协同仿真在机车领域应用的探讨

桂安富 刘 宁

（中国北车集团 大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116021）

铁路的发展历史已经将近200年，现代轨道车辆应用最为广泛的就是旅客和货物运输。近20年来，随着科学技术的迅猛发展，轨道车辆面临着高速运行、降低能耗和缩减运营费等迫切要求。这样就导致对协同仿真迫切需求。

轨道车辆动力学仿真软件在早年是作为车辆设计的一个重要研究辅助工具而开发的，主要目的就是帮助人们理解车辆动力学的一些特殊现象，如蛇形运动、稳定性、曲线通过性能和舒适度等。随着车辆多体动力学算法的不断改进和计算机软硬件技术的不断发展，以及对仿真结果经过大量试验数据的验证，专业的多体系统分析软件逐步被开发出来作为主要的车辆动力学分析和研究工具。

实施以多体系统为核心的车辆动力学性能的虚拟测试技术主要有以下优点：通过动力学仿真，可以对运行的车辆进行动力学性能分析，节省实际线路测试所需要的巨额费用，而且在产品草图完成之前，就可以测试新的车辆动力学性能；可以在不同的轮轨参数等外界输入条件下，甚至在经验数据和实际情况下，模拟实际的轮轨接触力、接触位置和轮轨之间的蠕滑特性。

Simpack是一款多体动力学仿真软件，在机车行业得到广泛的应用，下面介绍这款软件在设计中的具体应用。以设计一辆机车为例，首先应用simpack软件建立机车模型，如图1。

图1 机车模型

该机车由车体、构架、轮对、一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引电机、电机吊挂装置、斜拉推挽牵引装置组成。车体通过二系悬挂装置坐在构架上，二系悬挂装置由高圆弹簧和二系垂向减振器以及二系横向减振器组成。每构架通过一系悬挂装置和轮对连接，一系悬挂装置由轴箱弹簧、一系垂向减振器和轴箱拉杆组成。牵引电机一端抱在车轴上，另一端通过橡胶球关节与电机吊杆连接在一起，电机吊杆通过传动销与构架连接。在二系悬挂中设置有横向止挡、点头止挡以及摇头止挡。该机车的力学模型见图1。

在具体设计中，我们可以调整不同的参数来对设计进行优化。比如对一系水平刚度的优化。一系悬挂的水平刚度对机车的稳定性有决定性影响，对于货运机车在满足稳定性要求的前提下，希望能够较好地适应线路不平顺并减小对不平顺的动态响应。本机车采用的一系悬挂方式为单拉杆双弹簧结构的标准轴箱悬挂，一系水平刚度由钢簧提供，因此一系静挠度不会太大，但可在允许的范围从稳定性角度优化其水平刚度并具有尽可能大的静挠度。

图2 不同一系水平刚度对应的非线性临界速度

图2为不同的一系水平刚度对应的非线性临界速度(考虑轴箱自由间隙)，从图中可以看出一系水平刚度对机车的非线性稳定性影响很大，随着一系水平刚度的增加，机车的非线性临界速度有明显提高。

如果设定非线性临界速度只要达到140km/h就能满足要求，那么可以适当地降低一系水平刚度。从图2中可以看出，只要一系钢簧的合成水平刚度（2个钢簧）不小于2.48MN/m，机车的非线性临界速度就可以达到140km/h。所以，在目前基础上进一步降低一系水平刚度是可行的，但为保证仍有一定有裕量，建议不能低于2.5MN/m。

如果加大一系水平刚度，可以提高机车的非线性临界速度。当一系水平刚度大于3.8MN/m时，机车的非线性临界速度可以达到180km/h，但是一系水平刚度过大不利于机车的曲线通过。

目前，在多体系统动力学仿真基础上开展多个领域相互集成化，并进行有效仿真计算得方法已经成为了多体动力学发展的重要研究方向和发展趋势。协同仿真的不断发展，会使其在机车领域得到更广泛的运用。