动车组车端阻尼器对动力学性能影响的研究 Research on the Influence of Vehicle End Dampers on Dynamic Performance of Multiple Unit Trains

doi:10.12677/OJTT.2023.123023

Open Journal of Transportation Technologies
Vol. 12 No. 03 ( 2023 ), Article ID: 66483 , 14 pages
10.12677/OJTT.2023.123023

动车组车端阻尼器对动力学性能影响的研究

石俊杰¹，王铁成¹，梁树林²，徐练¹，王欢声²，崔涛¹

●How to Cite this Article

¹中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山

²西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都

收稿日期：2023年4月4日；录用日期：2023年5月24日；发布日期：2023年5月31日

摘要

本文主要对160 km/h动力集中动车组车端阻尼器的安装必要性进行论证，从车辆系统动力学角度出发，通过仿真手段和试验手段对其进行论证，研究动力车与相邻拖车之间、拖车与拖车之间是否需要安装。分析结果表明车端阻尼器对动力学性能影响不大。从仿真结果来看，动力车与相邻拖车间安装车端阻尼器时，动力车平稳性指标略微增加，最大约0.08，相邻拖车平稳性指标略微降低，最大约0.07。整体差异不明显；动力车在后且安装车端阻尼器时，动力车轮轴横向力略微增加，最大约3 kN，轮轨垂向力略微增加，最大约2 kN，其余各指标影响很小；动力车在前时，有无车端阻尼器仿真结果差异不大。拖车之间安装车端阻尼器对车辆的运行平稳性和安全性应该均很小，可以忽略。从试验结果来看，动力学差异不明显，建议取消160公里动集鼓形车体车端阻尼器的设计及安装。

关键词

160 km/h动集，车端阻尼器，动力学特性，仿真结果，试验

Research on the Influence of Vehicle End Dampers on Dynamic Performance of Multiple Unit Trains

Junjie Shi¹, Tiecheng Wang¹, Shulin Liang², Lian Xu¹, Huansheng Wang², Tao Cui¹

¹CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan Hebei

²State Key Laboratory of Traction Power of Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan

Received: Apr. 4^th, 2023; accepted: May 24^th, 2023; published: May 31^st, 2023

ABSTRACT

This article mainly discusses the necessity of installing dampers at the end of the 160 km/h dynamic multiple unit. From the perspective of vehicle system dynamics, it is demonstrated through simulation and experimental methods to study whether installation is necessary between the power vehicle and adjacent trailers, as well as between trailers and trailers. The analysis results indicate that the vehicle end damper has little impact on the dynamic performance. From the simulation results, it can be seen that when installing end dampers between the power vehicle and adjacent trailers, the sperling index of the power vehicle slightly increases, with a maximum of about 0.08, while the sperling index of adjacent trailers slightly decreases, with a maximum of about 0.07. The overall difference is not significant; When the power car is in the rear and equipped with end dampers, the lateral force of the power wheel axle slightly increases, up to about 3 kN, and the vertical force of the wheel rail slightly increases, up to about 2 kN. The impact of other indicators is very small; When the power car is in front, there is no significant difference in simulation results with or without end dampers. The installation of end dampers between trailers should have minimal impact on the sperling and safety of vehicle operation and can be ignored. From the experimental results, there is no significant difference in dynamics, so it is recommended to cancel the design and installation of the vehicle end damper of 160 km/h dynamic multiple unit.

Keywords:160 km/h Dynamic Multiple Unit, Vehicle End Damper, Dynamic Characteristics, Simulation Results, Type Test

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 前言

基于25 T型客车存在的折返换端时间长、舒适性差等问题 [1] ，研制了160公里动力集中动车组(以下简称“160公里动集”)，列车运行至终点可以不必进行动力车换端，有利于提高铁路客运竞争力，提高经营效益。

由于列车运营期间发现160公里动集直车体列车座椅空间小导致乘客的乘坐舒适性差，需要对车体进一步优化设计，由直车体改为鼓形车体，车间距由1076 mm调整为800 mm。原车端阻尼器已经无法满足车间距800 mm的安装要求，迫切需要对车端阻尼器的安装必要性进行论证。由于已经论证160公里动集在牵引制动工况下，车辆的动力学性能差异不大，故本文主要采用仿真和试验两种手段，分析有无车端阻尼器对车辆动力学的影响，并进行数据对比，不考虑牵引制动工况，为车辆整体设计提供支撑。

