協(xié)同仿真在機車領域應用的探討

桂安富 劉 寧

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116021）

鐵路的發(fā)展歷史已經(jīng)將近200年，現(xiàn)代軌道車輛應用最為廣泛的就是旅客和貨物運輸。近20年來，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，軌道車輛面臨著高速運行、降低能耗和縮減運營費等迫切要求。這樣就導致對協(xié)同仿真迫切需求。

軌道車輛動力學仿真軟件在早年是作為車輛設計的一個重要研究輔助工具而開發(fā)的，主要目的就是幫助人們理解車輛動力學的一些特殊現(xiàn)象，如蛇形運動、穩(wěn)定性、曲線通過性能和舒適度等。隨著車輛多體動力學算法的不斷改進和計算機軟硬件技術的不斷發(fā)展，以及對仿真結果經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)的驗證，專業(yè)的多體系統(tǒng)分析軟件逐步被開發(fā)出來作為主要的車輛動力學分析和研究工具。

實施以多體系統(tǒng)為核心的車輛動力學性能的虛擬測試技術主要有以下優(yōu)點：通過動力學仿真，可以對運行的車輛進行動力學性能分析，節(jié)省實際線路測試所需要的巨額費用，而且在產(chǎn)品草圖完成之前，就可以測試新的車輛動力學性能；可以在不同的輪軌參數(shù)等外界輸入條件下，甚至在經(jīng)驗數(shù)據(jù)和實際情況下，模擬實際的輪軌接觸力、接觸位置和輪軌之間的蠕滑特性。

Simpack是一款多體動力學仿真軟件，在機車行業(yè)得到廣泛的應用，下面介紹這款軟件在設計中的具體應用。以設計一輛機車為例，首先應用simpack軟件建立機車模型，如圖1。

圖1 機車模型

該機車由車體、構架、輪對、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引電機、電機吊掛裝置、斜拉推挽牽引裝置組成。車體通過二系懸掛裝置坐在構架上，二系懸掛裝置由高圓彈簧和二系垂向減振器以及二系橫向減振器組成。每構架通過一系懸掛裝置和輪對連接，一系懸掛裝置由軸箱彈簧、一系垂向減振器和軸箱拉桿組成。牽引電機一端抱在車軸上，另一端通過橡膠球關節(jié)與電機吊桿連接在一起，電機吊桿通過傳動銷與構架連接。在二系懸掛中設置有橫向止擋、點頭止擋以及搖頭止擋。該機車的力學模型見圖1。

在具體設計中，我們可以調(diào)整不同的參數(shù)來對設計進行優(yōu)化。比如對一系水平剛度的優(yōu)化。一系懸掛的水平剛度對機車的穩(wěn)定性有決定性影響，對于貨運機車在滿足穩(wěn)定性要求的前提下，希望能夠較好地適應線路不平順并減小對不平順的動態(tài)響應。本機車采用的一系懸掛方式為單拉桿雙彈簧結構的標準軸箱懸掛，一系水平剛度由鋼簧提供，因此一系靜撓度不會太大，但可在允許的范圍從穩(wěn)定性角度優(yōu)化其水平剛度并具有盡可能大的靜撓度。

圖2 不同一系水平剛度對應的非線性臨界速度

圖2為不同的一系水平剛度對應的非線性臨界速度(考慮軸箱自由間隙)，從圖中可以看出一系水平剛度對機車的非線性穩(wěn)定性影響很大，隨著一系水平剛度的增加，機車的非線性臨界速度有明顯提高。

如果設定非線性臨界速度只要達到140km/h就能滿足要求，那么可以適當?shù)亟档鸵幌邓絼偠取膱D2中可以看出，只要一系鋼簧的合成水平剛度（2個鋼簧）不小于2.48MN/m，機車的非線性臨界速度就可以達到140km/h。所以，在目前基礎上進一步降低一系水平剛度是可行的，但為保證仍有一定有裕量，建議不能低于2.5MN/m。

如果加大一系水平剛度，可以提高機車的非線性臨界速度。當一系水平剛度大于3.8MN/m時，機車的非線性臨界速度可以達到180km/h，但是一系水平剛度過大不利于機車的曲線通過。

目前，在多體系統(tǒng)動力學仿真基礎上開展多個領域相互集成化，并進行有效仿真計算得方法已經(jīng)成為了多體動力學發(fā)展的重要研究方向和發(fā)展趨勢。協(xié)同仿真的不斷發(fā)展，會使其在機車領域得到更廣泛的運用。