基于SIMPACK仿真的某型高速动车组运行平稳性分析

陆铭，王勇，石俊杰，闫红卫

(1. 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031；2. 中车唐山机车车辆有限公司 技术研究中心，河北 唐山 063035)

0 引言

随着中国铁路的迅猛发展，“高速”是发展趋势。列车速度和原来相比有了很大的提高。由于轨道不平顺的影响，轮轨之间的动作用力将会急剧增大，这种动作用力不仅会通过一系、二系悬挂系统传递给车体，明显影响旅客乘坐的舒适性，而且还会使各运动件的振动或磨耗加剧，增加维护费用，降低了使用寿命[1]，所以研究高速列车的动力学性能很有必要。

轨道车辆建模就是建立轨道车辆的运动微分方程，可分为3类：第1类是轮对以上的建模，即对轮对、构架、车体以及一系、二系悬挂装置刚度和阻尼的建模；第2类是轮对以下的建模，即对由于轮轨关系、轮轨特殊几何形状造成的蠕滑、重力刚度、重力角刚度及轮轨磨耗对动力学性能影响的建模，这部分建模方法有其特殊性，需与其他建模分开讨论；第3类是外部建模，包括轨道不平顺、横风、弓网、噪声等的建模。

本文主要进行轮对以上的建模，利用SIMPACK建立了某型高速动车组单节车模型，仿真分析了一系垂向减振器阻尼、二系垂向减振器阻尼和抗蛇行减振器失效对其运行平稳性的影响。

1 多体动力学理论

多体动力学主要是研究载荷与系统之间运动的关系，利用数值积分方法建立并求解系统的微分方程组或代数方程组[2]。多体动力学是轨道交通车辆动力学仿真的理论基础。

多体系统形成的方程主要分为两类，一类为微分方程组：

(1)

另一类为代数方程组：

(2)

式中：q为广义坐标列向量；M为广义质量矩阵；Q为广义力向量；C为约束代数方程；Cq为约束方程对应的雅克比矩阵。

依据达朗贝尔原理及虚位移原理，系统中的惯性体通过理想约束和力元连接，系统的动力学方程为：

(3)

式中：质量矩阵M=diag(M1,M2,…,MNb);阻尼矩阵D=diag(D1,D2,…,DNb)；刚度矩阵K=diag(K1,K2,…,KNb)。

2 动车组动力学建模

2.1 动力学模型拓扑图

该动力学模型由17个刚体构成，包括1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱及2个枕梁；考虑车体、构架和轮对的伸缩、横摆、浮沉、侧滚、点头和摇头运动，所以车体、构架及轮对各有6个自由度，而轴箱转臂仅考虑点头运动这1个自由度。因此该动力学模型共有50个自由度；枕梁与车体为0号铰接，轴箱采用2号铰接，车体、构架及轮对采用7号铰接；在该动力学模型中使用的力元有5号——Spring-Damper Parallel Cmp紧凑力元，还有6号——Spring-Damper Serial PtP点到点力元。5号力元适用于建立轴箱弹簧、轴箱转臂定位节点、空气弹簧、牵引拉杆及横向止挡力元等；6号力元适用于建立一系垂向减振器、二系横向减振器、二系垂向减振器及抗蛇行减振器力元等，减振器、横向止挡及轮轨接触力考虑了其非线性特性。单节车动力学拓扑结构图如图1所示。

图1 单节车拓扑图

2.2 动车组几何外形的建立

在SIMPACK建模中将所有惯性体视为刚体处理，虽然轮对中的车轮具有一定的弹性，但由于其弹性并不大，即可以视其为刚体。这样可以避开多体动力学中的刚柔耦合问题[3]，从而简化模型，使单节车动力学模型为一个多刚体模型。因为多刚体动力学中所建惯性体的几何形状不影响动力学分析，所以在建立动力学模型时只需要知道惯性体的质心位置、质量、转动惯量、铰接关系、力元属性和位置参数，即可在SIMPACK软件中，建立单节车的惯性体及它们之间相应的铰接以及力元的设置。

