MSC.ADAMS在机车车辆设计中的应用实例
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使用 ADAMS/Rail 建立了不同驱动系统不同悬挂方式转向架的细化模型并进行了各种工况 下机车的稳定性和舒适性的分析计算，结果用于选择最为经济有效的方案。“Thanks to simulation it has been possible to choose the most cost-effective design for the locomotive bogies, by evaluating the behavior of all different variants.” Skoda 机车的 Vaclav Kraus 说。 （摘自：“Dynamic Analysis of High-Speed Electric Locomotive” – presented by Vaklav Kraus, Skoda Locomotive, at 16th ADAMS European Users Conference）
一台电力机车可以看作是包含电力系统、机械系统和控制系统的复杂系统。为开发一个新的 车型，需要各方面专家团队共同合作。电能需要转化为机械能，电力驱动系统需要满足机械 部分空间的要求，这一部分被称作传动系，包括：电机转换器控制部分、异步电机、机械驱 动系统（特指齿轮箱）、轮轨接触等。庞巴迪运输公司的苏伊士分部负责开发制造机车转向 架驱动系统，在实践中逐步认识到驱动系统是一个整体，单纯改变其中某一个部分而不考虑 其他部分是不行的。正因为如此，庞巴迪运输公司的苏伊士分部采用了将各个仿真软件的功 能结合起来的方式，结果是使用不同的工具联合仿真来综合考虑整个系统的影响。因此，选 择了 ADAMS/Rail 与 MATLAB/Simulink 的联合仿真功能。
在 Talgo 公司，MSC.ADAMS/Rail 作为 VPD 技术工具贯穿在所有的产品开发的各个设计阶 段。Talgo 公司更为关心其产品的动力学性能，其制造的产品是一种自适应的摆式车身的高 速车辆，其中包含复杂的转向架的设计（包括独立轮对技术、转向架上部的空气弹簧悬挂等）。 利用 MSC.ADAMS/Rail，Talgo 公司完成了四节车厢编组的完整车列模型的仿真，通过 ADAMS 的各种分析功能对整车的模态、振型、稳定性、舒适性、脱轨安全性以及轮轨力的 大小进行了分析。 在 Talgo， 使用 VPD 技术的意义可以用客户的话来说明，“仿真减少了设计的费用，是表 明我们技术实力的核心工具，并能有效的保证我们产品的竞争力。使用这一工具，可以很方 便的处理设计中的问题，如舒适性及脱轨安全性等。另外，仿真可以让工程师和试验人员完 成一些根本无法做的试验，或者可以更为更为经济有效的虚拟试验方式（这种方式无需更多 的测试通道，相比传统的试验方式来说更方便也更经济）”Talgo 公司走行部经理 Emilio Garcia 说。（摘自： “SIMULACIONES PARA EL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TREN TALGO DE ALTA VELOCIDAD”, Talgo internal presentation）
MSC.ADAMS 在机车车辆设计中的应用实例
作者：MSC.Software
牵引制动系统性能的问题
机车车辆的牵引制动性能是关系到车辆运行安全与否的一个重要因素。机车车辆的牵引制动 系统的牵引制动性能除了要考虑牵引电机、传动系统、制动系统之外，还要考虑轮轨接触的 影响。通过 MSC.ADAMS/Rail 可以对机车车辆的牵引制动性能进行精确的仿真。利用 ADAMS/Rail 的模板建模方式可以很方便的建立牵引制动系统的模板，然后建立牵引制动子 系统，再与转向架和车体等其它子系统组装成整车模型。在 ADAMS/Rail 中可以定义轮轨 之间非线性的摩擦特性，随着蠕滑率的变化而变化的摩擦系数是进行牵引或制动性能分析至 关重要的特性。同时，还可以定义随着轨道长度方向变化的摩擦系数，这样可以分析钢轨表 面干燥/潮湿的影响。下面是这方面的应用实例。
