基于SIMPACK的高速动车组建模与仿真

张冰玉

(天津铁道职业技术学院，天津　300240)



基于SIMPACK的高速动车组建模与仿真

张冰玉

(天津铁道职业技术学院，天津300240)

摘要：从高速列车结构入手，考虑对车辆系统动力学影响较大的因素，分析各结构间铰接关系和力的传递方式及作用位置，基于多体动力学理论建立高速列车模型。考虑轨道交通相对于普通机械产品的本质区别，即轮轨关系的差异，参照高速列车试验规范，仿真计算高速列车在两侧轮对型面存在偏磨时车辆系统动力学性能，并与型面对称磨耗工况进行对比，进而得出偏磨对车辆系统动力学性能的影响。

关键词：高速列车；多体；动力学；偏磨

自20世纪60年代以来，高速铁路技术进入到使用阶段，随着1964年世界第一条高速铁路—东海道新干线的诞生，一场遍及全球的“交通革命”就此打响。近几十年间，高速列车在日本、德国、法国、西班牙等国家得到广泛普及发展。

随着我国经济的快速发展以及运输经济供求关系的进一步加剧，提高旅客列车的速度和舒适性越来越受到大家的广泛重视。在我国2009年试行的《高速铁路设计规范》中规定设计最高行车速度达250km/h及以上的铁路称之为高速铁路。高速铁路应具备较高的旅行速度、良好的安全性和舒适度、准时性等独特的优势。此外，高速铁路建设对促进国民经济发展、提高国家综合科技水平也起着巨大的推动作用。

一、高速列车及其发展历史

自2004年以来，原铁道部相继与世界各大高速列车生产巨头庞巴迪、川崎重工、西门子公司及阿尔斯通签订订购合同，并组织相关科研院所及高校对高速列车服役基础技术进行研究。如今，我国已基本掌握动车组系统集成、车体、转向架等高速列车核心技术。CRH系列车型也逐步实现了国产化进程，如我国在原动车组基础上自主研制了中国品牌380km/h系列CRH-380A和CRH-380B系列动车组以及耐高寒性动车组和中国标准动车组等。与此同时，京津、武广、京沪、郑西城际高速通道及客运专线等高速列车配套线路也已实现通车，按照我国中长期铁路网规划，至2020年我国将建成贯穿全国的“四纵四横”高速铁路网，如图1所示。

(一)“四纵”客运专线

1．北京-上海客运专线；

2．北京-武汉-广州-深圳客运专线；

3．北京-沈阳-哈尔滨客运专线；

4．上海-杭州-宁波-福州-深圳客运专线。

(二)“四横”客运专线

1.徐州-郑州-兰州客运专线；

2.杭州-南昌-长沙-贵阳-昆明客运专线；

3.青岛-石家庄-太原客运专线；

4.南京-武汉-重庆-成都客运专线。

图1　我国中长期铁路规划网

二、高速列车机械结构

机械是研究并实现人类功能延伸的学科，机械结构就是实现该功能的载体。轨道车辆作为机械结构的其中一种，实现了人类走行范围的扩展，将人类足迹千万倍的延展，对促进经济、社会、文明的发展起到巨大推动作用。

任何系统概括说来都可以分为能量流和信息流两部分，系统功能的实现就是人类通过信息流实现对系统功能的控制，并通过能量流的传递对其进行实现。机械结构从能量流角度而言，无论其构造及其实现功能如何复杂，从产品设计和评价角度均可分为运动和动力两个方面。动力分散方式动车组的动力配置也有两种模式，一种是完全分散模式，即动车组中的车辆全部为动力车，如日本的0系高速列车，16辆编组中全部是动力车。另一种是相对分散模式，即高速列车编组中部分是动力车，部分为无动力的拖车，如日本的100系、700系高速列车，16辆编组中有12辆动力车，4辆是拖车，所谓12动+4拖；我国CRH系列动车组均为动力相对分散型电动车组。

对高速列车的描述一般为自轨道依次向上部扩展，各结构如图2所示。

(一)轮对

轮对为车辆系统与轨道直接接触的部件，通过轮轨间的接触最终产生牵引力和制动力，实现车辆在钢轨上的平移。轮轨关系一直以来都是轨道交通工具区别于其他机械产品的最主要因素，也是车辆系统动力学的根源。自铁路运输方式产生以来，从未停止过对如何改善轮轨接触关系这一根本问题的研究。

(二)轴箱

轴箱作为轮对与转向架构架之间的连接装置和活动关节，能够实现将车轮的滚动转化为车体的平动。此外，其悬挂参数以及定位方式将直接影响车辆曲线通过性能与行车稳定性。不同的车型具有不同的轴箱定位方式，如我国CRH1、CRH2及CRH3型系列动车组均采用转臂式轴箱定位，而CRH5型车选用拉杆式轴箱定位。

