30t及以上軸重貨車動力性能仿真研究 - 圖文-

1、·其他·收稿日期:2013041030t 及以上軸重貨車動力性能仿真研究劉信立(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司北京102600摘要隨著我國鐵路貨運量的迅速增加,重載運輸己成為我國鐵路運輸?shù)闹饕l(fā)展方向。為了適應(yīng)我國25t 以上軸重重載貨車運輸?shù)陌l(fā)展,首先建立了25t 軸重重載貨車動力仿真模型,在此基礎(chǔ)上對30t 和35t 軸重條件下車輛模型的關(guān)鍵參數(shù)等進行了動力學(xué)分析,優(yōu)化了30t 和35t 軸重貨車模型的參數(shù)取值。利用所確定貨車模型參數(shù),建立30t 和35t 軸重重載貨車軌道動力仿真模型,計算分析車輛軌道各項動力響應(yīng),相應(yīng)指標(biāo)符合規(guī)范中優(yōu)良等級要求。通過不同速度下的動力學(xué)

2、響應(yīng)分析,對30t 和35t 軸重重載鐵路的運行速度進行初步探究,建議我國30t 和35t 軸重貨車適宜的運行速度為100km /h 。關(guān)鍵詞重載貨車動力學(xué)仿真運行速度中圖分類號U2394;U272文獻標(biāo)識碼A文章編號1009-4539(201310-0090-04esearch on Dynamic Performance Simulation of 30tand Above Axle-load Freight WagonLiu Xinli(China ailway Fifth Survey and Design Institute Group CoLtd,Beijing 102600,Ch

3、ina Abstract With the increasing volume of national railway freight transportation ,heavyhaul transportation has become themain developing direction for national railway freight transportationIn order to meet the development of heavy axle-load freight transportation ,dynamic simulation model of 25t

4、axle-load freight wagon is established firstly in this paperOn this basis ,dynamic analyses are taken on the key parameters of 30t and 35t axle-load freight wagonsOptimizations for the pa-rameter values of the 30t and 35t axle-load wagon models are also takenWith these parameters ,dynamic simulation

5、 mod-els of 30t and 35t axle-load freight wagons-track dynamic simulation models are established ,and the vehicle-track dynamic responses are calculatedThe corresponding indicators are in line with higher level of specification requirementsThrough the analysis of dynamic response under different spe

6、eds ,this paper makes a preliminary exploration of the running speed of 30t and 35t axle-load heavy haul railway ,and proposes that the appropriate speed for the 30t and 35t axle-load heavy haul railway is 100km /hKey wordsheavy haul freight wagon ;dynamic simulation ;running speed1引言鐵路重載運輸由于其運能大、效率

7、高、運輸成本低、節(jié)能環(huán)保而成為世界鐵路大宗貨物運輸發(fā)展的重要趨勢。從世界重載運輸技術(shù)的進步趨勢來看,盡可能提高軸重,充分利用現(xiàn)有站線長度,已逐漸成為今后重載運輸發(fā)展的主流方向。國外一些鐵路發(fā)達國家一直致力于提高貨車車輛軸重。美國早在20世紀(jì)60年代后期貨車軸重就已達到249t ,隨后提高到了299t 。20世紀(jì)90年代,北美鐵道協(xié)會開始研制軸重3537t 用于重載單元列車的大型貨車,其運輸效率極為顯著。加拿大、澳大利亞等國重載鐵路的軸重也9鐵道建筑技術(shù)AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY 2013(10·其他·普遍達到325 357t 。與之相比,我國

8、貨車的最大軸重僅為25t ,還有差距,我國貨車軸重向25t 以上發(fā)展已成為必然趨勢1。2重載貨車空間耦合模型SIMPACK Wheel /ail 模塊是SIMPACK 軟件的附 加模塊,可以對鐵路系統(tǒng)動力學(xué)進行仿真分析。SIM-PACK 軟件具有和FEA 、CAD 、CACE 軟件的廣泛接口,友好的操作界面、經(jīng)過實驗驗證的輪軌接觸建模以及優(yōu)異的仿真精度和仿真效率,使SIMPACK 作為多體系統(tǒng)仿真工具已廣泛應(yīng)用到鐵路行業(yè)仿真領(lǐng)域。因此采用SIMPACK 軟件,建立重載貨車空間耦合模型,對重載貨車進行動力學(xué)仿真分析。21車輛模型 采用SIMPACK 動力學(xué)仿真軟件建立了重載貨車動力學(xué)仿真模型。貨