上面图片所示分别为：Skoda 的转向架总装图及车身上垂向加速度在不同的悬挂方式下随 时间的变化曲线。
实例 2：
Talgo 车辆和设备公司经过多年国际化的扩张已经发展成为一个大的跨国公司，公司目前主 要致力于开发满足不同国家铁道行业标准的 Talgo 产品和维修服务方面的技术革新，现在主 要使用自己原有的技术进行车辆和铁道设备的设计、制造和维护上，并且为满足 ISO 9000 标准而努力。目前 Talgo 集团公司分布在西班牙、德国、美国和芬兰，并在其它国家和地区 建有广泛的代表处和机构网络。（www.talgo.com)
实例 1 ：
Voith Turbo 是德国铁道车辆传动系统的一级供应商，主要开发、制造并组装机械、液压及 电动系统。他们提供铁道动车的驱动系统，可使机械系统运转更有效，使车辆运营速度更高， 更舒适，并节省能源，减少噪音。（摘自： http://www.voithturbo.com）
Voith Turbo 公司的分析部门需要研究驱动系统和动车系统之间在牵引或制动时的相互耦合 作用，如在牵引／制动时的轴系的谐振问题。ADAMS/Rail、ADAMS/Flex、 ADAMS/Exchange 使得 Voith Turbo 实现了在其产品开发流程内虚拟产品开发的技术。 ADAMS/Rail 的模版建模方式使得 Voith Turbo 能够将其建立的驱动系统模型与其他的供应 商提供的车辆模型（包括转向架和车身子系统）联合起来建立一个包含驱动系统的整车模型， 非常容易测试配置不同驱动系统的车辆的动力学性能。其意义在于可以对驱动系统的谐振和 稳定性进行研究，并进行优化，以使驱动系统的悬挂装置所受的冲击加速度不超过许可的范 围。
实例 2 ：
庞巴迪运输公司在运输行业处于领先地位，其产品包括长短途的机车、客车及货车，2002 年收购 Adtranz 是一项重要的战略，奠定了庞巴迪成为铁路车辆运输及服务方面在全球设 计、制造及销售方面的世界领先地位。通过合并重组，庞巴迪公司可以为用户提供创造性的 解决方案以满足用户的各种需求（摘自： http://www.bombardier.com）
转向架的某阶振动模态，其中包含考虑柔性的构架、电机、传动系等
实例 3 ：
Trenitalia 是意大利铁路运营商，其官方网站是：www.trenitalia.it。
UTMR (车辆技术部门)是 Trenitalia 组织的下属部门，要求在现有铁路车辆上安装一种防滑 设备以便试验，对这种防滑设备在各种典型的制动工况下的性能比较感兴趣（类似于汽车上 的 ABS），并且进行了很多试验得到了大量相关的试验数据。UTMR 与佛罗伦萨大学合作， 利用 ADAMS/Rail 建立了包括这种防滑设备的转向架的细化模型，该模型利用了 ADAMS/Controls 与 MATLAB/simulink 联合仿真的功能，并采用了非线性的粘/滑特性曲线 以精确模拟轮轨之间在制动时的接触情况。结果表明：仿真的数据是精确的，并且再现了实 际试验中所表现的情况，即在制动过程中，由于施加了制动力矩，车轮会出现滑动现象，车 轮的切线速度小于所需要的速度（兰色线）。当车轮的线速度低于预先定义的临界速度时， 防滑设备开始工作，降低制动力矩，结果使车轮的线速度加大，再增加制动力矩以降低车速。 利用此模型可以优化防滑设备中有关的参数设置。“The proposed model has a behaviour qualitatively and quantitatively analogous to the on liHale Waihona Puke Baidue tests.” UTMR Trenitalia 的经理 P. Presciani 说。（摘自：“Railway Wagon Model with Antislip Braking System” – presented by
