王珊珊

摘? 要：文章以某城際動(dòng)車組為研究對(duì)象，依靠多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立單節(jié)拖車仿真模型，并對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明：非線性臨界速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌橫向力等指標(biāo)均在規(guī)定的安全限值以內(nèi)。此外，應(yīng)用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行舒適性，得出該動(dòng)車組的橫向和垂向運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)均為“優(yōu)”，且車輛橫向運(yùn)行平穩(wěn)性優(yōu)于垂向運(yùn)行平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組;動(dòng)力學(xué)仿真;安全性;舒適性

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0024-02

Abstract： An intercity EMU is regarded as the research object in this paper. A single trailer simulation model is established and vehicle dynamicsperformance are analyzed by using SIMPACK. The simulation results show that the non-linear critical speed， derailment coefficient， wheel load reduction rate， wheel axle lateral force， wheel rail lateral force and other indicators are all within the specified safety limits. In addition， it is concluded that the horizontal and vertical running stability of the EMU is "excellent" by using the Sperling stability index to evaluate the running comfort of the vehicle， and the horizontal running stability of the vehicle is better than the vertical running stability.

Keywords： EMU; dynamics simulation; safety; comfort

1 SIMPACK軟件介紹

多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK可進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，模擬整車的系統(tǒng)振動(dòng)特性、各構(gòu)件的受力情況等等，特別是輪軌模塊（Wheel/Rail）應(yīng)用十分廣泛。此外，SIMPACK 還可與 ANSYS、MATLAB等軟件進(jìn)行接口。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、穩(wěn)定、可靠[1]。

2 動(dòng)車組仿真模型的建立

2.1 建立輪對(duì)模型

在SIMPACK的輪軌模塊中，通過(guò)體（Body）設(shè)置輪對(duì)的物理屬性（質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等），然后定義左右輪軌關(guān)系，選擇車輪踏面為S1002CN、軌道型面為60kg/m，輸入相關(guān)參數(shù)，最后在輪對(duì)上創(chuàng)建mark點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 建立轉(zhuǎn)向架模型

定義構(gòu)架的物理特性、外形及構(gòu)架上mark點(diǎn)坐標(biāo)，導(dǎo)入輪對(duì)模型，建立軸箱并確定軸箱mark點(diǎn)，軸箱定位方式為轉(zhuǎn)臂式，將軸箱與輪對(duì)鉸接（Joint）在一起，構(gòu)架和轉(zhuǎn)臂軸箱上對(duì)應(yīng)的mark點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)力元（Force）形式連接，將一系軸箱彈簧簡(jiǎn)化為5號(hào)力元，一系垂向減振器簡(jiǎn)化為6號(hào)力元形式。

在建立二系懸掛系統(tǒng)時(shí)引入虛車體（為了避免二系懸掛系統(tǒng)重復(fù)做兩次），同樣在虛車體和構(gòu)架上分別創(chuàng)建空氣彈簧、二系橫向減振器、抗蛇形減振器、橫向止擋、抗側(cè)滾扭桿、牽引拉桿等部件對(duì)應(yīng)的mark點(diǎn)坐標(biāo)。

本文假設(shè)抗蛇形減振器阻尼力具有非線性特性，橫向止擋的止擋力變化與橫向止擋的位移同樣呈非線性特性，其他部件均作線性化處理。對(duì)于非線性元件，具體做法如下：選擇線性插值函數(shù)（Linear Interpolation）的形式，輸入函數(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的相應(yīng)橫縱坐標(biāo)，通過(guò)將輸入函數(shù)（Output Function）調(diào)用到力元（Forces）中來(lái)設(shè)置橫向止擋、抗蛇行減振器等非線性力。同樣將車體和轉(zhuǎn)向架上對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)力元形式連接起來(lái)，將空氣彈簧、橫向止擋簡(jiǎn)化為5號(hào)力元，抗蛇形減振器、二系橫向減振器簡(jiǎn)化為6號(hào)力元，Z型牽引拉桿簡(jiǎn)化為5號(hào)力元，抗側(cè)滾扭桿簡(jiǎn)化為13號(hào)力元。

2.3 建立車體模型

輸入車體的質(zhì)量等物理特性，導(dǎo)入前后轉(zhuǎn)向架，移動(dòng)子結(jié)構(gòu)下的輪對(duì)、構(gòu)架至正確的位置，修改部分參數(shù)，整車模型建好，所建拖車模型如下圖1所示。

2.4 名義力分析

一系軸箱彈簧、二系空氣彈簧均考慮x（縱向）、y（橫向）、z（垂向）三個(gè)方向的力元，轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)考慮x、y兩個(gè)方向力元，稱重之后，得出其最大殘余加速度遠(yuǎn)小于0.01m/s2，說(shuō)明所建拖車模型正確。

2.5 添加激勵(lì)，制作PSD

在SIMPACK中導(dǎo)入軌道激勵(lì)數(shù)據(jù)文件，或用功率譜密度函數(shù)PSD來(lái)描述軌道不平順，在PSD中輸入軌道譜的多項(xiàng)式系數(shù)。本文以德國(guó)高速高干擾軌道譜（適用速度250km/h以下）作為軌道激擾。

