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基于SIMPACK軟件的某型城市軌道交通車輛運(yùn)行安全仿真及平穩(wěn)性研究

文檔作者：李曉斌方宇金子博堯輝明文檔來(lái)源：上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月04日
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基虧SIMPACK軟件的某型城市軌道交通車輛
運(yùn)行安全仿真及平穩(wěn)性研究*
李曉斌 方 宇 金子博 堯輝明
(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上海∥第一作者，碩士研究生)
摘要利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK對(duì)國(guó)內(nèi)某型城市
軌道交通車輛進(jìn)行整體建模，分析車輛以不同速度過(guò)彎道時(shí)
的脫軌系數(shù)、輪重減載率和傾覆系數(shù)等3個(gè)安全性指標(biāo)。仿
真結(jié)果表明，隨著運(yùn)行速度的增大，3個(gè)安全性指標(biāo)均相應(yīng)
增大且過(guò)彎道時(shí)變化更加明顯。通過(guò)在車體安裝加速度傳
感器獲取車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中垂向和橫向振動(dòng)響應(yīng)，運(yùn)用
Sperling指標(biāo)對(duì)車輛平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)定，得出該型城市軌道交
通車輛垂向和橫向平穩(wěn)性等級(jí)均為優(yōu)。
關(guān)鍵詞 城市軌道交通車輛；動(dòng)力學(xué)建模；安全性指標(biāo)；
Sperling指標(biāo)
中圖分類號(hào)U 270．1 1
DOI：10．I6037／j．1007—869x．2015．07．020
Simulation and Research on Operation Security an d Stability of
New-type Urban Rail Vehicle Based on SIM PACK
Li Xiaobin，F(xiàn)ang Yu，Jin Zibo，Yao Huiming
Abstract W ith the use of multi—body dynamics software
SIM PACK，an overall modeling of the new—type urban rail
vehicle is made to analyze three security indicators：vehicle
derailment coefficient under different curve speeds；wheel
weight ratio of load and overturning coefficient．The simu—
lation results show that three security indicators all increased
correspondingly with the increase of speed，and es—
pecially in curve sections．The vertical and horizontal vi—
bration responses in the process of actual operation are ob—
tained by the acceleration transducer installed on vehicle
body． The vertical and horizontal stability levels of the
new—type urban rail vehicle are evaluated as excellent by u—
sing the index of Sperling software．
Key words urban rail transit vehicle；dynamics modeling；
index of security；index of Sperling
Author S address School of Urban Railway Transporta—
tion，Shanghai University of Engineering Science，201 620，
*上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃(12210501200)
隨著城市軌道交通的高速發(fā)展，車輛的運(yùn)行安
全保障日益成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，車輛在線安全監(jiān)
測(cè)技術(shù)也成為研究的重要方向之一。本文以國(guó)內(nèi)某
型城市軌道交通車輛為對(duì)象，對(duì)其整體運(yùn)行的安全
性及平穩(wěn)性進(jìn)行了研究。通過(guò)仿真分析得出車輛運(yùn)
行的3個(gè)安全性指標(biāo)：脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆
系數(shù)。在車體上安裝加速度傳感器獲取車輛振動(dòng)狀
態(tài)特征，對(duì)運(yùn)行車輛的平穩(wěn)性運(yùn)用Sperling指標(biāo)進(jìn)
行評(píng)定，研究結(jié)果可為城市軌道交通車輛在線安全
監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究提供理論依據(jù)。
1 基于SIMPACK軟件的車輛動(dòng)力學(xué)模型
的建立
SIMPACK軟件是具有豐富的建模模塊及元素
庫(kù)的多體動(dòng)力學(xué)分析軟件，包括體(Bodies)、鉸
(Joints)、約束(Constrains)、力元(Force
Elements)、標(biāo)記(Markers)、傳感器(Sensors)等。
該軟件能運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)方面的理論自動(dòng)創(chuàng)建動(dòng)力
學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，并根據(jù)研究需求對(duì)方程進(jìn)行求
