基于SIMPACK的車輛系統動力學性能分析

肖襄雨

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著城市軌道交通的發展，地鐵車輛已經在軌道交通中有了不可替代的地位，但由于列車運行速度的提高，列車的安全性、舒適性及可靠性等問題顯得尤為重要[1-2]。

鄔平波等[3]將車輛速度視為時間的慢變參數,提出了一種近似計算線性臨界速度、非線性臨界速度和極限環的數值方法。以一高速客車為應用實例,對其線性臨界速度和非線性臨界速度進行了參數研究。為改善車輛的乘坐舒適性，池茂儒等[4]研究了車輛的振動響應特性,建立了車輛系統動力學模型,計算了轉向架蛇行運動模態和車體固有振動模態的頻域模態參數與車輛在不同速度下的時域平穩性指標。付秀通等[5]建立了一個多自由度的非線性車輛模型，以實測的軌道方向不平順作為輸入數據，通過仿真研究了車輛非線性曲線通過動態性能和非線性直線橫向響應。英國學者J. R. Mitchell等認為目前對鐵路機車車輛曲線通過性能給出了一定解釋，并建立了不少相關的理論，但是還沒有一種完善合理的理論去精準預測所有情況下的輪軌力以及其位置，因此還需進行更多相關的研究[6]。周素霞等[7]為了減輕地鐵運行中的輪軌磨耗，提高車輛的運行安全性和舒適性,基于車輛動力學理論,通過動力學軟件SIMPACK建立輪軌關系模型,針對4種地鐵線路緩和曲線線型進行研究，分析了各線型下的輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、磨耗功率、輪重減載率和傾覆系數6個動力學參數在列車運行中的變化規律。

本論文通過仿真車輛直線運行工況及不同半徑曲線工況，對比試驗測試結果分析地鐵車輛通過線路時穩定性、平穩性等性能指標，得出列車在經過有激勵的直線線路時的安全性能，并對列車如何安全運行提出相關建議。

1 車輛動力學模型簡介

1.1 模型簡介

簡化車輛結構建模包括：車體、輪對、軸箱、一系彈簧懸掛裝置、構架、二系彈簧懸掛裝置、驅動裝置及基礎制動裝置[8]。軌道車輛具有自行導向、低運行阻力、成列運行及嚴格的外形尺寸限制等特點。運用表1的參數進行車輛建模，如圖1所示。

表1 車輛基本參數

圖1 動力學模型

1.2 車輛動力學性能及主要評價指標

列車運行時，由于線路、輪對構造、車輛振動等因素會影響列車動力學性能。線路中會出現鋼軌中的接頭、鋼軌變形及軌道不平順、列車通過小半徑曲線、重載等問題。所以，需要在設計制造車輛時考慮到輪軌間互相的作用力以及運行時各部件間力的傳遞。

車輛動力學性能及主要評價指標如表2所示。

表2 車輛動力學性能及主要評價指標

根據國家標準《GB 5599 鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，采用Sperling平穩性指標等級進行判斷，通過列車本身情況衡量運行品質，舒適度不僅需要考慮列車本身情況，還需要考慮旅客對乘坐環境的敏感度。

運行品質合格時，乘坐舒適度不一定合格，是由于有與振動頻率有關的修正系數的影響?？蛙囘\行平穩性指標與等級如表3所示，安全性指標如表4所示。

表3 客車運行平穩性指標與等級

表4 安全性指標

2 車輛直線運行平穩性分析

列車編組形式為六節編組，如圖2所示(黑點●表示測力輪對)。

圖2 試驗車編組圖

運行平穩性測試為車體地板的振動加速度。參照執行標準分別計算橫、垂平穩性指標。車體振動加速度采用加速度傳感器測定，測點位于TC1與MP1車前轉向架中心上方左側/右側處車體地板?？哲嚬r下直線運行的平穩性指標如圖3、圖4所示。

圖3 TC1空車工況下平穩性指標平均值

圖4 MP1空車工況下平穩性指標平均值

根據建模后的離線分析結果，分別計算各運行速度下的Wy、Wz、NMV、Mαcy、Mαcz、Sαcy及Sαcz，并根據所得數據進行繪圖，如圖5、圖6所示。

圖5 TC1空車工況下平穩性指標平均值(建模)

