| 标题 | 我国某主型铁路敞车的动力学建模分析 |
| 范文 | 张立娟,武雁峰,应雪 摘要 本文针对我国某主型铁路敞车，通过SIMPACK软件，建立了动力学模型，并使用该模型以100km/h的速度在直线上运行，得到了脱轨系数，脱轨系数最大控制在0.25以内，车辆运行安全。 关键词 铁路敞车；动力学建模；脱轨系数 中图分类号U272 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）49-0097-02 铁路运输是中国国民经济的大动脉，承担了近70%的中长距离货物运输和大部分国防与战备物资的运输任务。据统计，国铁总营业里程约为7.5万km，占世界铁路的6%，完成的货物运输量却达到世界铁路总运量的24%。尤其是改革开发以后，我国国民经济的飞速发展，对铁路客、货运输提出了急迫的技术发展要求。其中铁路货车承担了我国绝大多数的关乎国民生计的重点物资，使得铁路货运更多地关系到产品的制造成本和人民的日常生活价格，这就使得货运列车正常运行中安全性和稳定性显得致关重要, 因此开展对车辆的运行安全性和稳定性的研究就显得很有必要。 本文以我国某主型铁路敞车为研究对象，通过SIMPACK动力学仿真软件建立该型铁路敞车的多刚体非线性动力学模型，分析该型铁路敞车的运行安全性。 1 约定和假设 铁道车辆是一个复杂的多体系统，因此，仿真模型只能根据分析的主要目的和要求，对一些次要因素进行假设或简化，而在对动力学性能影响较大的主要因素上尽可能作出符合实际情况的仿真。在建立该型敞车动力学模型时作出如下假定： 1）轮对、侧架、摇枕、车体等部件的刚度比悬挂系统的刚度要大得多，均视为刚体，即忽略各部件的弹性变形； 2）对动力学性能影响不大的零部件将其质量折合到与其相邻或有依附关系的大部件上； 3）车体、转向架各部件及悬挂均对称布置； 4）不考虑车辆牵引工况和相邻车的影响，即只考虑单节车辆模型。 2 动力学模型 对于铁路车辆系统的动力学建模，其振动方程可以表示为如下形式： 式中，M是质量矩阵，C是阻尼矩阵，K是刚度矩阵，δ是系统激励的位移列向量，Cδ为系统激励的阻尼矩阵，Kδ为系统激励的刚度矩阵，X为广义位移矢量，为广义速度矢量，为广义加速度矢量。 该型敞车是我国三大件铁路货车的代表车型，主要结构是由轮对、侧架、摇枕、车体等构成。本文利用动力学仿真软件SIMPACK 建立该型敞车的多刚体非线性动力学模型，在建模过程中各关键结构处理如下： 1）将轮对、侧架、摇枕、车体视为刚体，采用07号joint单元进行建模； 2）车体与摇枕之间采用心盘和弹性旁承连接，心盘连接即安装在车体底架上的上心盘与安装在摇枕的下心盘通过几何形状凸凹配合在一起，模型中采用一个具有较大纵向、横向和垂向刚度的弹簧元件和一个回转方向摩擦阻尼元件模拟，摩擦系数为0.2；旁承连接即安装在车体底架上的上旁承与安装在摇枕的下旁承采用常接触模式连接，模型中采用一个垂向弹簧元件和一个纵向摩擦阻尼元件模拟，摩擦系数为0.3； 3）摇枕与侧架之间的连接为螺旋弹簧，螺旋弹簧在模型中采用具有垂向、横向和纵向三维刚度的弹簧元件来模拟，其中垂向刚度使用分段函数表示； 4）侧架与轮对之间的连接为轴箱悬挂装置，是通过橡胶垫组合实现的，建模时将橡胶垫模拟为具有三向刚度、三向阻尼的弹簧元件，同时考虑承载鞍与侧架之间的间隙止档，横向刚度和纵向刚度用分段函数来表示； 5）轮轨接触关系。该模型的轮轨接触关系采用SIMPACK软件中Rail模块默认的轮轨关系，即欧洲标准的轮轨关系(S1002/UIC60)； 6）轨道不平顺。由于当前我国尚未建立完善的干线实测轨道谱，因此模型中的轨道不平顺采用与我国一级线路条件较为接近的美国5级轨道谱。并且在该模型中不考虑钢轨的弹性变形，线路是绝对刚性的，钢轨的弹性对于车辆动力学性能只在高频时影响较大，而在线路主要的低频激扰下影响不大，因此不考虑钢轨的弹性变形，只考虑轨道不平顺的影响及轮轨接触面上的弹性接触。 最终建立的该型敞车SIMPACK动力学模型见图1。模型中共有11个刚体，除轮对具有浮沉、侧滚两个非独立自由度外，其他刚体均为6个自由度，全车共58个独立自由度、8个非独立自由度。 模型建立后，仿真模拟该敞车以100km/h在直线上的运行情况，图2为车辆其中一个轮对左轮的脱轨系数，可以看出车辆的脱轨系数最大控制在0.25以内，满足车辆安全运行的要求。 3 结论 本文针对我国某主型铁路敞车，通过SIMPACK软件，建立了动力学模型，并使用该模型以100km/h的速度在直线上运行，得到了脱轨系数，脱轨系数最大控制在0.25以内，说明车辆运行安全。 参考文献 [1]丁虎，胡庆泉，陈立群.运动车辆梁模型的横向振动频率及模态[J].动力学与控制学报，2011(1). |
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