车端阻尼器主要包括摩擦梁组成、缓冲装置组成、钢丝绳组成等。车端阻尼器结构如图1所示，特性参数如表1所示。

Table 1. Spring and damping device parameters

表1. 弹簧及阻尼装置参数

Figure 1. Vehicle end damper

图1. 车端阻尼器

2. 动力学建模及计算方法

2.1. 模型中非线性特性

1) 非线性轮轨接触几何关系

在非线性轮轨关系研究中，轮轨接触几何参数被认为是轮对横移量的非线性函数 [2] ，包括车轮滚动半径、车轮横断面曲率半径、接触角、轮对侧滚角、轨头横断面曲率半径。由于车轮和钢轨可以具有任意外形，轮轨接触几何参数很难直接表示为轮对横移量的显函数形式，只能表示为轮对横移量的数表，而中间值则采用线性插值来计算。轮轨接触几何关系由SIMPACK软件自带的程序计算。考虑到轮轨接触实际上的接触斑内的面接触，而不是接触点的点接触，所以SIMPACK采用插值方法对其进行处理，使其考虑到了弹性变形对轮轨接触的影响 [3] 。

160公里动集控制车和拖车的车轮踏面外形采用LM踏面，轮对内侧距为1353 mm。动力车的车轮踏面外形采用JM3踏面，轮对内侧距为1353 mm。轨道型面为TB60钢轨，轨底坡1:40，轨距1435 mm。

2) 非线性轮轨相互作用力

轮轨间的蠕滑力由Kalker非线性蠕滑理论计算，然后可通过迭代计算得到钢轨作用于轮对上的横向力和摇头力矩。

3) 非线性悬挂力

减振器阻尼特性考虑为非线性，一二系悬挂的横向止挡为非线性特性。

2.2. 车辆系统动力学模型

利用SIMPACK建立车辆系统动力学模型 [4] 。拖车转向架和控制车转向架为SW220K转向架 [5] 。拖车和控制车的单节车共有50个自由度。动力车转向架为大连机车车辆厂的机车转向架 [6] [7] 。单节车共有134个自由度，各车间由车钩缓冲装置纵向依次连接。动车组模型 [8] 由车辆模型通过车间悬挂系统耦合而成。如果采用基于循环变量法的列车系统动力学仿真方法，则第i节车的车辆数学模型可以表示为

$M_{i} {\ddot{Z}}_{i} + C_{i} {\dot{Z}}_{i} + K_{i} Z_{i} = P_{i} + f_{i}$ (1)

式中： $M_{i}$ 为第i节车的系统质量矩阵； $C_{i}$ 为第i节车的系统阻尼矩阵； $K_{i}$ 为第i节车的系统刚度矩阵； $P_{i}$ 为作用在车辆上的外部力，例如线路不平顺对轮对产生的冲击力等； $f_{i}$ 为不同位置车辆间的耦合力，可以表示为

$f_{i} = {\begin{array}{l} {f_{1 \leftarrow 2}} & i = 1 \\ {f_{i - 1 \to i} + f_{i \leftarrow i + 1}} & 1 < i < n \\ {f_{n - 1 \to n}} & i = n \end{array}$ (2)

根据列车数学模型，动力学模型如图2所示。

Figure 2. Dynamics model

图2. 动力学模型

3. 仿真结果对比分析

本文根据160公里动集直车体列车运行过程中发现的问题，进行了针对性的研究工作，工况如表2所示。从平稳性和安全性的角度，对比1、2工况和2、3工况，研究有无车端阻尼器对动力学性能的影响关系。

Table 2. Working condition

表2. 工况形式

针对160公里动集推挽式运行特性，分析了动力车在后(推)、动力车在前(拉)时的列车运行工况 [9] 。车端阻尼器主要是依靠两装置摩擦板间的摩擦力和弹簧的纵向力增加辆车之间的阻尼力，减轻车辆在运行中的横向摆动，所以本文平稳性重点研究的是横向平稳性。

3.1. 工况1和工况2

研究动力车与相邻拖车间有无车端阻尼器对动力车和相邻拖车的影响。

3.1.1. 运行平稳性

研究发现，安装车端阻尼器时，动力车某些速度级下平稳性指标略微增加，最大增加约0.08，相邻拖车平稳性指标略微降低，最大降低约0.07，整体差异不明显。具体如图3，图4所示。

Figure 3. Power car in the rear

图3. 动力车在后

Figure 4. Power car in the front

图4. 动力车在前

3.1.2. 运行安全性

选取250 m小半径曲线工况进行有无车端阻尼器的安全性分析，对比轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率及脱轨系数。从分析结果来看，动力车在后且安装车端阻尼器时，动力车轮轴横向力略微增加，最大约3 kN；轮轨垂向力略微增加，最大约2 kN，其余各指标影响很小。动力车在前时，有无车端阻尼器仿真结果差异不大，如图5~12所示。

Figure 5. Power car in the rear (Sum of guiding forces of left and right wheel)

