伍泓樺,羅世輝,許自強,鄒瑞明
(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031;2.中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京 100081)
隨著重載鐵路的快速發(fā)展,列車編組長度不斷擴大,牽引質量不斷增加,引起的縱向沖動問題也越發(fā)突出。美國、澳大利亞、中國和巴西等重載運輸大國均嘗試采用牽引桿裝置連接重載貨車,以此減少列車的“間隙效應”[1-2]。對于機車車端連接裝置,可以考慮研發(fā)新型機車車鉤緩沖器[3]或者用牽引桿代替鉤緩裝置來緩解列車縱向沖動。與鉤緩裝置相比,牽引桿制造簡單、檢修方便,如能采用牽引桿代替鉤緩裝置連接重載重聯(lián)電力機車,重聯(lián)機車的制造、運用和維護成本將顯著降低[4]。盡管牽引桿代替鉤緩裝置連接重載重聯(lián)機車有經(jīng)濟優(yōu)勢,具體實施是否可行,仍需從列車縱向動力學和機車橫向動力學等安全指標來綜合考慮。
在列車縱向動力學仿真方面,文獻[5]綜述了國內外列車縱向動力學數(shù)值仿真軟件發(fā)展,分析了鉤緩裝置數(shù)學模型、空氣制動數(shù)學模型和求解算法等重要問題,編制了縱向動力學仿真程序。文獻[6]在非慣性坐標系鉤緩裝置基礎上,將有限元思想和多體動力學理論應用于空氣制動數(shù)學模型,優(yōu)化了列車縱向動力學模型。文獻[7]運用循環(huán)變量的模塊化求解方法完成了重載列車動力學三維模型的建立。文獻[8]在列車空氣制動仿真領域取得突出的成果,研發(fā)出一套縱向動力學與列車空氣制動聯(lián)合仿真系統(tǒng)。文獻[9]以列車縱向動力學、列車牽引制動和列車能耗等理論為基礎開發(fā)了TDEAS縱向動力學及能量仿真平臺。在重聯(lián)機車橫向安全性仿真方面,文獻[10]建立了車端聯(lián)接裝置的等效模型,研究了車端聯(lián)接裝置剛度對動車組橫向動力學性能的影響。文獻[11]研究了在縱向壓力下,具有鉤肩復位能力的大擺角車鉤和不具有鉤肩復位能力的小擺角車鉤對應的2B0重載機車橫向動力學性能。文獻[12]研究了車鉤受縱向制動壓力下HXD2型機車動力學問題,并指出大擺角車鉤必須具備對中復位能力。文獻[13]研究了不同車鉤自由角對重載機車輪軌安全性的影響。
利用TDEAS列車縱向動力學軟件研究重聯(lián)機車采用牽引桿連接對列車縱向沖動的影響,再利用SIMPACK軟件研究不同連接裝置的重聯(lián)機車在承受縱向壓力時機車的橫向動力學性能。
利用TDEAS縱向動力學軟件建立2萬噸長大列車模型,采用典型的編組形式:HXD1+105C80+HXD1+105C80+可控列尾,重聯(lián)機車采用牽引桿連接,相鄰車輛采用16、17號車鉤連接。本節(jié)主要研究重聯(lián)機車分別采用牽引桿和鉤緩裝置連接產(chǎn)生的列車縱向動力學差異。列車運行工況為平直道,名義速度為60km/h,機車施加電制動,列車最大車鉤力隨車鉤位置分布,如圖1所示。
圖1 最大車鉤力隨車鉤位置分布Fig.1 The Distribution of Maximum Coupler Force
由圖1可知,當重聯(lián)機車采用車鉤連接,列車最大車鉤力為737kN;而采用牽引桿連接,列車最大車鉤力為731kN,兩者相差不大。這是因為機車車鉤數(shù)量占整列車車鉤總數(shù)的比例較小,通過將機車車鉤改為牽引桿,來改善列車“間隙效應”的效果不明顯。因此,重聯(lián)機車采用牽引桿連接對減少列車縱向沖動的影響很小,從縱向動力學方面來說,將重聯(lián)電力機車車鉤改為牽引桿意義不大。
列車編組質量增加,導致車鉤所受壓鉤力也逐漸增大。在大秦線萬噸列車試驗中,最大壓鉤力為2193kN;按照《鐵道車輛強度設計及鑒定規(guī)范》的要求,車體結構所受最大縱向力應小于2250kN。因此,下面對承受較大縱向力的機車的橫向動力學性能進行考察,同時也是對牽引桿和鉤緩裝置的承壓能力進行比較分析。
3.1 鉤緩裝置模型
采用多體動力學程序建立了13A型鉤緩裝置模型,考慮了鉤尾摩擦特性和緩沖器非線性遲滯特性。緩沖器阻抗特性包括非線性的剛度特性和遲滯特性,這意味著緩沖器阻抗力可由彈簧力與遲滯力來表達。鉤緩裝置數(shù)學模型,如圖2所示。該模型綜合考慮了緩沖器的拉壓特性、初壓力、最大行程、車鉤間隙和底架剛性沖擊等多項因素。
圖2 鉤緩裝置數(shù)學模型示意圖Fig.2 Coupler System Input Functions Model
鉤尾摩擦面的建模采用Coulomb摩擦模型,車鉤力近似為緩沖器的回復力,摩擦力的法向力近似為緩沖器上承受的壓鉤力。由于鉤尾摩擦力的單向性,可認為在車鉤受壓時才產(chǎn)生摩擦力,因此鉤尾摩擦力的數(shù)學模型為:
式中:FD—相互作用力,F(xiàn)f—的摩擦力,vr—接觸點相對速度,vf—靜摩擦臨界速度,u—摩擦系數(shù)。
在上述分析基礎上,添加連掛面摩擦特性以及鉤銷止擋特性等特征元素,最終得到13A型鉤緩裝置動力學模型。
3.2 重載機車動力學模型
