基于SIMPACK的軌道車輛平穩(wěn)性研究

王珊珊

摘? 要：應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立某時(shí)速160km/h的動(dòng)車組拖車仿真模型，并施加德國(guó)“高干擾”作為軌道激擾，研究了兩系懸掛參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。研究表明：隨著一系垂向阻尼值的增加，車輛垂向平穩(wěn)性指標(biāo)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì);隨著二系橫向阻尼值的增加，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì);增大二系彈簧的水平剛度會(huì)使車輛的橫向運(yùn)行平穩(wěn)性變差;增大二系彈簧垂向剛度會(huì)使車輛的垂向平穩(wěn)性變差。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力學(xué)仿真;平穩(wěn)性;SIMPACK軟件;動(dòng)車組

中圖分類號(hào)：U270.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0056-02

Abstract： A certain 160km/h speed level intercity Electric Multiple Units （EMU） trailer simulation model is established by using the multi-body dynamic software SIMPACK. Choosing the German high-speed high interference spectrum as excitation， the influence of suspension parameters on vehicle stability are analyzed. The results show that the vertical riding comfort index is first decreasing and then increasing with the increase of primary vertical damping values. The lateral riding comfort index is first decreasing and then increasing with the increase of secondary lateral damping values; the lateral stability of vehicle gets worse when increasing the horizontal stiffness of secondary spring; and the vertical stability of vehicle gets worse when increasing the vertical stiffness of secondary spring.

Keywords： dynamics simulation; stationarity; SIMPACK software; Electric Multiple Units（EMU）

引言

隨著車輛運(yùn)行速度的不斷提高，帶來(lái)的振動(dòng)也愈加明顯，這些振動(dòng)傳遞給乘客后，乘客乘坐的舒適度必然受到影響[1]。本文以某時(shí)速160km/h的城際動(dòng)車組為研究對(duì)象，依靠仿真軟件SIMPACK建立某城際動(dòng)車組拖車仿真模型，以德國(guó)“高干擾”作為軌道激擾[2]，確定列車在滿足其安全性能的前提下，分析研究了兩系懸掛參數(shù)改變時(shí)的平穩(wěn)性變化。

1 平穩(wěn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

平穩(wěn)性是評(píng)價(jià)旅客乘坐舒適程度的一個(gè)主要依據(jù)，我國(guó)采用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)車車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性程度。根據(jù)GB5599-1985的相關(guān)規(guī)定，在距離前后轉(zhuǎn)向架中心1m處的車體地板上放置加速度傳感器作為采集位置[3]，并將Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)分為“優(yōu)”、“良好”、“合格”3個(gè)等級(jí)[4]，如表1所示。

2 動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

2.1 模型簡(jiǎn)化處理

本文充分考慮輪軌接觸幾何關(guān)系、輪軌蠕滑等非線性特性，進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后生成一個(gè)彈簧、阻尼、質(zhì)量共同組成的新系統(tǒng)。并在建模時(shí)提出以下假定：

（1）忽略車體、枕梁、構(gòu)架、輪對(duì)等部件的彈性變形，即將車體等視作剛體。

（2）車體、拖車的兩個(gè)轉(zhuǎn)向架、轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)和構(gòu)架，均視為前后、左右對(duì)稱，即不考慮偏心現(xiàn)象。

（3）本文只建立了單節(jié)拖車的仿真模型，即忽略車鉤作用力。

（4）將一系懸掛系統(tǒng)簡(jiǎn)化成含3個(gè)方向（縱向、橫向、垂向）剛度的軸箱彈簧和減振器。

（5）將二系懸掛簡(jiǎn)化成含3個(gè)方向（縱向、橫向、垂向）剛度的空氣彈簧、二系橫向減振器、抗蛇行減振器等。

（6）忽略鋼軌的彈性變形，并假設(shè)拖車勻速運(yùn)行。

2.2 模型名義力及自由度分析

通過(guò)對(duì)拖車進(jìn)行名義力計(jì)算，得出其最大殘余加速度遠(yuǎn)小于0.01m/s2，可知所建拖車模型正確。

該拖車模型由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)、8個(gè)轉(zhuǎn)臂軸箱等多個(gè)剛體組成。其中，車體、構(gòu)架、輪對(duì)分別具有6個(gè)自由度（縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭），轉(zhuǎn)臂軸箱則只有1個(gè)自由度（點(diǎn)頭），枕梁沒(méi)有自由度（枕梁采用了0號(hào)鉸接固定在相應(yīng)空間位置）。綜上所述，單節(jié)拖車共有50個(gè)自由度。