9、車轉(zhuǎn)向架的基本結(jié)構(gòu)主要有輪對、軸箱、側(cè)架、搖枕、彈簧裝置、減振裝置、旁承等。建立模型時,車體、搖枕、側(cè)架,輪對等采用剛體進行模擬,所有零部件之間的連接通過鉸或約束來定義。SIMPACK 重載貨車仿真模型如圖1所示。 圖1SIMPACK 重載貨車仿真模型22輪軌接觸模型建立了貨車軌道空間耦合動力模型,軌道采用75kg /m 鋼軌,車輪采用LM 磨耗型踏面。23軌道模型在SIMPACK 軟件中,系統(tǒng)自定義的軌道模型包括剛性軌道模型、離散軌道模型。離散軌道模型中,軌枕的移動可以通過離散軌道體的運動進行描述,它們是通過相互連接的彈簧和阻尼器表示的。離散軌道模型可以模擬有砟柔性軌道結(jié)構(gòu),其質(zhì)量塊和彈簧阻

10、尼器參數(shù)利用AN-SYS 軟件建模等效模擬獲得。線路激勵是引起輪軌系統(tǒng)振動的根源。這里只考慮軌道方面的部分關(guān)鍵因素,未涉及車輪缺陷、脈沖型不平順及軌下基礎(chǔ)缺陷。由于我國現(xiàn)今還沒有形成適用于我國重載鐵路的軌道譜,根據(jù)文獻資料2,選取與我國重載鐵路類似的德國高干擾譜作為系統(tǒng)激勵進行分析。其方向不平順與高低不平順樣本模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2軌道方向不平順圖3軌道高低不平順3車輛參數(shù)的選取及模型驗證3125t 軸重貨車模型參數(shù)參考文獻3,4,建立傳統(tǒng)三大件轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的25t 軸重重載貨車模型,模型部分參數(shù)選取如表1所示。利用該模型可以優(yōu)選30t 及35t 軸重車輛模型的相關(guān)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。表125t

11、 軸重貨車模型參數(shù)參數(shù)名稱單位25t 車體質(zhì)量kg 91400轉(zhuǎn)向架側(cè)架質(zhì)量kg 497搖枕質(zhì)量kg 745輪對質(zhì)量kg 1277一系懸掛縱向剛度(每軸箱MN /m 13一系懸掛橫向剛度(每軸箱MN /m 11一系懸掛垂向剛度(每軸箱MN /m 160二系懸掛縱向剛度(搖枕一端MN /m 44二系懸掛橫向剛度(搖枕一端MN /m 44二系懸掛垂向剛度(搖枕一端MN /m 489一系懸掛垂向阻尼(每軸箱kN ·s /m 3二系懸掛垂向阻尼(搖枕一端kN ·s /m4019鐵道建筑技術(shù)AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY 2013(10·其他&#

12、183;3225t軸重貨車模型驗證2003年,使用轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架(軸重25t的C80敞車在大秦線上線使用,目前C80已成為主型車。依據(jù)C80敞車和軌道模型參數(shù)建立了25t 軸重重載貨車軌道耦合模型,并將仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果進行了對比驗證,數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。表225t軸重重載貨車仿真及實測結(jié)果項目仿真結(jié)果剛性軌道離散軌道實測結(jié)果輪軌橫向力/kN787160輪軌垂向力/kN160716411554脫軌系數(shù)007005004輪重減載率009009008從表2的數(shù)據(jù)可以得出:(1仿真計算結(jié)果稍大于實測結(jié)果,但是相差很小,在合理范圍內(nèi);(2采用離散軌道結(jié)構(gòu)模型的仿真計算結(jié)果比剛性軌道結(jié)構(gòu)計算結(jié)果更接近

