HSM型钢轨铣磨车动力学性能仿真分析

史智勇　王开云　吕凯凯　封全保

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室　四川成都　610031；2.北京二七轨道交通装备有限责任公司　北京　100072)



HSM型钢轨铣磨车动力学性能仿真分析

史智勇1王开云1吕凯凯1封全保2

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031；2.北京二七轨道交通装备有限责任公司北京100072)

摘要：基于车辆-轨道耦合动力学理论，运用TTISIM动力学仿真软件计算了HSM型钢轨铣磨车动力车和作业车的动力学性能。研究结果表明，HSM型钢轨铣磨车动力车非线性临界速度为187 km/h，作业车非线性临界速度为205 km/h；分别以80，70，60 km/h等速度通过半径为900, 600, 300 m的曲线轨道时，各安全性指标均满足安全行车要求；在60～120 km/h速度范围内，铣磨车在直线轨道上运行时，平稳性指标符合评定要求。

关键词：HSM型钢轨铣磨车运动稳定性动态曲线通过性直线运行平稳性TTISIM软件

钢轨打磨是轨道养护的重要手段。钢轨打磨能够消除或减弱轨道不平顺，带来巨大的效益，因此被世界各国广泛采用[1]。铣磨车是一种新型的打磨装备，在打磨精度、作业效果等方面均具备较高的优越性[2]。文献[3]评估了SF03-FFS型铣磨车的作业效果，探讨了铣磨车的作业模式，对铣磨车的实际作业具有一定的指导意义。

我国对于钢轨铣磨车的研究和运用起步较晚，关于铣磨车的综合研究尚不完善。为了满足我国铁路发展的需求，某公司研发了最高运行速度为120 km/h的HSM型钢轨铣磨车，并对转向架悬挂参数进行了优化。而在HSM型钢轨铣磨车正式投入生产、应用之前，有必要对其动力学性能进行全面的仿真计算与评价。鉴于此，本文运用车辆-轨道耦合动力学理论[4]及其空间动力学仿真系统TTISIM[5]对HSM型钢轨铣磨车的动力学性能进行了仿真分析。

1HSM型钢轨铣磨车转向架特点及主要结构参数

HSM型钢轨铣磨车由前端的动力车和后端的作业车组成。动力车靠近司机室一端为非动力转向架，另一端为动力转向架；作业车的两个转向架均为非动力转向架。其主要结构如图1所示。

图1　HSM型铣磨车结构示意图

转向架主要结构由H型整体焊接构架、一系悬挂、牵引及驱动装置、二系橡胶堆旁承装置等主要部件组成。构架由2根侧梁和1根横梁组成，且均为箱型断面。一系悬挂采用转臂式定位方式，轴箱弹簧为单组双卷螺旋弹簧，其下部串联橡胶减震垫，同时轴箱并联安装油压减振器。旁承装置是车体与转向架之间的活动关节，由7层橡胶和8块钢板组成叠层结构。牵引装置采用中心销式。动力转向架的驱动装置一端通过两个轴承支撑在车轴上，一端通过一根弹性吊杆悬挂在构架的横梁上。

表1列出了HSM型钢轨铣磨车动力车和作业车转向架的主要结构参数。

表1　HSM型钢轨铣磨车动力车和作业车转向架结构参数

2计算分析的理论基础

车辆-轨道耦合动力学理论的基本思想[4]是将车辆系统和轨道系统视为一个相互作用、相互耦合的总体大系统，而将轮轨关系作为连接这两个子系统的纽带，综合考察车辆系统和轨道系统的动力学行为及轮轨相互作用特性。基于该动力学理论，运用TTISIM动力学仿真软件[5]，以HSM型钢轨铣磨车为对象，分别对动力车和作业车进行动力学性能分析。动力车和作业车动力学原始参数由厂家给出，轨道按美国五级谱考虑。与此同时，根据GB 17426-1998《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及实验方法》[6]对该车的动力学性能进行评估。

3动力学性能综合分析

3.1机车运动稳定性分析

本文采用文献[7]中提出的“减速法”确定临界速度。首先，在轨道上添加一段美国五级谱，以激发系统振动。接着，使车辆系统在平直平顺的轨道上运行，设定递减的运行速度，得到系统响应，并根据系统响应判断临界速度值。

采用上述方法，对于HSM型钢轨铣磨车，随着运行速度自250 km/h不断降低，轮对的横向振动呈稳定的极限环运动。当动力车的速度降至187 km/h、作业车的速度降至205 km/h时，轮对的横向位移收敛至平衡位置，如图2所示。由此判断，HSM型钢轨铣磨车动力车和作业车的临界速度分别为187，205 km/h。

3.2动态曲线通过性能分析

运用TTISIM软件对HSM型钢轨铣磨车以不同速度通过曲线轨道时的轮轨动态安全性能进行计算和评估分析，运行工况及曲线轨道的设置如表2所示。表3给出了所有工况下仿真计算得到的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率及倾覆系数等指标的最大值。

对于动力车而言，工况2中的轮轴横向力最大，超过40 kN，小于其允许限值(56.28 kN)；脱轨系数最大值峰值出现在工况1中，达到1.1，满足第一限度；轮重减载率的最大值也出现在工况1中，为0.37，符合限值要求；工况1中的倾覆系数0.29为最大值，小于其安全限值。

