车辆重心高度对动力学性能的影响
第28卷第6期2008年12月
文章编号:1008-7842(2008) 06-0032-04
铁道机车车辆
RAI LW AYLOC OM OTI VE &C AR V ol 128 N o 16Dec 1 2008
车辆重心高度对动力学性能的影响
丁军君, 李 芾, 黄运华
(西南交通大学 机械工程学院 机车车辆工程系, 四川成都610031)
摘 要 随着我国铁路货物运输向重载化方向发展, 车辆重心高度将产生大范围变化。我国铁路技术标准严格限制重车重心高度, 当重心超过2000mm 时, 车辆要限速运行。在满载条件下, 我国铁路现有的罐车实际重心高度普遍接近或高于2000mm 。现以G Q 70为例, 采用SI MPACK 仿真软件建立重车车辆模型, 分析在不同运行工况下重心高度对车辆动力学性能的影响。计算结果表明, 速度越高, 车辆重心高度对动力学性能的影响越大, 当车辆重心高度在1800mm 到2600mm 范围内变化时, 对横向动力学性能及安全性影响较大, 对垂向及轮轨动力学影响较小。
关键词 车辆; 重心高度; 动力学性能中图分类号:U27011+1 文献标志码:A
我国铁路技术标准严格限制重车重心高度, 货物装载加固规则》规定, mm , 车辆要限速运行, 袭下来的, 在程”第5章第46:货物装载货车之重心高度需为距钢轨面2m 以下。注:货物重心虽高在2m 以上者于装载货车之际亦得在标记载重之范围内依靠载重将其装载至2m 以下。
随着国民经济的快速发展, 运能和运量间的矛盾日愈突出, 铁路货物运输向重载化方向发展是中国铁路的既定方针。铁路货车由于装运货物的多样性和不规则性, 导致货车重车的重心高度变化较大。其中罐车由于其货物的特殊性, 重心高度一直接近和高于我国铁路技术标准限制的2000mm 。实际运营中显示, 当重心超过2000mm 时, 车辆在没有限制速度的情况下仍然能够安全运行, 说明我国标准偏于保守, 对我国铁路的重载化发展不利。为研究车辆重心对车辆动力学性能的影响, 本文以重车重心高度普遍高于2000mm 的罐车G Q 70为例, 采用多刚体动力学软件SI MPACK, 考虑各种实际情况, 对不同重心高度下车辆的动力学性能进行分析。1 计算模型
以载重70t 级的G Q 70型轻油罐车作为计算车辆模型, G Q 70型轻油罐车采用无中梁结构, 主要由罐体、牵枕、车钩缓冲装置、制动装置、转向架等组成, 采用转K 6型下交叉支撑转向架。在对车辆进行动力学计算时, 不考虑车辆间的相互影响, 将单辆车作为研究对象, 在建立动力学模型时假设车体、侧架、摇枕、
, , 忽略钢轨的, 考虑了包括轮轨接触、蠕滑特性、以及悬挂特性等非线性因素。采用LM 型踏面和60kg/m 钢轨相匹配, 同时采用最常用的K alker 简化非线性滚动接触理论求解蠕滑率和蠕滑力, 可以在计算速度和精度方面得到较好的统一。非线性悬挂包括悬挂与止挡非线性、干摩擦阻尼非线性及二级刚度弹簧非线性。分析计算时以实际情况作为参考, 将车辆重车重心高度范围规定在1800mm 到2600mm 之间。G Q 70型轻油罐车主要结构如图1
。
1-钩缓组成; 2-转K 6型转向架; 3-罐体组成; 4-空气
制动装置; 5-牵枕组成; 6-手制动装置。
图1 G Q 70轻油罐车结构
2 动力学性能评价体系
为全面和完整评价重心高度对动力学性能的影响, 主要从横向运动稳定性、横向及垂向运行平稳性、运行安全性和轮轨作用力等方面计算分析G Q 70型轻油罐车在不同重心高度下的动力学性能。211 临界速度
车辆动力学方程可以用以下矩阵形式表示
丁军君(1985-) 男, 贵州贵阳人, 硕士生(收稿日期:2008-04-29)
第6期车辆重心高度对动力学性能的影响33
[M ]{x }+G (x , x ) =0
・
・・
(1) (3) 倾覆系数D
式中[M ]为质量矩阵; G (x , x ) 为非线性悬挂力;
{x }为状态向量。
・
倾覆系数用于鉴定车辆在侧向风力、离心力、横向振动惯性力同时作用下是否导致车辆倾覆。
D =
P st
(5)
计算机仿真程序中采用数值积分方法求解式(1) , 通过观察轮对的横移来判定非线性车辆系统的稳定性。当车辆系统受到一个初始激扰后, 观察轮对横向的振动情况, 若收敛(图2(a ) ) , 则车辆是稳定的, 若发散(图2(c ) ) , 则失稳, 若既不收敛, 也不发散, 而处于一种临界状态(图2(b ) ) , 则此时相对应的车辆运行速度称为车辆的蛇行运动临界速度。212 运行平稳性
式中P d 为车辆同一侧车轮的动载荷; P st 为相应车轮的静载荷。214 轮轨作用力
轮轨作用力评定内容包括轮轨间垂向作用力和轮轨磨耗功率。其中轮轨间的垂向作用力, 是导致擦轮、轨头破损、螺栓孔裂纹、鱼尾板折断、轨道变形及轨下基础破坏的主要原因, 而轮轨磨耗功率则反映轮轨间的磨耗大小。3 311货车运行平稳性是确保运送货物完整性的关键因素。根据G B5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定, 货车运行平稳性指标采用下式计算
10
W =7108
f f
3
2)
