本文主要对160 km/h动力集中动车组车端阻尼器的安装必要性进行论证，从车辆系统动力学角度出发，通过仿真手段和试验手段对其进行论证，研究动力车与相邻拖车之间、拖车与拖车之间是否需要安装。分析结果表明车端阻尼器对动力学性能影响不大。从仿真结果来看，动力车与相邻拖车间安装车端阻尼器时，动力车平稳性指标略微增加，最大约0.08，相邻拖车平稳性指标略微降低，最大约0.07。整体差异不明显；动力车在后且安装车端阻尼器时，动力车轮轴横向力略微增加，最大约3 kN，轮轨垂向力略微增加，最大约2 kN，其余各指标影响很小；动力车在前时，有无车端阻尼器仿真结果差异不大。拖车之间安装车端阻尼器对车辆的运行平稳性和安全性应该均很小，可以忽略。从试验结果来看，动力学差异不明显，建议取消160公里动集鼓形车体车端阻尼器的设计及安装。 This article mainly discusses the necessity of installing dampers at the end of the 160 km/h dy-namic multiple unit. From the perspective of vehicle system dynamics, it is demonstrated through simulation and experimental methods to study whether installation is necessary between the power vehicle and adjacent trailers, as well as between trailers and trailers. The analysis results indicate that the vehicle end damper has little impact on the dynamic performance. From the simulation results, it can be seen that when installing end dampers between the power vehicle and adjacent trailers, the sperling index of the power vehicle slightly increases, with a maximum of about 0.08, while the sperling index of adjacent trailers slightly decreases, with a maximum of about 0.07. The overall difference is not significant; When the power car is in the rear and equipped with end dampers, the lateral force of the power wheel axle slightly increases, up to about 3 kN, and the vertical force of the wheel rail slightly increases, up to about 2 kN. The impact of other indicators is very small; When the power car is in front, there is no significant difference in simulation results with or without end dampers. The installation of end dampers between trailers should have minimal impact on the sperling and safety of vehicle operation and can be ignored. From the experimental results, there is no significant difference in dynamics, so it is recommended to cancel the design and installation of the vehicle end damper of 160 km/h dynamic multiple unit.
本文主要对160 km/h动力集中动车组车端阻尼器的安装必要性进行论证，从车辆系统动力学角度出发，通过仿真手段和试验手段对其进行论证，研究动力车与相邻拖车之间、拖车与拖车之间是否需要安装。分析结果表明车端阻尼器对动力学性能影响不大。从仿真结果来看，动力车与相邻拖车间安装车端阻尼器时，动力车平稳性指标略微增加，最大约0.08，相邻拖车平稳性指标略微降低，最大约0.07。整体差异不明显；动力车在后且安装车端阻尼器时，动力车轮轴横向力略微增加，最大约3 kN，轮轨垂向力略微增加，最大约2 kN，其余各指标影响很小；动力车在前时，有无车端阻尼器仿真结果差异不大。拖车之间安装车端阻尼器对车辆的运行平稳性和安全性应该均很小，可以忽略。从试验结果来看，动力学差异不明显，建议取消160公里动集鼓形车体车端阻尼器的设计及安装。
160 km/h动集，车端阻尼器，动力学特性，仿真结果，试验
Junjie Shi1, Tiecheng Wang1, Shulin Liang2, Lian Xu1, Huansheng Wang2, Tao Cui1
1CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan Hebei
2State Key Laboratory of Traction Power of Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan
Received: Apr. 4th, 2023; accepted: May 24th, 2023; published: May 31st, 2023
This article mainly discusses the necessity of installing dampers at the end of the 160 km/h dynamic multiple unit. From the perspective of vehicle system dynamics, it is demonstrated through simulation and experimental methods to study whether installation is necessary between the power vehicle and adjacent trailers, as well as between trailers and trailers. The analysis results indicate that the vehicle end damper has little impact on the dynamic performance. From the simulation results, it can be seen that when installing end dampers between the power vehicle and adjacent trailers, the sperling index of the power vehicle slightly increases, with a maximum of about 0.08, while the sperling index of adjacent trailers slightly decreases, with a maximum of about 0.07. The overall difference is not significant; When the power car is in the rear and equipped with end dampers, the lateral force of the power wheel axle slightly increases, up to about 3 kN, and the vertical force of the wheel rail slightly increases, up to about 2 kN. The impact of other indicators is very small; When the power car is in front, there is no significant difference in simulation results with or without end dampers. The installation of end dampers between trailers should have minimal impact on the sperling and safety of vehicle operation and can be ignored. From the experimental results, there is no significant difference in dynamics, so it is recommended to cancel the design and installation of the vehicle end damper of 160 km/h dynamic multiple unit.