為了比較牽引桿和鉤緩裝置的承壓能力,本節(jié)通過SIMPACK軟件建立兩節(jié)33t大軸重機車組成的重聯(lián)機車與貨車連掛的列車動力學模型進行分析,如圖3所示。鉤緩裝置連接方案中,C_1、C_2分別為第一、第二位車鉤,即C1為兩節(jié)機車重聯(lián)處車鉤,C_2為機車與貨車相連車鉤;牽引桿連接方案中,R_1、R_2分別為第一、第二位牽引桿。模型中C_1和C_2處鉤緩裝置采用13A型鉤緩裝置動力學模型。R_1和R_2處牽引桿模型,是將13A型車鉤用一根牽引桿代替,取消鉤尾摩擦面,用彈簧阻尼力元進行模擬。
圖3 重聯(lián)機車動力學模型Fig.3 Dynamics Model of Multi-Locomotive
設定機車的名義運行速度為60km/h,線路條件為平直道,軌道不平順譜采用美國五級譜。仿真中,將縱向力均勻分配以力元形式作用于機車每位車軸上,如此C_1/R_1上的縱向壓力為C_2/R_2上縱向壓力的1/2。若模擬制動力的力元大小為208kN,則R_2/C_2受到的縱向壓力為2500kN。根據(jù)《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》和UIC518標準,確定33t大軸重機車的輪軸橫向力限制值為120kN,脫軌系數(shù)限制值為0.9,輪重減載率限制值為0.65。若分別采用牽引桿和鉤緩裝置連接的重聯(lián)機車在該縱向壓力下橫向動力學指標達到安全標準,則表明重聯(lián)機車橫向安全性較好,牽引桿和鉤緩裝置的承壓能力滿足要求。
4.1 鉤緩裝置承壓能力分析
C_1和C_2車鉤的運行行為,如圖4所示。圖4(a)中,C_1車鉤受到1250kN縱向壓力,C_2車鉤受到2500kN的縱向壓力。由圖4(b)、圖4(c)可知,鉤尾摩擦力抑制了車鉤的偏轉,導致車鉤幾乎不偏轉,車鉤偏轉角最大值僅為0.4°。
第二位機車的橫向動力學性能,如圖5所示。由于車鉤偏轉角極小,壓鉤力在橫向的分力可以忽略。因此機車B的橫向動力學性能指標未隨縱向壓力的增大呈明顯正相關變化。輪軸橫向力最大值為38kN,脫軌系數(shù)最大值為0.13,輪重減載率最大值為0.3,均在安全范圍內。因此,13A型鉤緩裝置能在直線上承受2500kN的縱向壓力。
圖4 鉤緩裝置運行行為Fig.4 Coupler Rotation Behavior
圖5 重聯(lián)機車動力學性能Fig.5 Dynamics Performances of Multi-Locomotive
4.2 牽引桿承壓能力分析
由于牽引桿缺少鉤尾摩擦面,沒有自動對中功能,不能利用鉤尾摩擦力產(chǎn)生相應的穩(wěn)鉤作用力矩,在較大的縱向壓力下,牽引桿將自由轉動,直接偏轉到系統(tǒng)所允許結構最大偏轉角,產(chǎn)生巨大的橫向分力并把橫向分力傳遞給機車輪對,增加重聯(lián)機車脫軌的安全隱患。
圖6 牽引桿偏轉行為Fig.6 Traction Rod Rotation Behavior
圖7 重聯(lián)機車動力學性能Fig7 Dynamics Performances of Multi-Locomotive
牽引桿的偏轉行為,如圖6所示。在縱向壓力作用下,牽引桿迅速偏轉到結構最大偏轉角。由圖可知,牽引桿系統(tǒng)所允許結構最大偏轉角為9°。采用牽引桿連接的第二位機車的橫向動力學性能,如圖7所示。由圖可知,第二位機車的W_6輪對(與R_2牽引桿相鄰的輪對)三項橫向動力學性能指標表現(xiàn)最壞,輪軸橫向力達到300kN,脫軌系數(shù)達到1.2,輪重減載率達到0.86,三個動力學指標均超過了規(guī)范要求的限制值。因此,采用牽引桿連接重聯(lián)機車承受2500kN的縱向壓力是極其不安全。
圖8 不同縱向壓力下,機車B的W_6輪對的輪軸橫向力Fig8 Under Different Longitudinal Pressure,Transverse Forces of Axle of the Second Locomotive of the Sixth Wheelset
由圖8可知,以機車B的W_6位輪對的輪軸橫向力低于規(guī)范要求的120kN限制值為基準,采用牽引桿連接重聯(lián)機車可以承受的縱向壓力約為1000kN。
(1)重聯(lián)機車采用牽引桿連接對減少列車縱向沖動的影響很小,機車電制動工況,重聯(lián)機車采用車鉤連接,列車最大車鉤力為737kN;當重聯(lián)機車采用牽引桿連接,列車最大車鉤力為731kN,兩者相差不大。(2)13A型鉤緩裝置在直線上承受縱向壓力為2500kN時,車鉤幾乎沒有偏轉,輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值分別為38kN、0.13和0.3,均在安全范圍內。而采用牽引桿連接的重聯(lián)機車承受縱向壓力為2500kN時,牽引桿偏轉到結構極限值9°,輪軸橫向力最大值為300kN,脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值分別為1.2和0.86,三項橫向動力學性能指標均超出限制值。因此,將重載重聯(lián)機車的車端連接裝置由車鉤改為牽引桿不可行。
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