高速车辆动力学性能评价方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来 我国高速铁路得到了飞速发展 这对车辆系统动力学性能提出了越来 越高的要求 如何提高车辆的运动稳定性 运行平稳性和曲线通过性能 是研制高 速列车的关键 其中横向运动稳定性作为列车安全运行的首要问题之一 一直为人 们所关注 一旦车辆系统出现了蛇行失稳 运行品质将急剧恶化 运行平稳性大大 降低 并导致轮轨间强烈的相互作用 对线路造成严重危害 甚至会引发脱轨 因 此 对高速车辆横向稳定性的评定具有极为重要的意义 我国高速铁路技术水平已经达到了世界领先水平 然而 要想成为真正的高速 铁路强国 除了需要加强高速列车基础理论研究和提升技术创新能力以外 必须建 立完善的高速列车设计规范和标准体系 而动力学性能的评价标准体系关系到高速 列车运行的舒适 安全和可靠 必须尽快加以完善 本文就是针对高速车辆系统动 力学性能的评价问题开展深入的研究 本文用s i m p a c k 软件建立了高速车辆非线性动力学模型 为了便于进行不同 速度下的车辆系统横向稳定性分析 通过改变抗蛇行减振器参数事先设定了三种工 况 采用极限环评判方法得到对应的蛇行失稳临界速度分别为2 5 1 k m h 3 0 1 k m h 和3 5 1 k m h 同时应用t s il 8 4 构架加速度幅值 u i c 5 1 5 构架加速度幅值 构架和 轮对加速度均方根值以及轮轨导向力均方根值五种方法进行三种工况横向稳定性的 评判 并得到了相应的临界速度值 结果表明 采用t s il 8 4 构架加速度幅值评判得 到的临界速度高于极限环方法 而采用轮轨导向力均方根值 构架和轮对加速度均 方根值和u i c 5 1 5 构架加速度幅值评判得到的临界速度在速度高时往往要低于极限 环方法 其中采用轮轨导向力均方根值评判得到的临界速度对于工况二和工况三最 低 对于t s il 8 4 标准规定的构架加速度幅值评判方法 通过仿真分析 建议将其 滤波频率3 9 h z 改进为2 9 h z 以覆盖低于3 h z 的蛇行失稳频率 使评判结果更加 准确 最后 对高速车辆蛇行失稳后的脱轨安全性和运行平稳性进行了分析 采用运行平稳性指标 舒适度指标和振动加速度进行了高速车辆运行平稳性的 评定 并进行了各方法的对比分析 进行了高速车辆运行安全性的评定 并对脱轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 系数 轮重减载率 轮轨垂向力和横向力等评价指标进行了对比分析 关键词 高速车辆 横向稳定性 标准 安全性 平稳性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a bs t r a c t h i g h s p e e dr a i l w a y i nc h i n ah a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yf o rt h el a s tf e wy e a r s a n d h i g h e rd y n a m i cp e r f o r m a n c ei sr e q u i r e df o rt h ev e h i c l e sa st h es p e e di n c r e a s e s h o wt o r a i s ev e h i c l er u n n i n gs t a b i l i t ya n di m p r o v er i d ec o m f o r ta n dc u r v i n gp e r f o r m a n c ei sv e r y i m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dt r a i n s a m o n gw h i c ht h el a t e r a ls t a b i l i t y o n eo ft h ek e yf a c t o r sf o rs a f eo p e r a t i o n i sp a i dh i g ha t t e n t i o nb yr e s e a r c h e r s o n e et h e v e h i c l eh u n t i n gm o t i o na p p e a r s t h eq u a l i t yo fo p e r a t i o nw i l lb ew o r s e ns h a r p l ya n dt h e r i d ep e r f o r m a n c ew i l lb ea f f e c t e d f u r t h e r s e r i o u sw h e e l r a i li n t e r a c t i o nm a y c a u s et r a c k o re v e nd e r a i l m e n t t h e r e f o r e i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe v a l u a t et h el a t e r a ls t a b i l i t yo f h i g h s p e e dv e h i c l e s t h et e c h n o l o g i e so fh