高速動車轉向架動力學性能SIMPACK仿真建模與分析*

張 孟 張 輪 羅意平 董德存

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海;2.中南大學交通運輸工程學院，410075，長沙//第一作者，碩士研究生)

轉向架直接承載車體自重和載重，引導車輛沿軌道運行同時保證車輛順利通過曲線，是高速動車最重要的部件之一，其動力學性能的好壞直接決定了高速列車運行的穩定性、平穩性和安全性。在未來5～10年內，我國高鐵將達 1.8 萬 km，國內市場對高速動車的需求量巨大。掌握高速動車組轉向架的動力學性能分析方法和重要特征參數分布特性，已成為高速動車行業關鍵裝備制造、轉向架動力學設計優化及運營服務升級中亟待解決的問題。

國內外對鐵道車輛轉向架動力學性能分析的研究主要分為兩類，其分別基于數值計算或計算機仿真對轉向架動力學性能進行評估。文獻［1］采用動力學仿真分析和線路動力學試驗相結合的方法，研究一系橡膠墊定位剛度對轉K6 型轉向架運動穩定性的影響。文獻［2］通過線性分析的方法研究了一系、二系垂向減振器的各參數對車體的頻率響應和垂向平穩性的影響。文獻［3］采用SIMPACK 建立了6 軸機車動力學模型，比較了單拉桿和雙拉桿軸箱定位方式對機車非線性穩定性、直線運行性能和曲線通過性能的影響。文獻［4］利用ADAMS 建立CRH5 型動車組的轉向架及整車的動力學仿真模型，重點分析不同輪軌匹配參數及輪對定位方式對整車動力學性能的影響。文獻［5］研究了高速軌道車輛采用一系縱向主動控制時的抗蛇形穩定性，著重分析了一系懸掛參數對車輛動力學性能的影響。眾多學者對鐵道車輛的動力學性能進行了分析研究，但面向高速列車動力學性能的研究相對較少。受限于傳統動力學微分方程的求解難度，采用多體動力學分析軟件等進行可視化、模塊化的計算機仿真建模在高速動車動力學分析中快速發展，但是已有的仿真研究多數只分析應用案例的某方面具體影響因素，缺乏系統性的綜合分析。

為掌握高速動車組拖車轉向架設計的重要特征參數，科學評估其動力學性能水平，提出高速動車轉向架動力學性能的SIMPACK 仿真建模與分析方法。該方法依托鐵道車輛動力學性能評定方法，立足高速動車運行穩定性和平穩性，提出高速動車動力學性能的評價指標，并研究基于SIMPACK 的轉向架動力學性能仿真建模技術及分析流程。以CRH2 型動車組(以下簡為“CRH2”)的車輪踏面類型及一系、二系懸掛系統參數為例，獲取臨界速度、脫軌系數、軌重減載率等5 類指標參數，全面分析四類踏面類型、一系縱向及橫向定位剛度、一系垂向減振器阻尼值、二系空氣彈簧的剛度和二系橫向減振器阻尼等對轉向架動力學性能的影響，并對提出的建模及分析方法進行效用評價。

1 高速動車組動力學性能的評定指標

鐵道車輛的動力學性能主要通過運行的穩定性、平穩性和曲線通過能力三方面進行綜合評定。安全性是車輛運行的基本要求，要求車輛在直線和曲線軌道上運行時必須保持穩定，且具有良好的曲線通過能力。而車輛運行的平穩性用于確保旅客乘坐的舒適性。

1.1 車輛運行穩定性的評定

保障車輛運行的穩定性可分為防止蛇形運動的穩定性、防止脫軌的穩定性、防止車輛傾覆的穩定性［6］，相應的評定指標如下:

(1)蛇形運動臨界速度。車輛的蛇形運動臨界速度Vcr必須遠高于其最高運行速度Vmax。CRH2 實際最高運行速度為200 km/h，蛇形臨界速度為300 km/h。

(2)脫軌系數。脫軌系數表征車輛是否在脫軌的安全限度內。根據95J01—M《高速試驗列車客車強度及動力學性能規范》［7］，取高速動車組的脫軌系數(Q/P)≤0.8。

(3)輪重減載率。脫軌系數不能表征一側車輪嚴重減載時造成的列車脫軌，為此引入車輛的輪重減載率(ΔP/P)以綜合度量列車脫軌可能性。根據我國95J01—M 標準中輪重減載率安全限定值的規定，取 ΔP/P≤0.6。

1.2 車輛運行平穩性的評定

客車運行品質的標準如表1所示［8］。其中，車體振動加速度(橫向加速度aL和垂向加速度aV)是評定車輛運行平穩性最直接的方法，而動荷系數用于描述車輛運行的相對品質。選取aL和aV作為平穩性的評定指標。

