抗蛇行减振器对车轮磨耗后转向架稳定性的影响研究

成军强 杨 陈 贾小平 苏文静

(中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，正高级工程师)

0 引言

近年来，随着城市轨道交通的迅速发展，地铁车辆的运行速度要求不断提高。对于运行速度为80 km/h的地铁车辆，即使未安装抗蛇行减振器，也能在运行中保持良好的动力学性能。但当运行速度提高到120 km/h时，未安装抗蛇行减振器的地铁车辆在动力学试验中出现了横向平稳性超标现象。根据文献[1-2]的研究结果，随着列车运行速度的提升，车辆的横向平稳性上升十分明显。该问题往往与车轮磨耗后车辆的稳定性不足有密切的关联。未安装抗蛇行减振器当然更经济，所以，设计速度为120 km/h时的转向架是否需要安装抗蛇行减振器是一项需要深入研究的问题。

在新轮新轨状态下，轮轨匹配接触关系较好时，车辆往往能够保持较好的蛇行运动稳定性，但在车轮出现磨耗，特别是出现严重的凹型磨耗后，轮轨会出现较大的等效锥度，这会导致车辆的蛇行临界速度(以下简为“临界速度”)显著降低。文献[3]对此问题做过相应的研究。近几年，我国高速铁路运营过程中也发现了磨耗后车轮出现大等效锥度造成列车蛇行运动稳定性不足的问题[4-6]。这种蛇行失稳往往会与车体一阶菱形模态耦合，造成车体出现弹性振动而极大地降低乘坐舒适度，是需要坚决避免的。许多学者详细分析抗蛇行减振器车辆稳定性的影响。文献[7]经仿真研究指出，在大等效锥度条件下不安装抗蛇行减振器的转向架，当列车速度达到120 km/h时，其蛇行稳定性裕量不足，安装抗蛇行减振器有利于提升转向架的稳定性。文献[8]对磨耗后踏面进行分析后指出，抗蛇行减振器失效后车辆的临界速度会降低。文献[9]通过仿真分析和线路试验发现，阻尼值较大的抗蛇行减振器能使车辆具有更高的蛇行稳定性。

由此可见，抗蛇行减振器对车辆的蛇行运动稳定性影响显著。对此，本文以某设计速度为120 km/h的新型地铁车辆为对象进行仿真和试验研究，初步评估在未安装抗蛇行减振器情况下的车辆稳定性。抗蛇行减振器的仿真模型较为复杂，传统的Maxwell模型尚不能完全准确地体现抗蛇行减振器的动态特性，很多国内外学者均提出了新的抗蛇行减振器物理模型[10-13]，更加细致地讨论不同建模方法对车辆稳定性的影响。然而，仿真分析方法与现车试验总有一定的差异，为了更准确地掌握安装抗蛇行减振器前后车辆的稳定性差异，本文依托机车车辆滚动振动试验台对安装该转向架的车辆进行了台架试验，以更详细、更准确地分析抗蛇行减振器对车轮磨耗后转向架稳定性的影响。

1 车辆稳定性的仿真

1.1 建立多体动力学模型

基于某设计时速为120 km的新型地铁车辆的真实数据，使用SIMPACK多体动力学软件建立仿真模型(如图1所示)。模型中，轮对5个自由度、轴箱1个自由度、构架6个自由度、车体6个自由度，并考虑横向止档位移-力曲线和抗蛇行减振器速度-力曲线等悬挂元件的非线性特征(如图2所示)。

图1 车辆的SIMPACK模型

a)横向止档力-位移曲线

采用美国五级谱作为轨道不平顺输入。

在仿真模型中使用了磨耗后踏面实测数据。该踏面与标准60 kg/m轨在轨底坡(坡度为1/40)状态下匹配后的轮轨接触关系点如图3所示。由图3可知，磨耗后踏面的左右轮初始接触点均靠近轮缘一侧。这种接触关系容易造成轮轨出现较大的等效锥度，因此需对其等效锥度进行计算。

注：接触点上方数据为轮对横移量。

由UIC 519—2004标准[14]，对于磨耗后踏面，需通过计算实际轮轨接触点得到轮径差，再将各初始横移量下的轮径差代入自由轮对在轨道上的运动微分方程(见式(1))中进行积分，得到轮对以幅值2y和波长λ的周期运动。

(1)

式中：

Y——轮对横移量；

e——接触点跨距；

r0——名义滚动圆半径；

Δr——轮径差；

v——轮对前进速度。

然后，应用Klingel公式来计算等效锥度tanγe，即：

(2)

计算得到的等效锥度如图4所示。本文采用的实测轮轨关系存在较大的等效锥度，其3 mm等效锥度达到0.61，并且在0～3 mm范围内存在“负斜率”特征，这与近年来我国铁道车辆出现的磨耗后恶劣轮轨关系有相同的特点。在这种轮轨关系下，车辆的临界速度会显著降低，乘坐舒适性会大幅下降，因此，本文选择这种极不利的轮轨关系对该型转向架的抗蛇行减振器进行选择策略研究，以更深入分析车辆在线路运行中能否具备足够的稳定性裕量。

图4 tan γe的计算值

1.2 仿真工况

为对比安装抗蛇行减振器前后的车辆蛇行运动稳定性，本文取车辆运行速度设计值(120 km/h)作为列车匀速运行时的的仿真速度，对临界速度进行仿真分析，具体仿真工况见表1。