i g h s p e e dr a i l w a y si nc h i n an o wa r ei nt h eg l o b a ll e a d i n g p o s i t i o n s h o w e v e r i no r d e rt ob e c o m et h er e a lp o w e rf o rh i g hs p e e dr a i l w a y s e x c e p t t os t r e n g t h e n i n gt h eb a s i cr e s e a r c ha n dr a i s i n go ft h et e c h n o l o g yi n n o v a t i n ga b i l i t yf o r h i g hs p e e dt r a i n s w em u s te s t a b l i s ha l le n t i r es e to fc r i t e r i o na n d s t a n d a r dr e g u l a t i o n sf o r t h ed e s i g no fh i g hs p e e dt r a i n s w h i l et h ee v a l u a t i o ns t a n d a r d sf o rt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo fh i g hs p e e dt r a i n s w h i c ha r er e l a t e dt ot h ec o m f o r t a b i l i t y s a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo fh i g hs p e e dt r a i no p e r a t i o n s h o u l db ec o m p l e t e da s s o o na sp o s s i b l e t h e r e f o r e d e t a i l e dr e s e a r c hi sc o n d u c t e di nt h i st h e s i si na c c o r d a n c ew i t ht h ee v a l u a t i o n p r o b l e m so f t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fh i g hs p e e dv e h i c l e s t h en o n l i n e a rd y n a m i cm o d e lo fah i g hs p e e dv e h i c l ei ss e tu pb ys i m p a c k s o f t w a r e t h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n sa r ed e t e r m i n e di na d v a n c et h r o u g hc h a n g i n gt h e p a r a m e t e r so ft h ea n t i h u n t i n gd a m p e r si no r d e rt oc o n v e n i e n t l ya n a l y z i n gt h ev e h i c l e l a t e r a ls t a b i l i t ya td i f f e r e n ts p e e d s b ya p p l y i n gt h el i m i tc y c l ee v a l u a t i o nm e t h o d t h e c o r r e s p o n d i n gh u n t i n gc r i t i c a ls p e e d sf o rt h et h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n sa r ec a l c u l a t e da s 2 51 3 0 1 3 51 k m h m e a n w h i l e t h em e t h o d so fs t a n d a r dt s il 8 4b o g i ef r a m ea c c e l e r a t i o n a m p l i t u d e u i c 5 15b o g i ef r a m ea c c e l e r a t i o na m p l i t u d e b o g i ef l a m ea n dw h e e l s e t a c c e l e r a t i o nr m s s u mo fg u i d i n gf o r c e sr m sa r eu s e dt oe v a l u a t et h el a t e r a ls t a b i l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 o ft h ev e h i c l es y s t e ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gc