Guido Volterrani, University of Florence, at 16th ADAMS European Users Conference ）
上面三个图所示分别为 Trenitalia 试验用的盘式制动系统、MATLAB/Simulink 控制系统框图 和仿真过程中开始制动时车列以及前后四个轮对上的速度随时间变化曲线。
为了使分析过程标准化，在 ADAMS/Rail 的建模模板中建立了一系列的转向架及驱动系统 的模板，这样可以方便的组装成各种不同的结构型式，其中包括：构架、轴箱、发动机以及 传动系，分别按照刚性或柔性来考虑。利用 MATLAB/Simulink 建立控制系统的模型。通过 这种方式，可以考虑转向架及传动系统与控制系统之间的相互耦合作用，在满足牵引性能前 提下修改悬挂参数以优化整个系统的性能。采用这种方式，能够在很短的时间内就完成多个 工程项目的分析，满足客户的要求。“Commissioning of traction control could be finished in a short time with very good results to the satisfaction of our customer, even though the conditions were very difficult.” 牵引系统工程部的 Peter Haese 说。 （摘自： “Improving the design of locomotive bogies and drives using ADAMS” – presented by P. Haese, Bombardier Transportation, at MDI European Users Conference, Berchtesgaden, Germany, 15-Nov-01 ）
上图所示为考虑传动系统的整车模型在通过湿滑轨面启动时牵引电机的输出扭矩随着仿真 时间的变化过程，通过仿真发现了由于轨面的湿滑而导致输出扭矩的振动现象，这一现象是 由于机车经过湿滑轨面时产生了打滑现象，引起了传动系统的扭振，所以电机的输出扭矩出 现了上下的波动。
上面三个图所示为考虑电机的悬挂装置的机车在与其它车辆或固定物发生碰撞时电机的悬 挂装置的振动冲击情况的虚拟试验过程，目的是研究由于碰撞冲击引起的发动机悬挂装置的 最大加速度。在该模型中牵引电机体悬，悬挂部件通过 ADAMS/Flex 将有限元的模态分析 结果读入 ADAMS/Rail，从而可以考虑悬挂结构柔性的影响，使仿真结果更接近实际情况。
走行稳定性能和曲线、道岔通过性能的问题
随着列车运行速度的不断加快，对机车车辆的走行稳定性和曲线、道岔通过性能的要求也越 来越高。机车车辆在铁道线路上运行，机车车辆是由若干零部件所组成的复杂的动力学系统， 具有惯性、弹性、阻尼等许多动力学特性，而铁道线路上也存在各种不平顺的因素，如垂向 不平顺、横向不平顺、轨距不平顺等等。因此需要分析机车车辆各种不同的悬挂参数以及车 轮不同踏面形状对走行稳定性能的影响。通过 ADAMS/Rail 可以对车辆的走行稳定性能和 曲线通过性能进行分析。ADAMS/Rail 中提供进行车辆稳定性分析的专用工具，你可以直接 指定车轮踏面的等效锥度，即可以得到相应的临界速度，如果你给定车轮踏面等效锥度的变 化范围，ADAMS/Rail 还可以给出车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线，使用起 来非常方便。同时利用 ADAMS/Rail 中提供的动力学分析工具可以定义各种不同的曲线、 道岔线路以及轮轨接触特性，分析车辆的曲线、道岔通过性能。
Skoda 机车需要对不同的机车转向架的设计型式进行评估。特别是，他们需要评估以不同 的方式悬置电机及齿轮传动箱对机车稳定性能及舒适性能的影响。SKODA HOLDING a.s. 分析了两种不同的牵引电机体悬挂方式的影响，一种是牵引电机及传动系统全部采用体悬的 方式，另一种是牵引电机体悬，而齿轮箱一边悬置在车体上，另一边悬置在构架上。
