基于SIMPACK的车辆系统动力学性能分析

肖襄雨

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

随着城市轨道交通的发展，地铁车辆已经在轨道交通中有了不可替代的地位，但由于列车运行速度的提高，列车的安全性、舒适性及可靠性等问题显得尤为重要[1-2]。

邬平波等[3]将车辆速度视为时间的慢变参数,提出了一种近似计算线性临界速度、非线性临界速度和极限环的数值方法。以一高速客车为应用实例,对其线性临界速度和非线性临界速度进行了参数研究。为改善车辆的乘坐舒适性，池茂儒等[4]研究了车辆的振动响应特性,建立了车辆系统动力学模型,计算了转向架蛇行运动模态和车体固有振动模态的频域模态参数与车辆在不同速度下的时域平稳性指标。付秀通等[5]建立了一个多自由度的非线性车辆模型，以实测的轨道方向不平顺作为输入数据，通过仿真研究了车辆非线性曲线通过动态性能和非线性直线横向响应。英国学者J. R. Mitchell等认为目前对铁路机车车辆曲线通过性能给出了一定解释，并建立了不少相关的理论，但是还没有一种完善合理的理论去精准预测所有情况下的轮轨力以及其位置，因此还需进行更多相关的研究[6]。周素霞等[7]为了减轻地铁运行中的轮轨磨耗，提高车辆的运行安全性和舒适性,基于车辆动力学理论,通过动力学软件SIMPACK建立轮轨关系模型,针对4种地铁线路缓和曲线线型进行研究，分析了各线型下的轮轨横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、磨耗功率、轮重减载率和倾覆系数6个动力学参数在列车运行中的变化规律。

本论文通过仿真车辆直线运行工况及不同半径曲线工况，对比试验测试结果分析地铁车辆通过线路时稳定性、平稳性等性能指标，得出列车在经过有激励的直线线路时的安全性能，并对列车如何安全运行提出相关建议。

1 车辆动力学模型简介

1.1 模型简介

简化车辆结构建模包括：车体、轮对、轴箱、一系弹簧悬挂装置、构架、二系弹簧悬挂装置、驱动装置及基础制动装置[8]。轨道车辆具有自行导向、低运行阻力、成列运行及严格的外形尺寸限制等特点。运用表1的参数进行车辆建模，如图1所示。

表1 车辆基本参数

图1 动力学模型

1.2 车辆动力学性能及主要评价指标

列车运行时，由于线路、轮对构造、车辆振动等因素会影响列车动力学性能。线路中会出现钢轨中的接头、钢轨变形及轨道不平顺、列车通过小半径曲线、重载等问题。所以，需要在设计制造车辆时考虑到轮轨间互相的作用力以及运行时各部件间力的传递。

车辆动力学性能及主要评价指标如表2所示。

表2 车辆动力学性能及主要评价指标

根据国家标准《GB 5599 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，采用Sperling平稳性指标等级进行判断，通过列车本身情况衡量运行品质，舒适度不仅需要考虑列车本身情况，还需要考虑旅客对乘坐环境的敏感度。

运行品质合格时，乘坐舒适度不一定合格，是由于有与振动频率有关的修正系数的影响。客车运行平稳性指标与等级如表3所示，安全性指标如表4所示。

表3 客车运行平稳性指标与等级

表4 安全性指标

2 车辆直线运行平稳性分析

列车编组形式为六节编组，如图2所示(黑点●表示测力轮对)。

图2 试验车编组图

运行平稳性测试为车体地板的振动加速度。参照执行标准分别计算横、垂平稳性指标。车体振动加速度采用加速度传感器测定，测点位于TC1与MP1车前转向架中心上方左侧/右侧处车体地板。空车工况下直线运行的平稳性指标如图3、图4所示。

图3 TC1空车工况下平稳性指标平均值

图4 MP1空车工况下平稳性指标平均值

根据建模后的离线分析结果，分别计算各运行速度下的Wy、Wz、NMV、Mαcy、Mαcz、Sαcy及Sαcz，并根据所得数据进行绘图，如图5、图6所示。

图5 TC1空车工况下平稳性指标平均值(建模)