r i t i c a ls p e e d sa r eo b t a i n e d f o rt h em e t h o d o fb o g i ef r a m ea c c e l e r a t i o na m p l i t u d er e g u l a t e di ns t a n d a r dt s il 8 4 i ti ss u g g e s t e dt h a t t h ef r e q u e n c yf i l t e r i n gr a n g e3 9 h zs h o u l db em o d i f i e dt o2 9 h zt oc o v e rt h eh u n t i n g f r e q u e n c i e sl o w e rt h a n3 h zi no r d e rt og e tm o r ea c c u r a t ee v a l u a t i o nr e s u l t s f i n a l l y t h e d e r a i l m e n ts a f e t ya n dr i d eq u a l i t yo ft h ev e h i c l es y s t e ma f t e rt h el o s so fs t a b i l i t ya r e i n v e s t i g a t e d t h er i d eq u a l i t yo fh i g hs p e e dv e h i c l ei se v a l u a t e db yu s i n gt h er i d ei n d e x r i d e c o m f o r ta n dv i b r a t i o na c c e l e r a t i o nm e t h o d s a n dt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e df o r d i f f e r e n tm e t h o d s t h er u n n i n gs a f e t yi sa l s oe v a l u a t e db yt h ei n d i c e so fd e r a i l m e n t c o e f f i c i e n t w h e e ll o a dr e d u c t i o n w h e e l r a i lv e r t i c a la n dl a t e r a lf o r c e s k e yw o r d s h i g hs p e e dv e h i c l e l a t e r a ls t a b i l i t y c r i t e r i o n s a f e t y r i d eq u a l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景及研究意义 近年来 我国铁路进行了跨越式发展 以2 0 0 2 5 0 k m h 为速度目标的第6 次铁 路大提速已于2 0 0 7 年4 月1 8 日实施 并成功开行c r h 系列高速动车组 时速3 0 0 公里速度级高速列车已列入国家和铁道部的 十一五 规划 京津城际客运专线已 于2 0 0 8 年8 月1 日正式开通 运行速度3 0 0 3 5 0 k m h a 武广 郑西 沪杭等高速客 运专线也相继开通 最高运行速度达到3 5 0 k m h 1 11 平均时速超过3 4 0 k m h 为世 界高速铁路之最 2 0 1 0 年1 2 月3 日 由中国南车青岛四方机车车辆股份有限公司 研制的 和谐号 3 8 0 a 新一代高速动车组在京沪先导段最高时速达到4 8 6 1 公里 创造了新的世界铁路运营试验最高速度 举世瞩目的京沪高速铁路将于2 0 1 1 年开 通 是世界上一次建成 线路里程最长 技术标准最高的高速铁路 我国己成为世 界上仅有的几个掌握高速铁路技术的国家之一 到2 0 2 0 年 我国将建成 四纵四横 铁路客运专线和三个城际快速客运系统 总里程达1 8 万公里 引 这标志着我国高 速铁路的建设正以世界注目的迅猛态势向前推进 正引领世界高速铁路的发展 高 速铁路无疑为铁路运输带来了新的生机 多年来发展高速铁路已经成为各国的共识 对高速铁路包括高速机车车辆技术问题的认识逐渐深化 3 刊 然而 我国目前建立的比较完善的动力学性能评估标准 只适用于常规速度列 车 1 4 0 k m h 以下 列车 虽然随着列车的提速 也进行了标准的改进工作 目前 我国列车运行速度在不断提高 最高运行速度已达到3 5 0 k m h 列车运行环境发生 了质的变化 过去的标准体系已不能适应 必须建立与高速列车发展相适应的新的 标准体系 世界高速列车发达国家如日本 法国和德国等有相应的标准规范 但某 些基本理念也不尽相同 且适应的速度范围主要是3 0 0 k m h 以下 也不能适应我国 高速列车的运行要求 不过我们可以借鉴其先进和成熟的经验 我们应通过深入的 研究和分析 建立科学合理的 符合国情的高速列车动力学性能评价标准体系 这 样才能保证高速列车的安全可靠运行 使我国高速列车走向世界 在世界上始终处 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 于领先地位 迄今为止 国外有关评定标准有 u i c 5 1 8 2 0 