连续走行捣固车材料车轮对悬挂系统垂向振动振幅仿真计算

袁燕萍

（昆明中铁大型养路机械集团有限公司，云南 昆明 650215）

0 概述

连续走行捣固车（型号为DCL-32）为昆明中铁大型养路机械集团有限公司生产的大型铁路线路维护机械，可用于铁路建设、大修和维修作业，对轨道进行拨道、起道抄平、石砟捣固及道床肩部石砟的夯实作业，使轨道方向、横向水平和纵向水平均达到线路设计标准或线路维修规则的要求，提高道床石砟的密实度，增加轨道的稳定性。整车由捣固主车和材料车构成，捣固主车采用两个两轴转向架与1个单轴轮对，材料车为单轴轮对，另一端通过车架牵引梁铰接在主车上。本文主要研究材料车轮对悬挂系统在线路行驶过程中的最大垂向振动振幅。

1 车辆-钢轨轨道垂向动力学模型

材料车轮对悬挂系统如图1所示，轴箱导框与车架为一体式焊接结构，轮对轴箱通过弹簧与阻尼器（油压减振器）与轴箱导框进行连接，其中弹簧与轴箱导框之间通过上托梁与U型卸扣进行连接，油压减振器直接连接车架与轴箱。由于轮对、车架和轴箱导框以及U型卸扣等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，均可视为刚体，因此可将轮对悬挂系统简化成如图2所示的质量弹性阻尼模型。其中K为弹簧垂向刚度，C为油压减振器阻尼。

根据连续走行捣固车材料车结构特点，建立动力学模型。由于车辆和轨道结构比较复杂，且车辆-轨道系统的耦合性很强，若完全模拟实际中的车辆系统和轨道结构，计算模型会很复杂，甚至是不可能建立的。因此，本文对车辆-轨道做相应的简化，通过ANSYS/LS-DYNA软件进行模型求解，本文在建立车辆-钢轨垂向耦合动力学模型时，主要遵循以下基本原则：

（1）本文仅是针对车辆垂向振动响应进行分析，车体、轮对和一系考虑在模型中。

（2）不考虑相邻车辆的纵向相对运动。

（3）不考虑钢轨的弹性变形。

（4）轮轨接触考虑为赫兹线性弹簧接触。

基于以上假设，车体轮对只考虑垂向振动。对于全车模型，车体有2个自由度，分别是浮沉、侧滚，轮子有2个自由度，分别是沉浮和侧滚，整个车辆系统一共4个自由度。

2 不平顺选取

在运行平稳性分析中，只考虑车辆在垂向方向的运动，因此，系统可用以下非线性微分方程组进行描述：

激扰力矢量。

其中激扰力是通过钢轨对轮对的强迫位移激振而得到，也即是由轨道不平顺引起的。本文研究的是车辆垂向振动，因此只需考虑轨道垂直方向的不平顺。线路不平顺按波长可分为长波、中波和短波不平顺[1]。现有研究普遍认为长波不平顺对高速列车的动力学激励影响比较大，短波不平顺对轨道结构影响比较大[2]。捣固车作为工程维修车辆，自行速度和连挂运行速度分别为100km/h和120km/h，行驶速度与高速列车相差较大，因此本文分别对长波不平顺与短波不平顺进行研究计算。

3 长波不平顺

长波不平顺可由线路轨道谱进行描述。线路质量相当，则其轨道谱也接近。在我国还没有自己轨道谱的情况下，借用与我国线路情况相接近的轨道谱，其计算结果基本符合实际情况。本文计算中用德国高速低干扰谱（如图4）作为线路激扰输入。

轮轨接触刚度按如上公式计算，静轮载p0=4.455t，车轮踏面为LMA磨耗型踏面，轮轨接触常数G=4.25×10-8m/N2/3，由此得出等效线性接触刚度KH=1.251×109N/m。车体重量（簧上质量）按材料车满载状况，行驶速度按100km/h计算，得出长波不平顺下车体垂向位移曲线如图5所示。

按照捣固车实际行驶能力，分别按车速80km/h、100km/h以及120km/h进行计算，得到三种行驶速度下最大位移幅值如表1所示。同时又对车体重量分别按照空载、满载以及超载2t的情况下进行计算，得到三种质量下最大位移幅值如表2所示。

表1 不同速度车体位移幅值

表2 不同车重位移幅值

4 短波不平顺

线路短波不平顺即钢轨顶面小范围内的不平顺，主要指波长1m以下的轨面不平顺，主要包括焊缝接头不平、轨面擦伤、剥离掉块、波纹磨耗等。本文以低凹焊缝为例进行短波不平顺激励计算。低凹焊缝主要出现在焊缝及软着区，如图6所示，当用1m弦长测量时，焊缝及软着区长度（λ）一般在 10～20mm 之间，幅值（δ1）在 0.1～0.4mm 之间，焊缝及软着区外轨面不平顺幅值（δ2）一般在0.1～0.3mm。

车体重量（簧上质量）按材料车满载状况，行驶速度按100km/h计算，得出由焊缝低凹引起的短波不平顺情况下车体垂向位移曲线如图7所示。

由该计算结果可看出，短波不平顺对材料车垂向振动位移影响也很小，可忽略不计。

5 结论

综合长波不平顺与短波不平顺对轮对的激励响应计算结果可得出，车辆行驶速度增大，垂向振动位移幅值增大；车体重量在满载情况下，振动位移幅值较空载情况下小，超载情况下位移幅值变大。但总的来说，由轨道不平顺引起的材料车轮对垂向振动幅值较小。

［1］罗林，张格明，吴旺青，等.轮轨系统轨道平顺状态的控制[M].北京：中国铁道出版社，2006，10.

［2］王午生.铁路线路工程[M].上海：上海科学技术出版社，1999.