上图所示为车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线的例子
下面是应用 ADAMS/Rail 进行车辆走行稳定性能和曲线、道岔通过性能分析的实例。
实例 1：
SKODA HOLDING a.s.是一家由 SKODA PLZEN 相关的产品生产派生出来的新公司。 SKODA HOLDING 主要的股东目前是 SKODA a.s., 它管理着 SKODA 部分资产，公司净资 产大约为 35 亿 CZK， SKODA HOLDING a.s.及其子公司拥有 7300 名雇员。
一台电力机车可以看作是包含电力系统、机械系统和控制系统的复杂系统。为开发一个新的 车型，需要各方面专家团队共同合作。电能需要转化为机械能，电力驱动系统需要满足机械 部分空间的要求，这一部分被称作传动系，包括：电机转换器控制部分、异步电机、机械驱 动系统（特指齿轮箱）、轮轨接触等。庞巴迪运输公司的苏伊士分部负责开发制造机车转向 架驱动系统，在实践中逐步认识到驱动系统是一个整体，单纯改变其中某一个部分而不考虑 其他部分是不行的。正因为如此，庞巴迪运输公司的苏伊士分部采用了将各个仿真软件的功 能结合起来的方式，结果是使用不同的工具联合仿真来综合考虑整个系统的影响。因此，选 择了 ADAMS/Rail 与 MATLAB/Simulink 的联合仿真功能。
在 Talgo 公司，MSC.ADAMS/Rail 作为 VPD 技术工具贯穿在所有的产品开发的各个设计阶 段。Talgo 公司更为关心其产品的动力学性能，其制造的产品是一种自适应的摆式车身的高 速车辆，其中包含复杂的转向架的设计（包括独立轮对技术、转向架上部的空气弹簧悬挂等）。 利用 MSC.ADAMS/Rail，Talgo 公司完成了四节车厢编组的完整车列模型的仿真，通过 ADAMS 的各种分析功能对整车的模态、振型、稳定性、舒适性、脱轨安全性以及轮轨力的 大小进行了分析。 在 Talgo， 使用 VPD 技术的意义可以用客户的话来说明，“仿真减少了设计的费用，是表 明我们技术实力的核心工具，并能有效的保证我们产品的竞争力。使用这一工具，可以很方 便的处理设计中的问题，如舒适性及脱轨安全性等。另外，仿真可以让工程师和试验人员完 成一些根本无法做的试验，或者可以更为更为经济有效的虚拟试验方式（这种方式无需更多 的测试通道，相比传统的试验方式来说更方便也更经济）”Talgo 公司走行部经理 Emilio Garcia 说。（摘自： “SIMULACIONES PARA EL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TREN TALGO DE ALTA VELOCIDAD”, Talgo internal presentation）
MSC.ADAMS 在机车车辆设计中的应用实例
作者：MSC.Software
牵引制动系统性能的问题
机车车辆的牵引制动性能是关系到车辆运行安全与否的一个重要因素。机车车辆的牵引制动 系统的牵引制动性能除了要考虑牵引电机、传动系统、制动系统之外，还要考虑轮轨接触的 影响。通过 MSC.ADAMS/Rail 可以对机车车辆的牵引制动性能进行精确的仿真。利用 ADAMS/Rail 的模板建模方式可以很方便的建立牵引制动系统的模板，然后建立牵引制动子 系统，再与转向架和车体等其它子系统组装成整车模型。在 ADAMS/Rail 中可以定义轮轨 之间非线性的摩擦特性，随着蠕滑率的变化而变化的摩擦系数是进行牵引或制动性能分析至 关重要的特性。同时，还可以定义随着轨道长度方向变化的摩擦系数，这样可以分析钢轨表 面干燥/潮湿的影响。下面是这方面的应用实例。
上面图片所示分别为：Skoda 的转向架总装图及车身上垂向加速度在不同的悬挂方式下随 时间的变化曲线。
实例 2：
Talgo 车辆和设备公司经过多年国际化的扩张已经发展成为一个大的跨国公司，公司目前主 要致力于开发满足不同国家铁道行业标准的 Talgo 产品和维修服务方面的技术革新，现在主 要使用自己原有的技术进行车辆和铁道设备的设计、制造和维护上，并且为满足 ISO 9000 标准而努力。目前 Talgo 集团公司分布在西班牙、德国、美国和芬兰，并在其它国家和地区 建有广泛的代表处和机构网络。（www.talgo.com)