0 3 铁道车辆动力学性能运行安 全性运行品质和轨道疲劳的试验 验收规范 7 1 u i c 5 1 5 抄本 8 1 e n1 43 6 3 铁 道车辆性能的验收试验 1 9 和 t s il 8 4 关于欧洲高速列车子系统互操作性的技术 规范 1 0 1 等 国内标准 2 0 0 k m h 及以上速度级电动车组动力学性能试验鉴定方法 及评定标准 1 1 参照了u i c 5 1 5 标准对车辆系统的稳定性进行评价 对于车辆系统横向稳定性研究 过去主要是在理论上对平衡位置稳定性 极限 环特性以及如何提高系统的稳定性等方面进行研究 1 2 16 1 轨道一般只考虑初始扰动 或一段随机不平顺输入 然后研究在理想光滑轨道上车辆的运动稳定性特性 而实 际线路始终是有不平顺输入的 车辆系统失稳时的运动状态还包含系统的随机响应 如何进行实际运行工况的横向稳定性判定以及运行速度的限制有比较大的难度 过 去在这方面的工作较少 除了p o l a c h 教授的工作 1 7 19 1 对于横向稳定性各评判标准 的差异也很少研究 p o l a c h 通过改变等效锥度来改变轮轨接触几何关系 并对比了 几种研究稳定性的方法 采用三种方法来确定临界速度 1 从极限环运动开始 降低速度直至收敛到稳定的平衡位置 2 轮对横向给一个8 m m 的初始激扰 3 采用轨道随机不平顺激扰 考查在不同的方法和不同的标准下的临界速度 仿真得 出用第一种方法得到的临界速度最低 在使用不同的标准评判时 第二种方法下 用u i c 5 1 8 中的轮轨导向力限定值得到的临界速度最高 u i c 5 1 8 构架加速度均方根 值和u i c 5 1 5 加速度幅值得到的速度相近 第三种方法下 u i c 5 1 8 构架加速度均方 根值得到的临界速度最低 u i c 5 1 5 构架加速度幅值得到的临界速度最高 本文通过s i m p a c k 仿真软件建立高速件建立高速车辆模型 通过数值仿真 分别采用极限环法 构架加速度幅值法 构架加速度和轮对加速度和轮轨导向力之 和均方根值法对高速列车横向运动稳定性进行评判 深入分析了不同方法评判结果 的差异 1 2 车辆系统动力学发展概况 铁路运输是依靠列车在线路上的运行来实现的 由机车和车辆组成的列车以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 铁路线路是一个整体系统 在这个复杂的系统中 它们相互联系着又相互作用着 列车运行时 系统中各组成构件将会产生各种力和位移的动力过程 这些力和位移 是由于列车与线路的相互作用以及机车与车辆之间和各连接车辆之间的相互作用引 起的 对这些过程进行研究的一门学科就是车辆系统动力学 2 们 随着铁路运输的发展 特别是进入高速化和重载化阶段以来 一系列的矛盾就 必然需要解决 2 1 1 例如 高速运行与线路强度及稳定性之间的矛盾 高速重载与线 路构造状态之间的矛盾 高速重载与车辆强度之间的矛盾 高速重载与车辆运行平 稳性 安全性和稳定性之间的矛盾 高速与列车运行阻力之间的矛盾等等 研究分 析这些矛盾并提出如何解决的途径 就要涉及到许多有关车辆系统动力学的若干问 题 车辆系统动力学迄今已成为一门内容丰富的学科 自6 0 年代开始实现铁路运输 高速化和重载化以来 对车辆系统动力学的研究内容在深度和广度上都提出了新的 要求 1 9 6 4 年日本的高速铁路新干线投入运行以后 许多国家竞相修建 而且从安 全 舒适 高效 节能和环保等方面越来越显示出它的优越性 t g v 和i c e 是当今 铁路高科技的典范 他们的开发过程同时也是高速动力学有关课题的研究过程 例 如 为了选择和设计i c e 最佳的车端 横断面和侧墙的流线型外形以使运动阻力降 至最小 曾进行了全面的空气动力学理论和风洞试验研究 为了使列车在全速范围 内都有良好的安全 稳定和平稳运行性能 以及使轮对在通过曲线时具有低的导向 力 低的轮轨磨耗和减少走行部的维修量 曾对走行部分的结构和悬挂系统元件的 参数进行了优化计算 对所用转向架在试验台上进行了试验 以考核其在高速运行 时的稳定性和运行品质等等 国内对车辆系统动力学的研究是从5 0 年代后期起步的 目前国内对动力学的研 究如日中天 近几年车辆系统动力学的研究热点主要集中在车辆系统运动稳定性 轮轨关系 流固耦合关系等几方面 车辆动力学是力学学科的一个分支 随着力学发展和列车运行速度的提高而逐 步得到重视的 而且有专门的国际刊物 v e h i c l es y s t e m sd y n a m i c s 发布最新的研 究成果 从上世纪七 八十年代起车辆系统动力学得到很好的发展 奠定了车辆系 统动力学的基本理论与方法 这其中著名的j j k a l k e r 的轮轨滚动接触理论 考虑 自旋影响的沈 志云 氏蠕滑理论 a w i c k e n s 的轮轨接触等效锥度定义等都诞生 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 于这个年代 车辆动力学的线性和非线性运动稳定性理论 车辆响应的随机振动计 算方法和仿真计算方法 动态和稳态曲线通过计算方法 都形成于这个年代 之后 的研究主要是依赖于计算机技术和计算方法发展 在计算速度和计算的精度上取得 进步 1 3 国内外动力学性能评判标准 1 3 i 安全性评价指标 列车的安全运行关系到人们的生命安全和财产安全 是世界各国铁路运输需要 解决的首要问题 自从世界上铁路诞生以来 人们就关注到了铁道车辆的运行稳定 性和安全性问题 