基于ADAMS的高速列车动力学性能仿真研究

基于ADAMS的高速列车动力学性能仿真研究
聂勇军;廖启征;薛运锋
【摘要】基于ADAMS/Rail,建立了12节车辆系统虚拟样机模型,仿真研究了列车直线运行平稳性、启动工况、制动工况和曲线通过工况下的动力学响应,仿真结果表明:所建列车模型启动、制动状况性能良好,直线运行稳定性较好.曲线通过性能较差,中间车辆易发生脱轨.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2012(041)008
【总页数】4页(P58-60,174)
【关键词】高速列车;动力学;仿真;Adams/rail
【作者】聂勇军;廖启征;薛运锋
【作者单位】广州航海高等专科学校船舶工程学院,广东广州 510725;北京邮电大学自动化学院,北京 100876;上海三一科技有限公司,上海 201200
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
0 绪言
随着列车运行速度不断的提高，行车密度的不断加大，对高速列车的运行安全提出了更高的要求，一切工作都应该从安全运输的角度出发，确保旅客安全以及货物正常运输为重点。

高速列车的动力学性能[1-3]直接关系到列车运行速度、乘坐舒适
性和运行安全性。

在现代列车动力学及仿真基础上，为了进一步开发新型车辆，对单辆车辆或几辆车辆组成的系统进行动力学性能计算及动态仿真以求得车辆运行稳定性、平稳性、曲线通过性能并进行参数优化已成为必不可少的手段。

将所研究的车辆系统抽象为力学分析模型，推导出数学模型，进行数值求解，并应用计算机实体建模技术，以数值计算结果驱动模型实现动态仿真，是现代科学用于车辆研究中的主要手段之一。

本文基于虚拟样机软件Adams/Rail[4]，建立某高速列车12节车辆系统虚拟样机模型，分析了列车直线匀速工况下的动力学性能，以及启动、制动工况下的动力学响应和曲线通过情况。

1 模型的建立
铁道车辆是一个复杂的多体系统，不但有各部件之间的相互作用力和相互运动，而且轮轨之间也存在相互作用。

因此，为了突出重点又尽量符合实际并且有利于计算分析的简便，在建模时作了一些合理的简化和假设，对非线性环节作了一些考虑，下面结合实际来进行具体的阐述。

基本假设如下。

本文在建立高速列车车辆动力学模型时作了如下处理。

（1）轮对、构架、车体均视为刚体。

轮对、构架、车体的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，因此把轮对、构架、车体视为刚体是可以接受的。

（2）不考虑钢轨的弹性变形。

钢轨的弹性对于车辆的动力学性能只在高频时影响才较大，而在线路的低频率激扰下影响不大，因此对线路只考虑其不平顺的激扰。

非线性环节的考虑如下。

由于铁道机车车辆是一个非线性较强的系统，因而在动力学模型中考虑以下非线性。

（1）轮轨接触几何非线性：采用LMA高速磨耗型踏面和60kg/m钢轨相匹配。

（2）悬挂特性的非线性：车辆系统中一、二系横向、垂向减振器以及横向止挡都具有明显的非线性特性。

车辆间连接装置采用具有六个方向刚度和阻尼的bushing 来模拟[5]，建模方便，而且更加符合实际情况。

图1 所示为12 节车辆系统虚拟样机模型，车辆编号1 为机车，其余均为拖车。

列车系统中各刚体坐标系的原点设在刚体质心上，X 轴指向车辆前进方向，Y 轴在轨道理论平面内垂直于X 轴向右，Z轴向下。

仿真进行列车的直线运行稳定性以及列车的启动制动工况时，所采取的轨道为直线轨道。

进行列车曲线通过仿真求解时所采取的轨道为直-缓-圆-缓-直线路，各段长度构成为直线段长度500m，进入缓和曲线中心线弧长300m，圆曲线弧长50m，驶出缓和曲线中心线弧长300m，直线段长度350m，线路圆曲线曲线半径3
500m，超高110mm。

列车运行速度为160km/h。

直线轨道和曲线轨道的不平
顺均采用德国高速高干扰谱。

图1 列车系统模型
高低不平顺：
方向不平顺
水平不平顺：
式（1）～（3）中，Ω为空间频率，Av、AA为粗糙度常数，Ωc、Ωr、Ωs为截
断频率。

其中各参数的取值为Ωc=0.824 6，Ωr=0.020 6 rad/m，Ωs=0.438 0 rad/m，b=0.75 m，Av=1.08×10-6 m·rad，AA=6.125×10-7 m·rad。

2 仿真结果分析
2.1 直线运行稳定性仿真计算结果
表1 直线运行稳定性计算结果（最大值）横向平稳性指标垂向平稳性指标脱轨系
数轮对序号轮轨横向力（kN）垂向减载率比较指标左轮右轮左轮右轮左轮右轮首
车2.25 2.39七车2.07 2.33十二车2.06 2.26 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 0.22，
0.28 0.27，0.32 0.22，0.26 0.30，0.32 0.26，0.19 0.20，0.18 0.17，0.19
0.20，0.17 0.20，0.21 0.24，0.28 0.18，0.23 0.23，0.27 16.61，16.26 24.62，29.13 12.55，13.45 18.99，19.66 25.58，15.59 28.16，16.19 24.66，20.46 26.56，24.16 28.32，29.91 14.24，23.14 19.25，21.02 18.58，19.26 0.70，0.58 0.40，0.48 0.66，0.51 0.71，0.72 0.53，0.85 0.55，0.46 0.90，0.77
0.50，0.48 0.72，0.75 0.66，0.59 0.73，0.59 0.64，0.58
由表1可知，列车以160km/h在直线轨道上运行时，横向平稳性和垂向平稳性都属于良好。

