某动车组动力学分析及参数优化

朱丹阳

中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116000

铁路运输是一种经济、高效的运输方式，以其安全、舒适、耗能低、污染小、占地少等优点备受世界各国重视，长久以来一直充当着国民经济发展大动脉的角色。铁路运输属轮轨接触导向性运行结构，它区别于其他运输方式的特点是轮轨的相互作用。回顾铁路的发展历史，可以发现轮轨载重的数值几乎增长了近十倍，车辆运行速度亦提高了十几倍，钢轨的重量也由14kg/m提高到50km/m、60kg/m/、75kg/m，在美国的某些运煤路线中，有的钢轨甚至重达77kg/m。而随着列车速度和重量的不断提高，机车车辆与轨道结构之间的耦合振动问题也越来越强烈，从而导致机车车辆运行平稳性降低，轨道结构承载增大。振动反复作用的结构必将进一步导致轨道结构部件疲劳破坏更加突出，从而使得部件可靠性下降，加快残余累积变形和线路几何形位的变化，而这又将反过来加剧车辆的振动。因此，我过铁路既有线路的提速、客运高速化和货运重载化对机车车辆和线路结构都提出了更高的要求，这种要求不仅仅是强度方面的要求，更主要的是动力特性方面的要求，即，在满足机车车辆运行安全性的前提下，具有良好的运行平稳性，并尽可能保持低的轮轨作用力以降低对轨道的影响。随着车辆速度的提高和轴重的增加，车辆与轨道、桥梁、地基、弓网以及周边建筑等结构的动力相互作用必然会随之加剧。这无疑为车辆与轨道相互作用问题的研究提出了更多更高的要求。

1 机车动力学模型及临界速度

某动力车为B0-B0轴式，电机悬挂方式为轮对空心轴弹性架悬，轴重19.8吨，机车由车体、构架、轮对、一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引电动机、电机吊挂装置、轮对空心轴、牵引机构组成。每构架的二系悬挂装置由四根高圆弹簧、两个垂向减振器、两个横向减振器和两个抗蛇行减振器组成。一系悬挂装置由轴箱弹簧、一系垂向减振器和轴箱定位装置组成。牵引电机一端通过橡胶球关节与构架连接，另一端通过两根摆杆吊挂在构架上，每个牵引电动机和构架间装有一个横向耦合减振器。牵引机构采用单牵引杆方式。轮对空心轴一端通过六连杆机构与轮对连接，另一端通过六连杆机构和驱动装置上的大齿轮[1]。非线性临界速度采用极限环判定发。机车以80km/h-560km/h的速度通过不平顺时，各轮对横向振动位移的极限环幅值变化见图1。从计算结果看出，机车的在运行速度80 km/h-280 km/h范围内机车具有良好的收敛性。机车的非线性临界速度为280 km/h，完全满足设计要求[2-3]。

2 车辆参数优化改进

影响整车动力学性能的因素有很多，其中最重要的就是结构力学参数。本章主要探讨了一系弹簧横向、垂向刚度对整车动力学性能的影响。考虑直线轨道，对比了一系横向刚度对司机室垂向、横向舒适度指标，脱轨系数的影响[4-5]。

由图2可见，一系悬挂的横向刚度对司机室的垂向舒适度影响非常小，几乎可以忽略，而对司机室的横向舒适度影响显著。除了车辆速度之外，一系横向刚度也对脱轨系数，一般而言，这两项指标均随着一系横向刚度的增加而增大，当一系横向刚度最小时，该项指标更安全。一系横向刚度在500kN/m-4500kN/m的范围内变化时，整车的大部分动力学指标变化范围均不大；并且指标的变化趋势各有不同。建议一系横向刚度在2500kN/m到4500kN/m之间选择。一系垂向刚度对整车动力学性能影响较为显著。建议一系垂向刚度在500kN/m到1600kN/m的范围内选取会有较好的动力学性能。类似分析二系刚度的影响，综合各方面考虑，建议二系横向刚度在200kN/m-300kN/m之间选取，二系垂向刚度在150kN/m-450kN/m内选取。

图1 车辆各部位响应极限环幅值

图2 不同横向刚度下脱轨系数

图3 不同垂向刚度下脱轨系数

3 结语

影响机车的垂向平稳性的因素较多，主要包括结构设计参数、路线平顺性状况、车辆运行速度等，一般而言，路况越差、车速越高，其平稳性指标越大。一系、二系悬挂系统对车体减震效果较为显著，尤其二系悬挂，对司机室的平稳性有着重要的影响。通过对机车主要力学参数的优化计算，建议一系横向刚度在2500kN/m到4500kN/m之间选择；一系垂向刚度在500kN/m到1600kN/m的范围内选取；二系横向刚度在200kN/m -300kN/m之间选取；二系垂向刚度在150kN/m-450kN/m内选取。在这些范围内的结构参数能够让整车具有更好的动力学性能。需要注意的是，当路线情况以及轨道激励状况不同时，计算结果可能会存在一定的差异。