列车运行安全性是铁路运输最基本的要求 世界各国铁路工作者 对此均非常重视 对行车安全性评价指标及限度进行了大量的研究 取得了丰硕的 成果并已应用于实践 车辆运行安全性主要涉及车辆的临界速度是否满足要求 是否会出现脱轨和倾 覆问题 以及对轨道的作用力是否超限等 1 蛇行稳定性 过去 人们研究车辆系统都将其考虑成线性或线性化模型 实际上 机车车 辆系统是一个非常典型的非线性系统 存在着轮轨关系和悬挂特性等非线性因素 非线性系统的蛇行运动比线性系统复杂得多 对于车辆系统的线性和非线性临界速 度及极限环的计算 文献 2 2 认为 可采用求线性化系统特征值和打靶法或直接数 值积分法来进行 但是 对于非线性的系统 有时很难进行系统的线性化处理 无 法通过求特征值来确定系统的线性临界速度 因此 宣采用直接数值积分法来近似 求解 给定轨道极微小激扰 若在某一速度下 此激扰引起的车辆系统响应不衰减 而是发散到极限环运动 则此速度即为车辆系统的线性临界速度 而车辆系统的实 际临界速度的确定方法为 给定一段有限长的实际轨道随机不平顺函数 当车辆通 过不平顺轨道而运行在理想光滑轨道以后 车辆系统的响应不再衰减到平衡位置而 是趋于极限环振动 这时的车速即为实际临界速度 实际临界速度与轨道激扰有关 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 不同的轨道激扰会有不同的实际临界速度 线性临界速度通常要高于实际临界速度 u i c 5 1 8 和e n l 4 3 6 建议依据下列方法来判定车辆的稳定性 只在直线轨道和大半 径曲线轨道上使用 标准方法 zy 力 简便方法 h 力或转向架构架中的横向加速度辩 在使用基于加速度的测 量方法时 在不稳定性频率f o a 2 h z 周围进行带通滤波 其中衰减率 2 4 d b 倍频程 在整个试验区以1 0 m 的递增计算出1 0 0 m 长度上的移动的均方根 应根据所 采用的测量方法 将均方根值记录为s s h s 或或s 见 这样对每个试验区计算出的均方根值都必须低于以下规定的极限值 a 标准测量方法 导向力之和 湎 毕 b 简化测量方法 有横向轴箱力的测量 轴箱横向力之和 油 皇专些口耐 转向架构架加速度夕纛 岫 苎詈坠 c 简化测量方法 没有横向轴箱力的测量 转向架毒句架加速度j 二汹 墨箐堕 t s il 8 4 规定按下列方法来评定稳定性 对轴箱上方构架横向加速度进行实时连续监测和采样 进行3 9 h z 带通滤波 若加速度峰值有连续1 0 次以上达到或超过极限值8 m s 2 时 则判定转向架横向失稳 我国的 高速动车组试验规范 规定 当构架横向加速度滤波1 0 h z 峰值有连续6 次以上达到或超过极限8 1 0 m s 2 与 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 转向架的设计相适应 时 判定转向架横向失稳 2 脱轨安全性 脱轨问题一直备受人们重视和关注 早在1 0 0 多年前 n a d a l 就率先开始了研究 二次大战以后 欧洲 日本和美国都进行了大量的研究工作 制定了相应的脱轨安 全标准 2 3 1 2 0 世纪7 0 年代初期 我国开始对脱轨问题进行了研究 至w j 8 0 年代中期 制定了相应的脱轨安全性标准 各国都曾发生过一些列车脱轨事件 列车安全性更 是引起了各国有关部门的高度重视 因此对列车安全性研究已成为客货车新产品开 发中最为关注的问题之一 车辆脱轨根据过程不同大体可分为爬轨脱轨 跳轨脱轨 掉道脱轨等 一般以 脱轨系数 轮重减载率 倾覆系数等指标来评定车辆运行的安全性 国际铁路联盟u i c 规定脱轨系数q p 1 2 北美铁路则规定q e 1 0 德国i c e 高速列车试验标准为q p 0 8 日本既有线铁路提速试验标准也规定q p o 一 我国制定的脱轨系数标准见表1 1 表中的第一限度为合格标准 第二限度为 增大了安全裕度的标准 另外 铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准 t b t 2 3 6 0 9 3 2 4 1 高速试验列车动力车强度及动力学性能规范 1 2 5 和 高速试验 列车客车强度及动力学规范 2 6 9 5 j 0 1 m 中 规定的爬轨侧车轮的脱轨系数安全限 定值也在表1 1 中给出 表1 1 我国脱轨系数安全限定值 指标 g b 5 5 9 9 一l9 8 5t b t 2 3 6 0 9 3 高速动车组整 第一限第二限9 5 j 0 1 l m 脱轨系良好合格车试验规范 度度 数 1 2 1 oo 80 9 0 8 o 8 此外 还用轮重减载率 p p 来衡量有无可能由于 侧车轮减载过大而导致脱 轨 其中肿为一侧车轮轮重减载量 尸为左右侧平均轮重 当轮重减载率超过极限 值时 仍有脱轨的趋势 日本j r 标准中采用了o 8 来作为动态轮重减载率的标准值 德国和美国采用的限值为0 9 我国 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 g b 5 5 9 9 1 9 8 5 2 7 高速试验列车动力车强度及动力学性能规范 9 5 j 0 1 l 和 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 高速动车组整车试验规范 2 0 0 8 规定车辆轮重减载率应符合的标准值如表1 2 所示 表卜2 我国减载率安全限定值 指标 g b 5 5 9 9 19 8 5高速动车组 