图5. 动力车在后(轮轴横向力)

Figure 6. Power car in the rear (Vertical wheel force)

图6. 动力车在后(轮轨垂向力)

Figure 7. Power car in the rear (Reduction rate of wheel load)

图7. 动力车在后(轮重减载率)

Figure 8. Power car in the rear (Derailment coefficient)

图8. 动力车在后(脱轨系数)

Figure 9. Power car in the front (Sum of guiding forces of left and right wheel)

图9. 动力车在前(轮轴横向力)

Figure 10. Power car in the front (Vertical wheel force)

图10. 动力车在前(轮轨垂向力)

Figure 11. Power car in the front (Reduction rate of wheel load)

图11. 动力车在前(轮重减载率)

Figure 12. Power car in the front (Derailment coefficient)

图12. 动力车在前(脱轨系数)

研究发现，从安全性角度出发，动力车与相邻拖车之间是否安装车端阻尼器对动力车的车辆动力学性能影响不大。

3.2. 工况2和工况3

主要研究拖车间有无车端阻尼器对各个车辆的动力学特性的影响。

3.2.1. 运行平稳性

研究发现，拖车之间安装车端阻尼器时，所有车辆平稳性无明显规律变化，平稳性指标差异不大，最大差异值在0.03以内。具体如图13，图14所示。

3.2.2. 运行安全性

选取250 m小半径曲线工况进行有无车端阻尼器的安全性分析，对比轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率及脱轨系数。研究发现拖车各安全性指标无明显变化规律，仿真结果差异不大，如图15~18所示。

Figure 13. Power car in the rear

图13. 动力车在后

Figure 14. Power car in the front

图14. 动力车在前

Figure 15. Power car in the rear (Sum of guiding forces of left and right wheel)

图15. 动力车在后(轮轴横向力)

Figure 16. Power car in the rear (Derailment coefficient)

图16. 动力车在后(脱轨系数)

Figure 17. Power car in the front (Sum of guiding forces of left and right wheel)

图17. 动力车在前(轮轴横向力)

Figure 18. Power car in the front (Derailment coefficient)

图18. 动力车在前(脱轨系数)

4. 试验数据对比分析

2017年与2018年，唐山公司针对160公里动集有无车端阻尼器均进行了线路型式试验。本文主要对160公里动集在成渝线上的相关动力学数据进行分析。

4.1. 运行平稳性

选取线路形式类似的两种工况下的平稳性数据进行对比，如表3所示。其中，短编车辆定义为上行方向时动力车在后，1号车为紧邻动力车位置，短编列车有车端阻尼器。长编车辆两端均为动力车，无车端阻尼器。从表中可以看出有无车端阻尼器对平稳性影响不大，均能满足标准要求。

Table 3. Stationary data

表3. 平稳性数据

4.2. 运行安全性

对160公里动集安全性型试验数据进行分析，最小曲线半径为300 m左右。包括脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力，研究各指标的散点图分布状态及分布趋势，表明各安全性指标分布规律基本一致，故有无车端阻尼器对车辆运行安全性的影响不大，均能满足标准要求，如图19~24所示。其中横坐标代表速度，纵坐标代表相应的动力学指标。

Figure 19. Without vehicle end damper of derailment coefficient

图19. 无车端阻尼器脱轨系数

Figure 20. With vehicle end damper of derailment coefficient

图20. 有车端阻尼器脱轨系数

Figure 21. Without vehicle end damper of reduction rate of wheel load

图21. 无车端阻尼器轮重减载率

Figure 22. With vehicle end damper of reduction rate of wheel load

图22. 有车端阻尼器轮重减载率

Figure 23. Without vehicle end damper of sum of guiding forces of left and right wheel

图23. 无车端阻尼器轮轴横向力

Figure 24. With vehicle end damper of sum of guiding forces of left and right wheel

图24. 有车端阻尼器轮轴横向力

5. 结论和建议

针对160公里动集鼓形车体研制项目是否进行车端阻尼器的设计及后续安装工作，本文通过仿真手段和试验手段对160公里动集有无车端阻尼器对动力学特性影响进行了研究。研究发现，车端阻尼器对车辆动力学特性影响不大，且各指标均满足标准要求。并且，从设计周期、设计成本、减重及后续维护角度出发，无车端阻尼器更有利于开展160公里动集鼓形车的设计。

文章引用

石俊杰,王铁成,梁树林,徐练,王欢声,崔涛. 动车组车端阻尼器对动力学性能影响的研究
Research on the Influence of Vehicle End Dampers on Dynamic Performance of Multiple Unit Trains[J]. 交通技术, 2023, 12(03): 196-209. https://doi.org/10.12677/OJTT.2023.123023

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