基于 SIMPACK 的 100%低地板有轨电车动力学性能分析

基于 SIMPACK 的 100%低地板有轨电车动力学性能分析

摘要：100%低地板有轨电车是一种五车三转向架的铰接式列车。相比较于传统

型式的列车，该型式的列车在结构上具有悬浮车体并且动力车只装配了一个转向架，因此对于车辆的动力学性能有所改变。利用车辆动力学仿真实验软件SIMPACK对五车三转向架的铰接式100%低地板有轨电车和传统的地铁车辆建立

非线性的动力学仿真分析模型。从而得到两种不同结构型式，不同连接方式的列

车在相同运行环境下以不同速度运行时候的临界速度、运行平稳性以及曲线通过

安全性等动力学性能参数。结果表明：相比较于传统列车的动力学仿真分析结果，铰接式列车在AW0（空载）工况下的垂向平稳性指标要优于在AW3（重载）工

况下的相应指标。

关键词：铰接式列车；动力学；仿真分析计算；SIMPACK

作为一款多体动力学仿真分析软件，研究人员可以利用SIMPACK软件快速地

建立动力学模型，生成动力学方程，进而快速地得到系统的动态特性或频域特性。相比较于过去基于MATLAB/SIMULINK建立单车以及车组的动力学模型，或是利用Simulink/SimMechanics建立动力学模型，SIMPACK软件采用先进的相对坐标系建模，求解迅速，尤其在模型的零部件增多的情况下，SIMPACK软件的优势更为明显。而软件采用的核心递归算法则保证了软件求解的可靠性及稳定性。

本文利用SIMPACK软件建立链接式和铰接式这两种连接方式的列车非线性动

力学模型，通过数值仿真分析，进而得到两个模型的动力学性能参数，从而仿真

分析得到两种不同的车辆连接方式的相关动力学性能指标（主要包括临界速度、

平稳性以及曲线通过时候的安全性）。

1 铰接式列车多体动力学模型

列车由5个模块编组。

编组方式：-M+F+Mp+F+Mc-

车辆设置3台动力转向架。转向架由构架组成、轮对轴箱装置、一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引装置、制动装置、机械驱动装置和轮缘润滑装置等组成。

为了更好地模拟100％低地板有轨电车的运行性能，建模时考虑了将车辆横

向运动和垂向运动耦合起来的数学模型。坐标系的取法如下：100％低地板有轨

电车的前进方向为x轴；y轴平行于轨道平面指向右方；z轴垂直轨道平面向下。

本计算建立了100％低地板有轨电车动力学模型，其车辆主要由5个车体、3

个构架、6个轮对和12个轴箱组成。车体取 6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；构架取6 个自由度，即纵向、横向、垂向、摇头、点头；轮

对取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头（其中轮对垂向和侧

滚运动是非独立运动）；轴箱取1个自由度，即点头。

2 传统列车多体动力学模型

为使仿真结果具有对比性，传统列车车辆选择较为典型的某城市地铁车辆进

行动力学仿真计算，该车辆为四动两拖编组，中间为动车、两端为拖车。

转向架分为两种结构相似的动车转向架和拖车转向架，均为无摇枕转向架。

两种转向架采用相同的轴箱定位装置、空气弹簧、中央牵引装置、垂向减振器、抗侧滚扭杆、自动高度调整阀、压差阀、横向油压减振器、单元踏面制动装

置和轮对等。牵引电动机、齿轮传动装置、联轴节等安装在动车转向架上。

其车辆主要由1个车体、2个构架、4个轮对和8个轴箱组成。车体取 6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；构架取6 个自由度，即纵向、

横向、垂向、摇头、点头；轮对取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头(其中轮对垂向和侧滚运动是非独立运动)；轴箱取1个自由度，即点头。

3 仿真计算结果对比分析

通过建立如上所述的多体动力学仿真计算模型，利用数值仿真计算的方法便

可以得到动力学性能方面的参数。由于本文篇幅有限，故在对两种列车进行动力

学性能比较分析的时候，在轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率等性能参数选取时，均选取所有轮对当中的最大值，横向平稳性、垂向平稳性等性能指标选取时，则按照所有车辆当中的最大值。基于列车运行安全性考虑，该比较方法是可行的。

3.1运行平稳性

通过数值仿真分析，我们可以得到铰接式及传统式列车的横向和垂向平稳性指标，如图1所示。从图中可以看出，相比较于传统式列车，铰接式列车的垂向平

稳性指标在空载条件下要优于重载条件下的相应指标。

图1 列车横向平稳性指标

3.2曲线通过性能

通过数值仿真分析，两种型式的列车在通过R150M的小曲线半径时的各项曲

线通过安全性参数如图2所示。

图2 列车轮轴横向力

从图中可以看出，铰接式列车与传统列车在曲线通过性能上相差不大，两种

型式列车的各项动力学参数指标均符合GB/T 5599-1985当中的相关规定。相比较

于传统型式的列车，铰接式列车并没有明显的优势。相较于传统式列车，铰接式

列车的脱轨系数和轮重减载率分别减小了40%和51% ，这说明相比较于传统式列车，铰接式列车的曲线通过安全性要更好，脱轨等事故的发生概率要远远小于传

统型式的列车。

4 结论

从上述建模、求解和分析的过程，可以得出以下结论：

1)铰接式100%低地板有轨电车的运行平稳性，在空车工况的平稳性指标下要优于

重车工况下的平稳性指标；

2)相比较于传统型式的列车，铰接式列车的曲线通过安全性能更为优良。

通过SIMPACK建模和仿真数值分析得到的结果同实际情况相比较，具有规律

上的一致性，说明了该仿真分析的合理性。

【1】100%低地板有轨电车动力学性能研究

【2】基于ADAMS的铁道车辆脱轨后动态行为分析

【3】基于Simpack铰接式列车的动力学性能分析