图6 MP1空车工况下平稳性指标平均值(建模)

MP1垂向平稳性指标在运行时优于横向平稳性指标；TC1横向平稳性指标在车辆运行较大时优于垂向平稳性指标。随着列车运行速度增大，平稳性指标和舒适度指标都在增大，运行品质降低，但指标均合格。车辆运行可以适当提速，既满足乘客速度需求，也可以满足其乘坐的舒适度。

3 车辆运行稳定性分析

采用测力轮对法获取轮轨横向、垂向力，计算脱轨系数、轮重减载率等并进行脱轨安全性评估。测力轮对共计2条，分别装于被试车车辆的1轴，如图7所示。轮轨力信号传输采用集流环装置。

图7 轮对的蛇行运动

试验载荷工况包括：空车、重载。

列车在行使过程中会出现蛇行运动的现象。蛇行运动为非线性自激振动。它是由蠕滑力和轮轨几何关系引起的，与运动稳定性密切相关，决定了列车运行的最高速度。轮对在线路上运动时，会受到不同形式的激扰[9]。

运用建好的模型及现场参数设定，将模型以0～80 km/h速度运行，在SIMPACK后处理平台提取出脱轨系数及轮重减载率等。

车辆在空载下直线运行，测试运行速度为0～80 km/h范围内列车的稳定性。试验分析得出车辆运行速度为70 km/h时，TC1和MP1车辆的脱轨系数和轮重减载率(图8)都达到最大，分别为0.36、0.18和0.28、0.31。

图8 空车状态下直线运行

图9为车辆在重载下直线运行的仿真及试验结果，分析得出TC1车辆运行速度为50 km/h时，脱轨系数达到最大0.18；MP1运行速度为60 km/h时，车辆的脱轨系数为0.14；TC1车辆运行速度为60 km/h时，轮重减载率达到最大0.44；MP1运行速度为50 km/h时，车辆的轮重减载率为0.29。

图9 重载状态下直线运行

线路曲线最小半径与列车运行速度有直接关系：曲线半径越小，钢轨间的磨耗越大，列车运行条件越糟糕。

图10为车辆在空载下曲线运行，测试运行速度为0～80 km/h范围内列车稳定性仿真与试验结果，分析得出车辆运行速度为40 km/h时，通过半径R=350 m曲线，TC1脱轨系数为0.62；通过半径R=460 m曲线MP1脱轨系数为0.77。车辆运行速度为40 km/h时，通过半径R=350 m曲线TC1和MP1车辆的轮重减载率都达到最大，分别为0.44和0.43。

图10 空车状态下曲线运行

图11为车辆在重载下曲线运行的仿真及试验结果，分析得出车辆运行速度为40 km/h时，TC1通过半径R=350 m曲线，脱轨系数达到最大0.58；MP1通过半径R=360 m曲线，脱轨系数为0.75。车辆运行速度为68 km/h时，TC1通过半径R=360 m曲线，轮重减载率达到最大0.36；MP1通过半径R=350 m曲线，轮重减载率达到最大0.36。

图11 重载状态下曲线运行

综上所述，在空车、重载工况下，TC1车及MP1车的脱轨系数、轮重减载率等指标符合评定标准的要求。

4 结语

通过运用SIMPACK对某地铁车辆参数进行简化建模。以列车的运行品质及乘客乘坐舒适度分析其平稳性，还需要考虑横向振动加速度及垂向振动加速度。通过设置传感器实测后，离线分析得出这些列车运行参数。结果表明：数据在安全范围内，试验列车性能较好，在其规定运营速度范围内，乘客舒适性评定为优。针对列车实际运营时常出现的超载、曲线半径过小等问题，分析其动力学性能，并测试列车直线运行及曲线运行时的各项参数值，与仿真结果进行对比验证。试验验证结果表明：直线运行下蛇行运动是无法避免的，但在超载状态下，列车的安全性依然可以得到保证。