地铁动车组动力学性能分析

地铁动车组动力学性能分析基于某型地铁动车组动力学参数，建立SIMPACK车辆动力学模型，分析了车辆的稳定性、平稳性、脱轨系数、轮重减载率4项动力学指标，并根据铁道机车车辆动力学性能评定标准和规范对该轨道车动力学性能作了全面、综合评估。研究结果表明：该轨道车辆非线性临界速度较高，具有较大的稳定性裕度；横向、垂向平稳性指标均达到标准的优级要求；动态曲线通过安全性指标能够满足安全行车要求。标签：地铁动车组；动力学性能；动力学计算地铁车辆运行的平稳性、稳定性和曲线通过性等是评价车辆运行状态的重要动力学指标［1］。通过动力学软件仿真计算可以评定车辆的动力学指标，指导地铁车辆动车组的设计和生产。1车辆动力学模型车辆在实际运营过程中具有大量的非线性因素，其动力学计算需要借助于计算机的批量处理和专业车辆动力学处理软件。SIMPACK的Wheel/Rail（轮轨）模块是目前世界上著名的、功能最强大的车辆系统动力学分析的数值仿真软件之一⑵。基于车辆动车组动力学参数，利用SIMPACK软件建立了地铁动车组模型。本文车辆模型包括轮对、一系悬挂（轴箱和一系减振）、二系悬挂整（空簧、垂向和横向减振器、抗侧滚扭杆、牵引拉杆）、车体。轮轨接触部分，车轮踏面采用S1002，钢轨轨头型面为UIC60O2铁道车辆动力学评价标准2.1临界速度在轮轨间蠕滑力的作用下，车辆运行到达某一临界速度时会产生失稳的自激振动即蛇形运动。高速时的蛇形运动表现为轮对和转向架的激烈的横向振动，它威胁到运行安全。为此，要求车辆蛇形运动的临界速度Vc要远高于其运行速度，以保证有足够的速度裕量［3］。Sperling平稳性指标乘客的舒适度感受也是评价车辆动力学性能的一个主要方面。国际是常用的评价标准是车辆平稳性指标。GB/T5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中对平稳性评定等级的界限。曲线通过性指标2.3.1脱轨系数脱轨系数是指作用在车轮上的横向力和垂向力的比值，用于评定防止车轮脱离轨道的指标。按照TB/T2360-93来评定。2.3.2轮重减载率轮重减载率是指车轮所受垂向力减载量与左右车轮平均垂向力的比值，用于衡量有无可能由于车轮减载过大而导致脱轨。其参照GB5599-85来评定。3动力学计算结果分析3.1临界速度文章中的地铁动车组，运营最高速度为80km/h。在模型轨道上加入50m的美国5级轨道谱，使整个车辆系统的振动被激发后，让其在平直理想的轨道上运行，考察导向轮对的蛇形失稳情况。计算结果如图1所示。车辆模型计算的速度分别为60km/h、70km/h、80km/h、90km/h、100km/h，由图1可以发现，当车速为100km/h时，轮对横移振动可以逐渐衰减到平衡位置，可见车辆的临界速度Vc大于80km/h。该轨道车稳定性能够满足设计最高时速的要求。3.2Sperling平稳性指标以美国5级线路谱随机不平顺作为直线轨道的激扰源，计算了该车辆分别以70km/h、80km/h、90km/h、100km/h4个速度等级运行时的平稳性指标（车体横向和垂向振动加速度及相应的平稳性指标），结果如图2所示。在轨道上加上美国5级轨道谱，速度由70、80、90、100km/h变化时，Y向平稳性指标小于标准值2.0，Z向平稳性指标小于标准值1.2。在速度为80km/h时Y向平稳性指标小于标准值1.7,Z向平稳性指标小于标准值1.2。平稳性指标达到优级。3.3曲线通过性计算3.3.1脱轨系数车辆速度为80km/h时，通过半径为350m、400m、450mm和500m的曲线段。分别计算各个曲线半径下车辆的脱轨系数，计算结果如图3所示。由图3可见，随着曲线半径的增大圆曲线处车辆的脱轨系数在逐渐减小，且当曲线半径为350m时，车辆在圆曲线处的脱轨系数最大，达到了0.4。但是远小于标准值0.6，达到优等级。表明车辆的脱轨系数指标达设计要求，可以保证车辆的安全运营。3.3.2轮重减载率车辆速度为80km/h时，通过半径为350m、400m、450mm和500m的曲线段。分别计算各个曲线半径下车辆的脱轨系数，计算结果如图4所示。由图4所示可见，轮重减载率最大值出现在曲线半径为400m，车辆的第4位轮对。其变化趋势是1、2、3位轮对的轮重减载率逐渐减小，4位轮对增大。其最大值小于0.5，在安全标准等级0.6以下。表明车辆的轮重减载率指标达设计要求，可以保证车辆的安全运营。4结束语基于地铁动车组动力学参数，建立了SIMPACK车辆动力学模型，通过数值计算得到如下结论：（1）在轨道上加入50m的轨道激励后，车辆在100km/h的速度下通过该区域，可以衰减到平衡位置，表明车辆蛇形运动的临界速度Vc高于其运营最高速度80km/h，车辆的动力学性能可以保证该车运营稳定性。（2）以美国5级线路谱随机不平顺作为直公泉轨道的激扰源，计算了该车辆分别以一70km/h、80km/h、90km/h、100km/h4个速度等级运行时的平稳性，平稳性指标均达到优级。（3）车辆速度为80km/h时，通过半径为350m、400m、450m和500m的曲线段。计算了车辆的脱轨系数、轮重减载率。结果表明各项曲线通过动力学指标均在标准要求之内，表明车辆的各项动力学参数是合