2 高速動車組動力學仿真建模及分析

2.1 多體系統動力學建模

機車車輛多體系統的動力學建模和仿真過程，就是通過對車體、構架等剛柔體，以及約束、力元等元素的定義來確定機車車輛部分組件特性及其連接關系，從而形成一系列的動力學方程并求解其形成的微分方程［9］。對于復雜的多自由度系統，應用多體動力學仿真方法來求解其動力學方程已成為一種理想方法。多體動力學分析軟件SIMPACK 具有強大的復雜動力學建模能力，其基本原理是創建多體動力學系統的若干振動方程，再應用多種不同的數值分析程序求解，進而產生有效解。

表1 客車運行品質評定標準及指標

2.2 高速動車動力學仿真建模

鐵道車輛系統是一個多體及多自由度的復雜機械系統，為了盡可能準確地體現高速動車的動力學性能，方便對其進行計算和分析，在車輛動力學建模時，包括如下理性假設［10］:

(1)同一車體的前后轉向架在結構和參數方面是完全相同的，且對稱于車體的中心;

(2)將車輛系統中轉向架的構架、輪對、車體等部件均看作剛體，不考慮其彈性變形;

(3)只考慮鋼軌的不平順激擾，而不考慮其彈性變形。

因而，可將高速動車系統看作一個多剛體系統，包括1 個車體、2 個轉向架構架及4 個輪對，車體與轉向架之間由二系懸掛連接，轉向架構架與輪對軸箱之間由一系懸掛連接。

2.3 分析流程

高速動車轉向架動力學性能的SIMPACK 仿真建模分析流程如圖1所示。在獲得必要的高速動車轉向架及車體技術參數后，首先采用理性假設簡化車輛系統，包括定義各剛體的基本屬性、定義體結構的三維幾何形狀數據、確定鉸接、施加力元及施加傳感器、設置約束及構建多體元素的拓撲關系;接著利用SIMPACK 建立車輛系統的動力學仿真模型，并定義系統運動微分方程的分析方法;再根據車輛動力學性能的評價指標，設計不同試驗條件并進行仿真，計算各場景下評定指標的性能值;最后綜合分析車輛動力學性能(穩定性和平穩性)在關鍵影響因素作用下的分布特性。

圖1 高速動車轉向架動力學性能的SIMPACK 仿真建模分析流程

3 應用舉例

3.1 實例描述

CRH2 實際最高運營速度為200 km/h，采用8 輛編組和2 個動力單元，每個動力單元由2 節動車和2節拖車(T-M-M-T)組成。以SKTB-200 型拖車轉向架(見圖2 a))作為分析的基本結構，根據CRH2拖車轉向架和車體的主要技術參數［11］，CRH2 拖車的SIMPACK 動力學仿真模型如圖2 b)所示。

圖2 CRH2 拖車轉向架基本結構及其SIMPACK 動力學仿真模型

3.2 試驗設計

影響車輛動力學性能的因素眾多，合適的踏面類型能減少輪軌之間的磨耗，降低其制造和維修成本;合適的懸掛參數能夠提高車輛運行的穩定性和平穩性，在保證乘客安全舒適的同時，可延長車輛及鋼軌的壽命。因而，選擇合適的車輪踏面類型和懸掛系統參數，對高速動車的動力學性能起著關鍵作用。本文設計多種場景對此兩類參數進行綜合分析。仿真試驗條件設計如下:

(1)車輪踏面類型。分析LMA、LM、S1002 和S1002G 四種踏面類型。四種踏面與我國60 kg/m鋼軌匹配后的輪軌接觸關系如圖3所示，其輪軌接觸關系具有較大的差異。為分析車輪踏面類型對車輛運行穩定性和平穩性的影響，仿真條件設置為:車輛在2 000 m 的直線軌道上以200 km/h 的速度運行，積分時間為10 s，軌道不平順選用德國高干擾軌道譜。在四種車輪踏面類型下分別進行SIMPACK仿真，計算其臨界速度值、車體振動的垂向和橫向加速度。同時，為分析車輛脫軌系數和輪重減載率，設車輛在表2所示的曲線軌道上運行(計算模型及參數條件與直線軌道相同)，并在四種踏面類型下進行仿真。

圖3 四種類型踏面與60 kg/m 鋼軌的輪軌接觸關系

表2 曲線軌道參數設置

(2)懸掛系統參數。高速動車轉向架的懸掛系統包括一系懸掛和二系懸掛。對于一系懸掛系統，以臨界速度、脫軌系數和輪重減載率為評價指標，分析一系軸箱彈簧的縱向和橫向定位剛度對車輛運行的穩定性及曲線通過能力的作用強度;以垂向加速度為評定指標，分析軸箱減振器的垂向阻尼值對車輛運行平穩性的作用強度。對于二系懸掛系統，分析空氣彈簧的水平剛度和垂向剛度對車輛運行平穩性的作用強度;同時，考慮二系橫向液壓減振器旨在抑制車體的搖頭和橫移，以車體振動橫向加速度為評定指標，分析橫向減振器的阻尼值對車輛運行平穩性的影響。

