基于SIMPACK的軌道車輛平穩性研究

王珊珊

摘? 要：應用多體動力學軟件SIMPACK建立某時速160km/h的動車組拖車仿真模型，并施加德國“高干擾”作為軌道激擾，研究了兩系懸掛參數對車輛運行平穩性的影響。研究表明：隨著一系垂向阻尼值的增加，車輛垂向平穩性指標呈現出先減小后增大的趨勢;隨著二系橫向阻尼值的增加，車輛橫向平穩性指標呈現出先減小后增大的趨勢;增大二系彈簧的水平剛度會使車輛的橫向運行平穩性變差;增大二系彈簧垂向剛度會使車輛的垂向平穩性變差。

關鍵詞：動力學仿真;平穩性;SIMPACK軟件;動車組

中圖分類號：U270.1 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0056-02

Abstract： A certain 160km/h speed level intercity Electric Multiple Units （EMU） trailer simulation model is established by using the multi-body dynamic software SIMPACK. Choosing the German high-speed high interference spectrum as excitation， the influence of suspension parameters on vehicle stability are analyzed. The results show that the vertical riding comfort index is first decreasing and then increasing with the increase of primary vertical damping values. The lateral riding comfort index is first decreasing and then increasing with the increase of secondary lateral damping values; the lateral stability of vehicle gets worse when increasing the horizontal stiffness of secondary spring; and the vertical stability of vehicle gets worse when increasing the vertical stiffness of secondary spring.

Keywords： dynamics simulation; stationarity; SIMPACK software; Electric Multiple Units（EMU）

引言

隨著車輛運行速度的不斷提高，帶來的振動也愈加明顯，這些振動傳遞給乘客后，乘客乘坐的舒適度必然受到影響[1]。本文以某時速160km/h的城際動車組為研究對象，依靠仿真軟件SIMPACK建立某城際動車組拖車仿真模型，以德國“高干擾”作為軌道激擾[2]，確定列車在滿足其安全性能的前提下，分析研究了兩系懸掛參數改變時的平穩性變化。

1 平穩性評價指標

平穩性是評價旅客乘坐舒適程度的一個主要依據，我國采用Sperling平穩性指標來評價機車車輛運行的平穩性程度。根據GB5599-1985的相關規定，在距離前后轉向架中心1m處的車體地板上放置加速度傳感器作為采集位置[3]，并將Sperling平穩性指標分為“優”、“良好”、“合格”3個等級[4]，如表1所示。

2 動力學仿真模型的建立

2.1 模型簡化處理

本文充分考慮輪軌接觸幾何關系、輪軌蠕滑等非線性特性，進行簡化處理后生成一個彈簧、阻尼、質量共同組成的新系統。并在建模時提出以下假定：

（1）忽略車體、枕梁、構架、輪對等部件的彈性變形，即將車體等視作剛體。

（2）車體、拖車的兩個轉向架、轉向架的輪對和構架，均視為前后、左右對稱，即不考慮偏心現象。

（3）本文只建立了單節拖車的仿真模型，即忽略車鉤作用力。

（4）將一系懸掛系統簡化成含3個方向（縱向、橫向、垂向）剛度的軸箱彈簧和減振器。

（5）將二系懸掛簡化成含3個方向（縱向、橫向、垂向）剛度的空氣彈簧、二系橫向減振器、抗蛇行減振器等。

（6）忽略鋼軌的彈性變形，并假設拖車勻速運行。

2.2 模型名義力及自由度分析

通過對拖車進行名義力計算，得出其最大殘余加速度遠小于0.01m/s2，可知所建拖車模型正確。

該拖車模型由1個車體、2個構架、4個輪對、8個轉臂軸箱等多個剛體組成。其中，車體、構架、輪對分別具有6個自由度（縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭），轉臂軸箱則只有1個自由度（點頭），枕梁沒有自由度（枕梁采用了0號鉸接固定在相應空間位置）。綜上所述，單節拖車共有50個自由度。

2.3 參數設置

本文采用S1002CN型車輪踏面，與我國標準的60kg/m軌道型面相匹配，線路設置為直線，長度為2000m，拖車速度為160km/h，仿真時間為20s。

3 車輛運行平穩性分析

3.1 一系懸掛參數對車輛運行平穩性影響

本文主要研究一系垂向減振器阻尼、一系水平定位剛度對車輛運行平穩性的影響。在SIMPACK環境下，采用6號力元（6：Spring-Damper Serial PtP）模擬一系垂向減振器阻尼，43號力元（43：Bushing Cmp）模擬一系縱向/橫向定位剛度，通過SIMPACK-MATLAB聯合仿得到的結果如圖1所示。

從圖1（a）可知，一系垂向減振器阻尼變化對垂向平穩性指標有影響，平穩性指標呈現出先減小后增大的趨勢;隨著一系縱向定位剛度值和一系橫向定位剛度值的增加，車輛的垂向運行平穩性基本不發生改變;從圖1（b）可知，車輛橫向運行平穩性隨著一系水平定位剛度值的增加略微得到改善，但變化量極小，且平穩性指標均在2.5以下，滿足GB5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》中對平穩性的規定。

3.2 二系懸掛參數對車輛運行平穩性影響

本文主要分析抗側滾扭桿剛度、二系橫向減振器阻尼、二系彈簧水平定位剛度、二系彈簧垂向定位剛度等參數對車輛運行平穩性的影響。采用6號力元模擬二系橫向減振器阻尼，5號力元模擬二系彈簧水平/垂向定位剛度，13號力元（13：Spring-Damp Rot Meas Inp Cmp）模擬抗側滾扭桿剛度，得到的結果如下。

從圖2（a）可知，改變抗側滾扭桿剛度值和二系彈簧垂向剛度值，橫向平穩性指數基本不變;隨著二系橫向阻尼的增加，平穩性呈現出先變好后變壞的趨勢;二系水平剛度值的增加會使車輛橫向運行平穩性變差;從圖2（b）可知，二系彈簧的水平定位剛度值和抗側滾扭桿扭轉剛度值的改變對車輛垂向運行平穩性無影響;垂向平穩性指標隨著二系垂向定位剛度的增加而單調遞增。

4 結束語

本文應用多體動力學分析軟件SIMPACK建立了某城際動車組拖車模型，仿真分析了一系、二系懸掛參數改變對車輛運行平穩性的影響。得出以下結論：（1）一系垂向減振器阻尼值、二系橫向減振器阻尼值的改變，對車輛運行平穩性有影響。車輛的垂向平穩性指標隨著一系垂向阻尼值的增加呈現出先減小后增大的趨勢，車輛的橫向平穩性指標同樣隨著二系橫向阻尼值的增加呈現出先減小后增大的趨勢。（2）增大二系彈簧的水平剛度會使車輛的橫向平穩性變差，增大二系彈簧的垂向剛度會降低車輛的垂向平穩性。（3）一系縱向定位剛度、一系橫向定位剛度、抗側滾扭桿扭轉剛度值的變化，對車輛運行平穩性幾乎無影響。

參考文獻：

[1]西川弘泰，高魁源.用于乘坐舒適度評價的車輛運行振動分析方法[J].國外鐵道車輛，2000（2）：29-35.

[2]鄭培治，祖炳潔，楊建福，等.不同軌道隨機激勵下的車輛動力學性能仿真研究[J].價值工程，2015（36）：217-220.

[3]康熊，劉秀波，李紅艷，等.高速鐵路無砟軌道不平順譜[J].中國科學：技術科學，2014（07）：687-696.

[4]王福天.車輛系統動力學[M].北京：中國鐵道出版社，1994.