基于UM的CRH2型车曲线通过性能分析

陈祺，火巧英，刘艳，刘晓良

(中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031)

0 引言

近年来，随着铁路技术的不断发展，列车逐步迈向高速化，轮轨间的动力学性能特别是车辆的曲线通过性能，是关乎行车安全的重要因素。

本文以CRH2为研究对象，根据其构造特征及技术参数，基于多体动力学软件UM建立车辆动力学模型，在不同的线路工况下对其曲线通过性能进行仿真分析，结合高速动车组曲线通过性能的相关评价标准，分析CRH2型车的曲线通过能力。

1 车辆动力学模型

1.1 动力学评价标准

评价高速客车曲线通过车性能的指标主要有：脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、轮轨垂向力、轮轨横向力、轮轴横向力和车体振动加速度[10]，如表1所示。

表1 高速客车曲线通过能力评价指标

1.2 CRH2力元简化及建模

CRH2转向架采用SKTB-200，其中轮对为子系统，轴箱有1个旋转自由度，构架为6个自由度的体。轮对轴箱与构架通过铰相连，悬挂装置按简化力元建模[11]。在三维软件SolidWorks中建立CRH2拖车的车体模型，通过外部接口导入到UM中，车体模型及转向架分别如图1、图2所示。

图1 CRH2拖车模型

图2 CRH2拖车转向架模型

2 曲线参数影响的仿真分析

2.1 曲线参数设置

CRH2型拖车的车轮半径为430mm，选用LMA磨耗型踏面，钢轨型面选用CN60，轨底坡坡度为1/40，轮轨型面匹配如图3所示。

图3 轮轨匹配示意图

本文选取UIC-good作为轨道激励，则UIC谱左右轨的水平和高低不平顺幅值变化关系分别如图4、图5所示。

图4 左轨高低不平顺幅值图

图5 右轨水平不平顺幅值图

2.2 曲线半径

根据我国高速铁路的建设标准，曲线半径取值参照《新建时速200～250km客运专线铁路设计暂行规定》取4500～6000m，缓和曲线长度根据《GB 50090—2006铁路设计规范》选取，速度取值为160～240km/h。

实设欠超高h=50mm，根据《高速客运专线暂行规定》，最大超高允许值为180mm。对于提速线路，根据《GB 50090—2006铁路设计规范》，实际欠超高或过超高之差允许值为110mm。

实设欠超高为50mm时，最大欠超高为101.04mm，最小欠超高为0.35mm，满足规范要求。1位轮对左轮各动力学指标仿真结果如图6所示。

图6 欠超高工况下各动力学指标仿真结果

从图6可以得出在欠超高工况下，速度范围160～240km/h时，各动力学指标都随速度的增大而增大；当速度>220km/h时，各动力学评价指标值都明显增大；当半径为4500m，速度为240km/h时，各指标值最大，轮重减载率超过0.60，故该工况下2型车的最大运行时速不应该超过240km/h；当欠超高为50mm时，各动力学指标都随着曲线半径的增大而减小；欠超高工况下，当半径为4500m、速度为240km/h时，各指标值最大，即证明小半径大速度下车辆更容易脱轨。

实设过超高h=160mm，最大过超高量为109.65mm，最小过超高量为8.96mm，满足规范要求。测得1位轮对右轮各动力学指标随运行距离的变化关系如图7所示。

图7 过超高工况下各动力学指标仿真结果

由图7可以得出，过超高工况下，速度在160～240km/h之间时，轮轨横向力、轮轴横向力和车体横向振动加速度都随速度的增大而单调递减。当速度为220km/h，半径为6000m时，轮重减载率已超过0.60，动力学性能开始下降。故此工况下，2型车的最大速度不应超过220km/h；当实设过超高为160mm时，各动力学指标都随着曲线半径的增大而增大；过超高工况下，曲线半径越大，速度越小，轮轨横向力、轮轴横向力和车体横向加速度越大。

2.3 曲线超过

工况设置：曲线半径R=5000m，实设超高h=90～170mm(欠超高29.58mm～过超高45.16mm)，速度160～230km/h。1位轮对各指标的仿真结果如图8所示。

