基于SIMPACK研究空簧故障对列车动力学性能影响

刘志远 徐腾养 郭兆团

1(郑州职业技术学院城市轨道交通系 河南 郑州 450000)

2(西南交通大学牵引动力国家重点实验室 四川 成都 610031)

0 引 言

空簧作为车辆悬挂系统中最重要的零部件之一,直接影响车辆动力学性能。空气弹簧原理就是利用空气的可压缩性,在弹性的气囊中充入一定空气,气囊内部的气体体积会随着外界激励大小一起变化,即外界机械能压缩空气做功,将外界的振动激励进行柔性传递,可以有效隔离振动,提高乘客舒适度[1]。关于空簧的研究,国内外有不少文对此进行了分析。文献[2-4]对空簧模型展开了深层次的研究。文献[5-6]分别研究了空簧对单轨车辆、摆式车辆动力学性能影响。文献[7-8]分别从不同角度分析了空簧对地铁、米轨车辆动力学性能影响。文献[9]研究了空簧对高铁垂向动力学性能影响。文献[10]对高速列车空簧爆裂应急工况性能进行了分析。

国内外对于空簧的研究主要是针对于模型研究。本文受中车主机厂委托,对该高速动车悬挂参数进行优化,同时分析了空气弹簧发生故障后,其对车辆动力学性能会产生什么影响、其舒适性是怎样变化的、是否影响行车安全等。故本文基于动力学仿真软件SIMPACK建立了我国某高速动车组两动一拖动力学模型,模型中空气弹簧处于失效状态,通过仿真分析了该动车组在空簧失效工况下,其稳定性、平稳性、安全性的变化情况,对于后期动车组动力学方面问题处理具有一定参考作用,也有一定的工程应用价值。

1 车辆系统动力学模型

本文中动车组动力学模型为两动一拖3编组模型,每辆车包括1个车体、2个构架、2个牵引拉杆、4个轮对和8个转臂节点。每辆车的自由度选择如表1所示,共有62个自由度,即整个3编组动力学模型有186个自由度。车辆动力学模型如图1所示。

图1 我国某高速动车组动力学模型

表1 该高速动车组每辆车自由度

2 空簧失效对车辆动力学影响

2.1 空簧失气对车辆稳定性影响

车辆稳定性通过车辆蛇行临界速度大小来体现,蛇行临界速度越大,说明车辆稳定性越好。本文计算车辆蛇行临界速度工况为先让动车组在一段实测不平顺的轨道谱上运行,激发车辆振动,然后让动车组再在理想的轨道谱上运行,观察动车组振动是否能衰减到平衡位置。动车组在某一速度下,振动恰好无法收敛,这一速度即为动车组蛇行临界速度。表2为车辆正常情况下及空簧失气状态下的车辆蛇行临界速度,可以发现,空簧失气没有对车辆稳定性造成影响。

表2 空簧失气故障对该动车组蛇行临界速度影响

2.2 空簧失气对车辆平稳性及舒适性影响

车辆平稳性和舒适性通常通过垂向平稳性指标、横向平稳性指标、舒适性指标进行评判,指标数值越大,说明车辆平稳性舒适性越差。本文平稳性和舒适性计算工况为先让动车组在一段理想的轨道谱上运行,然后在一段无限长的实测不平顺的轨道谱上运行,待动车组运行一段距离后开始采集车体振动加速度。

图2-图4分别表示空簧失气状态对动车组头车、中间车、尾车横向平稳性、垂向平稳性、乘坐舒适性的影响。图5-图7分别表示空簧失气状态对横向平稳性指标增加率、垂向平稳性指标增加率、乘坐舒适性指标增加率的影响。其中指标增加率计算方式如式(1)所示。

图2 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车横向平稳性影响

(1)

从图2和图5可以发现,动车组正常情况下,其横向平稳性指标均在1级平稳性指标以下,即速度位于100～400 km/h时,动车组正常情况下,其横向平稳性均为“1级”;当空气弹簧发生失气故障后,其横向平稳性指标有增大趋势,即横向平稳性在变差,横向平稳性指标增加率最大达35.2%。从图3和图6可以发现,动车组正常情况下,其垂向平稳性指标也均在“1级”平稳性指标以下,即动车组速度低于400 km/h,其平稳性均为“1级”;当空簧发生失气故障后,其垂向平稳性急剧下降,当速度超过250 km/h后,其垂向平稳性已经降至“2级”,当速度达到400 km/h,其垂向平稳性已经“不合格”,垂向平稳性指标增加率最大达48.6%。从图4和图7可以发现,动车组正常情况下,其舒适性指标基本都在非常舒适状态,当空簧发生失气后,其舒适性极剧下降,当速度超过250 km/h后,其舒适性已经不再位于“舒适”范围内,当速度达到400 km/h时,其舒适性已经达到“非常不舒适”状态,乘坐舒适性指标增加率最大达456.0%。从图5-图7中也可以发现,空簧失气对乘坐舒适性影响最大,对垂向平稳性影响大于横向平稳性。

图3 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车垂向平稳性影响

图4 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车乘坐舒适性影响

图5 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车横向平稳性指标增加率影响

图6 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车垂向平稳性指标增加率影响

图7 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车乘坐舒适性指标增加率影响

2.3 空簧失气对车辆安全性影响

本文考察的安全性指标包括轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率等,计算方法为该动车组以不同速度分别通过直线和不同曲线时的安全性指标,计算工况如表3所示。图8-图11分别表示空簧失气状态下,头车、中间车、尾车轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率变化情况。从图8-图11中可以发现,空簧失气对轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率、脱轨系数均有所影响。由于空簧失气前后,脱轨系数均远小于0.8,故对脱轨系数影响相对较小。

图8 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车轮轴横向力影响

图9 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车轮轨垂向力影响

图10 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车脱轨系数影响

图11 空簧失气状态下,对动车组头车、中间车、尾车轮重减载率影响

表3 安全性曲线计算工况

3 结 语

本文受中车主机厂委托,基于动力学软件SIMPACK建立了我国某高速动车组两动一拖动力学模型,仿真分析了头车、中间车、尾车在空簧失效后,对动车组稳定性、平稳性和舒适性、安全性的影响,具有一定工程意义。综合上述分析,可以得到以下结论：

(1) 空簧对车辆蛇行临界速度影响较小,即对车辆稳定性影响比较小。

(2) 空簧对头车、中间车、尾车平稳性和舒适性影响非常大,速度在100～400 km/h横向平稳性指标最大增加率为35.2%,垂向平稳性指标最大增加率为48.6%,乘坐舒适性指标增加率最大达456%。

(3) 空簧失气故障对舒适性影响极大,对垂向平稳性影响大于对横向平稳性影响。

(4) 空簧失气故障对头车、中间车、尾车轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率均有所影响,其中,对脱轨系数影响相对较小。