2.3 參數(shù)設(shè)置

本文采用S1002CN型車輪踏面，與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的60kg/m軌道型面相匹配，線路設(shè)置為直線，長(zhǎng)度為2000m，拖車速度為160km/h，仿真時(shí)間為20s。

3 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性分析

3.1 一系懸掛參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性影響

本文主要研究一系垂向減振器阻尼、一系水平定位剛度對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。在SIMPACK環(huán)境下，采用6號(hào)力元（6：Spring-Damper Serial PtP）模擬一系垂向減振器阻尼，43號(hào)力元（43：Bushing Cmp）模擬一系縱向/橫向定位剛度，通過(guò)SIMPACK-MATLAB聯(lián)合仿得到的結(jié)果如圖1所示。

從圖1（a）可知，一系垂向減振器阻尼變化對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)有影響，平穩(wěn)性指標(biāo)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì);隨著一系縱向定位剛度值和一系橫向定位剛度值的增加，車輛的垂向運(yùn)行平穩(wěn)性基本不發(fā)生改變;從圖1（b）可知，車輛橫向運(yùn)行平穩(wěn)性隨著一系水平定位剛度值的增加略微得到改善，但變化量極小，且平穩(wěn)性指標(biāo)均在2.5以下，滿足GB5599-85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中對(duì)平穩(wěn)性的規(guī)定。

3.2 二系懸掛參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性影響

本文主要分析抗側(cè)滾扭桿剛度、二系橫向減振器阻尼、二系彈簧水平定位剛度、二系彈簧垂向定位剛度等參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。采用6號(hào)力元模擬二系橫向減振器阻尼，5號(hào)力元模擬二系彈簧水平/垂向定位剛度，13號(hào)力元（13：Spring-Damp Rot Meas Inp Cmp）模擬抗側(cè)滾扭桿剛度，得到的結(jié)果如下。

從圖2（a）可知，改變抗側(cè)滾扭桿剛度值和二系彈簧垂向剛度值，橫向平穩(wěn)性指數(shù)基本不變;隨著二系橫向阻尼的增加，平穩(wěn)性呈現(xiàn)出先變好后變壞的趨勢(shì);二系水平剛度值的增加會(huì)使車輛橫向運(yùn)行平穩(wěn)性變差;從圖2（b）可知，二系彈簧的水平定位剛度值和抗側(cè)滾扭桿扭轉(zhuǎn)剛度值的改變對(duì)車輛垂向運(yùn)行平穩(wěn)性無(wú)影響;垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著二系垂向定位剛度的增加而單調(diào)遞增。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件SIMPACK建立了某城際動(dòng)車組拖車模型，仿真分析了一系、二系懸掛參數(shù)改變對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。得出以下結(jié)論：（1）一系垂向減振器阻尼值、二系橫向減振器阻尼值的改變，對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性有影響。車輛的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著一系垂向阻尼值的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，車輛的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)同樣隨著二系橫向阻尼值的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。（2）增大二系彈簧的水平剛度會(huì)使車輛的橫向平穩(wěn)性變差，增大二系彈簧的垂向剛度會(huì)降低車輛的垂向平穩(wěn)性。（3）一系縱向定位剛度、一系橫向定位剛度、抗側(cè)滾扭桿扭轉(zhuǎn)剛度值的變化，對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性幾乎無(wú)影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]西川弘泰，高魁源.用于乘坐舒適度評(píng)價(jià)的車輛運(yùn)行振動(dòng)分析方法[J].國(guó)外鐵道車輛，2000（2）：29-35.

[2]鄭培治，祖炳潔，楊建福，等.不同軌道隨機(jī)激勵(lì)下的車輛動(dòng)力學(xué)性能仿真研究[J].價(jià)值工程，2015（36）：217-220.

[3]康熊，劉秀波，李紅艷，等.高速鐵路無(wú)砟軌道不平順譜[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2014（07）：687-696.

[4]王福天.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1994.