桂安富 劉 寧

（中國北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116021）

鐵路的發(fā)展歷史已經(jīng)將近200年，現(xiàn)代軌道車輛應(yīng)用最為廣泛的就是旅客和貨物運(yùn)輸。近20年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軌道車輛面臨著高速運(yùn)行、降低能耗和縮減運(yùn)營費(fèi)等迫切要求。這樣就導(dǎo)致對(duì)協(xié)同仿真迫切需求。

軌道車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件在早年是作為車輛設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究輔助工具而開發(fā)的，主要目的就是幫助人們理解車輛動(dòng)力學(xué)的一些特殊現(xiàn)象，如蛇形運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定性、曲線通過性能和舒適度等。隨著車輛多體動(dòng)力學(xué)算法的不斷改進(jìn)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，以及對(duì)仿真結(jié)果經(jīng)過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，專業(yè)的多體系統(tǒng)分析軟件逐步被開發(fā)出來作為主要的車輛動(dòng)力學(xué)分析和研究工具。

實(shí)施以多體系統(tǒng)為核心的車輛動(dòng)力學(xué)性能的虛擬測(cè)試技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：通過動(dòng)力學(xué)仿真，可以對(duì)運(yùn)行的車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能分析，節(jié)省實(shí)際線路測(cè)試所需要的巨額費(fèi)用，而且在產(chǎn)品草圖完成之前，就可以測(cè)試新的車輛動(dòng)力學(xué)性能；可以在不同的輪軌參數(shù)等外界輸入條件下，甚至在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際情況下，模擬實(shí)際的輪軌接觸力、接觸位置和輪軌之間的蠕滑特性。

Simpack是一款多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，在機(jī)車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，下面介紹這款軟件在設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。以設(shè)計(jì)一輛機(jī)車為例，首先應(yīng)用simpack軟件建立機(jī)車模型，如圖1。

圖1 機(jī)車模型

該機(jī)車由車體、構(gòu)架、輪對(duì)、一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引電機(jī)、電機(jī)吊掛裝置、斜拉推挽牽引裝置組成。車體通過二系懸掛裝置坐在構(gòu)架上，二系懸掛裝置由高圓彈簧和二系垂向減振器以及二系橫向減振器組成。每構(gòu)架通過一系懸掛裝置和輪對(duì)連接，一系懸掛裝置由軸箱彈簧、一系垂向減振器和軸箱拉桿組成。牽引電機(jī)一端抱在車軸上，另一端通過橡膠球關(guān)節(jié)與電機(jī)吊桿連接在一起，電機(jī)吊桿通過傳動(dòng)銷與構(gòu)架連接。在二系懸掛中設(shè)置有橫向止擋、點(diǎn)頭止擋以及搖頭止擋。該機(jī)車的力學(xué)模型見圖1。

在具體設(shè)計(jì)中，我們可以調(diào)整不同的參數(shù)來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。比如對(duì)一系水平剛度的優(yōu)化。一系懸掛的水平剛度對(duì)機(jī)車的穩(wěn)定性有決定性影響，對(duì)于貨運(yùn)機(jī)車在滿足穩(wěn)定性要求的前提下，希望能夠較好地適應(yīng)線路不平順并減小對(duì)不平順的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本機(jī)車采用的一系懸掛方式為單拉桿雙彈簧結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)軸箱懸掛，一系水平剛度由鋼簧提供，因此一系靜撓度不會(huì)太大，但可在允許的范圍從穩(wěn)定性角度優(yōu)化其水平剛度并具有盡可能大的靜撓度。

圖2 不同一系水平剛度對(duì)應(yīng)的非線性臨界速度

圖2為不同的一系水平剛度對(duì)應(yīng)的非線性臨界速度(考慮軸箱自由間隙)，從圖中可以看出一系水平剛度對(duì)機(jī)車的非線性穩(wěn)定性影響很大，隨著一系水平剛度的增加，機(jī)車的非線性臨界速度有明顯提高。

如果設(shè)定非線性臨界速度只要達(dá)到140km/h就能滿足要求，那么可以適當(dāng)?shù)亟档鸵幌邓絼偠?。從圖2中可以看出，只要一系鋼簧的合成水平剛度（2個(gè)鋼簧）不小于2.48MN/m，機(jī)車的非線性臨界速度就可以達(dá)到140km/h。所以，在目前基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低一系水平剛度是可行的，但為保證仍有一定有裕量，建議不能低于2.5MN/m。

如果加大一系水平剛度，可以提高機(jī)車的非線性臨界速度。當(dāng)一系水平剛度大于3.8MN/m時(shí)，機(jī)車的非線性臨界速度可以達(dá)到180km/h，但是一系水平剛度過大不利于機(jī)車的曲線通過。

目前，在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)上開展多個(gè)領(lǐng)域相互集成化，并進(jìn)行有效仿真計(jì)算得方法已經(jīng)成為了多體動(dòng)力學(xué)發(fā)展的重要研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。協(xié)同仿真的不斷發(fā)展，會(huì)使其在機(jī)車領(lǐng)域得到更廣泛的運(yùn)用。