对于作业车而言，工况1中出现了最大的轮轴横向力30.5 kN，小于其71.85 kN的限值；工况1中的脱轨系数也达到了最大值，为0.95，满足第二限度；轮重减载率最大值为0.33，也出现在工况1中，符合安全限值；工况1中的倾覆系数为0.28，属最大值，小于其安全限值。

3.3直线运行平稳性分析

为了分析和评估HSM型钢轨铣磨车的运行平稳性性能，重点分析在轨道不平顺激扰下，HSM型钢轨铣磨车分别以60,80,100,120 km/h速度在直线轨道上运行时的平稳性性能。

HSM型钢轨铣磨车以60～120 km/h速度运行时，动力车的平稳性指标仿真计算结果如表4所示。

图2　钢轨铣磨车轮对横向位移与速度关系

工况速度/km·h-1圆曲线半径/m缓和曲线长/m圆曲线长/m外轨超高/mm180900801001002706008010012036030080100140

表3　HSM型钢轨铣磨车通过曲线时安全性指标的最大值

由表4可知，在60～120 km/h的范围内，随着行车速度的增加，横向加速度变化不大，垂向加速度呈上升趋势，在60 km/h的速度下，动力车横向加速度出现最大值0.16g，其垂向加速度最大值为0.40g，出现在120 km/h的速度条件下，且均未超出合格的等级限制(0.5g,0.7g)；横向平稳性指标最大值2.65、垂向平稳性指标最大值2.98均小于3.0，属优良等级。

HSM型钢轨铣磨车以60～120 km/h速度运行时，作业车的平稳性指标(车体横向和垂向振动加速度及相应的平稳性指标)仿真计算结果如表5所示。

表4　不同速度下动力车运行平稳性指标

表5　不同速度下作业车运行平稳性指标

由表5可知，在60～120 km/h范围内，随着行车速度的增加，横向加速度变化亦不大，垂向加速度呈上升趋势，动力车横向加速度最大值0.13g出现在80 km/h的条件下，动力车垂向加速度最大值0.34g出现在120 km/h速度条件下，且均未超出合格的等级限制(0.5g,0.7g)；横向平稳性指标最大值2.74，垂向平稳性指标最大值2.86，均小于3.0，属优级。

4结论

运用TTISIM仿真系统对HSM型钢轨铣磨车的动力学性能进行仿真分析得到如下几点结论：(1)动力车的非线性临界速度为187 km/h，作业车的非线性临界速度为205 km/h，均能满足最大运行速度120 km/h的运用需求；(2)在本文给定的曲线通过工况下(80 km/h速度通过半径900 m、70 km/h速度通过半径600 m及60 km/h速度通过半径300 m)，HSM型钢轨铣磨车动力车和作业车的轮轨安全性能均满足运用要求；(3)HSM型钢轨铣磨车以60～120 km/h速度运行时，动力车和作业车的车体横向、垂向振动加速度均小于规定限值，运行平稳性指标均属于优级。

参考文献

[1]金学松,杜星,郭俊,等. 钢轨打磨技术研究进展[J]. 西南交通大学学报,2010,45(1):1-11.

[2]刘真兵. 钢轨铣磨车磨削装置设计及磨削力控制研究[D].中南大学,2013.

[3]金卫锋. 钢轨铣磨车作业性能和效果分析[J]. 上海铁道科技,2009, (4):37-40.

[4]翟婉明. 车辆-轨道耦合动力学(上册)[M]， 第4版. 北京: 中国铁道出版社, 2015.

[5]王开云,翟婉明. 车辆-轨道耦合动力学仿真软件TTISIM及其试验验证[J]. 中国铁道科学,2004,25(6):49-54.

[6]GB /T 17426-1998,铁道特种车辆和轨行机械动力学评定及试验方法[S].

[7]邬平波, 曾京. 确定车辆系统线性和非线性临界速度的新方法[J]. 铁道车辆, 2000, 38(5): 1-4.

Simulation Study on Dynamics Performances of HSM Rail Milling Train

SHI Zhi-yong1, WANG Kai-yun1, LV Kai-kai1, FENG Quan-bao2

(1.TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China;

2.BeijingFeb.7thRailwayTransportationEquipmentCo.,Ltd.,Beijing100072,China)

Abstract:Based on the theory of vehicle-track coupled dynamics, the dynamic performances of HSM rail milling train are studied by means of the dynamic simulation software TTISIM. The research result shows that the non-linear critical speed of power car is 187 km/h, and the non-linear critical speed of operating car is 205 km/h. When the milling train passes through 900 m-radius, 600 m-radius, and 300 m-radius curve tracksat speed of 80, 70 and 60 km/h respectively, all the safety requirements can be satisfied. The stability indicescan also meet the standard for the train running on the straight tracks at the speed of 60～120 km/h.

Key words:HSM rail milling train; Dynamics performance; TTISIM software

中图分类号：U216.6

文献标志码：A

文章编号：1671-8755(2015)04-0029-04

作者简介:史智勇(1990—)，男，硕士研究生。E-mail:shizhiyongswjtu@gmail.com

基金项目:国家自然科学 (51478399)。

收稿日期：2015-07-01