重载货车系统动力学建模设计

重载货车系统动力学建模设计

任杰

齐齐哈尔工程学院 黑龙江 齐齐哈尔 161005

摘要：随着我国对货物运输需求的增大，未来开行３０ｔ和４０ｔ轴重重载线路已成为必然趋势，然而大量不利因素制约着货物运输的发展，包括山区小半径曲线、磨耗轮与轨廓形、货物偏载和轨道结构破坏失效等，本文研究目的是利用建立的重载列车－轨道親合动力学模型，仿真分析平纵断面曲线、轮轨磨耗及牵引制动工况下列车的动态行为、轮轨接触几何、轮轨作用力及纵向冲动机理，为重载线路几何参数设计、轮轨磨耗控制及列车牵引制动提供理论指导和建议。

关键词：重载货车；建模；运输

上世纪９０年代曾发生多起列车直线段脱轨，以及货物装载不合理而造成的铁路脱轨事故若货物存在偏载，将会加剧轮轨相互作用，造成车辆轨道部件失效或破坏，加速轮轨磨耗，反过来更不利于车辆的安全运行，严重情况下，甚至可能会导致车辆脱轨或倾覆。鉴于重载铁路发展中所面临的困境，需要针对现有问题进行全面的理论和试验研究。

一．货车车辆动力学模型设计

铁路货物运输中为适应运量大、检修方便和运输安全的需求，货车采用绍合金车

体以减轻自重，可提高车辆最大载重，同时釆用三大件式转向架，结构简弟，容易拆

装，维修方便快捷。重载货车车辆动力学模型中将车辆视为多刚体系统，并将悬挂系统等效简化，其特性用数学模型来描述，货车车辆－轨道稱合动力学模型未能考虑车辆各子结构的柔性变形，通常将其简化为具有纵向、横移、沉浮、侧滚、点头及摇头六个自由度的多刚体，其中不考虑侧架侧滚运动和摇枕的除摇头以外的运动。

1.轴箱悬挂设计

不同于传统摩擦导框式转向架定位方式，转Ｋ６在轴箱与侧架间加装弹性橡胶热，消除了轴箱间隙，实现轮对的弹性定位，将导框式定位转向架中侧架及拉杆等簧下质量变为簧上质量，减小轮对间动态作用力及降低磨耗，有效地改善车辆动力学性能。橡胶塾的弹性作用，采用非线性弹簧阻尼单元来描述，并选用适当的三向刚度值，导框式定位转向架中轮对与轴箱横向和纵向存在一定间隙，间隙范围内一系作用力均为摩擦力，鉴于理想干摩擦模型简明易懂，在工程应用中得到广泛采用。然而，干摩擦力在速度为０时存在间断点，在数值仿真中易造成数值不稳定。因此在使用中，均需要对其进行修正，在较低滑动速度范围内釆用线性或非线性函数进行替代，模型中所有摩擦力计算均用反正切函数描述。

2.摩擦减振装置设计

三大件式转向架摇枕与侧架问悬挂采用自由高不等的摇枕内外圆弹簧传递车体质

量作用，在空重载作用下具有不同压缩量，弹簧呈两级刚度作用特性，在摇枕侧边装有摩擦楔块以实现振动衰减，由于摇枕与楔块、楔块与侧架间的相对运动而产生摩擦作用，使得车体传递的振动能量转换为热能被消耗掉。侧架与摇枕相对运动受力分析摇枕垂向力作用下，楔块主副摩擦面上均产生法向压力及沿着作用面的切向摩擦力。楔块在受到挤压力及摩擦力作用的同时，还受到减振弹賛的支撑作用；摇枕则受到摇枕弹黃的支撑及车体传递的作用力。摇枕与楔块、楔块与侧架间存在面向和背向的相对运动，同实物图所示。