解分析，快速尋找系統(tǒng)的靜力平衡位置，獲得系統(tǒng)中
各部件的位移、速度、加速度。此外，該軟件還可利
用所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析、頻域分析和譜分析等。
本文以國(guó)內(nèi)城市軌道交通車輛A型車C車為研
究對(duì)象，利用SIMPACK軟件建立其動(dòng)力學(xué)模型。車
輛部分參數(shù)見(jiàn)表1。建立車輛動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，多體系
統(tǒng)拓?fù)鋱D的好壞和模型正確與否密切相關(guān)，并且影響
最終動(dòng)力學(xué)方程的求解時(shí)間和計(jì)算效率[】。]。拓?fù)潢P(guān)
系主要由車體、構(gòu)架和輪對(duì)3大部件組成，通過(guò)約束
· 85 ·
麓雅軔 翟 交 溷 鸚 √-000_0 ◆ 0llll
形式、鉸接形式以及力元形式來(lái)表示不同結(jié)構(gòu)之間的
連接關(guān)系 。車輛系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。
表1 車輛參數(shù)
參數(shù) 數(shù)值
車體質(zhì)量／kg
輪對(duì)質(zhì)量／kg
一系橫向剛度／(N·m)
二系橫向阻尼／(N·S·m )
車輪半徑／m
構(gòu)架質(zhì)量／kg
一系縱向剛度／(N·m)
二系橫向剛度／(N·m)
轉(zhuǎn)向架軸距之半／m
一系彈簧橫向間距之半／m
2．3× 10
1．61× 10
5．8× 1()0
2．95× 10
()．42
2．544x 1(p
5．8× 1(
1．57X 10s
1．25
1
7號(hào)鉸接
物體r_j
標(biāo)系
鉸接— 一
約束— 卜_一
力元— — 一
圖1 車輛系統(tǒng)拓?fù)鋱D
選用國(guó)內(nèi)某城市的一段軌道交通線路，整個(gè)軌
道線路由直線段、進(jìn)出的緩和曲線和圓曲線組成，線
路前100 m為直線，其后是緩和曲線。線路參數(shù)見(jiàn)
表2。選擇這條線路是為了更好地評(píng)價(jià)從直線到過(guò)
彎道車輛運(yùn)行的安全性。初步研究表明，國(guó)內(nèi)軌道
不平順狀況與美國(guó)5級(jí)軌道譜基本相同，因此本文
采用美國(guó)5級(jí)軌道譜來(lái)模擬軌道不平順，最終在
SIMPACK軟件中建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型如圖2
所示。
表2 軌道線路參數(shù)
· 86 ·
2鋤5年
圖2 車輛動(dòng)力學(xué)模型
2 車輛運(yùn)行安全性仿真分析
列車運(yùn)營(yíng)的安全性是城市軌道交通最基本的要
求。在城市軌道交通車輛運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，
車輛運(yùn)行的安全性主要涉及車輛是否會(huì)出現(xiàn)脫軌和
傾覆問(wèn)題。而從脫軌機(jī)理來(lái)看，單純從脫軌系數(shù)和
傾覆系數(shù)來(lái)判斷車輛運(yùn)行的安全性具有一定的局限
性l4]。因此，需要引入輪重減載率來(lái)對(duì)列車運(yùn)行安
全性能進(jìn)行補(bǔ)充和修正。本文通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)分析
這3個(gè)指標(biāo)，從而對(duì)該型城市軌道交通車輛的運(yùn)行
安全性進(jìn)行分析研究。
2．1 車輛運(yùn)行安全性及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
2．1．1 脫軌系數(shù)
車輛運(yùn)行時(shí)，車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)用條件和線路狀
態(tài)等出現(xiàn)不利因素時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致車輪脫軌。在測(cè)
量或計(jì)算到的輪軌力中，采用橫向力Q與垂向力P
的比值(Q／P)作為脫軌系數(shù)。車輪脫軌臨界狀態(tài)
作用關(guān)系如圖3所示。
圖3 車輪脫軌臨界狀態(tài)作用關(guān)系
脫軌系數(shù)表達(dá)式為：
一 壘 二
P 、 Ttana j N
式中：
Q 一作用于輪緣上的橫向力，N；
P—— 作用于車輪上的垂向力，N；
JV 一鋼軌對(duì)車輪的法向反力，N；
一
～廠

攖 軔 越 交 溷爨≯ ◆ l0_llll一ll_√l_ ll ll llll；ll_l _ ll ； 2 1年
0
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- 0
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時(shí)間／S
圖12 40 km／h時(shí)輪對(duì)2傾覆系數(shù)
0．2
0．1
。
一0．1
- 0．2
0 l7 34
時(shí)間／S
圖13 60 km／h時(shí)輪對(duì)2傾覆系數(shù)
0．4
0·2
鬣 。
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．2
- 0．4
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0
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娶一0
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． ．^^^』L ． ． ． lI．
一
1 w 1
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時(shí)間／S
圖14 ㈤km／h時(shí)輪對(duì)2傾覆系數(shù)
0 l1 22
時(shí)間／s
圖15 90 km／h時(shí)輪對(duì)2傾覆系數(shù)
由圖4～圖7可知：負(fù)載一定時(shí)，車輛通過(guò)設(shè)置
好的曲線線路，輪對(duì)脫軌系數(shù)(絕對(duì)值)隨著速度的
增大呈增大趨勢(shì)(脫軌系數(shù)為負(fù)值是因?yàn)檩喚壣系?
