我国机车车辆动力学仿真工作所面临的问题及建议

文章编号:1002 7602(2008)02 0013 03我国机车车辆动力学仿真工作所面临的问题及建议刘宏友,王风洲,罗运康,胡洪涛(中国北车集团四方车辆研究所,山东青岛266031)摘 要:阐述了影响机车车辆动力学计算准确性的相关因素,就软件的选用、工程经验的重要性、特种货车动力学性能分析以及专题研究等内容展开了讨论,提出了相应的解决措施,并指出了机车车辆动力学性能仿真技术的发展方向。

关键词:机车车辆;动力学性能;仿真;试验中图分类号:U270.1+1 文献标识码:B近十几年来,我国车辆界人士利用自行编制的软件包及国际通用的车辆动力学仿真软件,在机车车辆动力学性能计算分析方面做了大量有益的工作。

车辆动力学仿真在车辆方案设计阶段发挥了重要作用,车辆动力学分析理论也日趋成熟。

同时,还应当看到,我国车辆动力学仿真工作还有诸多基础问题有待解决。

通常来讲,影响机车车辆动力学计算结果准确性的因素既包括车辆本身的,也包括机车车辆赖以运行的线路;既取决于仿真分析软件的选取,也取决于使用者的工程经验。

本文将对这些问题进行初步探讨,并提出相应的解决措施。

此外,还对机车车辆动力学仿真分析技术的未来发展做出预测。

1 影响机车车辆动力学计算结果准确性的因素1.1 机车车辆参数的准确性问题动力学仿真分析所用到的参数来源很多,既有厂方提供的,也有在公开出版物上摘录的。

但是,这些参数存在差异,有时还差到一个数量级。

例如,同是转K6型转向架,不同计算单位列出的一条轮对的质量最多相差100余kg,转动惯量差别高达1倍。

有时转向架在定型前,其参数被改变过很多次,而定型后的某些参数暂时没有公开,如货车转向架的抗菱刚度与抗剪刚度、客车转向架液压减振器的力学特性曲线等,但是在进行仿真计算时有时仍沿用转向架定型前的参数,此时计算的准确性也就无从谈起。

目前,大量的计算参数由有限元分析得来,从试验结果看,其准确度较高,可以直接用于动力学计算。

有收稿日期:2007 10 18作者简介:刘宏友(1973 ),男,高级工程师。

些动力学计算参数,如转向架的抗菱刚度、抗剪刚度等,虽然厂方能够提供设计值,但在样车完成后进行动力学试验前,最好利用试验装备进行实际测试,这对了解这些参数的离散程度是有好处的。

将来的动力学计算过程中,应当充分考虑关键参数离散度对机车车辆动力学性能的影响问题。

1.2 钢轨因素的影响1.2.1 轮轨关系铁道车辆特有的轮轨关系是铁道车辆区别于一般机械系统的根本所在。

轮轨关系的研究是开展车辆动力学工作的基础,包括轮轨接触几何学研究、踏面形状对车辆动力学性能的综合影响、轮轨接触力学研究等。

当然,轮轨关系的研究还会派生出轮对、转向架乃至车辆脱轨问题的研究等。

目前,在车辆动力学计算过程中,关于车轮磨耗对车辆动力学性能的影响研究较少,并且往往只关注车轮磨耗对车辆蛇行失稳临界速度V cr的影响,计算时往往列出等效锥度 e和V cr的变化关系。

事实上, e和轮对的横移量y w密切相关,如果给出 e和V cr的变化关系,就必须说明 e和y w的关系。

欧洲一般把轮对横移3m m时的锥度定义为等效锥度,该值对我国车轮踏面是否合适还有待研究。

以往,很多人认为磨耗形踏面磨耗后的形状基本不会改变。

笔者从大量现场测量结果来看,这种认识是错误的。

因此,研究 e和V cr的变化关系是一项非常复杂的课题。

也许在现场测试车轮外形的基础上,按照运行公里数进行统计分析,找出具有代表性的车轮外形作为 磨耗轮进行研究,会更有工程意义。

1.2.2 轨道谱目前,英国、日本、德国、美国、俄罗斯、印度和捷克等国家都测定了各自轨道不平顺的谱密度和相关函!13!论文选载铁道车辆 第46卷第2期2008年2月数。