从脱轨系数和横向力来看，各车差别不大。

但中间车轮对的垂向减载率要大于首车和末车，主要是由于车辆间的相互作用力造成的。

当无线路激扰时，车辆间连接处的相对位移很小，因此三向车钩力可忽略不计。

而有线路激扰时，车辆间连接处的相对位移则造成车辆间横向力纵向力和垂向力的产生。

2.2 起动工况仿真计算结果
牵引力的施加方式为，牵引力在3秒内由0上升到粘着极限值，保持这个极限值
到最低计算速度，以后以最大功率运行。

图2 不同车辆所受到的牵引力
从图2 中可以看到，车辆间的车钩力为拉钩力，且车钩力在开始启动时随牵引力
上升而稳步上升，前面的车辆车钩力较大，后面的依次减小。

当牵引力变化较缓时车钩力也围绕各车的平衡位置上下小幅波动[6]。

在TB/T2370-1993《铁路旅客列车纵向动力学试验方法与评定指标》中明确规定了旅客列车纵向加（减）速度的评定指标为：列车启动、调速及常用制动时，纵向平均加速度或减速度的绝对值不应超过0.08g。

本文的仿真结果中，从机车到末车，各节车辆平均加速度依次为0.274 2m/s2，
0.273 6 m/s2，0.274 5 m/s2，0.273 9 m/s2，0.274 1 m/s2，0.274 2 m/s2，0.274 2 m/s2，0.274 6 m/s2，0.274 3 m/s2，0.274 3 m/s2，0.274 3 m/s2。

完全在旅客列车纵向动力学试验方法与评定指标所规定的标准内。

2.3 制动工况的研究
制动工况为紧急制动。

闸瓦为高摩合成闸瓦。

制动方式为闸瓦制动，制动力矩的施加方式为匀速运行3s后开始施加制动力矩。

机车制动装置的参数为：制动缸直径203mm，制动缸数量2个/轴，制动倍率3.5，制动器传动效率0.85，每台转向架上有4 个独立单元制动器，每个制动器上有两块高摩粉末冶金闸瓦。

拖车制动参数为：制动缸直径203mm，制动缸数量3 个/轴，制动盘数量3 个/轴，高摩粉末冶金闸瓦数量2 个/盘，制动器传动效率0.85，制动倍率2.16。

由表2 可看出中间车辆的各项指标都较大，尤其第5、6车的垂向减载率很大，这说明在制动时中间车辆相比之下运行情况较两端车辆恶劣。

这是由于中间车辆受到的两边的纵向冲击力较大。

2.4 曲线通过性能研究
由表3 可看出当列车以160km/h的匀速通过半径为3 500m的圆曲线时，列车运行横行平稳性指标在2.5 左右，横向运行平稳性较好；列车总体垂向平稳性较差，仅在允许范围内3.5 以内。

中间车辆在通过曲线时，垂向平稳性最差。

列车的脱轨系数和垂向减载率较大，列车高速通过曲线时容易发生脱轨。

同表3比较，可以发现列车在通过曲线时各项指标都比直线运行时要高[7-8]。

表2 制动工况计算结果（最大值）比较指标车辆序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12横向平稳性指标2.16 2.17 1.80 1.81 1.87 1.81 1.84 1.83 1.83 1.77 1.75 1.77垂向平稳性指标2.13 2.60 2.95 2.42 2.61 2.43 2.05 1.97 1.94 1.93 1.91 1.91脱轨系数0.65 0.74 0.78 0.62 0.43 0.74 0.53 0.53 0.60 0.63 0.68 0.54轮轨横向力
（kN）40.37 39.8 28.82 35.47 43.40 37.22 22.11 27.11 27.46 27.35 28.26 22.72垂向减载率0.85 0.77 0.79 0.62 0.96 0.97 0.63 0.75 0.66 0.68 0.70 0.63 表3 曲线通过时各车的动力学指标（最大值）1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12横向平稳性指标2.258 2.499 2.116 2.107 2.072 2.074 2.099 2.052 2.078 2.045 2.078 2.133垂向平稳性指标2.895 2.582 2.439 3.313 3.332 2.649 3.146 3.411 2.414 2.916 2.936 2.341脱轨系数0.640 0.890 0.830 0.980 0.950 0.950 0.870 0.970 0.930 0.950 0.650 0.750轮轨横向力（kN）37.330 46.610 41.470 44.640
43.880 40.160 38.850 57.020 42.860 40.80 38.550 39.18垂向减载率0.650
0.760 0.890 0.790 0.860 0.830 0.820 0.760 0.850 0.770 0.810 0.720
3 结论
本文采用Adams/rail 建立了12 节车辆虚拟样机系统模型，车辆间连接装置采用
具有六个方向刚度和阻尼的bushing来模拟，仿真研究了列车直线运行平稳性、
启动、制动以及曲线通过四种特定工况仿真结果均与现有文献取得了一致的结论，从而验证了所建模型的可靠性。

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