Keywords:160 km/h Dynamic Multiple Unit, Vehicle End Damper, Dynamic Characteristics, Simulation Results, Type Test
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基于25 T型客车存在的折返换端时间长、舒适性差等问题 [
由于列车运营期间发现160公里动集直车体列车座椅空间小导致乘客的乘坐舒适性差，需要对车体进一步优化设计，由直车体改为鼓形车体，车间距由1076 mm调整为800 mm。原车端阻尼器已经无法满足车间距800 mm的安装要求，迫切需要对车端阻尼器的安装必要性进行论证。由于已经论证160公里动集在牵引制动工况下，车辆的动力学性能差异不大，故本文主要采用仿真和试验两种手段，分析有无车端阻尼器对车辆动力学的影响，并进行数据对比，不考虑牵引制动工况，为车辆整体设计提供支撑。
车端阻尼器主要包括摩擦梁组成、缓冲装置组成、钢丝绳组成等。车端阻尼器结构如图1所示，特性参数如表1所示。
| 弹簧中径D mm | 刚度K N/mm | 有效圈数 n | 总圈数n1 | 弹簧自由高度L0mm | 钢棒直径d mm | 旋向 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 110 | 35.4 | 8 | 9.5 | 365 | 14 | 右旋 |
| 车端阻尼装置各种状态对应的弹簧高度与压力值 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 自由状态 | 正常连挂状态 | 最大压缩状态 | |||
| 弹簧压力F1N | 弹簧高度L1mm | 弹簧压力FAN | 弹簧高度LAmm | 弹簧压力FBN | 弹簧高度LBmm |
| 1451 | 324 | 3186 | 275 | 5806 | 201 |
表1. 弹簧及阻尼装置参数
图1. 车端阻尼器
1) 非线性轮轨接触几何关系
在非线性轮轨关系研究中，轮轨接触几何参数被认为是轮对横移量的非线性函数 [
160公里动集控制车和拖车的车轮踏面外形采用LM踏面，轮对内侧距为1353 mm。动力车的车轮踏面外形采用JM3踏面，轮对内侧距为1353 mm。轨道型面为TB60钢轨，轨底坡1:40，轨距1435 mm。
2) 非线性轮轨相互作用力
轮轨间的蠕滑力由Kalker非线性蠕滑理论计算，然后可通过迭代计算得到钢轨作用于轮对上的横向力和摇头力矩。
3) 非线性悬挂力
减振器阻尼特性考虑为非线性，一二系悬挂的横向止挡为非线性特性。
利用SIMPACK建立车辆系统动力学模型 [
M i Z ¨ i + C i Z ˙ i + K i Z i = P i + f i (1)
式中： M i 为第i节车的系统质量矩阵； C i 为第i节车的系统阻尼矩阵； K i 为第i节车的系统刚度矩阵； P i 为作用在车辆上的外部力，例如线路不平顺对轮对产生的冲击力等； f i 为不同位置车辆间的耦合力，可以表示为
f i = { { f 1 ← 2 } i = 1 { f i − 1 → i + f i ← i + 1 } 1 < i < n { f n − 1 → n } i = n (2)
根据列车数学模型，动力学模型如图2所示。
图2. 动力学模型
本文根据160公里动集直车体列车运行过程中发现的问题，进行了针对性的研究工作，工况如表2所示。从平稳性和安全性的角度，对比1、2工况和2、3工况，研究有无车端阻尼器对动力学性能的影响关系。
| 序号 | 工况说明 |
|---|---|
| 1 | 动力车和相邻拖车间安装车端阻尼器，其他车辆之间不安装 |
| 2 | 动力车和相邻拖车间不安装车端阻尼器，其他车辆之间不安装 |
| 3 | 动力车和相邻拖车间不安装车端阻尼器，其他车辆之间安装 |
表2. 工况形式
针对160公里动集推挽式运行特性，分析了动力车在后(推)、动力车在前(拉)时的列车运行工况 [
研究动力车与相邻拖车间有无车端阻尼器对动力车和相邻拖车的影响。
研究发现，安装车端阻尼器时，动力车某些速度级下平稳性指标略微增加，最大增加约0.08，相邻拖车平稳性指标略微降低，最大降低约0.07，整体差异不明显。具体如图3，图4所示。
图3. 动力车在后
图4. 动力车在前