实例 1 ：
Voith Turbo 是德国铁道车辆传动系统的一级供应商，主要开发、制造并组装机械、液压及 电动系统。他们提供铁道动车的驱动系统，可使机械系统运转更有效，使车辆运营速度更高， 更舒适，并节省能源，减少噪音。（摘自： http://www.voithturbo.com）
Voith Turbo 公司的分析部门需要研究驱动系统和动车系统之间在牵引或制动时的相互耦合 作用，如在牵引／制动时的轴系的谐振问题。ADAMS/Rail、ADAMS/Flex、 ADAMS/Exchange 使得 Voith Turbo 实现了在其产品开发流程内虚拟产品开发的技术。 ADAMS/Rail 的模版建模方式使得 Voith Turbo 能够将其建立的驱动系统模型与其他的供应 商提供的车辆模型（包括转向架和车身子系统）联合起来建立一个包含驱动系统的整车模型， 非常容易测试配置不同驱动系统的车辆的动力学性能。其意义在于可以对驱动系统的谐振和 稳定性进行研究，并进行优化，以使驱动系统的悬挂装置所受的冲击加速度不超过许可的范 围。
实例 2 ：
庞巴迪运输公司在运输行业处于领先地位，其产品包括长短途的机车、客车及货车，2002 年收购 Adtranz 是一项重要的战略，奠定了庞巴迪成为铁路车辆运输及服务方面在全球设 计、制造及销售方面的世界领先地位。通过合并重组，庞巴迪公司可以为用户提供创造性的 解决方案以满足用户的各种需求（摘自： http://www.bombardier.com）
转向架的某阶振动模态，其中包含考虑柔性的构架、电机、传动系等
实例 3 ：
Trenitalia 是意大利铁路运营商，其官方网站是：www.trenitalia.it。
UTMR (车辆技术部门)是 Trenitalia 组织的下属部门，要求在现有铁路车辆上安装一种防滑 设备以便试验，对这种防滑设备在各种典型的制动工况下的性能比较感兴趣（类似于汽车上 的 ABS），并且进行了很多试验得到了大量相关的试验数据。UTMR 与佛罗伦萨大学合作， 利用 ADAMS/Rail 建立了包括这种防滑设备的转向架的细化模型，该模型利用了 ADAMS/Controls 与 MATLAB/simulink 联合仿真的功能，并采用了非线性的粘/滑特性曲线 以精确模拟轮轨之间在制动时的接触情况。结果表明：仿真的数据是精确的，并且再现了实 际试验中所表现的情况，即在制动过程中，由于施加了制动力矩，车轮会出现滑动现象，车 轮的切线速度小于所需要的速度（兰色线）。当车轮的线速度低于预先定义的临界速度时， 防滑设备开始工作，降低制动力矩，结果使车轮的线速度加大，再增加制动力矩以降低车速。 利用此模型可以优化防滑设备中有关的参数设置。“The proposed model has a behaviour qualitatively and quantitatively analogous to the on liHale Waihona Puke Baidue tests.” UTMR Trenitalia 的经理 P. Presciani 说。（摘自：“Railway Wagon Model with Antislip Braking System” – presented by
Guido Volterrani, University of Florence, at 16th ADAMS European Users Conference ）
上面三个图所示分别为 Trenitalia 试验用的盘式制动系统、MATLAB/Simulink 控制系统框图 和仿真过程中开始制动时车列以及前后四个轮对上的速度随时间变化曲线。