, 研究表明国内3大干线谱介Ⅴ级和Ⅲ级轨道谱之间。鉴于此, 采用美国Ⅲ级轨道谱代表国内线路级别较高但维护标准较低, 或线路级别一般但维护较好的一般干线, 采用美国Ⅴ级轨道谱代表线路级别较高且维护较好的主要干线来分析重心高度对货车运行时动力学性能的影响。
在实际的货物运输中容易出现偏载, 根据铁路货物装载加固规则, 货物重心的投影应位于车底板的纵、横中心线的交叉点上, 特殊情况下必须移位时, 横方向位移不得超过100mm , 超过时, 应采取配重措施。考虑极限情况, 将货物重心横向偏移100mm 。
在通过曲线时, 考虑侧向风力的影响。侧向风力计算时取风压力为540N/m 2, 忽略车体以下部分所受风力, 风力的合力作用于车体侧向投影面积的形心上。
车辆动力学性能与线路条件及运行速度关系十分密切, 为充分考虑实际运行的各种情况, 车辆以不同的速度通过直线和不同半径的曲线, 并根据实际考虑偏载和有侧向风力的情况, 具体运行工况见表1。
式中W ; A , g ; f ) 为频率修正系数213 运行安全性
脱轨系数Q/P
(1) 根据Nadal 公式, 脱轨系数由下式确定
=P 1+μtan α
(3)
式中Q 为爬轨侧车轮作用在钢轨上的横向力; P 为车
轮上的垂向力; α为轮缘角; μ为轮缘与钢轨侧面的摩擦系数。
—
(2) 轮重减载率ΔP/P
轮重减载率用于车轮轮重P 2µP 1的条件下, 是否会因一侧车轮减载过大而导致脱轨。
P
—
=
P 2+P 1
(4)
式中P 1为减载侧车轮垂向力; P 2为增载侧车轮垂向力。
图2 车辆蛇行运动稳定性示意图
34 铁道机车车辆
表1 装载和运行计算工况
线路等级
速度/(km ・h -1)
[1**********]020
第28卷
(3) 脱轨系数
附加工况横向偏载
横向偏载侧向风力侧向风力
重心高度/mm
1800～26001800～26001800～26001800～26001800～26001800～2600
脱轨系数随重心高度的变化见图5。当车辆以较低的速度运行在曲线以及直线上时, 脱轨系数随重心高度的增加略有上升。当运行速度
较高, 达到120km/h 时, 脱轨系数随重心高度的增加急剧增大,
直线
曲线
Ⅴ级轨道谱Ⅴ级轨道谱Ⅲ级轨道谱Ⅴ级轨道谱Ⅴ级轨道谱Ⅴ级轨道谱
甚至超出了安全范围。
(4) 轮重减载率
轮重减载率随车辆重心高度的变化见图6。轮重减载率随着重心高度增加而变大, 在曲线上运行以及有偏载时, 重心高度对轮重减载率的影响较大。在部分情况下超出标准规定的安全范围。
(5) 轮轨间垂向作用力
不同重心高度下的轮轨间垂向作用力见图7, 在, 变化较平缓, 重心km/h 或在曲线上312 无侧向风力作用下运行仿真结果
(1) 重车临界速度
重车在不同重心高度下的蛇行临界速度见表2, 当重心高度在给定范围内变化时, 临界速度随着重心高度的增加而增加。其原因主要是由于当车辆参数一定时, 车辆重心高度的增加, 载重提高, 故临界速度随之提高。
表2 重车不同重心高度的临界速度
重车重心高度/mm [***********][***********]临界速度/(km ・h
) 169
-1
[***********](2) 3和图4。在直线、, 横向平稳性指标均随着重心高度的增加而增大, 且速度越高, 重心高度对横向平稳性指标影响越大。垂向平稳性指标几乎没有变化。
第6期车辆重心高度对动力学性能的影响35
加。
(6) 轮轨磨耗功率
轮轨磨耗功率随重心高度的变化见图8, 当速度
较低时, 直线上和曲线上, 磨耗功率均没有变化。当速度较高达到120km/h 时, 曲线上轮轨磨耗功率随着重心高度的增加而减少, 直线上正好相反, 轮轨磨耗功率随着重心高度的增加而增加
。313 侧向风力作用下仿真结果
在有侧向风力的情况下, 使车辆分别以60km/h 和120km/h 的速度通过半径为300m 和1200m 的曲线, 为模拟低速通过小半径曲线的工况, 以20km/h 的速度通过半径为300m 的曲线。
脱轨系数随重心高度的变化见图9。脱轨系数随着重心高度的增加而上升, 在速度较高时, 重心高度对脱轨系数的影响更加明显。轮重减载率和倾覆系数随重心高度的变化见图10和图11, 增加而增加, 安全范围。4 结论
(1) , 当车辆参数一定时, 车辆蛇行运动临界速度有所增加
。
图11 横向风力作用下倾覆系数与重心高度的关系
(2) 车辆重心高度对横向平稳性以及安全性影响
较大, 对垂向平稳性和轮轨作用力影响较小。
(3) 速度越高, 重心高度对车辆运行安全性影响越大, 甚至超过标准所规定的安全范围, 因此在重心高度较高时, 车辆要限速运行。
(4) 在等级较低的线路上, 重心高度对动力学性能的影响大于等级较高的线路, 因此在等级较低的线路上运行时, 更要注意控制重心高度。参考文献
〔1〕中华人民共和国铁道部1铁路货物装载加固规则[M]1北
京:中国铁道出版社, 19951
第28卷第6期2008年12月
文章编号:1008-7842(2008) 06-0036-03
铁道机车车辆
RAI LW AYLOC OM OTI VE &C AR V ol 128 N o 16Dec 1 2008
阻尼材料在铁路客车噪声控制中的试验研究
贺才春
