基于SIMPACK鉸接式列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能分析*

汪群生 曾 京 董 浩

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都∥第一作者，博士研究生）

基于SIMPACK鉸接式列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能分析*

汪群生 曾 京 董 浩

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都∥第一作者，博士研究生）

利用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)的分析方法，運(yùn)用SIMPACK軟件分別對(duì)三車(chē)四轉(zhuǎn)向架的鉸接式列車(chē)和三車(chē)六轉(zhuǎn)向架的傳統(tǒng)列車(chē)建立非線性動(dòng)力學(xué)仿真模型，得到兩種不同連接方式的列車(chē)在相同的運(yùn)行環(huán)境下以不同速度運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)連接方式的列車(chē)比較，在相同的運(yùn)行環(huán)境下，鉸接式列車(chē)在平直軌道上的動(dòng)力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)式列車(chē)，而在小曲線半徑的軌道上，鉸接式列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能不具有優(yōu)勢(shì)。

鉸接式列車(chē)；動(dòng)力學(xué)；SIMPACK；仿真分析

First-author's addressState Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

過(guò)去對(duì)鉸接式列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的研究主要是采用面對(duì)對(duì)象的建模技術(shù)。即基于MATLAB/ SIMULINK建立了單車(chē)以及車(chē)組的動(dòng)力學(xué)模型［1，2］，或者是利用Simulink/SimMechanics建立動(dòng)力學(xué)模型［3］，但是建模過(guò)程都比較復(fù)雜。SIMPACK是一款多體動(dòng)力學(xué)分析軟件。研究人員使用該軟件可快速建立動(dòng)力學(xué)模型，隨即自動(dòng)形成動(dòng)力學(xué)方程，并得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性或頻域特性。該軟件采用先進(jìn)的相對(duì)坐標(biāo)系建模，求解迅速，當(dāng)模型的零件增多時(shí)，優(yōu)勢(shì)尤為明顯，且采用核心遞歸算法保證了求解的穩(wěn)定性和可靠性［4］。

本文利用SIMPACK軟件建立了鏈接式連接和鉸接式連接方式的列車(chē)非線性動(dòng)力學(xué)模型，然后通過(guò)數(shù)值仿真，分別得到兩個(gè)模型的動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)，從而分析得出兩者車(chē)輛間連接方式的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)（主要包括非線性輪軌接觸幾何關(guān)系、非線性輪軌相互作用力和非線性懸掛力［5］）。

1 鉸接式列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

鉸接式列車(chē)的轉(zhuǎn)向架采用了兩系懸掛：一系懸掛是鋼彈簧，二系懸掛是空氣彈簧。頭車(chē)和尾車(chē)是動(dòng)車(chē)，中間車(chē)是拖車(chē)，車(chē)輛之間采用具有鉸接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架，即相鄰兩車(chē)端共用一臺(tái)轉(zhuǎn)向架［6］，如圖1所示。建模過(guò)程中，輪對(duì)、軸箱、構(gòu)架和車(chē)體等部件的彈性比懸掛系統(tǒng)的彈性要小的多，故均假設(shè)為剛體，不考慮其彈性變形。鉸接式列車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型由3個(gè)車(chē)體、4個(gè)構(gòu)架、16個(gè)軸箱、8個(gè)輪對(duì)共31個(gè)剛體組成。其中，車(chē)體取6個(gè)自由度，即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭。構(gòu)架取6個(gè)自由度；軸箱取1個(gè)自由度，即點(diǎn)頭；由于輪對(duì)的垂向和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)是非獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，因此輪對(duì)取4個(gè)自由度，即縱向、橫向、點(diǎn)頭、搖頭。該列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型共有90個(gè)自由度。

2 傳統(tǒng)列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

為了使研究結(jié)果更能說(shuō)明問(wèn)題，傳統(tǒng)連接方式的列車(chē)采用了與鉸接式列車(chē)具有相同懸掛方式的轉(zhuǎn)向架，且車(chē)體、轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的列車(chē)非線性動(dòng)力學(xué)模型，每節(jié)車(chē)輛由兩個(gè)轉(zhuǎn)向架支撐，如圖2所示。傳統(tǒng)列車(chē)的建模方法與鉸接式列車(chē)的建模方法相同。傳統(tǒng)列車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型由3個(gè)車(chē)體、6個(gè)構(gòu)架、24個(gè)軸箱、12個(gè)輪對(duì)共45個(gè)剛體組成。車(chē)體取6個(gè)自由度，即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭；構(gòu)架取6個(gè)自由度；軸箱取1個(gè)自由度，即點(diǎn)頭；輪對(duì)取4個(gè)自由度，即縱向、橫向、點(diǎn)頭、搖頭。該列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型共有126個(gè)自由度。

圖1 鉸接式列車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型

圖2 傳統(tǒng)連接方式列車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)建立上述模型，利用數(shù)值仿真分析計(jì)算可得到動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)。鑒于篇幅的限制，在對(duì)兩種列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析比較時(shí)，輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪軌垂向力等性能參數(shù)分別取所有輪對(duì)中的最大值，傾覆系數(shù)等其他參數(shù)取車(chē)輛的最大值。從列車(chē)運(yùn)行安全性的角度上考慮，這種比較方法是可行的。