3.3 結果分析

3.3.1 不同車輪踏面類型對車輛運行穩定性及平穩性的影響

3.3.1.1 車輛運行穩定性分析

四種踏面類型的車輛臨界速度、脫軌系數及輪重減載率如圖4所示。LMA 型踏面的車輛臨界速度最高，S1002G 型踏面的車輛臨界速度最低。這是因為不同踏面類型的踏面錐度不同(LMA ＜S1002 ＜LM ＜S1002G)，而踏面錐度決定了不同踏面的輪軌接觸關系，進而導致車輛臨界速度有所不同。對于脫軌系數和輪重減載率，LMA 型最大，S1002G 型最小，即采用S1002G 踏面的曲線通過能力比LMA 踏面好。由圖4知，四種踏面類型所得的臨界速度均高于其運行速度200 km/h，脫軌系數和輪重減載率均小于0.8，滿足規定的安全限定值;踏面的等效錐度越小，車輛臨界速度越高，但曲線通過能力越差。

圖4 四種踏面類型的車輛臨界速度、脫軌系數及輪重減載率

3.3.1.2 車輛運行平穩性分析

四種踏面類型的車體振動加速度如圖5所示。受限于不同踏面類型的踏面錐度，LMA 型踏面的車體振動橫向和垂向加速度最小，S1002G 型踏面的最大，且車體振動的橫向加速度均大于垂向加速度。這表明采用LMA 型踏面車體的平穩性較好，且車輛的垂向平穩性優于橫向平穩性。分析顯示:四種踏面車體的加速度均具有優等的運行品質，踏面錐度越小，車輛運行的車體振動加速度越小，即車輛運行平穩性變好。

3.3.2 一系懸掛系統參數對車輛運行穩定性與平穩性的影響

3.3.2.1 車輛運行穩定性分析

在不同的一系縱向和橫向定位剛度下，車輛臨界速度、脫軌系數及輪重減載率的變化如圖6所示。可見，隨著一系縱向定位剛度的增大，車輛臨界速度迅速增大，但一系縱向定位剛度達12 MN/m 后，臨界速度趨于穩定，脫軌系數呈逐漸增大趨勢，而輪重減載率則呈逐漸減小趨勢。這表明增大一系縱向定位剛度可提高車輛臨界速度，但不利于曲線通過，在12 MN/m時車輛臨界速度和曲線通過能力的綜合性能最好。隨著一系橫向定位剛度的增大，車輛的臨界速度及輪重減載率減小，脫軌系數則逐漸增大，但整體變化幅度均較小。這表明增大一系橫向定位剛度對臨界速度作用不大，但對曲線通過能力有較顯著影響，一系橫向定位剛度為7 MN/m 時，臨界速度和曲線通過能力的綜合性能較好。

圖5 四種踏面類型的車體振動加速度

圖6 臨界速度、脫軌系數及輪重減載率隨一系縱向和橫向定位剛度的變化

3.3.2.2 車輛運行平穩性分析

車體振動垂向加速度隨一系垂向阻尼值的變化如圖7所示。在一系垂向減振器阻尼值為20 kN·s/m時，垂向加速度最小，即車輛的垂向平穩性最好。

圖7 車體垂向加速度隨一系垂向阻尼的變化

3.3.3 二系懸掛系統參數對車輛運行平穩性的影響

3.3.3.1 空氣彈簧剛度的影響

車體振動加速度隨空氣彈簧水平和垂向剛度的變化如圖8所示。隨著空氣彈簧水平剛度的增大，車體振動橫向和垂向加速度均逐漸增大，當水平剛度值大于0.2 MN/m 時，橫向加速度迅速增大，且增大幅度顯著大于垂向加速度，說明空氣彈簧的水平剛度顯著影響橫向平穩性。

3.3.3.2 二系橫向減振器阻尼的影響

車體振動橫向加速度隨二系橫向減振器阻尼值的變化如圖9所示。隨著二系橫向減振器阻尼值的增大，車體振動橫向加速度先減小后增大，存在顯著的極值特征點(阻尼值為50 kN·s/m)，此時車體振動橫向加速度值最小，車輛的橫向平穩性最好。

圖9 車體橫向加速度隨二系橫向減振器阻尼的變化

4 結語

為科學分析高速動車組轉向架的動力學性能，提出基于SIMPACK 的高速動車轉向架動力學性能的仿真建模與分析方法。依托鐵道車輛動力學性能評定方法，構建高速動車運行穩定性和平穩性的評定指標體系，并研究轉向架動力學性能的SIMPACK仿真建模及分析流程。以CRH2 拖車轉向架為基本結構，提取臨界速度、脫軌系數、軌重減載率等5 類參數為評定指標，分析其四類車輪踏面類型和五類一系及二系懸掛系統對轉向架動力學性能的影響。分析結果表明，車輪踏面類型、一系和二系懸掛參數對CRH2 車輛動力學性能有顯著影響，且在不同的影響因素作用下，車輛運行穩定性和平穩性往往是多目標優化問題，在保障車輛運行穩定性的前提下，應盡可能提升車輛運行平穩性。

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