基于SIMPACK装甲车辆铁路冲击仿真研究

钱润华+吴奕

摘 要：装甲车辆铁路输送的重中之重就在于车辆的安全稳定，冲击时车辆的最大加速度以及车辆偏移的大小是其稳定性的直接体现。本文以SIMPACK为仿真平台，仿真履带装甲车辆铁路输送冲击过程，分析有无悬挂系统以及不同纵向加固刚度对车辆最大纵向加速度的影响，探究其影响规律，为研制适用于我军装甲车辆的新型加固装置提供依据。结果表明：履带车辆的悬架系统能够对纵向冲击起到一定的减缓作用，但效果有限，而纵向加固刚度的大小对其冲击加速度有很大的影响。

关键词：SIMPACK；纵向加固刚度；冲击加速度；装甲车辆

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.009

1 引言

当前，装甲车辆在我军的装备中占有很大的比重，其中履带式装甲车辆数量不在少数。装甲车辆是陆军作战的有力装备，其铁路运输的安全性显得尤为重要，故对装甲车辆装载加固的研究是十分必要的。我国也有不少学者对装甲车辆这一类货物的铁路运输安全性进行了一系列的研究，大致可分为如下三类：（1）对加固器材的研究，如文献[1]中曾运清等通过分析美军车辆铁路制式加固器材，为我军铁路相关加固器材的研制提供参考；文献[2]中王武健对铁路平车关键装载加固部件进行安全可靠性分析，提出了相应的安全措施方案设计、实施的技术要点。（2）对加固关键力值的研究，文献[3]、[4]则是通过建立冲击仿真模型，分析了货物运输过程中最大惯性力值与冲击速度以及货物质量的关系。（3）对装载加固方案的研究：如文献[7]中通过建立SIMPACK冲击仿真模型，验证加固方案的可靠性；文献[7]提出了基于层次分析法的铁路长大货物装载加固方案多目标优化模型，并首次将客户需求纳入装载加固方案优化模型的目标中；文献[9]对影响制定阔大货物装载加固方案的因素进行了详细的分析，为科学的制定装载加固方案提供了依据。

但上述研究都忽略了装载货物自身缓冲作用，尤其是对于车辆这一类自身带有悬架的货物，其悬挂缓冲减振系统对冲击惯性力有直接的影响。并且上述研究都没能对加固进行规律性的研究，仅仅是验证某种加固可靠，而没能揭示加固强度对装载货物纵向冲击加速度规律性的影响。本文针对这两个方面，以某型装甲车辆为例，通过SIMPACK建立冲击仿真模型，分析有无悬架对车辆最大冲击加速度的影响，以及不同纵向加固强度对货物纵向位移以及纵向冲击加速度的影响。

2 装甲装备铁路输送连挂冲击动力学模型的建立

2.1 连挂冲击类型

铁路输送连挂冲击系统包括线路、冲击车、被冲击车以及装载货物四个部分。本文中冲击车选C70型敞车（满载），被冲击车选NX70，冲击速度从3km/h递增至8km/h，递增步长为1km/h。连挂冲击是在特定的平直轨道上进行，所以仿真线路取平直轨道，不设不平度、曲线半径等参数。根据仿真实验目的，以被冲击车装载货物不同及加固情况不同分三种冲击类型，具体参数如表1所示。模型中只设纵向加固，根据《力值实验》中规定的条件，本文选取规格为Ф15.5x15000mm的钢丝绳的刚度作为单位加固刚度值。根据《机械设计手册》中钢丝绳的轴向拉伸刚度计算方法，纵向加固刚度为，其中加固等级i取0、0.5、1、2、3、4、5[9]。

2.2 冲击模型构建

2.2.1 冲击车、被冲击车模型构建

C70敞车和NX70平车转向架均为K6转向架，故其拓扑图类似，此处以NX70平车的拓扑图为例进行分析。主模型由车体Vehicle和左右转向架Bogie_F/R组成。转向架模型具体连接关系如表2所示。据此建立冲击车和被冲击车的立体模型如图1所示。

注：PC-旁承力；XP-新盘力；Stop-止挡力；SS-二系弹力；PS-一系弹簧力；Fri-摩擦力；JC-交叉拉杆力；Rail-wheel contacts-轮轨接触力；α，β，γ-绕x，y，z轴的转动自由度；x，y，z-绕x，y，z轴的移动自由度。

