二系横向减振器失效故障对中国标准动车组性能的影响

于文涛,徐传波,,郭兆团,吴佳佳

(1.郑州铁路职业技术学院 机车车辆学院,郑州 450052; 2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,成都 610031)

二系横向减振器主要横向安装于转向架与车体(或枕梁)之间,其主要作用就是抑制车体与转向架之间的横向运动,即横摆与摇头运动[1].二系横向阻尼过小,则无法有效抑制车体与转向架之间的横向运动,动力学性能达不到最优化;阻尼过大会导致车体过度的横向摆动,同时也会诱导车体横摆和侧滚运动.因此,应当选择合适的二系横向减振器阻尼.二系横向减振器阻尼达到最优化时,本文就失效故障对车辆动力学的影响展开了研究,仿真分析了二系横向减振器失效故障对中国标准动车组(China Electric Multiple Units,CEMU)车辆动力学性能的影响,对CEMU故障状态分析具有一定指导作用.

相关学者对二系横向减振器进行了其他相关研究.池毓敢等[2]认为二系横向减振器失效、过大或者过小均会极大程度上恶化车辆横向平稳性能.刘建新等[3]认为横向减振器阻尼可以提高乘坐舒适性,其悬挂位置对车辆平稳性的影响不大.曾恒[4]对高速列车横向半主动减振器进行了相关设计分析.冯征等[5]对某C0-C0机车转向架二系横向减振器对横向平稳性影响进行了分析.文献[6-9]也对二系横向减振器进行了相关方面研究.

1 二系横向减振器失效故障对其动力学性能影响

为了研究二系横向减振器失效个数对车辆动力学性能的影响,通过动力学软件SIMPACK建立了CEMU车辆(拖车)动力学模型,如图1所示.该CEMU的车轮踏面外形采用LMA踏面,钢轨采用CN60钢轨,轮对内侧距沿用中国标准1 353 mm.该CEMU动力学模型，每节车由1个车体、2个构架、4个轮对、2个牵引拉杆、8个转臂组成.车体、构架、牵引拉杆、轮对取6个自由度,即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头;转臂取1个自由度,即点头.每节车共有62个自由度.

图1 CEMU车辆动力学模型Fig.1 Dynamic model of one of CEMU

1.1 二系横向减振器失效故障对车辆稳定性的影响

车辆稳定性主要通过车辆蛇行临界速度来评价.车辆蛇行临界速度的仿真计算方法:将车辆运行在一段实测不平顺轨道谱(本文选择武汉到广州实测线路谱)上激发其振动,然后让车辆运行在理想光滑轨道谱上,通过观察车辆振动能否衰减到平衡位置来判断车辆是否出现蛇行失稳.车辆能够自行恢复到稳定状态则表示没有发生蛇行失稳,车辆振动幅值不能自行收敛到平衡位置时对应的速度称为蛇行临界速度.

二系横向减振器全部有效原车状态下蛇行临界速度情况，如图2所示.图3～图5分别表示失效1根二系横向减振器、2根二系横向减振器(前后转向架各失效一个)及全部失效下的蛇行临界速度.由图2可知,二系横向减振器全部完好状态时,其蛇行临界速度为425 km/h.由图3和图4可知,失效1根或2根二系横向减振器,其临界速度均为400 km/h.由图5可知,二系横向减振器全部失效时,其蛇行临界速度急剧下降,只有150 km/h.

综上分析,当二系横向减振器失效1根或2根时,对车辆稳定性影响不是很明显;当二系横向减振器全部失效时,对车辆稳定性影响非常明显.

图2 原车状态下临界速度Fig.2 Critical speed under normal condition

图3 失效1根二系横向减振器临界速度Fig.3 Critical speed as existing one disabled lateral damper

图4 失效2根二系横向减振器临界速度Fig.4 Critical speed as existing two disabled lateral dampers

图5 二系横向减振器全部失效临界速度Fig.5 Critical speed with all disable lateral dampers

1.2 二系横向减振器失效故障对车辆平稳性的影响

平稳性指标主要包括横向、垂向平稳性及乘客乘坐舒适性.本文计算平稳性方法:将该动车组以不同速度(速度从100～400 km/h,以50 km/h递增)运行在理想的线路上,然后运行在一段足够长的实测轨道线路谱上(武汉到广州实测线路谱),通过采集加速度及后期处理来评判车辆平稳性.其中,车体加速度在该高速列车稳定运行一段时间后再进行采集.

图6～图8分别表示二系横向减振器失效故障对车辆横向平稳性、垂向平稳性及乘坐舒适性的影响.由图6～图8可以发现:当二系横向减振器失效1个或者2个时,横向平稳性略有变差,垂向平稳性及乘坐舒适性变化则不是很明显;当二系横向减振器全部失效时,对车辆横向平稳性、垂向平稳性、乘坐舒适性的影响非常明显.

图6 二系横向减振器失效故障对车辆横向平稳性的影响Fig.6 Effect of disable lateral dampers on lateral

图7 二系横向减振器失效故障对车辆垂向平稳性的影响Fig.7 Effect of disable lateral dampers on vertical

图8 二系横向减振器失效故障对车辆乘坐舒适性的影响Fig.8 Effect of disable lateral dampers on

1.3 二系横向减振器失效故障对车辆安全性影响

计算CEMU以不同速度(速度从100～400 km/h,以50 km/h递增)分别通过直线和不同曲线时的安全性指标(轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率).计算中考虑轨道的随机不平顺激扰(武广线实测谱).其中,计算线路工况为直线200 m—缓和曲线400 m—圆曲线500 m(半径为7 000 m,超高为180 mm)—缓和曲线500 m—直线200 m.

图9～图12分别表示二系横向减振器失效故障对轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率影响.从图9～图12可以发现:当二系横向减振器失效1个或2个时,对轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率的影响不是很明显;当二系横向减振器全部失效时,轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率明显变差.轮轨垂向力受二系横向减振器故障的影响较小.

图10 二系横向减振器失效故障对轮轨垂向力的影响Fig.10 Effect of disable lateral dampers on wheel-rail

图11 二系横向减振器失效故障对脱轨系数的影响Fig.11 Effect of disable lateral dampers on

图12 二系横向减振器失效故障对轮重减载率的影响Fig.12 Effect of disable lateral dampers on wheel

2 结论

本文基于动力学软件SIMPACK建立了CEMU动力学模型,并仿真计算了二系横向减振器失效故障对车辆稳定性、平稳性和乘坐舒适性、安全性的影响,有助于工程上对CEMU故障状态分析,具有一定工程应用价值.基于上述仿真分析,可以得到以下结论:

(1) 当二系横向减振器失效1个或者2个时,对车辆稳定性,影响不是很明显;当二系横向减振器全部失效时,车辆稳定性急剧下降,影响非常明显.

(2) 当二系横向减振器失效1个或者2个时,横向平稳性略有变差,垂向平稳性及乘坐舒适性变化则不是很明显;当二系横向减振器全部失效时,对车辆横向平稳性、垂向平稳性、乘坐舒适性的影响非常明显.

(3) 当二系横向减振器失效1个或者2个时,对轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率的影响不是很明显;当二系横向减振器全部失效时,轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率明显变差,轮轨垂向力受二系横向减振器故障的影响较小.