楊春雷,李 芾,黃運華,張顯鋒,吳長波

(1 西南交通大學 機械工程學院,四川成都610031;2 南車眉山車輛有限公司 產品開發(fā)部,四川眉山620032)

按照《中長期鐵路網規(guī)劃》和鐵路技術政策,我國部分鐵路將逐步實現(xiàn)客貨分線,鐵路貨運能力得到大幅提升。為做好客貨分線后貨車技術儲備,滿足鐵路運輸發(fā)展需要,各鐵路貨車設計制造企業(yè)、科研院所及大專院校,紛紛開展了新型大軸重貨車技術研究工作,提出了新一代大軸重貨車綜合技術要求[1-3]。本文即根據(jù)40 t軸重貨車的結構特點,利用車輛—軌道耦合動力學理論[4],建立重載貨車車輛-軌道空間耦合動力學分析模型,針對不同速度和不同線路激擾下40 t軸重貨車的輪軌動力特性進行了仿真計算分析。

1 重載貨車車輛-軌道耦合動力學分析模型

結合40 t軸重貨車的結構特點,建立的力學分析模型如圖1所示。車體考慮縱向、橫移、沉浮、側滾、搖頭和點頭6個自由度,并在搖枕和車體間考慮心盤回轉摩擦阻力矩和彈性常接觸旁承摩擦阻力矩;搖枕考慮除點頭外其他自由度,側架考慮除側滾外其他自由度,在側架和搖枕間考慮了摩擦楔塊所提供的摩擦阻尼特性,在軸箱懸掛處考慮軸向剪切墊提供的一系懸掛縱向、橫向和垂向剛度和阻尼;輪對考慮除縱向外所有自由度。而軌道模型采用3層連續(xù)離散點支承無限長Euler梁模型,考慮鋼軌的垂向、橫向和扭轉自由度;軌枕視為剛性體,考慮軌枕的垂向、橫向以及剛體轉動;道床離散為剛性質量塊,道床塊之間由剪切剛度元件和剪切阻尼元件相連,道床和路基之間用線性彈簧和阻尼元件連接,只考慮道床的垂向振動。重載貨車車輛—軌道耦合模型自由度如表1所列。

圖1 重載貨車車輛-軌道耦合作用模型(端視圖)

表1 重載貨車車輛-軌道系統(tǒng)模型自由度

2 輪軌動力特性分析

2.1 直線運行仿真分析

為了重點分析40t軸重貨車在不同速度等級和不同軌道譜激擾下的輪軌動力響應情況,文中分別對美國5級譜、中國3大干線譜和德國低干擾譜,在40～100 km/h速度等級下進行了仿真計算。軌道結構均考慮為60 kg/m鋼軌,Ⅱ型混凝土軌枕,普通碎石道床[4]。計算結果如圖2所示。

圖2 40 t軸重礦石敞車在不同激擾和速度等級下的輪軌動力響應

由圖2各指標來看,德國低干擾譜明顯優(yōu)于美國5級譜和3大干線譜,3大干線譜則處在德國低干擾譜和美國5級譜之間,這與文獻[4]關于軌道譜研究的結論是一致的。

從輪軌垂向力響應來看,輪軌垂向力隨著速度的增大而增大。在德國低干擾譜激擾下,其值增加較小;在三大干線譜作用下,速度低于60 km/h時,其值變化不明顯;當速度超過60 km/h后,則增加較快,在70 km/h時,已超過英國鐵路BR和文獻[4]所建議的250 kN的限值;在美國5級譜激擾下,速度在40 km/h時,輪軌垂向力就超過了250 kN,隨著速度的增加,垂向力幾乎線性增加,當速度為100 km/h時,最大輪軌垂向力已達到290.5 kN。

從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn),輪軌接觸應力隨著速度的增加而增大,在3大干線譜激擾下,其值在1 230～1 270 MPa;在美國5級譜激擾下,其值在1 260～1 300 MPa;而在德國低干擾譜作用下,基本在1 200～1 220 MPa之間。明顯高于25 t軸重車輛在同樣運行條件下的輪軌接觸應力值(約1 126 MPa)。這說明大軸重貨車更容易對鋼軌產生疲勞傷損破壞,重載線路必須嚴格控制軌道不平順幅值,車輛應以較低速度運行。

圖2(c)是輪軸橫向力的變化關系。從圖中可以看出,輪軸橫向力隨速度增加有所增大,但幅值較小,最大輪軸橫向力不到40 kN,遠低于GB5599—85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》所要求的許用輪軸橫向力(約119 kN)。這說明該車橫向穩(wěn)定性較好,不會發(fā)生蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖2(d)是鋼軌垂向位移的變化關系。從圖中可以看出,速度越高,鋼軌垂向位移越大,即對軌道的垂向破壞作用也越大。對比3種線路譜,美國5級線路譜對鋼軌的垂向破壞作用最大(最大為2.1 mm),中國3大干線譜次之,而德國低干擾譜相對較小(最大為 1.735 mm)。所以,從維護線路,延長軌道使用壽命來看,也需要保持鋼軌平直順滑,降低鋼軌不平順幅值。

