30t及以上轴重货车动力性能仿真研究

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·其 他·
3． 2 25 t 轴重货车模型验证 2003 年，使 用 转 K6 转 向 架 （ 轴 重 25 t ） 的
C80 敞车在大秦线上 线 使 用，目 前 C80 已 成 为 主 型车。依据 C80 敞车和轨道模型参数建立了25 t 轴重重载货车 － 轨 道 耦 合 模 型，并 将 仿 真 计 算 结 果与实测结果 进 行 了 对 比 验 证，数 据 结 果 如 表 2 所示。
1 引言
铁路重载运输由于其运能大、效率高、运输成本 低、节能环保而成为世界铁路大宗货物运输发展的重 要趋势。从世界重载运输技术的进步趋势来看，尽可
收稿日期： 2013 04 10
能提高轴重，充分利用现有站线长度，已逐渐成为今 后重载运输发展的主流方向。国外一些铁路发达国 家一直致力于提高货车车辆轴重。美国早在 20 世纪 60 年代后期货车轴重就已达到24． 9 t，随后提高到了 29． 9 t。20 世纪 90 年代，北美铁道协会开始研制轴重 35． 37 t 用于重载单元列车的大型货车，其运输效率 极为显著。加拿大、澳大利亚等国重载铁路的轴重也
图 5 轮轨垂向力随时间变化曲线
表 2 25 t 轴重重载货车仿真及实测结果
项目
仿真结果 刚性轨道 离散轨道
实测结果
重载货车车辆第一轮对的轮轨相互作用力和 安全性指标最大值如表 3 所示。
轮轨横向力 / kN 轮轨垂向力 / kN
脱轨系数 轮重减载率
7． 8 160． 7 0． 07 0． 09
7． 1 164． 1 0． 05 0． 09
SIMPACK Wheel / Ｒail 模块是 SIMPACK 软件的附
加模块，可以对铁路系统动力学进行仿真分析。SIM-
PACK 软件具有和 FEA、CAD、CACE 软件的广泛接口，
友好的操作界面、经过实验验证的轮轨接触建模以及
优异的仿真精度和仿真效率，使 SIMPACK 作为多体系
统仿真工具已广泛应用到铁路行业仿真领域。 因此采用 SIMPACK 软件，建立重载货车空间耦
图 4 轮轨横向力随时间变化曲线
计算速度范围为 40 ～ 160 km / hห้องสมุดไป่ตู้每间隔 10 km / h 计算一组数据。轮轨相互作用力和安全性指标曲线 如图 6 ～ 9 所示。
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铁道建筑技术 ＲAILWAY CONSTＲUCTION TECHNOLOGY 2013 （10）
MN / m
一系悬挂垂向阻尼（ 每轴箱）
kN·s / m
二系悬挂垂向阻尼（ 摇枕一端）
kN·s / m
25 t 91 400
497 745 1 277 13 11 160 4． 4 4． 4 4． 89
3 40
铁道建筑技术 ＲAILWAY CONSTＲUCTION TECHNOLOGY 2013 （10）
4 计算结果和分析
4． 1 重载货车动力学响应 利用 2． 3 节优选得出的参数建立了 30 t 和 35 t
轴重重载货车车辆 － 轨道耦合模型，计算了速度为 80 km / h 条件下的车辆轨道动力学响应。
第一轮对的轮轨相互作用力随时间的变化曲 线如图 4 和图 5 所示。
脱轨系数 轮重减载率
0． 05 0． 09
6． 0 155． 4 0． 04 0． 08
评判指标
表 3 重载货车计算结果
25 t
30 t
轮轨横向力 / kN
7． 1
8． 6
轮轨垂向力 / kN
164． 1
182． 8
35 t 14． 2 211． 4
从表 2 的数据可以得出： （ 1） 仿真计算结果稍大于实测结果，但是相差 很小，在合理范围内； （ 2） 采用离散轨道结构模型的仿真计算结果比 刚性轨道结构计算结果更接近实测结果。 说明采 用 SIMPACK 软 件 建 立 的 25 t 轴 重 货 车仿真模型 满 足 仿 真 计 算 要 求，且 采 用 离 散 轨 道 结构 的 仿 真 效 果 更 优，可 用 于 下 一 步 的 计 算 与 分析。
参数名称
单位
车体质量
kg
转向架侧架质量
kg
摇枕质量
kg
轮对质量
kg
一系悬挂纵向刚度（ 每轴箱）
MN / m
一系悬挂横向刚度（ 每轴箱）
MN / m
一系悬挂垂向刚度（ 每轴箱）
MN / m
二系悬挂纵向刚度（ 摇枕一端）
MN / m
二系悬挂横向刚度（ 摇枕一端）
MN / m
二系悬挂垂向刚度（ 摇枕一端）
Abstract With the increasing volume of national railway freight transportation，heavyhaul transportation has become the main developing direction for national railway freight transportation． In order to meet the development of heavy axle-load freight transportation，dynamic simulation model of 25 t axle-load freight wagon is established firstly in this paper． On this basis，dynamic analyses are taken on the key parameters of 30 t and 35 t axle-load freight wagons． Optimizations for the parameter values of the 30 t and 35 t axle-load wagon models are also taken． With these parameters，dynamic simulation models of 30 t and 35 t axle-load freight wagons-track dynamic simulation models are established，and the vehicle-track dynamic responses are calculated． The