3 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算與分析

3.1 穩(wěn)定性分析

臨界速度是評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的最直接指標(biāo)，是保障車輛安全舒適運(yùn)營(yíng)的前提。由于車輛在運(yùn)行時(shí)往往表現(xiàn)出非線性特性，本文主要介紹非線性臨界速度的計(jì)算，具體方法為：新建一個(gè)力元（大小為車體質(zhì)量的一半），以正弦激勵(lì)作為激擾（長(zhǎng)度為50m），車輛以較高的初始速度通過(guò)軌道不平順后，繼續(xù)在直線軌道上運(yùn)行，在新建力元的作用，拖車的運(yùn)行速度逐漸衰減，最終可根據(jù)輪對(duì)的橫移量判斷模型是否收斂以及車輛非線性臨界速度的數(shù)值。

本文以某城際動(dòng)車組為研究對(duì)象，通過(guò)計(jì)算分析可知車輛的非線性臨界速度為308km/h，遠(yuǎn)高于車輛的最高運(yùn)行速度200km/h，可知車輛系統(tǒng)運(yùn)行安全平穩(wěn)，無(wú)蛇形失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 安全性分析

一般以脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌橫向力等作為評(píng)定車輛運(yùn)行安全性能的重要指標(biāo)[2]。在仿真模型中，曲線線路的設(shè)置如下：直線（100m）-緩和曲線（240m）-圓曲線（500m）-緩和曲線（240m）-直線（500m），曲線半徑為1500m，外軌超高為120mm，車輛運(yùn)行速度為160km/h，仿真時(shí)間為25s，保存模型，離線積分。在SIMPACK軟件后處理中打開模型，依次選擇前轉(zhuǎn)向架前輪對(duì)的左右輪受到的輪軌橫向力、輪軸橫向力等，并按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行濾波，得到的仿真數(shù)據(jù)如下所示。

（1）脫軌系數(shù)是指在某時(shí)刻輪對(duì)一側(cè)車輪的橫向力和車輪垂向力的比值，它是評(píng)價(jià)脫軌幾率的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)計(jì)算可知車輛脫軌系數(shù)為0.334，小于95J01-M《高速試驗(yàn)列車客車強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)性能規(guī)范》中規(guī)定脫軌系數(shù)的安全限值0.8。

（2）僅依靠脫軌系數(shù)不能全面判斷車輛運(yùn)行是否安全，因此還需要引入輪重減載率（減載一側(cè)的車輛輪重減載量與輪對(duì)平均靜輪重的比值）來(lái)全面衡量車輛脫軌的可能性[3]。通過(guò)計(jì)算可知?jiǎng)榆嚱M輪重減載率為0.261，小于95J01-M《高速試驗(yàn)列車客車強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)性能規(guī)范》中規(guī)定的輪重減載率安全限值0.6。

（3）輪軸橫向力過(guò)大會(huì)使線路變形失穩(wěn)，因此必須對(duì)其進(jìn)行限制。根據(jù)我國(guó)《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定[4]，此模型的輪軸橫向力安全限值為61kN，通過(guò)計(jì)算可知車輛的輪軸橫向力為20.9kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其安全評(píng)定限度值。

（4）隨著車輛運(yùn)行速度的提高，線路條件不斷惡化，輪軌橫向力過(guò)大可能會(huì)損壞扣件，甚至引起軌道橫移，造成脫軌現(xiàn)象的發(fā)生，因此必須對(duì)輪軌橫向力進(jìn)行限制。通常取0.4倍軸重作為輪軌橫向力的允許限值，本文所建拖車模型軸重為14t，通過(guò)計(jì)算可知該拖車的輪軌橫向力（23.1kN）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其安全限值（54kN）。

3.3 舒適性分析

衡量車輛動(dòng)力學(xué)性能的另一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)是車輛運(yùn)行的舒適性。在仿真模型中，軌道設(shè)置為直線，長(zhǎng)度設(shè)置為2000m，仿真時(shí)間設(shè)置為20s，拖車運(yùn)行速度為160km/h。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB5599-1985的相關(guān)規(guī)定，在距離前后轉(zhuǎn)向架中心1m處的車體地板上安裝加速度傳感器作為采集位置，保存模型，離線積分。在SIMPACK后處理中打開離線積分文件，將傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)（橫向加速度、垂向加速度）導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行平穩(wěn)性計(jì)算，通過(guò)SIMPACK-MATLAB聯(lián)合仿真測(cè)得的數(shù)據(jù)如下。

經(jīng)計(jì)算，該模型車橫向平穩(wěn)性指標(biāo)為1.8596，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)為2.2661，說(shuō)明該動(dòng)車組車輛沿一定軌道運(yùn)行時(shí)橫向和垂向運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)均為“優(yōu)”，且在計(jì)算時(shí)間內(nèi)，車輛橫向運(yùn)行平穩(wěn)性優(yōu)于垂向運(yùn)行平穩(wěn)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某城際動(dòng)車組為研究對(duì)象，依靠多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立單節(jié)拖車仿真模型，并對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：非線性臨界速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌橫向力等指標(biāo)均在規(guī)定的安全限值以內(nèi)。此外，應(yīng)用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行舒適性，得出該動(dòng)車組的橫向和垂向運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)均為“優(yōu)”。

此外，為科學(xué)分析城際動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能，在今后的研究工作中，應(yīng)考慮建立整列車的仿真模型，并充分考慮個(gè)別部件的彈性振動(dòng)，考慮車輛-軌道耦合，以提高仿真的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]寇麗君.運(yùn)用SIMPACK軟件仿真的動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)電教育創(chuàng)新，2018（12）：136

[2]嚴(yán)雋耄.車輛工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[3]張孟，張輪.高速動(dòng)車轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能SIMPACK仿真建模與分析[J].城市軌道交通研究，2015（10）：36-41.

[4]王福天.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1994.