表1 仿真工况设置

1.3 临界速度的仿真计算

采用降速法仿真计算车辆的非线性临界速度：首先，在列车高速运行时施加轨道不平顺激扰；然后，撤去激扰，使轮对出现极限环运动；最后随着车速的降低，轮对的横移量幅值会逐渐降低，直到收敛。由图5所示的计算结果可知，在不安装抗蛇行减振器时，车辆的非线性临界速度为103.1 km/h，低于车辆的设计运行速度120 km/h；安装抗蛇行减振器后，车辆的非线性临界速度为224.2 km/h，远高于120 km/h。可见，安装抗蛇行减振器后，车辆的临界速度会有大幅提升。

a)不安装抗蛇行减振器

2 滚振试验研究

2.1 机车车辆滚动振动试验台

机车车辆滚动振动试验台如图6所示。该试验台模拟轨道的滚轮，可在滚动的同时进行横向、垂向激振，以模拟车辆在实际线路上的运行工况。其滚动即模拟车辆沿轨道向前的运动，其激振则模拟轨道的各种不平顺输入。试验台模拟的车辆运行速度最高可达600 km/h，激振的横向振幅可达±10 mm，垂向振幅可达±15 mm。试验台除机械总体外，还有驱动控制系统、激振控制系统和总监控系统，可进行电机的驱动控制，实现4根轴的同步转动控制，以及各激振器的激振输入控制。

图6 机车车辆滚动振动试验台

2.2 滚振试验方法

本次滚振试验使用某型设计时速为120 km/h的真实转向架并安装试验用假车体，按照AW0(空载)工况对车体进行配重。车体和转向架之间采用工装连接。试验实景见图7。

图7 滚振试验实景图

稳定性试验采用的滚振试验轨道谱为美国五级谱。稳定性台架试验方式有2种：

1)先通过试验台纯滚动试验进行增速，找到车辆的蛇行运动非线性失稳速度；然后进行降速。减速中，蛇行运动消失时的速度即非线性临界速度。

2)通过滚轮对被试转向架车轮施加线路不平顺激扰，并逐级提速，直至被试转向架出现蛇行运动。此时的速度即为实际临界速度。随后，激振停止，再进行降速。轮对收敛时的速度即为非线性临界速度。

按照GB/T 32358—2015《轨道交通机车车辆台架试验方法》[16]要求：在纯滚动状态下，若被试转向架未出现失稳现象，则稳定性台架试验的速度应加至列车最高运行速度的1.2倍；在有激振情况下，若被试转向架未出现失稳现象。则稳定性台架试验的速度应加至列车最高运行速度的1.15倍。试验转向架的线路运行速度为120 km/h，则其线路最高运行速度为120 km/h的1.1倍，即132 km/h。在纯滚动状态下，台架稳定性试验最高速度为158.4 km/h，取整为160 km/h；加激扰情况下，台架稳定性试验最高速度为151.8 km/h。但从仿真结果看，被试转向架的非线性临界速度远高于160 km/h。因此，为更好地研究被试转向架的非线性临界速度，本次试验在160 km/h时也对转向架施加了轨道不平顺激扰。

2.3 轮轮接触关系

如图8所示，采用数字激光廓形检测仪[17]对试验用磨耗轮廓形和滚轮廓形进行测试。试验车车轮和试验台滚轮之间轮轮接触点计算结果如图9所示。由图9可见：左右轮初始接触点均靠近轮缘一侧，且存在两点接触趋势；滚动圆附近因存在凹型磨耗未与滚轮产生良好的接触关系。

a)滚轮廓形测试

注：上方数据为横移量，mm。

对左右轮轮径差和UIC 519等效锥度进行计算，结果如图10所示。由图10可知，轮对横移量为3 mm时的等效锥度为0.54，且存在“负斜率”特征，为较为恶劣的接触状态。与仿真用等效锥度对比可知，实测的轮轮等效锥度略小于仿真用等效锥度。

图10 实测轮轮接触等效锥度

2.4 滚振试验临界速度测试结果

滚振试验的临界速度测试结果如图11所示。

由图11 a)，安装抗蛇行减振器情况下，在设计运行速度为160 km/h且加激扰时，轮对未发生失稳现象，而且激扰撤去后也未出现极限环运动。由此可判定，其实际失稳速度高于160 km/h。

由图11 b)，未安装抗蛇行减振器情况下，在设计运行速度为135 km/h且加激扰时，轮对出现了失稳现象；激扰撤去后，轮对存在幅值为4.5 mm的极限环运动；随着速度的降低，极限环幅值逐渐降低，并在100.5 km/h时轮对收敛。由此可判定，其实际失稳速度为135 km/h，非线性临界速度为100.5 km/h。

a)安装抗蛇行减振器

台架滚振试验中未安装抗蛇行减振器的非线性临界速度与仿真结果较为接近，说明仿真模型的计算结果是较准确的。两种方法的研究结果均表明，安装抗蛇行减振器后，车辆的临界速度会显著提升。

3 结语

为保证某设计时速为120 km新型地铁车辆的转向架在车轮磨耗状态下仍能保持足够的蛇行运动稳定性，本文针对该转向架是否安装抗蛇行减振器的问题进行仿真试验和滚振试验研究。仿真试验和滚振试验得到的临界速度结果较为接近：在安装抗蛇行减振器时，临界速度高于160 km/h；在不安装抗蛇行减振器时，临界速度低于120 km/h。研究结果表明，在磨耗后踏面存在较大等效锥度情况下，未安装抗蛇行减振器时车辆的临界速度较低，稳定性裕量不足；安装抗蛇行减振器车辆的稳定性有显著提升。因此，建议该新型转向架应安装抗蛇行减振器，以保证其在全运营周期内具备足够的蛇行运动稳定性，实现车辆安全平稳运行。