虽然,我国的铁道科学研究院、原长沙铁道学院等单位也在轨道谱方面做了大量研究工作,但迄今为止,尚未形成表征中国铁路线路状态的轨道谱标准。

在进行动力学计算时,轨道谱一般采用美国3级~6级线路谱、德国高速高干扰谱或德国高速低干扰谱,这使动力学计算的准确性大打折扣。

建议相关部门抓紧立项,系统地研究我国的轨道谱状态,得出公认的我国轨道谱密度和相关函数,为机车车辆动力学计算提供针对性更强的轨道输入。

2 仿真软件的选用和工程经验的重要性2.1 仿真软件的选用我国铁道车辆界拥有M EDYNA、ADAM S/ RAIL、VAM PIRE、TPLDYNA、SIM PACK及NU CARS等机车车辆动力学仿真软件。

这些软件的功能不一,前后处理繁杂程度也大相径庭。

从使用者的反应看,由于NUCARS软件处理斜楔类摩擦减振器及心盘、旁承等车体和转向架连接部件具有较强的功能,因而货车动力学计算宜选用NU CARS软件;而SIM PACK软件的开放度、容纳度以及计算速度比较优异,因而机车和客车动力学计算宜选用SIM PACK软件。

2.2 工程经验的重要性任何一款动力学计算软件都要求使用者具备一定的工程经验,有时工程经验能够使计算软件的潜力得到极大提升。

动力学计算提供的解决方案必须在工程中易于实现。

文献[1]基于工程经验,提出了影响车辆动力学性能的11个关键参数,经过动力学计算给出了各个参数的上下限范围。

线路动力学试验证明,动力学仿真计算起到了无可替代的作用。

3 特殊问题特殊分析这里的特殊问题是广义的。

例如,罐车就本身来说是一种通用货车,但是由于其装载介质多为液体,液固耦合系统动力学问题对罐车来说就是一个特殊问题。

下面拟对一些特殊问题进行初步的分析和讨论。

3.1 液体晃动对罐车动力学性能的影响除了少量罐车装运粉末状货物外,罐车通常用来装载液体类货物,而装载液体的多少将在很大程度上影响罐车的动力学性能,这通常是一个典型的液固耦合振动问题。

3.1.1 液体晃动对罐车运行稳定性的影响文献[2]以罐体装水为例,在只考虑液体晃动前3阶振动模态的情况下,研究了冲液比 ( =hR,见图1)对空重车蛇行失稳临界速度V cr的影响。

图1 罐车冲液比的定义计算结果表明,在 =0~2的范围内,无论是否考虑液体晃动,V cr都先随着的增大而增大,然后又趋于减小;在空载( =0)和满载( =2,指体积装满)时,无论是否考虑液体晃动,车辆的V cr值都是相同的;除了空载和满载工况以外,考虑液体晃动时车辆的V cr值要比不考虑液体晃动时略低。

在文献[2]提供的参数条件下,V cr值最大相差6km/h(此时 =1 2)。

3.1.2 液体晃动对罐车曲线通过性能的影响对罐车轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数等曲线通过性能考察指标的影响趋势与 对V cr的影响趋势一致。