(株洲时代新材料科技股份有限公司 技术中心, 湖南株洲412007)
摘 要 简单介绍了铁路客车内部噪声的实测情况。分析了铁路客车噪声控制中阻尼材料的选择原则和选用阻尼材料的特点, 阐述了车体阻尼处理结构的方案设计, 并进行了现车试验及其结果分析。关键词 铁路客车; 阻尼材料; 阻尼处理; 噪声控制中图分类号:U27114+2 文献标志码:A
随着铁路运输的高速化, 列车运行引起振动噪声
会更加剧烈, 这将严重影响车辆的乘坐舒适度。另一方面, 随着我国经济的发展, 人们生活水平的提高和环保意识的增强, 人们对铁路运输的需求不只停留在追求高速度, 的宁静环境。因此, , 之一。
阻尼减振降噪技术近年得到了迅速的发展, 利用阻尼材料的特性以及阻尼结构的合理设计, 达到减振降噪的目的。研究表明, 利用阻尼减振降噪技术, 通过使用黏弹性阻尼材料对车体进行阻尼处理, 可衰减车体的振动, 降低车辆内部的噪声, 实现控制客车振动和噪声的目的。1 客车内部噪声实测分析111, , 据, 选择了国产某高速动车组进行了现场实测。
测试内容包括一等软座车厢、二等软座车厢及酒吧餐车车厢的噪声。进行了120、160、200km/h 3种车速状态下的测试, 每种车速运行情况, 又分别包括以下4种工况:(1) 开空调开车厢玻璃门; (2) 开空调关车厢玻璃门; (3) 关空调开车厢玻璃门; (4) 关空调关车厢玻璃门。以了解各车厢在不同工况下的噪声情况。
贺才春(1968-) 女, 湖南衡阳人, 高级工程师(收稿日期:2008-04-30) 〔2〕王源汉1关于我国重车重心高的探讨[J]1哈尔滨铁道科
技, 1979, (3) :24-391〔3〕韩志坚1G Q70(G Q70H ) 型轻油罐车的研制[J]1铁道车
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学, 20061
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北京交通大学, 20061
〔8〕G B/T 5599—19851铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范
[S]1北京:中国标准出版社, 19861
I nfluence of G ravity Center H eight of Loaded W agon on
the Dynamics Perform ance
DING Jun -jun , LI Fu , HUANG Yun -hua
(Department of Railway Vehicle Engineering , School of Mechanical Engineering ,
S outhwest Jiaotong University , Chengdu 610031Sichuan , China )
Abstract :Along with the developing of heavy haul freight transportation in China , the gravity center height of wag on will change in large -scale. The railway technology standard in our country limit the gravity center height of wag on strictly , and the velocity of the vehicle will be limited when the gravity center height exceed 2000mm. The gravity center height of the loaded tank in our country always closely or exceed 2000mm. In this paper , as an ex 2am ple to G Q 70, set up the vehicle m odel based on the SI MPACK, and analyze the in fluence of different gravity center height on the dynamics per for 2mance. The result show that the speed is higher , the im pact by gravity center height is bigger , and when the gravity center height varies in 1800mm and 2600mm , the im pact on lateral dynamics per formance and safety bigger than the vertical dynamics per formance and wheel/track interaction. K eyw ords :vehicle ; gravity center height ; dynamics per formance