圖6 MP1空車工況下平穩性指標平均值(建模)

MP1垂向平穩性指標在運行時優于橫向平穩性指標；TC1橫向平穩性指標在車輛運行較大時優于垂向平穩性指標。隨著列車運行速度增大，平穩性指標和舒適度指標都在增大，運行品質降低，但指標均合格。車輛運行可以適當提速，既滿足乘客速度需求，也可以滿足其乘坐的舒適度。

3 車輛運行穩定性分析

采用測力輪對法獲取輪軌橫向、垂向力，計算脫軌系數、輪重減載率等并進行脫軌安全性評估。測力輪對共計2條，分別裝于被試車車輛的1軸，如圖7所示。輪軌力信號傳輸采用集流環裝置。

圖7 輪對的蛇行運動

試驗載荷工況包括：空車、重載。

列車在行使過程中會出現蛇行運動的現象。蛇行運動為非線性自激振動。它是由蠕滑力和輪軌幾何關系引起的，與運動穩定性密切相關，決定了列車運行的最高速度。輪對在線路上運動時，會受到不同形式的激擾[9]。

運用建好的模型及現場參數設定，將模型以0～80 km/h速度運行，在SIMPACK后處理平臺提取出脫軌系數及輪重減載率等。

車輛在空載下直線運行，測試運行速度為0～80 km/h范圍內列車的穩定性。試驗分析得出車輛運行速度為70 km/h時，TC1和MP1車輛的脫軌系數和輪重減載率(圖8)都達到最大，分別為0.36、0.18和0.28、0.31。

圖8 空車狀態下直線運行

圖9為車輛在重載下直線運行的仿真及試驗結果，分析得出TC1車輛運行速度為50 km/h時，脫軌系數達到最大0.18；MP1運行速度為60 km/h時，車輛的脫軌系數為0.14；TC1車輛運行速度為60 km/h時，輪重減載率達到最大0.44；MP1運行速度為50 km/h時，車輛的輪重減載率為0.29。

圖9 重載狀態下直線運行

線路曲線最小半徑與列車運行速度有直接關系：曲線半徑越小，鋼軌間的磨耗越大，列車運行條件越糟糕。

圖10為車輛在空載下曲線運行，測試運行速度為0～80 km/h范圍內列車穩定性仿真與試驗結果，分析得出車輛運行速度為40 km/h時，通過半徑R=350 m曲線，TC1脫軌系數為0.62；通過半徑R=460 m曲線MP1脫軌系數為0.77。車輛運行速度為40 km/h時，通過半徑R=350 m曲線TC1和MP1車輛的輪重減載率都達到最大，分別為0.44和0.43。

圖10 空車狀態下曲線運行

圖11為車輛在重載下曲線運行的仿真及試驗結果，分析得出車輛運行速度為40 km/h時，TC1通過半徑R=350 m曲線，脫軌系數達到最大0.58；MP1通過半徑R=360 m曲線，脫軌系數為0.75。車輛運行速度為68 km/h時，TC1通過半徑R=360 m曲線，輪重減載率達到最大0.36；MP1通過半徑R=350 m曲線，輪重減載率達到最大0.36。

圖11 重載狀態下曲線運行

綜上所述，在空車、重載工況下，TC1車及MP1車的脫軌系數、輪重減載率等指標符合評定標準的要求。

4 結語

通過運用SIMPACK對某地鐵車輛參數進行簡化建模。以列車的運行品質及乘客乘坐舒適度分析其平穩性，還需要考慮橫向振動加速度及垂向振動加速度。通過設置傳感器實測后，離線分析得出這些列車運行參數。結果表明：數據在安全范圍內，試驗列車性能較好，在其規定運營速度范圍內，乘客舒適性評定為優。針對列車實際運營時常出現的超載、曲線半徑過小等問題，分析其動力學性能，并測試列車直線運行及曲線運行時的各項參數值，與仿真結果進行對比驗證。試驗驗證結果表明：直線運行下蛇行運動是無法避免的，但在超載狀態下，列車的安全性依然可以得到保證。