地鐵動車組動力學性能分析

摘 要：基于某型地鐵動車組動力學參數，建立SIMPACK車輛動力學模型，分析了車輛的穩定性、平穩性、脫軌系數、輪重減載率4項動力學指標，并根據鐵道機車車輛動力學性能評定標準和規范對該軌道車動力學性能作了全面、綜合評估。研究結果表明：該軌道車輛非線性臨界速度較高，具有較大的穩定性裕度；橫向、垂向平穩性指標均達到標準的優級要求；動態曲線通過安全性指標能夠滿足安全行車要求。

關鍵詞：地鐵動車組；動力學性能；動力學計算

地鐵車輛運行的平穩性、穩定性和曲線通過性等是評價車輛運行狀態的重要動力學指標[1]。通過動力學軟件仿真計算可以評定車輛的動力學指標，指導地鐵車輛動車組的設計和生產。

1 車輛動力學模型

車輛在實際運營過程中具有大量的非線性因素，其動力學計算需要借助于計算機的批量處理和專業車輛動力學處理軟件。SIMPACK的Wheel/Rail（輪軌）模塊是目前世界上著名的、功能最強大的車輛系統動力學分析的數值仿真軟件之一[2]。基于車輛動車組動力學參數，利用SIMPACK軟件建立了地鐵動車組模型。本文車輛模型包括輪對、一系懸掛（軸箱和一系減振）、二系懸掛整（空簧、垂向和橫向減振器、抗側滾扭桿、牽引拉桿）、車體。輪軌接觸部分，車輪踏面采用S1002，鋼軌軌頭型面為UIC60。

2 鐵道車輛動力學評價標準

2.1 臨界速度

在輪軌間蠕滑力的作用下，車輛運行到達某一臨界速度時會產生失穩的自激振動即蛇形運動。高速時的蛇形運動表現為輪對和轉向架的激烈的橫向振動，它威脅到運行安全。為此，要求車輛蛇形運動的臨界速度Vc要遠高于其運行速度，以保證有足夠的速度裕量[3]。

2.2 Sperling平穩性指標

乘客的舒適度感受也是評價車輛動力學性能的一個主要方面。國際是常用的評價標準是車輛平穩性指標。GB/T5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》中對平穩性評定等級的界限。

2.3 曲線通過性指標

2.3.1 脫軌系數

脫軌系數是指作用在車輪上的橫向力和垂向力的比值，用于評定防止車輪脫離軌道的指標。按照TB/T2360-93來評定。

2.3.2 輪重減載率

輪重減載率是指車輪所受垂向力減載量與左右車輪平均垂向力的比值，用于衡量有無可能由于車輪減載過大而導致脫軌。其參照GB5599-85來評定。

3 動力學計算結果分析

3.1 臨界速度

文章中的地鐵動車組，運營最高速度為80km/h。在模型軌道上加入50m的美國5級軌道譜，使整個車輛系統的振動被激發后，讓其在平直理想的軌道上運行，考察導向輪對的蛇形失穩情況。計算結果如圖1所示。

車輛模型計算的速度分別為60km/h、70km/h、80km/h、90km/h、100km/h，由圖1可以發現，當車速為100km/h時，輪對橫移振動可以逐漸衰減到平衡位置，可見車輛的臨界速度Vc大于80km/h。該軌道車穩定性能夠滿足設計最高時速的要求。

3.2 Sperling平穩性指標

以美國5級線路譜隨機不平順作為直線軌道的激擾源，計算了該車輛分別以70km/h、80km/h、90km/h、100km/h 4個速度等級運行時的平穩性指標（車體橫向和垂向振動加速度及相應的平穩性指標），結果如圖2所示。

在軌道上加上美國5級軌道譜，速度由70、80、90、100km/h變化時，Y向平穩性指標小于標準值2.0，Z向平穩性指標小于標準值1.2。在速度為80km/h時Y向平穩性指標小于標準值1.7，Z向平穩性指標小于標準值1.2。平穩性指標達到優級。

3.3 曲線通過性計算

3.3.1 脫軌系數

車輛速度為80km/h時，通過半徑為350m、400m、450mm和500m的曲線段。分別計算各個曲線半徑下車輛的脫軌系數，計算結果如圖3所示。

由圖3可見，隨著曲線半徑的增大圓曲線處車輛的脫軌系數在逐漸減小，且當曲線半徑為350m時，車輛在圓曲線處的脫軌系數最大，達到了0.4。但是遠小于標準值0.6，達到優等級。表明車輛的脫軌系數指標達設計要求，可以保證車輛的安全運營。

3.3.2 輪重減載率

車輛速度為80km/h時，通過半徑為350m、400m、450mm和500m的曲線段。分別計算各個曲線半徑下車輛的脫軌系數，計算結果如圖4所示。

由圖4所示可見，輪重減載率最大值出現在曲線半徑為400m，車輛的第4位輪對。其變化趨勢是1、2、3位輪對的輪重減載率逐漸減小，4位輪對增大。其最大值小于0.5，在安全標準等級0.6以下。表明車輛的輪重減載率指標達設計要求，可以保證車輛的安全運營。

4 結束語

基于地鐵動車組動力學參數，建立了SIMPACK車輛動力學模型，通過數值計算得到如下結論：（1）在軌道上加入50m的軌道激勵后，車輛在100km/h的速度下通過該區域，可以衰減到平衡位置，表明車輛蛇形運動的臨界速度Vc高于其運營最高速度80km/h，車輛的動力學性能可以保證該車運營穩定性。（2）以美國5級線路譜隨機不平順作為直線軌道的激擾源，計算了該車輛分別以70km/h、80km/h、90km/h、100km/h 4個速度等級運行時的平穩性，平穩性指標均達到優級。（3）車輛速度為80km/h時，通過半徑為350m、400m、450m和500m的曲線段。計算了車輛的脫軌系數、輪重減載率。結果表明各項曲線通過動力學指標均在標準要求之內，表明車輛的各項動力學參數是合格的。

參考文獻

[1]肖廣文，肖新標，溫澤峰，等.高速客車輪對動力學性能的比較[J].鐵道學報，2008，6.

[2] 炳榮，羅仁，王哲，等.SIMPACK動力學分析高級教程[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[3]王福天.車輛系統動力學[M].