在文献[2]提供的参数条件下,考虑液体晃动时轮轨横向力最大值比不考虑液体晃动时大1 3kN,脱轨系数最大相差0 016,轮重减载率的差距更小。

可以说,从车辆运用角度看,液体晃动对车辆曲线通过性能的影响可以忽略不计。

3.1.3 液体晃动对罐车运行平稳性的影响对罐车振动加速度、运行平稳性指标等车辆运行平稳性考察指标的影响趋势与对V cr影响的趋势一致。

由于液体存在晃动,致使车辆运行平稳性略微降低。

在文献[2]提供的参数条件下,横向运行平稳性指标最大相差0 066,横向振动加速度最大相差0 044m/s2,垂向考察指标差距更小。

3.2 车体刚度对车辆动力学性能的影响车体的扭转刚度及垂向弯曲刚度对车辆动力学性能具有一定的影响。

在各种机车、客车及货车中,车体刚度对其动力学性能的影响是不一样的,在大多数车辆中没有暴露出车体刚度对动力学性能影响的重要性。

目前,从货车的角度看,车体刚度对平车、罐车和特种货车的动力学性能影响较大。

3.2.1 平车车体刚度对其动力学性能的影响文献[3]将X6AK型集装箱专用平车空车与半重车V cr低的原因归结于车体扭转刚度过低。

在其他参数取正常值的情况下,考虑车体扭转刚度时,X6AK型集装箱专用平车空车V cr值比将车体视为刚体时降低10km/h左右。

受车辆结构因素的限制,车体扭转刚度一般来说是很难改变的,要想提高此类车辆的V cr值,往往要借助于改变车体和转向架间接口元件的特性参!14!铁道车辆 第46卷第2期2008年2月数,如心盘摩擦因数、旁承摩擦因数及旁承压缩量等,以期提高其对应的车辆动力学性能。

文献[3]的研究工作还有待深入,应当考虑到前几阶振动模态对平车动力学性能的影响情况。

3.2.2 罐车车体刚度对其动力学性能的影响在车辆定距相差不大的情况下,罐车车体的扭转刚度要比敞车大得多,GQ70型、GJ70型罐车的扭转刚度比C70型敞车的扭转刚度大一个数量级。

有人认为罐车多发脱轨事故与罐车重心较高有关,也有人认为与罐体扭转刚度大有关。

文献[4]利用NUCARS软件对GQ70型、GJ70型罐车及C70型敞车按3种情况进行了仿真分析:(1)将GQ70型、GJ70型罐车及C70型敞车的车体视为刚体;(2)按实际测量扭转刚度;(3)将GQ70型、GJ70型罐车的扭转刚度降低10倍达到C70型敞车的近似扭转刚度。

计算结果表明,上述3种情况下,车辆运动稳定性、曲线通过性能及运行平稳性差别都很小,从工程意义上看几乎没有区别。

看来,罐车易发脱轨事故与罐体刚度相关性不大,但该结论还需要通过试验进一步佐证。

3.2.3 特种货车车体刚度对其动力学性能的影响一般来说,质量大于80t、超过标准货车最大载重能力的及尺寸超过最大标准货车所运货物的货物都属于特殊货物范畴。

运输上述特殊货物的车辆称之为特种车辆。

长大货物车是特种货车的主体。

用于装运超限重型货物的特种货车,其车辆长度一般在19m以上。

长大货物车可以分为5类,即凹底平车、长大平车、落下孔车、双联平车和钳夹车。

长大货物车动力学试验一般没有参照GB/T 17426∀1998#铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法∃执行,而是参照GB/T5599∀1985#铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范∃执行。

从动力学试验结果看,上述2个标准都不完全适合于长大货车的动力学性能评判。

例如,车体加速度计的安装位置因车而异,有安装在大底架上的,也有安装在小底架上的;加速度限度值也不统一,有时取GB/T 5599∀1985规定的加速度限度值,有时规定垂向加速度限度值为1 5g、横向加速度限度值为1 2g。

这2个限度值的依据不是特别充分。

相反,AA R前期认为车辆在空车状态下其动力学性能往往比重车动力学性能差,出于经济性和便利性的考虑,在C分册(%)货车设计制造规范的第&章#新型货车运用性能的试验和分析∃(C∀II∀397)中,没有对车辆的垂向加速度做出规定。

但是,在2002年发布的#铁路货车转向架性能规范∃(2002M∀976)中,则对重车状态下车体垂向振动加速度最大值做出了相应规定。

上述标准都是基于车辆运行安全性的角度对车辆的动力学性能做出的相应规定。