橫向力具有方向性)；車輛行駛100 ITI進(jìn)入緩和曲
線時(shí)的脫軌系數(shù)比車輛直線行駛時(shí)要大；當(dāng)車速達(dá)
到90 km／h時(shí)，個(gè)別時(shí)刻脫軌系數(shù)超過(guò)0．6，但仍然
小于GB／T 14894-2005的規(guī)定值0．8。因此，僅
從脫軌系數(shù)來(lái)看，車輛運(yùn)行安全性具有較大的保障。
但是現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，車輛脫軌是由許多
因素(如軌道上有異物、外軌超高設(shè)置不當(dāng)、路面坍
塌等)復(fù)合作用的結(jié)果，列車轉(zhuǎn)彎超速僅是引起車輛
脫軌的眾多因素之一。
由圖8～ 圖15可以看到，車輛從直線進(jìn)入緩和
曲線，輪重減載率和傾覆系數(shù)變化緩慢，隨著車速的
增加，這2個(gè)指標(biāo)均有增大趨勢(shì)但變化不明顯；這2
個(gè)指標(biāo)均滿足GB／T 14894 2()()5的要求(Ap／p
· 88 ·
<()．6，D<()．8)，并且有較大的安全余量，車輛的行
駛安全同樣得到保障。
3 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)分析
列車在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)是產(chǎn)生乘坐不舒
適的重要來(lái)源。人在振動(dòng)環(huán)境中不僅會(huì)產(chǎn)生疲勞，還
會(huì)發(fā)生內(nèi)部器官及全身組織與外界振動(dòng)或諧振的可
能，因此，對(duì)車輛平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)定具有重要意義 。
利用平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行性能的方法在
國(guó)際上得到了廣泛的應(yīng)用。Sperling指標(biāo)是基于大
量試驗(yàn)而制定的平穩(wěn)性指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行平
穩(wěn)性。平穩(wěn)性指標(biāo)(W)由下式表示：
r— ————一
w=7．08 ／ J F(廠) (4)
式中：
— — 振動(dòng)加速度，g；
廠—— 振動(dòng)頻率，Hz；
F(，)——與振動(dòng)頻率有關(guān)的修正系數(shù)。
在常用的頻率范圍內(nèi)，垂向和橫向的F(廠)是不
同的，如表3所示。由車輛平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)定的平穩(wěn)
性等級(jí)如表4所示。
表3 頻率加權(quán)系數(shù)
垂向振動(dòng) 橫向振動(dòng)
f／Hz F({ f／Hz }
評(píng)定 平 標(biāo) 平 標(biāo)
評(píng)價(jià)車輛平穩(wěn)性最直接的指標(biāo)就是車體加速
度。相對(duì)于輪緣上的橫向力和車輪上的垂向力等用
來(lái)計(jì)算脫軌安全性的一些力元信息，車體加速度信
息更容易獲取。為了對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行分析，
在車輛車體底板上安裝三向加速度傳感器，采樣頻
率為2 500 Hz。車體加速度傳感器安裝實(shí)物圖和
車底走線分布如圖16、圖17所示。
車輛在額定負(fù)載下以一定速度沿軌道運(yùn)行，通
過(guò)數(shù)據(jù)采集器、工業(yè)交換機(jī)、車載服務(wù)器等設(shè)備獲取
的車體橫向和垂向加速度響應(yīng)(歸零后)的時(shí)間歷程
如圖18、圖l9所示。

檻雅輒疊 交霾鼴 ?lll 2。0曩0 0。0 。000 ll0ll llIll00 l0 0 5l毒
4 裝置樣機(jī)
在深圳市地鐵集團(tuán)有限公司院士工作站的框架
下，與西南交通大學(xué)簽訂了該項(xiàng)目的技術(shù)咨詢合同，
為該新型車載儲(chǔ)能裝置的研制提供強(qiáng)大的技術(shù)支
持。根據(jù)該裝置的軟硬件原理，已研制出了控制器
PCB(印刷線路板)、直流升降壓系統(tǒng)等；經(jīng)市場(chǎng)調(diào)
研，已采購(gòu)超級(jí)電容組。目前樣機(jī)已組裝好，待經(jīng)過(guò)
各種測(cè)試及試驗(yàn)驗(yàn)證合格后，將安裝上地鐵列車進(jìn)
行應(yīng)用考核。樣機(jī)控制器見(jiàn)圖7。
PWM驅(qū)動(dòng)
狀態(tài)反饋
路
lt B r
光
升
驅(qū)
動(dòng)
PCBR
， ，
q"：
¨ 嘴開(kāi)出
203 131111× 】46mill 一
圖7 控制器
5 結(jié)語(yǔ)
本文闡述了一種新型的城市軌道交通列車制動(dòng)
能量?jī)?chǔ)存裝置。該裝置可有效利用目前列車電阻制
動(dòng)消耗掉的能量，可完全替代列車制動(dòng)電阻。使用
該裝置后，城市軌道交通列車可取消(替代)制動(dòng)電
阻(如在既有列車上進(jìn)行改造，則無(wú)需改變既有列車
的安裝結(jié)構(gòu))，能有效減少列車牽引能耗，減少列車
制動(dòng)熱量散發(fā)，降低隧道溫升，達(dá)到節(jié)能減排的效
果，同時(shí)可降低列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本。
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