3.1 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性

通過(guò)數(shù)值仿真分析，得到鉸接式及傳統(tǒng)式列車(chē)橫向和垂向的平穩(wěn)性指標(biāo)、振動(dòng)加速度均方根值、最大振動(dòng)加速度，如圖1～3所示。從圖中可以看出，在相同的運(yùn)行環(huán)境下，鉸接式列車(chē)橫向和垂向的平穩(wěn)性指標(biāo)、振動(dòng)加速度均方根值和最大振動(dòng)加速度值等各運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性參數(shù)均符合GB 5599—1985［7］中相關(guān)規(guī)定，而且明顯小于傳統(tǒng)連接方式的列車(chē)。這說(shuō)明了鉸接式列車(chē)在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性方面相對(duì)傳統(tǒng)式的列車(chē)具有明顯的動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)越性。

3.2 曲線通過(guò)性能

通過(guò)數(shù)值仿真分析，列車(chē)在通過(guò)小曲線半徑600 m、超高70 mm情況下的各項(xiàng)曲線通過(guò)性能參數(shù)如圖6～圖11所示。

圖3 列車(chē)橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

圖4 列車(chē)橫向和垂向振動(dòng)加速度均方根值

圖5 列車(chē)橫向和垂向最大振動(dòng)加速度

圖6 列車(chē)最大輪軌橫向力

圖7 列車(chē)最大輪軸橫向力

圖8 列車(chē)最大脫軌系數(shù)

圖9 列車(chē)傾覆系數(shù)

圖10 列車(chē)最大輪重減載率

從圖中可以看出，鉸接式列車(chē)與傳統(tǒng)列車(chē)在曲線通過(guò)性能上相差不大，兩列車(chē)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)均符合GB 5599—1985中的相關(guān)規(guī)定，鉸接式列車(chē)沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。從輪軌橫向力、輪軸橫向力、輪軌垂向力等參數(shù)的對(duì)比中可以看出，鉸接式列車(chē)比傳統(tǒng)式列車(chē)分別大了11.51%、26.84%、3.61%；這說(shuō)明鉸接式列車(chē)的輪軌接觸性能較差，在曲線通過(guò)時(shí)，車(chē)輪與軌道間的磨耗嚴(yán)重，將會(huì)縮短輪對(duì)的使用周期，從而增加軌道的維修頻率，提高維修運(yùn)營(yíng)的成本。此外，傳統(tǒng)式列車(chē)的脫軌系數(shù)和傾覆系數(shù)比鉸接式列車(chē)分別大了8.69%和50%。這說(shuō)明鉸接式列車(chē)的安全性能要好于傳統(tǒng)連接方式的列車(chē)，其脫軌等事故的發(fā)生概率要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)式列車(chē)。

圖11 列車(chē)最大輪軌垂向力

4 結(jié)論

從上述建模、求解和分析可以得到以下結(jié)論：

（1）鉸接式列車(chē)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，即列車(chē)橫向和垂向的平穩(wěn)性指標(biāo)、振動(dòng)加速度均方根值和最大振動(dòng)加速度值均小于傳統(tǒng)式列車(chē)，而且優(yōu)勢(shì)明顯；

（2）鉸接式列車(chē)的曲線通過(guò)性能，相對(duì)與傳統(tǒng)式列車(chē)，輪軌間的磨耗較嚴(yán)重，但是安全性能優(yōu)良，兩者的曲線通過(guò)性能相差不大，沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)SIMPACK建模和數(shù)值仿真分析得到的結(jié)果與實(shí)際基本一致，說(shuō)明了該仿真分析對(duì)比方法的合理性。此方法為其他車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的對(duì)比提供了一種較有效的分析手段。

［1］ 周勁松，任利惠.鉸接式高速列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003（3）：54.

［2］ 周勁松，任利惠.鉸接式高速列車(chē)車(chē)間懸掛參數(shù)優(yōu)化［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（4）：460.

［3］ 李學(xué)良，沈鋼.基于仿真軟件Simulink/SinMechanics的鉸接式列車(chē)動(dòng)力學(xué)建模［J］.城市軌道交通研究，2012（6）：90.

［4］ 繆炳榮，方向華，傅秀通.SIMPACK動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)教程［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008：34.

［5］ 鄔平波，曾京，徐濤.鉸接式高速客車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能研究［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，1996（4）：22.

［6］ 沈繼強(qiáng)，卜繼玲.鉸接式轉(zhuǎn)向架在城軌車(chē)輛中的應(yīng)用研究［J］.電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2007（6）：11.

［7］ GB 5599—1985鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.

Analysis of Articulated Train Dynamics Performance Based on SIMPACK Software

Wang Qunsheng，Zeng Jing，Dong Hao

By using the analysis method of vehicle dynamics simulation and SIMPACKsoftware，a three-car-articulated train with four bogies，and a three-car traditional train with six bogies are simulated，the non-linear dynamic models are established respectively.In this way，the dynamic performance parameters of two different trains are obtained when they run at different speeds in the same operating environment based on SIMPACK are obtained.The results show that，compared with the traditional train，the dynamics performance of the articulated train on a straight track is significantly better，however，on the track with small curve radius，the articulated train has no advantages in the same operating environment.

articulated train；dynamics；SIMPACK；simulation analysis

U 270.1+1

10.16037/j.1007-869x.2015.01.008

2013-03-06）

*“十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2011BAG10B01，2011BAG05B04-A01）；國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB711106）