(三)一系悬挂

该部分主要包括轴箱钢弹簧以及垂向减震器等，其主要作用是缓和由于线路不平顺等因素对车辆造成的冲击，来保证车辆的运行品质。

(四)转向架构架

该部分为整个转向架的“骨架”，为各部件提供安装基础。同时，其还是主要承力部件，车辆各个方向的力都离不开构架的传递作用，故在高速下对其强度和刚度有较高的要求。

(五)二系悬挂装置

我国高速列车二系悬挂装置主要由空气弹簧、减震器及抗侧滚扭杆等组成。与传统钢弹簧相比，空气弹簧具有更硬的非线性特征，且其固有频率能够设置的比较低，可以有效避开车辆的共振区，故空气弹簧的隔振效果，尤其是低频隔振性能要优于钢弹簧。同时，各向减振器及抗侧滚扭杆也能够抑制车辆各方向自由度，提高列车运行平稳性。

(六)车体

车体是最终承载旅客的空间，主要包括底架、端墙、侧墙及车顶等部位。车体作为动车组的主要承载和连接部件，面临着一系列较高的技术挑战，主要包括轻量化，高强度，高密封性，低噪音，低振动，低阻力等方面的要求。近代的车体以钢结构或轻金属结构为主，尽量使所有的车体构件都承受载荷用以减轻自重。由于车体是旅客的乘坐空间，直接影响到乘客乘坐体验，因此动力学中各向平稳性指标和蛇行运动评判都需要从车体入手。

图2　高速列车转向架机械结构

三、基于SIMPACK的多体动力学模型建立

按照上述机械结构，考虑影响高速列车服役动力学的各关键零部件及相互间作用关系，在多体动力学软件SIMPACK中建立高速列车模型对其服役动力学性能指标进行评价。在SIMPACK中按照动车组单节车自轨道向上建立如图3所示模型，体对象依次为轮对、轴箱、转向架构架和车体。建模过程中考虑影响服役的主要机械结构，而忽略牵引电动机和制动系统等对正常服役状态动力学性能影响较小的结构。根据体之间铰接关系建立个体之间联系，并根据力的传递方式和减振器的减振方式，按照软件中自带的力源属性建立对应的铰接关系。模型中选取表1所示CRH2型车数据参数为依据，其一系悬挂为一系弹簧和垂向减震器，采用转臂式轴箱定位。二系悬挂包括空气弹簧、抗蛇行减振器和横向减振器。模型中考虑到一系垂向减震器和抗蛇行减震器的非线性因素。

表1　车体动力学模型部分参数

图3　高速列车多体动力学模型

四、动力学仿真结果

轨道交通机械相对于普通机械产品的最大区别在于其对于轮轨关系的强依赖性。轮轨关系的优劣对车辆动力学性能起到非常大的作用。世界上有很多学者也致力于研究轮轨关系及磨耗对系统动力学的发展。本文动力学仿真中，考虑左右侧车轮存在轮轨型面磨耗不对称的工况，将线路实测的轮轨型面带入所建模型中，计算车辆动力学指标，得到轮对型面偏磨对车辆蛇行运动失稳临界速度、平稳性、脱轨系数、轮重减载率及轮重横向力等指标的影响，并与左右侧车轮不存在偏磨时各项动力学指标进行对比。根据我国《高速动车组整车试验规范》，各指标计算公式及评价值如表2所示。

表2　车辆动力学性能各评价指标计算公式及评价值

(一)临界速度

运行稳定性的最直观反映就是车辆是否出现蛇行失稳，车辆蛇行失稳的最低速度即定义为临界速度，该指标是高速列车设计和服役过程中首先需要保证的动力学性能。临界速度的影响因素很多，例如轮轨关系、车辆悬挂参数以及结构设计参数等。首先选用临界速度作为评价指标评价不对称磨耗对其影响。

左右轮对型面不对称磨耗会恶化轮轨接触状态，使踏面等效锥度增加，直接使动车组临界速度下降速度加快。如图4所示，型面刚开始磨耗与接近镟轮极限时，偏磨对临界速度影响最小，而服役中期，偏磨对临界速度影响较大，临界速度较未偏磨型面下降约15%。初步分析，造成该结果的原因是在磨耗前期，左右轮偏磨较小，左右轮轮径差较小，偏磨对临界速度影响不大。而在磨耗后期，由于仿真中无偏磨工况的轮对型面使用的是左右侧磨耗较为严重的一侧进行计算，因此得出的临界速度较低，与存在偏磨时的差距也就较小，偏磨对临界速度的影响较磨耗中期不明显。磨耗中期，由于车辆动力学性能对型面磨耗也起很大作用，造成左右轮磨耗量不均匀，轮径差较大，偏磨现象明显，因此临界速度下降较明显。