9 5 j 0 1 l m 整车试验规 第一限度第二限度 范 减载率准静态 s 0 6 5 o 6 0 o 65 0 6 5 动态 5 0 8 3 轮轨垂向力 u i c5 1 8 e n1 4 3 6 3 是国际上被广泛采用的动力学性能评定标准 两者均对轮轨 垂向力做出了限制要求 北美的a a r 标准 澳大利亚的a s1 0 8 5 也轮轨垂向力做 出了限制要求 只不过 后者对允许值的要求更低 但这是反映轮轨动力作用 评 判大轴重低动力作用的最重要指标 u i c5 1 8 e n1 4 3 6 3 所考核的机车车辆涉及包括不同轨距的机车 客车 货车 地铁 城轨等所有车型 其理由是不管何种车型 其对线路的破坏作用是相似的 应该用统一的标准 u i c5 1 8 e n1 4 3 6 3 所指的线路条件 钢轨轨头型状等与我国 还是十分接近的 在中国 客货混跑的线路采取这样的标准是比较合理的 日本在既有线铁路提速试验规范中对轮重最大值有明确规定 要求其小于轨道 部件 p c 轨枕 轨道板 的设计载荷 所谓设计载荷 是考虑了因车轮扁疤引起的 轮轨动力冲击作用而采用的荷载 据调查分析 车轮扁疤引起的轮载动静比约为1 7 考虑一定的安全系数后取为2 0 最大扁疤引起的轮重可取为静轮重的3 倍 并将 其作为设计荷载 新干线采用轴重1 7 0 k n 的标准荷载 设计载荷为2 7 0 k n 而既有 线采用轴重1 6 0 l n 的荷载 设计载荷为2 5 5 k n 英国铁路 b r 早在2 0 世纪7 0 年代便注意到机车车辆通过轨道低接头时严重的 动力作用i 口 j 题 通过试验首次发现了轮轨冲击力的特性 并由此定义了丑 b 同 时规定了只 最限制标准 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 霉 k 斟n 2 5 0 只 斟 1 1 丑 最 6 0 0 斟j 德国联邦铁路规定 就线路负荷而言 轮轨垂向力不允许超过极限值1 7 0 k n 我国 高速试验列车动力车强度及动力学性能规范 9 5 j 0 1 一l 中规定 动力车通过 直线 曲线 道岔和桥梁时 导向轮对每个车轮作用于轨道的垂向力峰值极限值为 尸础 1 7 0 k n 高速动车组整车试验规范 t 2 8 1 也规定尸傩 1 7 0 k n 4 轮轴横向力 对于无缝铁路稳定性问题的研究表明 过大的轮轴横向力是导致轨排横移 无 缝线路动态失稳产生胀轨跑道现象的最主要原因 因此j 除了保证线路的纵 横向 阻力外 限制轮对作用于线路的最大横向力也是很重要的一个方面 表1 3 给出了 欧美国家 u i c 以及日本所采用的轮轴横向力限值计算公式 表1 3 欧美及u i c 和日本关于轮轨横向力限定标准 欧美国家及u i c 标准 k n 日本标准 k n 限度值推荐值第一限度值第二限度值 q 1 0 p 3q 0 8 5 1 0 p 3 q 1 0 o 3 5 匕l 匕2 q o 8 5 1 1 0 0 3 5 巳l 巳2 我国 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 g b 5 5 9 9 8 5 中 对于可能 导致线路产生严重变形的轮轴横向力限度规定如下 对于木轨枕 q o 8 5 1 1 0 p a t l 乓2 2 1 2 对于混凝土轨枕 q o 8 5 1 15 p s i l 岛2 2 1 3 从表1 3 可见 欧美国家 u i c 日本所采用的轮对横向力限值大体是相同的 我国早些年间的标准与之差别较大 现在我国的 高速动车组整车试验规范 规定 轮轴横向力评定限值采用以下标准 h 1 0 p o 3 p o 表示静轴重 1 4 1 3 2 平稳性评价指标 为了考核列车的乘坐舒适度 需要对车体的振动加速度进行评定 其评价指标 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 主要包括平稳性指标 舒适度指标和运行品质 1 运行品质 车辆的运行品质用车体振动加速度4 也进行评价 车体振动加速度4 a 是车辆振动特性的客观度量参数 g b 5 5 9 9 1 9 8 5 对运行速度v 2 0 h z 月 1 2 6 h z f 1 依平稳性指标w 确定客车运行平稳性的等级列于表1 6 表中垂向和横向平稳性 采取相同的评定等级 表1 6 客车运行平稳性等级 平稳性等级评定平稳性指标w 1 级优 2 5 2 级良好 2 5 2 7 5 3 级合格2 7 5 3 o 由于车辆的振动是随机振动 其加速度和频率随时都在变化 实际评定时是将 所要分析的加速度波形按频率分组 根据每一组的加速度和频率计算该组的平稳性 指标瞩 整个波形的平稳性指标按下式计算 形 叫 1 0 叨o 乃秽 1 7 式中 为整个波段的分组总数 3 乘坐舒适度指标 舒适度指标常用国际铁路联盟u i c 5 1 3 2 9 规定的标准值 该标准考虑了乘客身 体与车辆接触的三个主要点 足部一地板接触 图1 1 左侧 腿一座位接触和背 部一靠背接触 图1 1 右侧 对于每个点 都设定了参考坐标系 基于此 该标 准包括了三个计算方法 简化方法 结论是由相对于车辆地板面的加速度值确定 并适用于坐着的和站 立着的乘客 完整方法一 乘客站立位置 完整方法一 乘客坐时位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 一 x 图1 1 站立乘客 左 和座位上乘客 右 的坐标系统 表1 7u i c 5 1 3 