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非线性临界速度计算方法研究

王波马卫华

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室)

摘要:为探究不同标准计算临界速度结果的差异,以及不同标准临界速度彼此的认可程度,本文在SIMPACK

中构建了出口印度地铁车辆模型,并对五种方法的临界速度进行了计算,通过计算可以发现,UIC518和

EN12363计算的临界速度最小,其次是RISSBAS7509,再次是降速法,最后是收敛法。同时经过计算还发

现,UIC518、EN14363和RISSBAS7509的临界速度相差10km/h,可以彼此认可。降速法和收敛法计算的

临界速度相差10km/h~20km/h,可以彼此认可,但是UIC518、EN14363、RISSBAS7509与降速法和收敛法

相差30km/h以上,彼此计算结果不认可。

关键字:临界速度;动力学;hopf分岔;标准

0绪言

临界速度分为线性临界速度和非线性临界速度,是轨道车辆动力学计算的要求之一,也是判断车辆是否

满足设计和运行要求的条件之一。线性临界速度的计算方法分为特征根法和阻尼系数法[1]。特征根法是通过

解轮对运动的微分方程,得到方程的共轭复根,通过判断全部特征根的实部是否都是负数,判断车辆系统是

否稳定。阻尼系数法是通过阻尼系数正负判断某一速度下车辆的稳定程度,当阻尼系数正时,表示车辆系统

不稳定,当阻尼系数为负时,表示车辆系统稳定,当阻尼系数为0时,对应的速度即为车辆的线性临界速度。

如图1所示,通过-0.05的阻尼系数判断车辆的线性临界速度220km/h。

图1根轨迹图

非线性临界速度即蛇形临界速度[2](后续简称临界速度),当车辆达到临界速度,车辆发生耦合周期振

动,可能引起车体横向晃动降低车辆的平稳性和舒适性,严重的时候甚至可能导出车辆发生脱轨。因此临界

速度的判定方法和标准就至关重要。贾璐等人以极限环方法研究了高速车辆的临界速度,并用5种方法判断

了临界速度的结果[3]。邬平波等人提出一种近似计算临界速度的数值方法,并以某高速客车为例,对临界速

度进行了研究[4]。

目前,国内外轨道车辆的临界速度的判别方法和标准不一,然而这些方法和标准都是各国通过理论推导

和实践检验。然而这些方法和标准判断的临界速度的差异性却很少有人研究。本文通过对比分析国内外铁路

车辆临界速度的评价方法和标准,分析各国计算临界速度结果的差异性,为各国认可彼此计算结果提供一定

的参考。

1既有标准和判断方法

1.1UIC518-2005《铁道车辆动力学性能运行安全性运行品质和轨道疲劳试验、验收规范》[5]

UIC518为国际标准,适用于所有国际铁路联盟成员,成员遍及五大洲。UIC518对车辆动力学计算的

踏面要求进行了说明,踏面是新的或者磨耗后的,或者运行中轮对踏面相比较新轮对等效锥度增加大于0.05。

对轨道的要求进行了说明,要求轨道必须是干燥的,不能影响轮轨之间的正常摩擦系数。对临界速度的评价

指标进行了说明。常规测量方法的动力学指标为导向力的总和,简化的测量方法除货车和特种车辆外其他车

辆的临界速度评价指标轮轴横向力或构架横向加速度,并对构架横向加速度测量位置进行了说明。常规测量

P

方法要求对每个转向架的导向力最大值不超过(10?0)(

P为轮轴静载荷);简化测量方法要求对轮轴横

0

3

PM

向力最大值不超过[0.9(10?0)]kN;简化测量方法对构架横向加速度要求不超过(12)(Mb

?bm/s

2

35

转向架的质量)。除构架横向加速外,其余指标均要求进行f0?2Hz带通滤波(

f为失稳频率),且100m

0

平滑处理。构架横向加速度要求进行10Hz低通滤波。

1.2EN14363-2005《铁路车辆运行特性的验收试验.运行性能试验和稳态试验》[6]

EN14363为区域或地区标准,适用于欧盟和欧洲自由贸易联盟。EN14363是对UIC518的继承和发展。

轮轨关系除了UIC518中的要求外,还强调了线路的布置、轨面几何形状以及轨底坡。并补充了车辆的状态,

细化了车辆的分类:传统车辆、特种车辆以及除删除两类以外的其他轨道车辆。EN14363还对评价指标进

行了细化,分为常规测量方法和简化测量方法,而简化测量方法又分为包含轴箱横向力和不包含轴箱横向力

的方法。并对每种方法的评价指标进行了解释说明。常规测量方法的评价指标为导向力的总和,要求最大值

不超过(1020)

?kN(

Q

2Q为轮轴静载荷)。包含轴箱横向力的简化测量方法的评价指标为轴箱横向力的

0

3

总和,要求最大值不超过[0.9(1020)]

?kN。不包含轴箱横向力的简化测量方法的评价指标时构架的

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