)下的車(chē)輛蛇行臨界速度,可以發(fā)現(xiàn),空簧失氣沒(méi)有對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性造成影響。

表2 空簧失氣故障對(duì)該動(dòng)車(chē)組蛇行臨界速度影響

2.2 空簧失氣對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性及舒適性影響

車(chē)輛平穩(wěn)性和舒適性通常通過(guò)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判,指標(biāo)數(shù)值越大,說(shuō)明車(chē)輛平穩(wěn)性舒適性越差。本文平穩(wěn)性和舒適性計(jì)算工況為先讓動(dòng)車(chē)組在一段理想的軌道譜上運(yùn)行,然后在一段無(wú)限長(zhǎng)的實(shí)測(cè)不平順的軌道譜上運(yùn)行,待動(dòng)車(chē)組運(yùn)行一段距離后開(kāi)始采集車(chē)體振動(dòng)加速度。

圖2-圖4分別表示空簧失氣狀態(tài)對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性、乘坐舒適性的影響。圖5-圖7分別表示空簧失氣狀態(tài)對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增加率、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增加率、乘坐舒適性指標(biāo)增加率的影響。其中指標(biāo)增加率計(jì)算方式如式(1)所示。

圖2 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)橫向平穩(wěn)性影響

(1)

從圖2和圖5可以發(fā)現(xiàn),動(dòng)車(chē)組正常情況下,其橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均在1級(jí)平穩(wěn)性指標(biāo)以下,即速度位于100～400 km/h時(shí),動(dòng)車(chē)組正常情況下,其橫向平穩(wěn)性均為“1級(jí)”;當(dāng)空氣彈簧發(fā)生失氣故障后,其橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有增大趨勢(shì),即橫向平穩(wěn)性在變差,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增加率最大達(dá)35.2%。從圖3和圖6可以發(fā)現(xiàn),動(dòng)車(chē)組正常情況下,其垂向平穩(wěn)性指標(biāo)也均在“1級(jí)”平穩(wěn)性指標(biāo)以下,即動(dòng)車(chē)組速度低于400 km/h,其平穩(wěn)性均為“1級(jí)”;當(dāng)空簧發(fā)生失氣故障后,其垂向平穩(wěn)性急劇下降,當(dāng)速度超過(guò)250 km/h后,其垂向平穩(wěn)性已經(jīng)降至“2級(jí)”,當(dāng)速度達(dá)到400 km/h,其垂向平穩(wěn)性已經(jīng)“不合格”,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增加率最大達(dá)48.6%。從圖4和圖7可以發(fā)現(xiàn),動(dòng)車(chē)組正常情況下,其舒適性指標(biāo)基本都在非常舒適狀態(tài),當(dāng)空簧發(fā)生失氣后,其舒適性極劇下降,當(dāng)速度超過(guò)250 km/h后,其舒適性已經(jīng)不再位于“舒適”范圍內(nèi),當(dāng)速度達(dá)到400 km/h時(shí),其舒適性已經(jīng)達(dá)到“非常不舒適”狀態(tài),乘坐舒適性指標(biāo)增加率最大達(dá)456.0%。從圖5-圖7中也可以發(fā)現(xiàn),空簧失氣對(duì)乘坐舒適性影響最大,對(duì)垂向平穩(wěn)性影響大于橫向平穩(wěn)性。

圖3 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)垂向平穩(wěn)性影響

圖4 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)乘坐舒適性影響

圖5 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)增加率影響

圖6 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增加率影響

圖7 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)乘坐舒適性指標(biāo)增加率影響

2.3 空簧失氣對(duì)車(chē)輛安全性影響

本文考察的安全性指標(biāo)包括輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等,計(jì)算方法為該動(dòng)車(chē)組以不同速度分別通過(guò)直線和不同曲線時(shí)的安全性指標(biāo),計(jì)算工況如表3所示。圖8-圖11分別表示空簧失氣狀態(tài)下,頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率變化情況。從圖8-圖11中可以發(fā)現(xiàn),空簧失氣對(duì)輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)均有所影響。由于空簧失氣前后,脫軌系數(shù)均遠(yuǎn)小于0.8,故對(duì)脫軌系數(shù)影響相對(duì)較小。

圖8 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)輪軸橫向力影響

圖9 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)輪軌垂向力影響

圖10 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)脫軌系數(shù)影響

圖11 空簧失氣狀態(tài)下,對(duì)動(dòng)車(chē)組頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)輪重減載率影響

表3 安全性曲線計(jì)算工況

3 結(jié) 語(yǔ)

本文受中車(chē)主機(jī)廠委托,基于動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了我國(guó)某高速動(dòng)車(chē)組兩動(dòng)一拖動(dòng)力學(xué)模型,仿真分析了頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)在空簧失效后,對(duì)動(dòng)車(chē)組穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和舒適性、安全性的影響,具有一定工程意義。綜合上述分析,可以得到以下結(jié)論：

(1) 空簧對(duì)車(chē)輛蛇行臨界速度影響較小,即對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性影響比較小。

(2) 空簧對(duì)頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)平穩(wěn)性和舒適性影響非常大,速度在100～400 km/h橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大增加率為35.2%,垂向平穩(wěn)性指標(biāo)最大增加率為48.6%,乘坐舒適性指標(biāo)增加率最大達(dá)456%。

(3) 空簧失氣故障對(duì)舒適性影響極大,對(duì)垂向平穩(wěn)性影響大于對(duì)橫向平穩(wěn)性影響。

(4) 空簧失氣故障對(duì)頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均有所影響,其中,對(duì)脫軌系數(shù)影響相對(duì)較小。