的测量和计算方法 测量方法所需变量计算公式 站姿时的完 地板上 二 3 16 口馨5 0 2 4 a y 阢p 5 2 t z 肌p 5 2 5 a r e 5 整方法a 2 t o y p a z p 地板上 坐姿时的完 座位上 2 x a r a 9 5 2 z 耽 9 5 2 4 口妻9 5 4 a x w f i 9 5 整方法 座椅靠背上 站姿或坐姿 地板上 n z d 6 辔鳄 2 蟊 2 口氛 2 的简化方法 n 抒 a y p q z p 上表中各符号说明 口 加速度的有效值 均方根值 n 一舒适度指数 w i 表示按计权曲线所采用的频率计权值 i i b c d b 垂直的 c 座椅背上的 d 水平的 a p d 表示接触面 a 座椅面 p 车地版面 d 座椅靠背 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 曼量皇曼曼曼曼舅曼鼍曼皇曼曼鼍i ii i i 鼍曼曼鼍曼曼笪曼皇曼曼曼量鼍量鼍曼曼曼暑曼曼曼曼曼量曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼 曼曼曼皇 m v 站姿或坐姿的简化舒适度 v a 坐姿旅客舒适度 v d 站姿旅客舒适度 5 0 所采用的百分比为5 0 9 5 所采用的百分比为9 5 车辆乘坐舒适度等级划分如表1 8 所示 表1 8u i c 5 1 3 r 舒适度评价指标表 舒适度指标n 评定结果 n i舒适性非常好 1 n 2舒适性很好 2 n 4舒适性比较好 4 n 型 蜊 m 岳 妲 按照表 02 46 81 01 21 41 61 82 0 趁 d v o 0 0 i m s d v o 0 0 5 m s d v o o l m s d v o 0 2 m s d v o 0 5 m s d v o 0 8 m s d v o 1 m s 图2 一1 1 抗蛇行减振器卸荷速度和卸荷力对临界速度的影响 表2 6 三种工况下的抗蛇行减振器参数 计算工况速度 m s 阻尼力 n 工况一 0 0 0 1 51 7 5 0 0 0 62 3 0 0 0 12 6 0 0 0 22 7 0 0 工况二 o 0 0 1 5 3 4 7 5 0 0 64 1 0 0 o 14 4 0 0 0 24 6 0 0 工况三0 0 0 1 53 8 5 0 o 0 64 4 0 0 0 14 8 0 0 0 25 1 3 0 界速度分别是 2 5 l k m h 3 0 1 k m h 和3 5 1 k m h 这时 车辆系统被初始激扰激发后 其振动不能逐 渐衰减至平衡位置 而是趋于稳定的极限环 车辆系统平衡位置失稳 图2 1 2 显示 的是三种工况的轮对横向运动特性 一位轮对的横向位移 对于该车辆系统 一旦 失稳则会出现大的极限环运动而发生轮缘贴靠 渤咖季 舌 枷枷渤看 渤瑚伽伽 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 一 暑 豳 澄 颦 莨 辑 暑o o 咕 脚0 0 0 0 渣 蜒 m 霞 辑4 o 5 1 0 0 01 蛳 运行距离 m 速度2 5 0 k m h 置 唧 稔 蜒 霞 辑 a 工况一 是 删 嬉 螺 霞 辑 om1 o 运行距离 m 速度2 5 1k m h 湖 1 0 0 0 1 蛳锄0蛳 1 蛳 运行距离 m 矧亍距离 m 速度3 0 0k m h速度3 0 1k m h b 工况二 2 4 本章小结 昌嘶 删啪 羚 蜒椭 蛮 袋一 响5 o1 o 5 20 05 1 0 0 01 5 运行距离 m 运行距离 m 速度3 5 0 o n h速度3 5 1k m h c 工况三 图2 1 2 抗蛇行减振器三种工况下的临界速度 枷 介绍了计算所用模型的主要结构和参数 在不影响计算结果的前提下 对所用 模型进行了简化 得到计算所用的模型 用s i m p a c k 软件建立了高速车辆模型 m 瞄 蛳 瞄 m 吣 口 o n n n n 嘲蟪颦靛辞 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 通过改变抗蛇行减振器参数得到三种计算工况 用极限环法判断车辆系统的稳定性 得到三种工况的蛇行失稳临界速度分别是2 5 l k m h 3 0 1 k m h 和3 5 1 k m h 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 第3 章蛇行运动稳定性评价方法研究 车辆系统在正常运行速度下要避免出现蛇行失稳现象 要求车辆蛇行运动的临 界速度要远高于其最高运行速度 以保证有足够的安全裕量 用极限环方法判断得到的临界速度只能作为理论值 在试验和实际运营中 由 于车辆一直在有不平顺激扰的线路上运行 无法通过判断车辆系统各刚体是否收敛 到平衡位置来评判其稳定性 因此一般可以采用轮轨横向力 转向架构架横向加速 度和轮对横向加速度来评价 通过测量轮轨横向力 构架和轮对横向加速度来监测 转向架是否发生了不能迅速衰减的连续横向振荡 下面将研究用几种不同的横向稳定性评价方法来得到三种计算工况的临界速 度 运用不同标准中规定的限定值对三种工况下车辆的横向稳定性进行评定 考查 在不超过各限定值时所对应的最高运行速度 本文也笼统称各最高运行速度为临界 速度 并与极限环法得到的临界速度进行对比 3 1t s il 8 4 构架横向振动加速度幅值方法 t s il 8 4 关于欧洲高速列车子系统互操作性的技术规范 中 是用构架加速 