2.2 曲線通過運行仿真分析

為了分析40 t軸重貨車的曲線通過性能,本文對該車進行了曲線通過仿真分析。由于在直線仿真計算時已考慮了不同軌道譜對輪軌動力特性的影響,這里就不再進行不同軌道譜間的對比分析,而只是對比有無線路軌道譜的輪軌動力響應差別。曲線工況如表2。軌道結構為60 kg/m鋼軌,Ⅱ型混凝土軌枕,普通碎石道床。計算結果如圖3、圖4所示。

表2 曲線仿真計算工況

圖3(a)是輪軌橫向力曲線通過時的動態(tài)變化情況。從圖中可以看出,內外側輪軌橫向力方向始終相反,內側向內,外側向外。速度為40 km/h時,輪軌橫向力外側值較內側值小;在速度為55 km/h時,內外側值基本一致;當速度為65 km/h時,外側值則大于內側值。這是由于對于曲線半徑為300 m,超高為120 mm的曲線線路,向心力與離心力平衡的速度約是55 km/h[6]。所以,在速度為55 km/h時,內外輪軌橫向力大小基本一致,而速度為40 km/h和65 km/h時,則分別產生過超高和欠超高現(xiàn)象,從而造成內外輪軌橫向力差異。

從圖3(b)看,速度為55 km/h時,左右車輪均載,輪軌垂向力都在196 kN(靜輪載)左右;在40 km/h時,外側減載,內側增載;在 65 km/h時,外側增載,內側減載。從圖3(d)來看,鋼軌的橫移與輪軌橫向力變化一致,即在40 km/h時,內側值較大;在65 km/h時,外側值較大;而在55 km/h時,因內外輪軌橫向力一致,內外鋼軌橫向變形也比較平均。

圖3 曲線通過時的輪軌動力響應(無激擾)

圖4是車輛在3大干線譜激擾下曲線通過時的輪軌動態(tài)變化情況,為清晰反映軌道不平順對輪軌產生的影響,圖中對無線路激擾和添加激擾兩種情況進行了對比分析。從輪軌力的動態(tài)變化來看,軌道不平順并不影響車輛曲線通過的基本規(guī)律,只影響輪軌響應輸出的幅值。速度為40 km/h時,最大輪軌橫向力從57.64 kN增大到71.72 kN(內側),最大輪軌垂向力從224.2 kN增大到263.6 kN(內側);在55 km/h,最大輪軌橫向力從50.49 kN增大到77.72 kN,最大輪軌垂向力從201.2 kN增大到251.8 kN;而在65 km/h,最大輪軌橫向力從58.97 kN增大到79.57 kN,最大輪軌垂向力從215.3 kN增大到268.4 kN(外側)。從圖示和以上數(shù)據(jù)可以看出,重載車輛在曲線通過時,速度過低和過高都會使某一側車輪增載或減載,在有不平順激擾時就更為突出。所以,為降低輪軌垂向相互作用,根據(jù)曲線超高和曲線半徑選定適當?shù)倪\行速度是必要的,盡可能使向心力和離心力平衡。

3 結論及建議

本文根據(jù)40 t軸重重載貨車的主要技術性能和結構特點,利用車輛-軌道耦合動力學原理,建立了重載貨車車輛-軌道耦合模型,對車輛輪軌動力特性進行了仿真分析,可以得出如下結論及建議:

(1)大軸重貨車輪軌相互作用特別是垂向相互作用明顯加大,不同的軌道譜和不同的車輛運行速度將產生不同的輪軌動力響應。速度越高,輪軌動力作用越大,線路狀況越惡劣,輪軌動力作用也越大。根據(jù)我國現(xiàn)有重載線路狀況,按照英國鐵路BR和文獻[4]所建議的輪軌垂向力為250 kN的限值,則40 t軸重重載貨車的運行速度以不超過70 km/h為宜。

(2)仿真計算表明,車輛在通過曲線時,速度過低和速度過高都將引起車輛某一側增載,應根據(jù)各曲線段情況采用適當?shù)乃俣?盡可能使車輛離心力與向心力平衡。

(3)我國尚缺乏重載鐵路相關評價標準,應開展重載鐵路基礎性研究工作,盡快制定出重載鐵路輪軌相互作用評價指標體系,如輪軌垂向力、輪軌接觸應力、輪軌磨耗功、鋼軌振動加速度等評價指標限度。

[1] 鐵道部運輸局.關于新型大軸重鐵路貨車技術研究有關工作的通知[S].運裝貨車[2009]318號,2009.

[2] 南車眉山車輛有限公司.40 t軸重礦石敞車設計方案說明[R].2009.

[3] 南車眉山車輛有限公司.40 t軸重轉向架設計方案說明[R].2009.

圖4 曲線通過時的輪軌動力響應(3大干線譜激擾)

[4] 翟婉明 著.車輛-軌道耦合動力學(第2版)[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[5] 西南交通大學.40 t軸重轉向架動力學性能計算報告[R].2008.

[6] 嚴雋耄 主編.車輛工程(第3版)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.