3 动车组动力学分析

3.1 一系垂向减振器阻尼对平稳性的影响

我国铁道车辆运行平稳性指标采用Sperling指数，主要是评价车体上规定位置横向和垂向振动加速度，并将其做统计处理后得到相应的评价标准值[4]。在客车上主要体现在旅客乘坐的舒适性，在货车上主要体现在运送货物的完整性。Sperling平稳性及舒适型指标与等级如表1所示。

表1 车辆运行平稳性及舒适性指标与等级

一系垂向减振器可以吸收来自因轨道不平顺而产生的冲击振动能量，所以一系垂向减振器阻尼对单节车运行的平稳性起到至关重要的作用[5]。设置如下工况：单节车运行速度V=250km/h， 仿真时间为25s，京津轨道谱作为轨道激励。平稳性加速度传感器呈对角线式布置在1位、2位转向架中心销处并偏向车体一侧1m处的车内地板上，高度为地板面高[6]。仿真一系垂向减振器阻尼从3～24kN·s/m区间变化时对单节车垂向运行平稳性的影响，仿真结果如图2所示。

图2 垂向平稳性指标变化关系

由图2可以看出，单节车运行垂向平稳性指标随着一系垂向减振器阻尼的增大呈先下降，达到最低点后再上升的趋势，即垂向运行品质先变好，达到最优值后再变差，当阻尼为12kN·s/m时，其垂向运行平稳性指标达到最小，即在此时垂向运行品质达到最优。

3.2 阻尼优化模型与初始模型平稳性对比

由上述可得一系垂向减振器优化阻尼为12kN·s/m，设置如下工况：京津轨道谱作为轨道激励，仿真时间为25s。仿真160km/h～300km/h速度范围内单节车垂向平稳性指标的变化情况，将仿真结果与初始模型的垂向平稳性指标进行对比，计算结果如图3所示。

图3 垂向平稳性指标对比

由图3可以看出，一系垂向减振器阻尼优化后，优化模型的垂向平稳性指标结果均小于初始模型结果，可见该车一系垂向减振器阻尼优化后可以改善其运行平稳性。

3.3 二系垂向减振器阻尼对平稳性的影响

二系垂向减振器一般与空气弹簧并联安装，抑制车体的点头、浮沉和侧滚运动，衰减构架传递给车体的振动能量。设置如下工况：单节车运行速度V=250km/h， 仿真时间为25s，京津轨道谱作为轨道激励，仿真二系垂向减振器阻尼从10kN·s/m～100kN·s/m区间变化时对单节车垂向运行平稳性的影响，仿真结果如图4所示。

图4 垂向平稳性指标变化关系

由图4可以看出，随着二系垂向减振器阻尼的增大，垂向平稳性指标呈直线增大，垂向平稳性变差，即二系垂向阻尼显著影响该车垂向平稳性。

3.4 抗蛇行减振器失效对平稳性的影响

抗蛇行减振器安装在构架侧梁外侧和车体之间，衰减和抑制列车在高速运行时构架和车体间的剧烈蛇形运动[7]。抗蛇行减振器在高频率、高负荷下长期工作时，有可能产生失效问题，可利用抗蛇行减振器剩余阻尼力的大小来判定其是否失效。

该型动车组单节车共有4个抗蛇行减振器，它们相对于车体中心对称布置，在运行过程中可能存在5种工作状态：4个抗蛇行减振器均正常；1个抗蛇行减振器失效；2个抗蛇行减振器失效；3个抗蛇行减振器失效；4个抗蛇行减振器均失效。设置如下工况：单节车运行速度V分别为200km/h和250km/h，仿真时间为25s，京津轨道谱作为轨道激励，仿真V为200km/h和250km/h时舒适性指标及车体最大横向振动加速度，仿真结果如图5所示。