度幅值评定车辆的横向稳定性 判断车辆系统是否发生了不能迅速衰减的连续横向 振荡 对于不同型式的转向架 发生不能迅速衰减的连续横向振荡时 其加速度幅 值也就可能不同 t s il 8 4 对于横向稳定性的规定是 对于轴箱上方构架加速度进 行实时连续监测和采样 用3 9 h z 的带通滤波器进行滤波 加速度幅值连续1 0 次 以上达到或者超过极限值0 8 9 与转向架的设计相适应 时 判定转向架横向失稳 用t s il 8 4 标准评价前面所述的三种工况 下图为三种工况的构架加速度幅值 超标前后的对比图 通过仿真得到三种工况的速度分别是2 6 9 k m h 3 4 6 k m h 3 7 6 k m h 时 构架横向加速度幅值未达到限定值 当三种工况的速度达到2 7 0 k m h 3 4 7 k m h 3 7 7 k m h 时 构架横向加速度幅值连续1 0 以上超过o 8 9 判定车辆系统 失稳 用t s il 8 4 评判出的临界速度要高于极限环方法评定的蛇行临界速度 1 21 41 6侣加1 0 1 21 41 61 8 帐帐 a 工况i 的构架加速度幅值 1 0 1 21 41 61 8 n s b 工况2 的构架加速度幅值 1 41 61 8 时间 s c 工况3 的构架加速度幅值 时间 s 图3 1t s il 8 4 标准下三种工况构架加速度幅值 zsl 迥坚越瑙最账霎zsl 覃 坚越蝴毒球霎 1 迥罂谜翊景球霎 曹1 4 6i 矾 j l l zsl 遥罂趟斛器球蜒 竹 5 o 俘 zsl 靼罂瑙裂量涨爨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 3 2u i c 5 15 构架横向振动加速度幅值方法 u i c 5 1 5 标准对于横向稳定性的规定是对轴箱上方构架加速度进行实时连续监 测和采样 用1 0 h z 低通滤波 加速度峰值有连续6 次以上达到或超过极限值8 1 0 m s 2 与转向架的设计相适应 时 判定转向架横向失稳 我国标准 2 0 0 k m h 及以上速度级电动车组动力学性能试验鉴定方法及评定标准 就是参照了u i c 5 1 5 标准对车辆系统的稳定性进行评价 2 6 9k h f i 嘲 i 趔 i 望 蜊 i瑙 il f y 瑚球 挺 2 7 0 n i j i i 6 fi i l i 285鼬h 1 y 葛1 lli 趔1 衄型 ij i 捌 1 口y 8 显 嗣舞挺j 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 宣 蝈 粤 蜊 蜊 口 车 球 爨 3 j l 蛔1 h i lj t jj f f 峨 i i l i 堞 辩 1 1 01 21 41 61 8邪 1 0 1 21 41 6 1 8 扣 时间 s旨寸间居 c 工况3 的构架加速度幅值 图3 2i j i c 5 1 5 标准下三种工况构架加速度幅值 用u i c 5 1 5 稳定性标准评判三种工况 得到临界速度分别是2 7 4 k m h 2 8 6 k m h 和3 3 0 k m h 对于工况一 用u i c 5 1 5 标准评判得到的临界速度高于极限环法 对 于工况二和工况三 用u i c 5 1 5 标准评判得到的临界速度比极限环法下的临界速度 低 可见 在不同的速度级下 用相同的标准评判出的结果会产生不一样的差别 车体的横向自振频率在1 h z 左右 同时也会引起在该频率处构架的横向振动加 大 用1 0 h z 的低通滤波就会把该频率范围的振动也包含进来 从而对车辆系统临 界速度的判定产生影响 有时会得到较低的临界速度 而t s il 8 4 方法由于采用带 通滤波 就避免了这一影响 3 3 构架加速度均方根值方法 u i c 5 1 8 2 0 0 3 铁道车辆动力学性能运行安全性运行品质和轨道疲劳的试验 验收规范 和e n l 4 3 6 建议用标准力和加速度方法评价稳定性 e n l 4 3 6 标准主要内 容引自u i c 5 1 8 下面将主要研究u i c 5 1 8 对于稳定性的评定 加速度方法分为构架 加速度和轮对加速度 当加速度均方根值超过限定值时 则认为车辆系统不稳定 u i c 5 1 8 标准用力和加速度的方法主要用于车辆的线路轨道试验以及用实际测量得 到的线路不平顺作为输入的非线性仿真计算 3 8 采用构架和轮对加速度均方根值法 进行横向稳定性判定时 在大的轨道横向激扰情况下得到的临界速度可能会低于极 限环法 而这时实际的车辆系统并未出现失稳 首先研究用转向架加速度均方根值 评判车辆系统的稳定性 构架横向加速度的均方根值不得超过限值 5 0 5 0 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 s 矿 6 一丝 3 1 i u 其中 m 为转向架质量 t 包括转向架所有组成部分以及轮对在内的质量 本文取心 7 i t 得到转向架横向加速度极限值 s 茸 虹 5 2 9 m s 2 在转向架中心 处测量横向加速度 转向架加速度均方根值的计算是在移动的l o o m 的窗口中进行 移动的步长是l o r e 下图是三种工况的转向架加速度均方根值超标前后的对比图 吕 j 翌 娶 恹 墨 蜊 瑙 口 年 球 挺 g 趔 娶 恹 霜 螂 瑙 口 球 寝 01 咖2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 距 离 m 害 趔 晕 椒 婴 型 瑙 口 丰 球 蜒