基于SIMPACK的轨道车辆平稳性研究

王珊珊

摘  要：应用多体动力学软件SIMPACK建立某时速160km/h的动车组拖车仿真模型，并施加德国“高干扰”作为轨道激扰，研究了两系悬挂参数对车辆运行平稳性的影响。研究表明：随着一系垂向阻尼值的增加，车辆垂向平稳性指标呈现出先减小后增大的趋势;随着二系横向阻尼值的增加，车辆横向平稳性指标呈现出先减小后增大的趋势;增大二系弹簧的水平刚度会使车辆的横向运行平稳性变差;增大二系弹簧垂向刚度会使车辆的垂向平稳性变差。

关键词：动力学仿真;平稳性;SIMPACK软件;动车组

中图分类号：U270.1 文献标志码：A         文章编号：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

随着车辆运行速度的不断提高，带来的振动也愈加明显，这些振动传递给乘客后，乘客乘坐的舒适度必然受到影响[1]。本文以某时速160km/h的城际动车组为研究对象，依靠仿真软件SIMPACK建立某城际动车组拖车仿真模型，以德国“高干扰”作为轨道激扰[2]，确定列车在满足其安全性能的前提下，分析研究了两系悬挂参数改变时的平稳性变化。

1 平稳性评价指标

平稳性是评价旅客乘坐舒适程度的一个主要依据，我国采用Sperling平稳性指标来评价机车车辆运行的平稳性程度。根据GB5599-1985的相关规定，在距离前后转向架中心1m处的车体地板上放置加速度传感器作为采集位置[3]，并将Sperling平稳性指标分为“优”、“良好”、“合格”3个等级[4]，如表1所示。

2 动力学仿真模型的建立

2.1 模型简化处理

本文充分考虑轮轨接触几何关系、轮轨蠕滑等非线性特性，进行简化处理后生成一个弹簧、阻尼、质量共同组成的新系统。并在建模时提出以下假定：

（1）忽略车体、枕梁、构架、轮对等部件的弹性变形，即将车体等视作刚体。

（2）车体、拖车的两个转向架、转向架的轮对和构架，均视为前后、左右对称，即不考虑偏心现象。

（3）本文只建立了单节拖车的仿真模型，即忽略车钩作用力。

（4）将一系悬挂系统简化成含3个方向（纵向、横向、垂向）刚度的轴箱弹簧和减振器。

（5）将二系悬挂简化成含3个方向（纵向、横向、垂向）刚度的空气弹簧、二系横向减振器、抗蛇行减振器等。

（6）忽略钢轨的弹性变形，并假设拖车匀速运行。

2.2 模型名义力及自由度分析

通过对拖车进行名义力计算，得出其最大残余加速度远小于0.01m/s2，可知所建拖车模型正确。

该拖车模型由1个车体、2个构架、4个轮对、8个转臂轴箱等多个刚体组成。其中，车体、构架、轮对分别具有6个自由度（纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头），转臂轴箱则只有1个自由度（点头），枕梁没有自由度（枕梁采用了0号铰接固定在相应空间位置）。综上所述，单节拖车共有50个自由度。

2.3 参数设置

本文采用S1002CN型车轮踏面，与我国标准的60kg/m轨道型面相匹配，线路设置为直线，长度为2000m，拖车速度为160km/h，仿真时间为20s。

3 车辆运行平稳性分析

3.1 一系悬挂参数对车辆运行平稳性影响

本文主要研究一系垂向减振器阻尼、一系水平定位刚度对车辆运行平稳性的影响。在SIMPACK环境下，采用6号力元（6：Spring-Damper Serial PtP）模擬一系垂向减振器阻尼，43号力元（43：Bushing Cmp）模拟一系纵向/横向定位刚度，通过SIMPACK-MATLAB联合仿得到的结果如图1所示。

从图1（a）可知，一系垂向减振器阻尼变化对垂向平稳性指标有影响，平稳性指标呈现出先减小后增大的趋势;随着一系纵向定位刚度值和一系横向定位刚度值的增加，车辆的垂向运行平稳性基本不发生改变;从图1（b）可知，车辆横向运行平稳性随着一系水平定位刚度值的增加略微得到改善，但变化量极小，且平稳性指标均在2.5以下，满足GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中对平稳性的规定。

3.2 二系悬挂参数对车辆运行平稳性影响

本文主要分析抗侧滚扭杆刚度、二系横向减振器阻尼、二系弹簧水平定位刚度、二系弹簧垂向定位刚度等参数对车辆运行平稳性的影响。采用6号力元模拟二系横向减振器阻尼，5号力元模拟二系弹簧水平/垂向定位刚度，13号力元（13：Spring-Damp Rot Meas Inp Cmp）模擬抗侧滚扭杆刚度，得到的结果如下。

从图2（a）可知，改变抗侧滚扭杆刚度值和二系弹簧垂向刚度值，横向平稳性指数基本不变;随着二系横向阻尼的增加，平稳性呈现出先变好后变坏的趋势;二系水平刚度值的增加会使车辆横向运行平稳性变差;从图2（b）可知，二系弹簧的水平定位刚度值和抗侧滚扭杆扭转刚度值的改变对车辆垂向运行平稳性无影响;垂向平稳性指标随着二系垂向定位刚度的增加而单调递增。

4 结束语

本文应用多体动力学分析软件SIMPACK建立了某城际动车组拖车模型，仿真分析了一系、二系悬挂参数改变对车辆运行平稳性的影响。得出以下结论：（1）一系垂向减振器阻尼值、二系横向减振器阻尼值的改变，对车辆运行平稳性有影响。车辆的垂向平稳性指标随着一系垂向阻尼值的增加呈现出先减小后增大的趋势，车辆的横向平稳性指标同样随着二系横向阻尼值的增加呈现出先减小后增大的趋势。（2）增大二系弹簧的水平刚度会使车辆的横向平稳性变差，增大二系弹簧的垂向刚度会降低车辆的垂向平稳性。（3）一系纵向定位刚度、一系横向定位刚度、抗侧滚扭杆扭转刚度值的变化，对车辆运行平稳性几乎无影响。

参考文献：

[1]西川弘泰，高魁源.用于乘坐舒适度评价的车辆运行振动分析方法[J].国外铁道车辆，2000（2）：29-35.

[2]郑培治，祖炳洁，杨建福，等.不同轨道随机激励下的车辆动力学性能仿真研究[J].价值工程，2015（36）：217-220.

[3]康熊，刘秀波，李红艳，等.高速铁路无砟轨道不平顺谱[J].中国科学：技术科学，2014（07）：687-696.

[4]王福天.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社，1994.