基于SIMPACK鉸接式列車的動力學性能分析*

汪群生 曾 京 董 浩

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，610031，成都∥第一作者，博士研究生）

基于SIMPACK鉸接式列車的動力學性能分析*

汪群生 曾 京 董 浩

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，610031，成都∥第一作者，博士研究生）

利用車輛動力學仿真試驗的分析方法，運用SIMPACK軟件分別對三車四轉向架的鉸接式列車和三車六轉向架的傳統列車建立非線性動力學仿真模型，得到兩種不同連接方式的列車在相同的運行環境下以不同速度運行時的動力學性能參數。結果表明，與傳統連接方式的列車比較，在相同的運行環境下，鉸接式列車在平直軌道上的動力學性能明顯優于傳統式列車，而在小曲線半徑的軌道上，鉸接式列車的動力學性能不具有優勢。

鉸接式列車；動力學；SIMPACK；仿真分析

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

過去對鉸接式列車動力學性能的研究主要是采用面對對象的建模技術。即基于MATLAB/ SIMULINK建立了單車以及車組的動力學模型［1，2］，或者是利用Simulink/SimMechanics建立動力學模型［3］，但是建模過程都比較復雜。SIMPACK是一款多體動力學分析軟件。研究人員使用該軟件可快速建立動力學模型，隨即自動形成動力學方程，并得到系統的動態特性或頻域特性。該軟件采用先進的相對坐標系建模，求解迅速，當模型的零件增多時，優勢尤為明顯，且采用核心遞歸算法保證了求解的穩定性和可靠性［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非線性動力學模型，然后通過數值仿真，分別得到兩個模型的動力學性能參數，從而分析得出兩者車輛間連接方式的動力學性能指標（主要包括非線性輪軌接觸幾何關系、非線性輪軌相互作用力和非線性懸掛力［5］）。

1 鉸接式列車動力學模型

鉸接式列車的轉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。頭車和尾車是動車，中間車是拖車，車輛之間采用具有鉸接結構的轉向架，即相鄰兩車端共用一臺轉向架［6］，如圖1所示。建模過程中，輪對、軸箱、構架和車體等部件的彈性比懸掛系統的彈性要小的多，故均假設為剛體，不考慮其彈性變形。鉸接式列車的動力學模型由3個車體、4個構架、16個軸箱、8個輪對共31個剛體組成。其中，車體取6個自由度，即縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭。構架取6個自由度；軸箱取1個自由度，即點頭；由于輪對的垂向和側滾運動是非獨立運動，因此輪對取4個自由度，即縱向、橫向、點頭、搖頭。該列車動力學模型共有90個自由度。

2 傳統列車動力學模型

為了使研究結果更能說明問題，傳統連接方式的列車采用了與鉸接式列車具有相同懸掛方式的轉向架，且車體、轉向架等結構參數相同的列車非線性動力學模型，每節車輛由兩個轉向架支撐，如圖2所示。傳統列車的建模方法與鉸接式列車的建模方法相同。傳統列車的動力學模型由3個車體、6個構架、24個軸箱、12個輪對共45個剛體組成。車體取6個自由度，即縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭；構架取6個自由度；軸箱取1個自由度，即點頭；輪對取4個自由度，即縱向、橫向、點頭、搖頭。該列車動力學模型共有126個自由度。

圖1 鉸接式列車的動力學模型

圖2 傳統連接方式列車的動力學模型

3 計算結果對比分析

通過建立上述模型，利用數值仿真分析計算可得到動力學性能參數。鑒于篇幅的限制，在對兩種列車的動力學性能進行分析比較時，輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數和輪軌垂向力等性能參數分別取所有輪對中的最大值，傾覆系數等其他參數取車輛的最大值。從列車運行安全性的角度上考慮，這種比較方法是可行的。

3.1 運動穩定性

通過數值仿真分析，得到鉸接式及傳統式列車橫向和垂向的平穩性指標、振動加速度均方根值、最大振動加速度，如圖1～3所示。從圖中可以看出，在相同的運行環境下，鉸接式列車橫向和垂向的平穩性指標、振動加速度均方根值和最大振動加速度值等各運動平穩性參數均符合GB 5599—1985［7］中相關規定，而且明顯小于傳統連接方式的列車。這說明了鉸接式列車在運動穩定性方面相對傳統式的列車具有明顯的動力學性能優越性。

3.2 曲線通過性能

通過數值仿真分析，列車在通過小曲線半徑600 m、超高70 mm情況下的各項曲線通過性能參數如圖6～圖11所示。

圖3 列車橫向和垂向平穩性指標

圖4 列車橫向和垂向振動加速度均方根值

圖5 列車橫向和垂向最大振動加速度

圖6 列車最大輪軌橫向力

圖7 列車最大輪軸橫向力

圖8 列車最大脫軌系數

圖9 列車傾覆系數

圖10 列車最大輪重減載率

從圖中可以看出，鉸接式列車與傳統列車在曲線通過性能上相差不大，兩列車的各項動力學參數均符合GB 5599—1985中的相關規定，鉸接式列車沒有明顯的優勢。從輪軌橫向力、輪軸橫向力、輪軌垂向力等參數的對比中可以看出，鉸接式列車比傳統式列車分別大了11.51%、26.84%、3.61%；這說明鉸接式列車的輪軌接觸性能較差，在曲線通過時，車輪與軌道間的磨耗嚴重，將會縮短輪對的使用周期，從而增加軌道的維修頻率，提高維修運營的成本。此外，傳統式列車的脫軌系數和傾覆系數比鉸接式列車分別大了8.69%和50%。這說明鉸接式列車的安全性能要好于傳統連接方式的列車，其脫軌等事故的發生概率要遠小于傳統式列車。

圖11 列車最大輪軌垂向力

4 結論

從上述建模、求解和分析可以得到以下結論：

（1）鉸接式列車的運動穩定性，即列車橫向和垂向的平穩性指標、振動加速度均方根值和最大振動加速度值均小于傳統式列車，而且優勢明顯；

（2）鉸接式列車的曲線通過性能，相對與傳統式列車，輪軌間的磨耗較嚴重，但是安全性能優良，兩者的曲線通過性能相差不大，沒有明顯的優勢。

通過SIMPACK建模和數值仿真分析得到的結果與實際基本一致，說明了該仿真分析對比方法的合理性。此方法為其他車輛動力學性能的對比提供了一種較有效的分析手段。

［1］ 周勁松，任利惠.鉸接式高速列車運行平穩性［J］.交通運輸工程學報，2003（3）：54.

［2］ 周勁松，任利惠.鉸接式高速列車車間懸掛參數優化［J］.同濟大學學報，2003（4）：460.

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

［4］ 繆炳榮，方向華，傅秀通.SIMPACK動力學分析基礎教程［M］.成都：西南交通大學出版社，2008：34.

［5］ 鄔平波，曾京，徐濤.鉸接式高速客車的動力學性能研究［J］.鐵道機車車輛，1996（4）：22.

［6］ 沈繼強，卜繼玲.鉸接式轉向架在城軌車輛中的應用研究［J］.電力機車與城軌車輛，2007（6）：11.

［7］ GB 5599—1985鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范［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”國家科技支撐項目（2011BAG10B01，2011BAG05B04-A01）；國家973計劃項目（2011CB711106）