13、實測結(jié)果。說明采用SIMPACK軟件建立的25 t軸重貨車仿真模型滿足仿真計算要求,且采用離散軌道結(jié)構(gòu)的仿真效果更優(yōu),可用于下一步的計算與分析。4計算結(jié)果和分析41重載貨車動力學(xué)響應(yīng)利用23節(jié)優(yōu)選得出的參數(shù)建立了30t和35t 軸重重載貨車車輛軌道耦合模型,計算了速度為80km/h條件下的車輛軌道動力學(xué)響應(yīng)。第一輪對的輪軌相互作用力隨時間的變化曲線如圖4和圖5所示。圖4輪軌橫向力隨時間變化曲線圖5輪軌垂向力隨時間變化曲線重載貨車車輛第一輪對的輪軌相互作用力和安全性指標(biāo)最大值如表3所示。表3重載貨車計算結(jié)果評判指標(biāo)25t30t35t 輪軌橫向力/kN7186142輪軌垂向力/kN16411828

14、2114脫軌系數(shù)005006008輪重減載率009011012由表3可知:(1對于輪軌相互作用力,30t和35t軸重條件下輪軌橫向力最大值分別為86kN和142kN,輪軌垂向力最大值分別為1828kN和2114kN,均遠小于規(guī)范中相應(yīng)限值,符合規(guī)范中優(yōu)良等級要求。(2對于安全性指標(biāo),30t和35t軸重條件下脫軌系數(shù)最大值分別為006和008,輪重減載率最大值分別為011和012,均遠小于規(guī)范中相應(yīng)限值,符合規(guī)范中優(yōu)良等級要求。(3軸重從25t增加到35t時,輪軌橫向力逐漸增加,脫軌系數(shù)和輪重減載率值也基本呈現(xiàn)增加趨勢,但軸重的增加對輪軌橫向力和安全性指標(biāo)的影響較小。42速度對車輛動力學(xué)性能的影

15、響利用SIMPACK軟件建立30t和35t軸重重載貨車軌道空間耦合模型,計算了不同速度下車輛動力學(xué)計算數(shù)據(jù),評價運行速度對車輛動力學(xué)性能的影響。計算速度范圍為40 160km/h,每間隔10km/h 計算一組數(shù)據(jù)。輪軌相互作用力和安全性指標(biāo)曲線如圖6 9所示。29鐵道建筑技術(shù)AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY2013(10 圖6 輪軌橫向力變化曲線圖7 輪軌垂向力變化曲線圖8 脫軌系數(shù)變化曲線圖9輪重減載率變化曲線從圖6 9可以得出:在貨車軸重一定的情況下,隨著運行速度的提高,車輛動力學(xué)性能變差。車輛橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)值增大,車輛運行平穩(wěn)性變差。輪軌橫向力和輪軌垂向力

16、都隨速度的增加而增大,并且它們具有大致相同的增加趨勢。反映車輛運行安全性的指標(biāo)脫軌系數(shù)和輪重減載率值也隨著車輛運行速度的提高而增大,并且在某一速度范圍內(nèi)增加的幅度較大。43重載貨車運行速度研究提高重載貨車的運行速度是提高列車運能的重要途徑,但與軸重的增加一樣,貨車運行速度的提高對軌道和橋梁都會產(chǎn)生不良影響。因此對既有線路上運營貨車進行軸重和速度的合理匹配,并為30t 和35t 軸重重載貨車選擇合理的運行速度是非常必要的。根據(jù)C70貨車和C76貨車動力學(xué)性能隨速度的變化趨勢和它們的最高運行速度(C70敞車運行速度120km /h ,C76運行速度100km /h ,可以從車輛動力學(xué)角度制定選擇重

17、載貨車運行速度的相應(yīng)準(zhǔn)則56:(1重載貨車在最高運行速度內(nèi)的各項動力學(xué)指標(biāo)應(yīng)該滿足GB /T 559985的相關(guān)規(guī)定;(2重載貨車在低于或等于最高運行速度運行時,速度增加對車輛的各項動力學(xué)指標(biāo)的變化影響不大。由圖6 9可知:速度為40 100km /h 時,30t 和35t 軸重條件下,輪軌橫向力和垂向力增加趨勢均比較緩慢,但當(dāng)速度從100km /h 增加到110km /h 時,30t 軸重貨車輪軌橫向力和輪軌垂向力分別增加了3508%、596%,35t 軸重貨車輪軌橫向力和輪軌垂向力分別增加了5362%、589%,增加幅度較大。根據(jù)以上2個準(zhǔn)則,輪軌相互作用力和安全性指標(biāo)要求30t 和35t