corresponding indicators are in line with higher level of specification requirements． Through the analysis of dynamic response under different speeds，this paper makes a preliminary exploration of the running speed of 30 t and 35 t axle-load heavy haul railway，and proposes that the appropriate speed for the 30 t and 35 t axle-load heavy haul railway is 100 km / h． Key words heavy haul freight wagon； dynamic simulation； running speed
0． 06 0． 11
0． 08 0． 12
由表 3 可知： （ 1） 对于轮轨相互作用力，30 t 和 35 t 轴重条件 下轮轨横向力最大值分别为 8． 6 kN 和 14． 2 kN，轮 轨垂向力最大值分别为 182． 8 kN 和 211． 4 kN，均远 小于规范中相应限值，符合规范中优良等级要求。 （ 2） 对于安全性指标，30 t 和 35 t 轴重条件下脱 轨系数最大值分别为 0． 06 和 0． 08，轮重减载率最 大值分别为 0． 11 和 0． 12，均远小于规范中相应限 值，符合规范中优良等级要求。 （ 3） 轴重从 25 t 增加到 35 t 时，轮轨横向力逐 渐增加，脱轨系数和轮重减载率值也基本呈现增加 趋势，但轴重的增加对轮轨横向力和安全性指标的 影响较小。 4． 2 速度对车辆动力学性能的影响 利用 SIMPACK 软件建立 30 t 和 35 t 轴重重载 货车 － 轨道空间耦合模型，计算了不同速度下车辆 动力学计算数据，评价运行速度对车辆动力学性能 的影响。
Ｒesearch on Dynamic Performance Simulation of 30 t and Above Axle-load Freight Wagon
Liu Xinli
（ China Ｒailway Fifth Survey and Design Institute Group Co． Ltd． ，Beijing 102600，China）
图 2 轨道方向不平顺
合模型，对重载货车进行动力学仿真分析。
2． 1 车辆模型
采用 SIMPACK 动力学仿真软件建立了重载货车
动力学仿真模型。货车转向架的基本结构主要有轮
对、轴箱、侧 架、摇 枕、弹 簧 装 置、减 振 装 置、旁 承 等。
建立模型时，车体、摇枕、侧架，轮对等采用刚体进行
模拟，所有零部件之间的连接通过铰或约束来定义。 SIMPACK 重载货车仿真模型如图 1 所示。
由于我国现今还没有形成适用于我国重载铁
3． 1 25 t 轴重货车模型参数 参考文献［3 ，4 ］，建 立 传 统 三 大 件 转 向 架 结 构
的 25 t 轴重重载货车模型，模型部分参数选取如表 1 所示。利用该模型可以优选 30 t 及 35 t 轴重车辆 模型的相关结构及参数。
表 1 25 t 轴重货车模型参数
离散轨道模型中，轨枕的移动可以通过离散轨 道体的运动进行描述，它们是通过相互连接的弹簧 和阻尼器表示的。离散轨道模型可以模拟有砟柔 性轨道结构，其质量块和弹簧阻尼器参数利用 ANSYS 软件建模等效模拟获得。
线路激 励 是 引 起 轮 轨 系 统 振 动 的 根 源。 这 里 只考虑轨 道 方 面 的 部 分 关 键 因 素，未 涉 及 车 轮 缺 陷、脉冲型不平顺及轨下基础缺陷。
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铁道建筑技术 ＲAILWAY CONSTＲUCTION TECHNOLOGY 2013 （10）
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普遍达到 32． 5 ～ 35． 7 t。与之相比，我国货车的最大 轴重仅为 25 t，还有差距，我国货车轴重向 25 t 以上 发展已成为必然趋势［1］。
2 重载货车空间耦合模型
路的轨道 谱，根 据 文 献 资 料［2］，选 取 与 我 国 重 载 铁 路类似 的 德 国 高 干 扰 谱 作 为 系 统 激 励 进 行 分 析。 其方向不平顺与高低不平顺样本模拟结果如图 2 和 图 3 所示。
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30 t 及以上轴重货车动力 性能仿真研究
刘信立
（ 中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）
摘 要 随着我国铁路货运量的迅速增加，重载运输己成为我国铁路运输的主要发展方向。为了适应我国 25 t 以 上轴重重载货车运输的发展，首先建立了 25 t 轴重重载货车动力仿真模型，在此基础上对 30 t 和 35 t 轴重条件下 车辆模型的关键参数等进行了动力学分析，优化了 30 t 和 35 t 轴重货车模型的参数取值。利用所确定货车模型参 数，建立 30 t 和 35 t 轴重重载货车 － 轨道动力仿真模型，计算分析车辆 － 轨道各项动力响应，相应指标符合规范中 优良等级要求。通过不同速度下的动力学响应分析，对 30 t 和 35 t 轴重重载铁路的运行速度进行初步探究，建议 我国 30 t 和 35 t 轴重货车适宜的运行速度为 100 km / h。 关键词 重载货车 动力学仿真 运行速度 中图分类号 U239． 4； U272 文献标识码 A 文章编号 1009-4539 （ 2013） 10-0090-04
图 3 轨道高低不平顺
3 车辆参数的选取及模型验证
图 1 SIMPACK 重载货车仿真模型
2． 2 轮轨接触模型 建立了货车 － 轨道空间耦合动力模型，轨道采
用 75 kg / m 钢轨，车轮采用 LM 磨耗型踏面。 2． 3 轨道模型
在 SIMPACK 软件中，系统自定义的轨道模型包 括刚性轨道模型、离散轨道模型。