图4　有无偏磨时临界速度对比

(二)平稳性

在高速线路的激扰下，列车服役性能会受到不同激扰频率的影响，车辆各关键部件的振动方式及频率也各不相同，作为旅客列车的最重要目标，乘客与高速列车最直接的接触部位为高速列车车体，经过一系悬挂及二系空簧悬挂后，自轨道传递而来的振动会受到大幅度的削减，但仍会存在微弱振动，对这些振动进行分类评价，根据人体对不同加速度的敏感度，采用基于权函数的平稳性指标对其进行评价。

文中分别在速度为350km/h和300km/h时计算左右轮存在偏磨及不存在偏磨两种工况下各项动力学指标，将结果进行对比，分别得到图5及图6。从两图中可以看出，车辆速度增加对车体平稳性指标有较大影响，随列车速度增加，车辆稳定性明显下降；车辆偏磨对平稳性指标也有较大影响，随车辆磨耗程度的增加，车辆稳定性也有明显下降；同时，偏磨对横向平稳性指标影响不大，但对垂向平稳性影响较大，这是由于存在偏磨时，车体侧滚运动加剧程度比车体横摆运动大，对垂向平稳性影响程度更大。

图5　有无偏磨时横向舒适度对比

图6　有无偏磨时垂向舒适度对比

(三)脱轨系数、轮轴横向力及轮重减载率

高速列车沿轨道运行时，作为轨道与车辆最直接的作用部位，轮轨接触几何以及力的作用可以直接反应轮轨间的作用。高速列车的安全服役是高速列车的基石，采用脱轨系数及轮重减载率等指标定义列车安全进行评价。脱轨系数为车辆运行时，在线路状况、运用条件、车辆结构参数和装载等因素最不利的组合条件下可能导致车轮脱轨，评定防止车轮脱轨稳定性的指标。

如图7-9所示，脱轨系数、轮重减载率及轮轴横向力差值在磨耗前期均较小，而随着磨耗加剧，各指标恶劣程度加剧，与无偏磨状态的指标值差异越来越大。这是因为随轮对型面磨耗，左右侧车轮轮径差逐渐增大，轮轨接触状态较为恶劣，因此产生较大轮轨作用力，同时轮对动态减载、轮轴横向力均有增大趋势，使各项指标增加。

图7　有无偏磨时脱轨系数对比

图8　有无偏磨时轮重减载率对比

图9　有无偏磨时轮轴横向力对比

五、结论

其一，从高速列车结构入手，考虑对车辆系统动力学影响较大的结构，分析各结构间铰接关系和力的传递方式及作用位置，基于多体动力学理论在SIMPACK中建立高速列车模型。

其二，讨论偏磨对车辆系统动力学参数的影响，随型面磨耗加剧，轮对各项指标恶劣程度加剧，并且恶劣速度加快。因此，为保证动车组在规定指标内运营，应制定合理的镟轮周期，镟轮周期的制定可以考虑型面磨耗对各指标恶劣速度的影响，尽可能保证在指标恶劣速度较低时镟轮，以防止指标值过大。

参考文献：

[1]张卫华.动车组总体与转向架[M].北京:中国铁道出版社,2011.

[2]王伯铭.高速动车组总体及转向架[M].成都:西南交通大学出版社,2008.

[3]张曙光.高速列车设计方法研究[M].北京：中国铁道出版社,2009.

[4]李艳,张卫华,周文祥.车轮型面磨耗对车辆服役性能的影响[J].西南交通大学学报,2010,(04).

SIMPACK-based Modeling and Simulation of High Speed Multiple Units

ZHANG Bing-yu

(TianjinRailwayVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300240)

Abstract:Starting with the structure of the high speed train, taking into account of the factors which have significant influence on the dynamics of vehicle system, the hinged relations among various structures, the modes of the force distributions and their active positions were analyzed to establish the model of high-speed train based on the multi-body dynamics theory. Considering the essential difference of the track traffic compared to the general machinery products, namely, the difference of wheel-rail interaction, with reference to the high-speed train test specification, the simulating calculation of the dynamics performance of the vehicle system was conducted when there exists eccentric wear on both-side wheelset profiles of the high-speed train, which was compared with the working conditions of symmetrical wear on the profiles, from which the influence of the eccentric wear on the dynamics performance of the vehicle system was obtained.

Key words:High speed train; multi-body; dynamics; eccentric wear

中图分类号：U26

文献标识码：A

文章编号：1673-582X(2016)03-0033-06

作者简介：张冰玉(1989-)，女，山东人 天津铁道职业技术学院铁道动力系助教，主要从事高速动车组驾驶与维修的教学与研究工作。

收稿日期：2015-10-15