SIMPACK在動車組工藝轉向架動力學性能分析中的應用

河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室 唐山學院 戴 俊

根據動車組檢修需要，新研制的動車組工藝轉向架主要包括車體、構架、車輪、軸箱、定位裝置以及U型橫梁等。定位裝置等構架坐落在軸箱上面，構架上有橫梁用來支撐車體，橫梁上的支撐裝置可以沿寬度方向相對運動，滿足不同車體寬度的要求。橫梁為支撐車體的主體機構，由上心盤、中心銷等構成，橫梁通過心盤與構架連接，它可以相對構架搖頭和微幅側滾。

本文針對動車組工藝轉向架工作運行的線路特點，對其運動穩定性、運行平穩性和曲線通過安全性進行全面校核計算。本次計算考慮工藝轉向架裝載CRH1、CRH2、CRH3、CRH5四種典型車體工況。考慮帶回轉旁承和不帶回轉旁承兩種類型，對帶回轉旁承的工藝轉向架，進行9號道岔的通過安全性分析。

1 動力學說明

依據國標GB5599-85“鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范”，需要達到的有關動力學性能指標如下：車輛橫向和垂向平穩性指標≤2.5；脫軌系數Q/P≤1.2（第一限度），Q/P≤1.0（第二限度）；輪重減載率 ΔP/P≤0.65（第一限度） ，ΔP/P≤0.60（第二限度）；傾覆系數D＜0.8。

輪軸橫向力的限制值：

式(1)中：H——輪軸橫向力（構架力），單位kN；Pst1，Pst2——左右車輪靜載荷，單位kN。

據此，動車組工藝轉向架車輪軌力的限制如表1所示。

表1 輪軌橫向力允許值（KN）

另外，要求車輛系統的蛇行失穩臨界速度要高于其最高運行速度，并且應具有足夠的余量。

2 車輛系統非線性數學模型的建立

輪軌接觸幾何參數表現為輪對橫向位移的線性函數，因此，用輪對橫向位移量表示輪軌接觸幾何參數，采用線性插值來計算中間值。

動車組工藝轉向架的鋼軌采用T60鋼軌，車輪踏面為LM踏面，輪對內側距1353mm，采用Simpack中的Kalker程序運用非線性簡化蠕滑理論來計算輪軌間的蠕滑力。

建立數學模型，將系統橫向和垂向運動進行耦合，以前進方向作為正方向。坐標系的取法如下：車輛的前進方向為x軸；y軸平行于軌道平面指向右方；z軸垂直向下，整個系統的自由度共計49個。

3 動力學性能計算

在原始計算參數的基礎上，采用多體動力學分析軟件SIMPACK進行計算。計算時最高試驗速度為3.6km/h，實際運行速度3km/h，軌道譜采用美國5級譜。

3.1 車輛系統運動穩定性分析

給定一段有限長的實際軌道隨機不平順激擾樣本函數，先讓車輛在一段以美國5級線路譜為激擾的直線軌道上運行，然后去掉激擾，讓車輛在理想平直軌道上運行，跑完全程后看它能否趨于平衡位置，從而確定車輛的蛇行失穩臨界速度。車輛系統收斂仿真情況見圖1和圖2。

圖1 車輛系統收斂時的情形

圖2 車輛系統失穩時的情形

仿真計算認為：裝載CRH2的MC1車的車輛系統的臨界速度為32km/h；四種車型均遠遠高于最高運行速度，并有足夠的裕量。

3.2 車輛系統運行平穩性分析

參照GB5599-85，根據車體在運行速度V小于等于140km/h，分析車體平均最大振動加速度來評定客車運行平穩性：

式(2)中，Amax為客車車體平均最大振動加速度（單位：g）；V為客車運行速度（單位：km/h）；C為常數，數值依據國標按平穩性等級確定。

在前后U型梁橫向中心線上方，距車體中心線1m處的車底架中梁下蓋板上選取兩個采樣點；考察指標為2個采樣點的橫向和垂向的平穩性指標及平均值。

圖3為車輛運行速度為3km/h情況下，裝載CRH2動車的轉向架車體的加速度響應，根據GB5599-85中客車運行平穩性的等級標準，CRH2車體的橫向和垂向加速度值都達到一級優等的標準。表2為裝載CRH2的動車車體的平穩性指標。根據國標GB5599-85，裝載CRH2車體橫向和垂向平穩性指標值都為優等。

圖3 支撐CRH2車體時的車體

表2 CHR2車體平穩性指標

3.3 車輛系統曲線通過性能分析

（1）CRH2動車正向通過9號道岔響應分析

計算時，選擇車輛通過混凝土枕60kg/m鋼軌9號提速單開道岔，9號岔道曲線半徑為R180m小曲線，運行速度為3km/h。計算該道岔運行條件下的曲線通過安全性，包含輪軸橫向力、輪軌橫向力、脫軌系數、輪重減載率以及傾覆系數；計算時取各自的最大值。輪軌橫向力和脫軌系數均是指輪對曲線外側（或左側）車輪輪軌間的最大橫向力和最大脫軌系數。

表3為動力學性能分析，可以看出各參數都能滿足國標GB5599-85要求，平穩性能優等。

表3 CHR2車體平穩性指標

（2）CRH2動車側向通過9號道岔分析

表4為支撐CRH2車體時，動車組工藝轉向架車輛側向通過混凝土枕60kg/m鋼軌9號提速單開道岔時的動力學性能，從表中可見各項系數都能滿足國標GB5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》要求，并且安全性指標有充分的裕量。

表4 CRH2動車側向通過9號道岔安全性指標

結論：通過對唐山百川智能機器有限公司研制的動車組工藝轉向架動力學性能的分析計算，可以得出以下結論：

（1）裝載CRH2動車車體的車輛系統的臨界速度為32km/h，遠遠高于最高運行速度，并有足夠的裕量，滿足運動穩定性要求。

（2）裝載CRH2的車輛系統，直線及通過9號道岔時的平穩性指標，能達到國標GB5599-85規定的優等標準,曲線通過各項安全性指標滿足GB5599-85規定的標準要求。