基于SIMPACK铰接式列车的动力学性能分析*

汪群生 曾 京 董 浩

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，610031，成都∥第一作者，博士研究生）

基于SIMPACK铰接式列车的动力学性能分析*

汪群生 曾 京 董 浩

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，610031，成都∥第一作者，博士研究生）

利用车辆动力学仿真试验的分析方法，运用SIMPACK软件分别对三车四转向架的铰接式列车和三车六转向架的传统列车建立非线性动力学仿真模型，得到两种不同连接方式的列车在相同的运行环境下以不同速度运行时的动力学性能参数。结果表明，与传统连接方式的列车比较，在相同的运行环境下，铰接式列车在平直轨道上的动力学性能明显优于传统式列车，而在小曲线半径的轨道上，铰接式列车的动力学性能不具有优势。

铰接式列车；动力学；SIMPACK；仿真分析

First-author's addressState Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

过去对铰接式列车动力学性能的研究主要是采用面对对象的建模技术。即基于MATLAB/ SIMULINK建立了单车以及车组的动力学模型［1，2］，或者是利用Simulink/SimMechanics建立动力学模型［3］，但是建模过程都比较复杂。SIMPACK是一款多体动力学分析软件。研究人员使用该软件可快速建立动力学模型，随即自动形成动力学方程，并得到系统的动态特性或频域特性。该软件采用先进的相对坐标系建模，求解迅速，当模型的零件增多时，优势尤为明显，且采用核心递归算法保证了求解的稳定性和可靠性［4］。

本文利用SIMPACK软件建立了链接式连接和铰接式连接方式的列车非线性动力学模型，然后通过数值仿真，分别得到两个模型的动力学性能参数，从而分析得出两者车辆间连接方式的动力学性能指标（主要包括非线性轮轨接触几何关系、非线性轮轨相互作用力和非线性悬挂力［5］）。

1 铰接式列车动力学模型

铰接式列车的转向架采用了两系悬挂：一系悬挂是钢弹簧，二系悬挂是空气弹簧。头车和尾车是动车，中间车是拖车，车辆之间采用具有铰接结构的转向架，即相邻两车端共用一台转向架［6］，如图1所示。建模过程中，轮对、轴箱、构架和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小的多，故均假设为刚体，不考虑其弹性变形。铰接式列车的动力学模型由3个车体、4个构架、16个轴箱、8个轮对共31个刚体组成。其中，车体取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头。构架取6个自由度；轴箱取1个自由度，即点头；由于轮对的垂向和侧滚运动是非独立运动，因此轮对取4个自由度，即纵向、横向、点头、摇头。该列车动力学模型共有90个自由度。

2 传统列车动力学模型

为了使研究结果更能说明问题，传统连接方式的列车采用了与铰接式列车具有相同悬挂方式的转向架，且车体、转向架等结构参数相同的列车非线性动力学模型，每节车辆由两个转向架支撑，如图2所示。传统列车的建模方法与铰接式列车的建模方法相同。传统列车的动力学模型由3个车体、6个构架、24个轴箱、12个轮对共45个刚体组成。车体取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；构架取6个自由度；轴箱取1个自由度，即点头；轮对取4个自由度，即纵向、横向、点头、摇头。该列车动力学模型共有126个自由度。

图1 铰接式列车的动力学模型

图2 传统连接方式列车的动力学模型

3 计算结果对比分析

通过建立上述模型，利用数值仿真分析计算可得到动力学性能参数。鉴于篇幅的限制，在对两种列车的动力学性能进行分析比较时，轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数和轮轨垂向力等性能参数分别取所有轮对中的最大值，倾覆系数等其他参数取车辆的最大值。从列车运行安全性的角度上考虑，这种比较方法是可行的。

3.1 运动稳定性

通过数值仿真分析，得到铰接式及传统式列车横向和垂向的平稳性指标、振动加速度均方根值、最大振动加速度，如图1～3所示。从图中可以看出，在相同的运行环境下，铰接式列车横向和垂向的平稳性指标、振动加速度均方根值和最大振动加速度值等各运动平稳性参数均符合GB 5599—1985［7］中相关规定，而且明显小于传统连接方式的列车。这说明了铰接式列车在运动稳定性方面相对传统式的列车具有明显的动力学性能优越性。