图5 抗蛇行减振器失效对平稳性的影响

由图5可以看出，当速度为200km/h时，抗蛇行减振器在正常、1个失效、2个失效、3个失效工况下，由于1.5≤NMV<2.5，为舒适等级；当抗蛇行减振器全部失效时，舒适性指标已>3.5，为不舒适等级；当速度为250 km/h时，抗蛇行减振器在正常、1个失效、2个失效工况下，为舒适等级；当3个抗蛇行减振器失效时，由于2.5≤NMV<3.5，为一般等级；当抗蛇行减振器全部失效时，舒适性指标已接近4.5，已不能满足旅客乘车舒适性要求，且车体横向加速度最大值已>2.5m/s2。根据GB/T 5599中规定，客车和动车组运行时车体最大横向振动加速度和垂向振动加速度必须满足Aymax、Azmax均≤2.5m/s2，即也超出了规定范围[8]。

所以当单节车在京津谱轨道上运行时，为了使舒适性指标达到2级， 在3个抗蛇行减振器失效工况下动车组可以在200km/h速度范围内平稳运行，在2个抗蛇行减振器失效工况下动车组可以在250km/h速度范围内平稳运行。单节车在250km/h下，抗蛇行减振器不同工作状态时对应的车体横向振动加速度及抗蛇行减振器均失效时一位轮对横移值如图6所示。

图6 不同工作状态时的失效情况

由图6可以看出，当1个或者2个抗蛇行减振器失效时，车体横向振动加速度幅值变化不大，表明此时抗蛇行减振器失效对单节车的动力学性能影响较小(当2个抗蛇行减振器失效时横向振动加速度图像与图6(a)类似，这里不加赘述)；当3个抗蛇行减振器失效时，车体横向振动加速度幅值增大，车体横向振动加剧；当抗蛇行减振器全部失效时，车体横向振动加速度明显增大并呈现周期运动特征，轮对亦发生大幅值横向周期振动。在较高速度时车辆系统处于极限环振动状态，即车辆系统蛇行失稳，此时已经不能满足列车正常安全平稳运行。

3.5 部分仿真结果验证

被试车辆为某型动车组的非动力车，车辆定距为17.5m，转向架固定轴距为2.5m，被试车辆在机车车辆滚动振动试验台上如图7所示。

图7 被试车辆在机车车辆滚动振动试验台上

试验目的是利用机车车辆滚动振动试验台测试被试车辆的蛇行失稳临界速度、运行平稳性，以检验该车在整车条件下的动力学性能，为线路运用和改进设计提供依据。同时通过试验，预测整车在多种失效工况下的动力学性能。抗蛇行减振器不同种失效工况下的舒适性指标最大值如表2所示。

表2 抗蛇行减振器不同种失效工况下舒适性最大值

由表2可知，当机车车辆滚动振动试验台滚轮转速为253km/h时，在原车工况、去掉1位转向架1位侧抗蛇行减振器工况、去掉1位转向架1位侧抗蛇行减振器2位转向架2位侧抗蛇行减振器工况下，舒适性指标最大值均在1.5～2.5之间，即为舒适等级，与仿真试验结果相符。

4 结语

基于多体动力学理论，利用SIMPACK建立了某型高速动车组单节车模型。仿真分析了一系垂向减振器阻尼、二系垂向减振器阻尼和抗蛇行减振器失效对其运行平稳性的影响，得出单节车垂向平稳性随着一系垂向减振器阻尼的增大呈先变好再恶化的趋势，即优化一系垂向减振器阻尼可以改善其运行平稳性；随着二系垂向减振器阻尼的增大，其垂向平稳性变差。所以在车辆的实际运营中，有必要优化悬挂参数，提高列车运行平稳性及旅客乘坐舒适性。当列车的抗蛇行减振器全部失效时，在较高速度时车辆系统处于极限环振动状态，轮对亦发生大幅值横向周期振动，易发生报警和脱轨事故，具有较大的危险性。所以列车长期高速运行中需要实时监控抗蛇行减振器的工作性能，防止其失效，以保证列车安全平稳运行。