18、 軸重貨車極限運行速度為140km /h ;輪軌相互作用力的變化趨勢要求其運行速度小于或等于100km /h 。因此從動力學(xué)角度來看,30t 和35t 軸重貨車適宜的運行速度為100km /h 。5結(jié)束語通過不同速度下的動力響應(yīng)分析,對30t 和35t 軸重重載鐵路的運行速度進行了初步探究。根據(jù)計算分析的結(jié)果得到以下幾點結(jié)論:(1在動力學(xué)仿真模型基礎(chǔ)上,優(yōu)選了30t 和35t 軸重貨車車輛空間模型參數(shù),為25t 以上軸重貨車選型提供依據(jù)。(下轉(zhuǎn)第109頁39鐵道建筑技術(shù)AILWAY CONSTUCTION TECHNOLOGY 2013(10急物流中心完成相關(guān)業(yè)務(wù)。它們以物流通道相連,從而構(gòu)成

19、完整的應(yīng)急物流網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)急物流中心需要協(xié)調(diào)各方面因素,相比普通物流中心具有獨特的行政管理職能和時效性。應(yīng)急物流強效率性和強公益性單靠企業(yè)的利益關(guān)聯(lián)難以實現(xiàn),需要政府行政干預(yù),因此應(yīng)急物流中心必須具備較強的行政管理能力,以協(xié)調(diào)各方面關(guān)系,保證應(yīng)急物流的順利實施。應(yīng)急物流的非常規(guī)性使其不同于連續(xù)運作的商業(yè)物流,它的發(fā)生、運作并非連續(xù),應(yīng)急物流中心的大多數(shù)功能始于應(yīng)急物流的發(fā)生,終于應(yīng)急物流的結(jié)束,表現(xiàn)出很強的時效性。同時應(yīng)急物流的突發(fā)性對應(yīng)急物流中心的分布、輻射能力都有很高的要求,以確保不同地域、不同時間的應(yīng)急需求。因此要在大范圍內(nèi)構(gòu)建起專門為應(yīng)急物流服務(wù)的物流中心是不經(jīng)濟也不現(xiàn)實的。最合適的方式是

20、利用目前的商用物流網(wǎng)絡(luò),依托已有的商業(yè)物流中心,在應(yīng)急物流需求產(chǎn)生之后用行政手段通過商用物流網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)應(yīng)急功能。在應(yīng)急物流結(jié)束之后,應(yīng)急物流中心恢復(fù)其原有的商業(yè)運作,保留必要的應(yīng)急保障措施。由此結(jié)合鐵路正在建設(shè)的位于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的集裝箱物流中心,可以在規(guī)劃建設(shè)中考慮應(yīng)急物流的相關(guān)內(nèi)容,以集裝箱物流中心為依托,構(gòu)建應(yīng)急物流中心,這不僅是鐵路參與應(yīng)急物流體系構(gòu)建的重要方式,也是確保鐵路在應(yīng)急物流中骨干地位的重要手段。7結(jié)束語構(gòu)建應(yīng)急物流體系給鐵路帶來了難得的發(fā)展機遇,是鐵路提升市場競爭力、體現(xiàn)社會價值的重要途徑之一。鐵路要在應(yīng)急物流中發(fā)揮骨干作用,必須作為主體參與應(yīng)急物流體系的構(gòu)建,這一目標(biāo)的實現(xiàn)首先需

21、要政府管理部門的支持,需要完善應(yīng)急物流保障機制,需要高效的物理網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)。作為浩大的系統(tǒng)工程,應(yīng)急物流體系的構(gòu)建并非一時之功,需要不斷的發(fā)展和完善,而鐵路參與應(yīng)急物流體系建設(shè)也將是一個長期、復(fù)雜的過程,鐵路應(yīng)急物流中心、運輸合作機構(gòu)的構(gòu)建也僅僅是設(shè)想,更多的探索需要不斷地繼續(xù)下去。參考文獻1沈建國,熊堅物流與應(yīng)急物流略談J物流科技,2005(116:472尹傳勇淺析我國應(yīng)急物流研究現(xiàn)狀J法制與社會,2007(5:7437443謝如鶴,宗巖論我國應(yīng)急物流體系的建立J廣州大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版,2005(11:55584姜玉宏,邱清和,歐忠文應(yīng)急物流中心的構(gòu)建思路J綜合運輸,2004(9:檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