2.2.2 装甲车辆模型

由于装甲车辆在运输的过程中是处于制动状态，故对其悬架系统仅考虑平衡肘上的扭杆力，不考虑与履带相关的部分，并且将炮塔和车体考虑为一体，其拓扑图如图2所示，为了模拟车辆的完全制动状态，本文对负重轮施加了β方向转动约束。由于负重轮与平衡轴，以及平衡轴与车体的连接方式均一样，故拓扑图中将部分重复略去。据此建立装甲车辆立体模型如图3所示。

2.2.3 总体连挂冲击模型

通过导入子结构的方法，将冲击车、被冲击车、以及装甲车辆导入总体模型中，将被冲击车的车体替代装甲车辆拓扑图中的大地，并将冲击车和被冲击车通过车钩力连接即可得到总体冲击模型，车钩力的设置参照文献[3]，其立体模型如图4所示，至此基本冲击模型已经建立完成，模拟冲击类型一时只需将装甲车辆换为质量块即可，而纵向加固则是通过设置纵向加固力来实现的。

3 仿真结果分析

3.1 悬架系统对冲击纵向加速度的影响

按照仿真冲击工况的设定，模拟冲击实验，对建立的车辆装载模型进行冲击动力学仿真分析，冲击类型一和冲击类型三中加固刚度为的仿真结果如图5所示。对比两组数据可以明显看出质量块的冲击加速度在各个冲击速度下均要大于装甲车辆，且随着冲击速度的增大差距也在加大。这说明该装甲车辆的悬架系统对冲击起到了一定的减缓作用，并且在冲击速度较小的时候由于悬架刚度较大，对低速冲击的减缓作用有限，但是在速度较高时悬架的缓冲作用就有了明显的體现。从图中可以看出，两种工况的最大差值约为0.2g，使加速度减少了12%。

3.2 纵向加固刚度对冲击加速度的影响

为了研究纵向加固刚度对冲击加速度的影响，本文采用冲击类型三的冲击工况进行仿真研究。以加固等级为横坐标，货物冲击加速度为纵坐标，仿真不同冲击速度下加固刚度对冲击加速度的影响，结果如图6所示。endprint

观察图中曲线可知，在同一冲击速度下，随加固刚度不同，加速度波动幅度最小为0.42g，最大为0.7g，最大增幅71%。故加固时应在能满足加固需求的前提下应尽量使用小刚度加固，以使货物在运输过程中有较好的稳定性的同时又不至于出现过度加固的情况。

4 结论

本文通过SIMPACK多体动力学软件建立冲击动力学模型，通过实验对比验证了模型的可靠性，探究了装甲车辆悬架以及纵向加固刚度对装载货物冲击加速度的影响。得出如下结论：

（1）装甲车辆在铁路输送过程中，车辆自身的悬架系统对纵向冲击能够起到一定的缓解作用，本文中某型装甲车辆悬挂系统对冲击速度减缓约为12%，并且当刹车不牢时，刹车系统对冲击也起到了一定的缓冲作用。

（2）货物纵向冲击加速度与纵向加固刚度并非线性关系，而是先随加固刚度的增大迅速增大，而后趋于平缓，并且最大差值高達0.7g，最大增幅71%，所以设计加固方案时应在满足加固需求的情况下尽量是用小的加固刚度。

本文提出了一种分析铁路运输装甲车辆纵向冲击惯性力的仿真模型，并做出相应分析，这对制定合理的加固方案以及研制新型的加固装置提供一定的科学依据，特别是研制适用于军队装甲车辆的新型加固装置。

参考文献：

[1]曾运清.美军轮式和履带式装备铁路制式加固器材[J].国防交通工程与技术，2011（01）：49-52.

[2]王武建.铁路平车装载加固用关键部件的安全可靠性研究[J].铁道机车车辆，2012，32（06）：21-25.

[3]张娟.70t级货车冲击条件下铁路货物纵向惯性力的仿真研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[4]陈奇.ADAMS在铁路货物装载加固纵向惯性力值计算中的应用[J].铁道货运，2007（12）：34-36.

[5]吴晓东.基于SIMPACK的轮式装备铁路冲击实验仿真研究[J].系统仿真学报，2009，21（16）：5025-5029.

[6]北京交通大学交通运输学院.列车提速后作用于货物上的惯性力值的研究平[R].2005.

[7]戴实.铁路货运组织[M].北京：中国铁道出版社，2013：122-123.

[8]ZM Tan.A multi-objective optimization model of the loading reinforcement plan of railway long heavy goods on analytic hierarchy process[J].Advances in Transportation Studies，2015.

[9]Xiaohong Li.Factors Analysis of Affecting Loading and Reinforcing Scheme of Large Goods in Railway[J].World Journal of Engineering and Technology，2016（04）：60-68.endprint