为了使分析过程标准化，在 ADAMS/Rail 的建模模板中建立了一系列的转向架及驱动系统 的模板，这样可以方便的组装成各种不同的结构型式，其中包括：构架、轴箱、发动机以及 传动系，分别按照刚性或柔性来考虑。利用 MATLAB/Simulink 建立控制系统的模型。通过 这种方式，可以考虑转向架及传动系统与控制系统之间的相互耦合作用，在满足牵引性能前 提下修改悬挂参数以优化整个系统的性能。采用这种方式，能够在很短的时间内就完成多个 工程项目的分析，满足客户的要求。“Commissioning of traction control could be finished in a short time with very good results to the satisfaction of our customer, even though the conditions were very difficult.” 牵引系统工程部的 Peter Haese 说。 （摘自： “Improving the design of locomotive bogies and drives using ADAMS” – presented by P. Haese, Bombardier Transportation, at MDI European Users Conference, Berchtesgaden, Germany, 15-Nov-01 ）
上图所示为考虑传动系统的整车模型在通过湿滑轨面启动时牵引电机的输出扭矩随着仿真 时间的变化过程，通过仿真发现了由于轨面的湿滑而导致输出扭矩的振动现象，这一现象是 由于机车经过湿滑轨面时产生了打滑现象，引起了传动系统的扭振，所以电机的输出扭矩出 现了上下的波动。
上面三个图所示为考虑电机的悬挂装置的机车在与其它车辆或固定物发生碰撞时电机的悬 挂装置的振动冲击情况的虚拟试验过程，目的是研究由于碰撞冲击引起的发动机悬挂装置的 最大加速度。在该模型中牵引电机体悬，悬挂部件通过 ADAMS/Flex 将有限元的模态分析 结果读入 ADAMS/Rail，从而可以考虑悬挂结构柔性的影响，使仿真结果更接近实际情况。
走行稳定性能和曲线、道岔通过性能的问题
随着列车运行速度的不断加快，对机车车辆的走行稳定性和曲线、道岔通过性能的要求也越 来越高。机车车辆在铁道线路上运行，机车车辆是由若干零部件所组成的复杂的动力学系统， 具有惯性、弹性、阻尼等许多动力学特性，而铁道线路上也存在各种不平顺的因素，如垂向 不平顺、横向不平顺、轨距不平顺等等。因此需要分析机车车辆各种不同的悬挂参数以及车 轮不同踏面形状对走行稳定性能的影响。通过 ADAMS/Rail 可以对车辆的走行稳定性能和 曲线通过性能进行分析。ADAMS/Rail 中提供进行车辆稳定性分析的专用工具，你可以直接 指定车轮踏面的等效锥度，即可以得到相应的临界速度，如果你给定车轮踏面等效锥度的变 化范围，ADAMS/Rail 还可以给出车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线，使用起 来非常方便。同时利用 ADAMS/Rail 中提供的动力学分析工具可以定义各种不同的曲线、 道岔线路以及轮轨接触特性，分析车辆的曲线、道岔通过性能。
Skoda 机车需要对不同的机车转向架的设计型式进行评估。特别是，他们需要评估以不同 的方式悬置电机及齿轮传动箱对机车稳定性能及舒适性能的影响。SKODA HOLDING a.s. 分析了两种不同的牵引电机体悬挂方式的影响，一种是牵引电机及传动系统全部采用体悬的 方式，另一种是牵引电机体悬，而齿轮箱一边悬置在车体上，另一边悬置在构架上。
上图所示为车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线的例子
下面是应用 ADAMS/Rail 进行车辆走行稳定性能和曲线、道岔通过性能分析的实例。
实例 1：
SKODA HOLDING a.s.是一家由 SKODA PLZEN 相关的产品生产派生出来的新公司。 SKODA HOLDING 主要的股东目前是 SKODA a.s., 它管理着 SKODA 部分资产，公司净资 产大约为 35 亿 CZK， SKODA HOLDING a.s.及其子公司拥有 7300 名雇员。