图8 超高对各动力学指标影响的仿真结果

从图8可以得出，在同一速度下，各动力学指标都随超高量的增大而增大；同一超高下，轮重减载率随速度的增大而增大；脱轨系数和轮轨横向力随速度的增大而减小；说明在过超高状态下，当速度超过200km/h时，轮对反而不易脱轨；在半径5000m时，2型车的实际运行速度不应>200km/h，超高取值不应超过170mm。

2.4 缓和曲线

工况设置：曲线半径R=5000m，实设缓和曲线长度P=100～400mm，实设超高为110mm(欠超高14.84mm～过超高49.58mm)，速度160～230km/h。1位轮对右轮脱轨系数和轮重减载率的仿真结果如图9所示。

图9 缓和曲线长度对各动力学指标影响的仿真结果

从图9可以得出，在半径为5000m时，随着缓和曲线长度的增加，轮重减载率单调递减；脱轨系数在300m时最大，超过300m以后明显减小。根据《GB 50090—2006铁路设计规范》，半径为5000m时，缓和曲线长度推荐值最小为300m。故实际缓和曲线长度取值应按大于标准推荐值。

3 悬挂参数分析

3.1 一系轴箱弹簧刚度

轴箱弹簧主要起缓和垂向冲击的作用，故分析其垂向刚度对车辆的动力学性能的影响。CRH2原型车的垂向刚度为1.2MN/m，取值0.5～2.0MN/m时，各指标随刚度变化的关系如表2所示。

表2 垂向定位刚度对动力学指标的影响

从表2可知，轴箱弹簧的垂向定位刚度对各动力学指标的影响较小，随着刚度值的增大，各动力学指标值都减小。因此，垂向刚度取0.5～2.0MN/m时都可保证其良好的动力学性能。

进一步分析横向和纵向刚度对车辆曲线通过性能的影响。CRH2原型车的横向和纵向刚度都为0.9MN/m，刚度变化取0.2～1.5MN/m，测量1位轮对各动力学指标的仿真结果如图10所示。

图10 车体各动力学指标随横向刚度的变化关系

从图10可知，轴箱弹簧的横向和纵向定位刚度对各动力学指标的影响较大，随着横向刚度值的增大，除车体横向振动加速度外，各动力学指标值都单调递增。横向刚度超过0.9MN/m时，各动力学指标变化量较小。因此，横向和纵向刚度取0.9～1.5MN/m时都可保证其良好的动力学性能。

3.2 抗蛇形减振器阻尼系数

抗蛇行减振器主要起衰减车辆曲线通过时的蛇行失稳作用。因此，抗蛇行减振器的阻尼系数对车辆在直线上的非线性蛇行临界速度影响较大。CRH2原型车的阻尼为750(kN·s)/m，阻尼系数取值为：250～900(kN·s)/m，阻尼对曲线通过时的最大限制速度的影响规律见表3。

表3 阻尼系数对临界速度的影响

从表3可知，抗蛇形减振器的阻尼对车辆临界速度的影响较大，随着阻尼系数的增大，临界速度呈递增规律。因此，CRH2型车的阻尼系数至少取600(kN·s)/m时，才可使其蛇行失稳速度大于最大试验速度250km/h，留有足够大的安全裕度，可以保证车辆良好的动力学性能。

4 结语

本文以CRH2型动车的构造参数和高速铁路线路参数为依据，在多体动力学仿真软件UM中建立了CRH2模型和线路模型。研究曲线参数对曲线通过能力的影响，并对车辆悬挂参数进行了分析，综合考虑车—线的影响。结论如下：

1)欠超高工况时：曲线半径越大，各动力学指标值越小。该工况下最大速度不应超过240km/h，半径取6000m时各动力学性能最优。过超高工况时：曲线半径越大，各指标值越大。该工况下最大速度不应超过220km/h，半径取4500m时性能最优。

2)同一速度下，各动力学指标随超高的增大而单调增大；结果表明：半径为5000m时，速度不超过200km/h，超高≤170mm，CRH2拖车的曲线通过性能最好。

3)曲线半径和超高对平稳性的影响很小，但速度对平稳性影响较明显。速度为230km/h时，平稳性指标值均<2.5。

4)当轴箱弹簧垂向刚度0.5～2.0MN/m，横向和纵向刚度取0.9～1.5MN/m时，抗蛇行减振器阻尼取250～900(kN·s)/m，可使动力学性能良好。