选取250 m小半径曲线工况进行有无车端阻尼器的安全性分析，对比轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率及脱轨系数。从分析结果来看，动力车在后且安装车端阻尼器时，动力车轮轴横向力略微增加，最大约3 kN；轮轨垂向力略微增加，最大约2 kN，其余各指标影响很小。动力车在前时，有无车端阻尼器仿真结果差异不大，如图5~12所示。
图5. 动力车在后(轮轴横向力)
图6. 动力车在后(轮轨垂向力)
图7. 动力车在后(轮重减载率)
图8. 动力车在后(脱轨系数)
图9. 动力车在前(轮轴横向力)
图10. 动力车在前(轮轨垂向力)
图11. 动力车在前(轮重减载率)
图12. 动力车在前(脱轨系数)
研究发现，从安全性角度出发，动力车与相邻拖车之间是否安装车端阻尼器对动力车的车辆动力学性能影响不大。
主要研究拖车间有无车端阻尼器对各个车辆的动力学特性的影响。
研究发现，拖车之间安装车端阻尼器时，所有车辆平稳性无明显规律变化，平稳性指标差异不大，最大差异值在0.03以内。具体如图13，图14所示。
选取250 m小半径曲线工况进行有无车端阻尼器的安全性分析，对比轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率及脱轨系数。研究发现拖车各安全性指标无明显变化规律，仿真结果差异不大，如图15~18所示。
图13. 动力车在后
图14. 动力车在前
图15. 动力车在后(轮轴横向力)
图16. 动力车在后(脱轨系数)
图17. 动力车在前(轮轴横向力)
图18. 动力车在前(脱轨系数)
2017年与2018年，唐山公司针对160公里动集有无车端阻尼器均进行了线路型式试验。本文主要对160公里动集在成渝线上的相关动力学数据进行分析。
选取线路形式类似的两种工况下的平稳性数据进行对比，如表3所示。其中，短编车辆定义为上行方向时动力车在后，1号车为紧邻动力车位置，短编列车有车端阻尼器。长编车辆两端均为动力车，无车端阻尼器。从表中可以看出有无车端阻尼器对平稳性影响不大，均能满足标准要求。
| 有无车端阻尼器 | 车号 | 测点位置 | 平稳性最大平均值(上行) | 平稳性最大平均值(下行) |
|---|---|---|---|---|
| 无车端阻尼器 | 8车 | 一位 | 1.81 | 1.58 |
| 二位 | 1.58 | 1.65 | ||
| 9车 | 一位 | 1.80 | 1.57 | |
| 二位 | 1.6 | 1.66 | ||
| 有车端阻尼器 | 4车 | 一位 | 1.72 | 1.78 |
| 二位 | 1.87 | 1.68 | ||
| 7车 | 一位 | 1.67 | 1.72 | |
| 二位 | 1.82 | 1.63 |
表3. 平稳性数据
对160公里动集安全性型试验数据进行分析，最小曲线半径为300 m左右。包括脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力，研究各指标的散点图分布状态及分布趋势，表明各安全性指标分布规律基本一致，故有无车端阻尼器对车辆运行安全性的影响不大，均能满足标准要求，如图19~24所示。其中横坐标代表速度，纵坐标代表相应的动力学指标。
图19. 无车端阻尼器脱轨系数
图20. 有车端阻尼器脱轨系数
图21. 无车端阻尼器轮重减载率
图22. 有车端阻尼器轮重减载率
图23. 无车端阻尼器轮轴横向力
图24. 有车端阻尼器轮轴横向力
针对160公里动集鼓形车体研制项目是否进行车端阻尼器的设计及后续安装工作，本文通过仿真手段和试验手段对160公里动集有无车端阻尼器对动力学特性影响进行了研究。研究发现，车端阻尼器对车辆动力学特性影响不大，且各指标均满足标准要求。并且，从设计周期、设计成本、减重及后续维护角度出发，无车端阻尼器更有利于开展160公里动集鼓形车的设计。
石俊杰,王铁成,梁树林,徐 练,王欢声,崔 涛. 动车组车端阻尼器对动力学性能影响的研究Research on the Influence of Vehicle End Dampers on Dynamic Performance of Multiple Unit Trains[J]. 交通技术, 2023, 12(03): 196-209. https://doi.org/10.12677/OJTT.2023.123023