二.弹性交叉拉杆装置实施

侧 架间加装弹性交叉装置的目的是为了克服传统转向架侧架间连接松散，转向架抗菱变刚度不足，车辆动力学性能较差的缺陷，从而进一步提高转向架结构的稳定性。在数学模型描述中用纵向、横向及扭转弹簧来模拟交叉奸对侧架间的相互约束作用。在铁路货车关键部件简化建模的基础上，结合车辆各部件间的相互作用力（悬挂力），轮轨作用力可推导轮对、侧架、摇枕及车体的运动微分方程，从而数值积分后求解车辆振动响应。轴箱与侧架间增设弹性橡胶塾实现轮对的弹性定位，建模中釆用三向弹簧阻尼来模拟轴箱与侧架间的相互作用。除一系悬挂力外，轮对还受到钢轨约束力，即轮轨作用力，包括轮轨法向力及切向力（蠕滑力）。将其投影在整体坐标系下，即可得到轮对的受力情况，车体重量由心盘与旁承共同承载，模型中考虑旁承具有初始压缩量，即旁承与车体间存在恒定的垂向力；摇枕与车体间除产生垂向接触力之外，还有相对运动产生的摩擦力及力矩，以避免车体与摇枕间发生过大相对摇头角，摩擦系数为与相对转动角速度相关的函数。此外，二系悬挂作用力及力矩、摩擦力及摩擦力矩也反作用在摇枕上。考虑到车体与摇枕间的连接方式，摇枕其他自由度与车体运动一起考虑。同实物图所示。



三.车钩缓冲器实施运用

铁路货物列车车辆间通过车钩缓冲器装置传递纵向牵引力和制动力，缓解其引起的纵向冲击和振动，以保证机车牵引作用下货物的安全运输。然而，长编组重载列车在紧急制动和通过坡道等工况条件下，均会产生较大的纵向冲动，车间车钩力急剧增大。若超出缓冲器工作容量，使得车钩长期处于刚性工作状态，严重情况下将会造成车钩断裂影响车辆正常安全运行。因此，车钩缓冲器作为重载列车中最重要而又最薄弱的环节，需要提高缓冲器的可靠性及抗冲击特性，以便为提高车辆运行速度和幵行大轴重车辆提供有利条件，根据缓冲器结构特点工作原理将其分类，主要包括：弹賛式缓冲器、摩擦式缓冲器、橡胶缓冲器、摩擦橡胶式缓冲器、粘弹性橡胶泥缓冲器、液压缓冲器和空气缓冲器。铁路货车主要采用摩擦式缓冲器和摩擦橡胶式缓冲器两种。摩擦式缓冲器内斜楔沿固定斜板滑动，将冲击动能转化为弹簧的弹性势能；其次，斜楔与斜板间以及斜楔与摩擦板间的摩擦，消耗一部分动能。缓冲器卸载时，斜楔在弹簧的复原力作用下复位，消耗一部分能量。当缓冲器被“伍死”时，缓冲器刚度急剧增大，接近车体刚度。

4. 结语

载铁路作为铁路货物运输中最先进最有效的技术手段，已在世界各国得到广泛应用及发展，并将有助于改善我国现今货物运输供需矛盾问题。然而列车编组加长和轴重提高带来了一系列制约重载运输发展的问题，如轮轨损伤、车钩断裂、列车脱轨等，严重威胁列车及货物的安全。为保障重载铁路运输健康快速发展，需要对相关问题进行大量现场调研、试验及理论仿真研究。列车运行中会受到曲线离心、外界风载等作用力，以及轨道几何不平顺等不利因素共同作用，所以重载货车系统动力学模拟建模设计十分必要，模拟模型形成后再投入生产中可减少许多危险！

参考文献：

[1]曹阳，孙明道浅析中国铁路货车的重载化铁道车辆，2007

[2]于连友我国铁路货车发展回顾及新型重载货车关键技术中国轨道交通发展高层论坛2007

[3]刘继峰中国铁路重载运输货车技术发展世界轨道交通.2007

样刊请寄：黑龙江省齐齐哈尔市龙沙区喜庆路1号 齐齐哈尔工程学院

姜岩 收 电话：13514605258

基金项目：2019年度齐齐哈尔市科技计划项目

项目名称：重载铁路货车行车状态在线监测系统研究

项目编号：GYZD-201902