3.2 曲线通过性能

通过数值仿真分析，列车在通过小曲线半径600 m、超高70 mm情况下的各项曲线通过性能参数如图6～图11所示。

图3 列车横向和垂向平稳性指标

图4 列车横向和垂向振动加速度均方根值

图5 列车横向和垂向最大振动加速度

图6 列车最大轮轨横向力

图7 列车最大轮轴横向力

图8 列车最大脱轨系数

图9 列车倾覆系数

图10 列车最大轮重减载率

从图中可以看出，铰接式列车与传统列车在曲线通过性能上相差不大，两列车的各项动力学参数均符合GB 5599—1985中的相关规定，铰接式列车没有明显的优势。从轮轨横向力、轮轴横向力、轮轨垂向力等参数的对比中可以看出，铰接式列车比传统式列车分别大了11.51%、26.84%、3.61%；这说明铰接式列车的轮轨接触性能较差，在曲线通过时，车轮与轨道间的磨耗严重，将会缩短轮对的使用周期，从而增加轨道的维修频率，提高维修运营的成本。此外，传统式列车的脱轨系数和倾覆系数比铰接式列车分别大了8.69%和50%。这说明铰接式列车的安全性能要好于传统连接方式的列车，其脱轨等事故的发生概率要远小于传统式列车。

图11 列车最大轮轨垂向力

4 结论

从上述建模、求解和分析可以得到以下结论：

（1）铰接式列车的运动稳定性，即列车横向和垂向的平稳性指标、振动加速度均方根值和最大振动加速度值均小于传统式列车，而且优势明显；

（2）铰接式列车的曲线通过性能，相对与传统式列车，轮轨间的磨耗较严重，但是安全性能优良，两者的曲线通过性能相差不大，没有明显的优势。

通过SIMPACK建模和数值仿真分析得到的结果与实际基本一致，说明了该仿真分析对比方法的合理性。此方法为其他车辆动力学性能的对比提供了一种较有效的分析手段。

［1］ 周劲松，任利惠.铰接式高速列车运行平稳性［J］.交通运输工程学报，2003（3）：54.

［2］ 周劲松，任利惠.铰接式高速列车车间悬挂参数优化［J］.同济大学学报，2003（4）：460.

［3］ 李学良，沈钢.基于仿真软件Simulink/SinMechanics的铰接式列车动力学建模［J］.城市轨道交通研究，2012（6）：90.

［4］ 缪炳荣，方向华，傅秀通.SIMPACK动力学分析基础教程［M］.成都：西南交通大学出版社，2008：34.

［5］ 邬平波，曾京，徐涛.铰接式高速客车的动力学性能研究［J］.铁道机车车辆，1996（4）：22.

［6］ 沈继强，卜继玲.铰接式转向架在城轨车辆中的应用研究［J］.电力机车与城轨车辆，2007（6）：11.

［7］ GB 5599—1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］.

Analysis of Articulated Train Dynamics Performance Based on SIMPACK Software

Wang Qunsheng，Zeng Jing，Dong Hao

By using the analysis method of vehicle dynamics simulation and SIMPACKsoftware，a three-car-articulated train with four bogies，and a three-car traditional train with six bogies are simulated，the non-linear dynamic models are established respectively.In this way，the dynamic performance parameters of two different trains are obtained when they run at different speeds in the same operating environment based on SIMPACK are obtained.The results show that，compared with the traditional train，the dynamics performance of the articulated train on a straight track is significantly better，however，on the track with small curve radius，the articulated train has no advantages in the same operating environment.

articulated train；dynamics；SIMPACK；simulation analysis

U 270.1+1

10.16037/j.1007-869x.2015.01.008

2013-03-06）

*“十二五”国家科技支撑项目（2011BAG10B01，2011BAG05B04-A01）；国家973计划项目（2011CB711106）