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1、第 3 8卷第 1 期 2 0 0 3年 0 2月 西南交通大学学报 J OURNAL OF S OUT HW E S T J OT ONG UNI VERS I T Y V0 1 38 No1 F e b 2 0 0 3 文章 编 号：0 2 5 8-2 7 2 4(2 0 0 3)0 1-0 0 1 7-0 5 机 车 车辆 横 向动 力 学 性 能 仿 真 一车辆一 轨道耦合模 型与传统车辆模 型的 比较 王开云，翟婉 明，蔡成标(西南交通大学列车与线路研究所，四川 成都 6 1 0 0 3 1)摘要：运用经过大量线路实车运行试验验证的车辆-轨道耦合动力学仿真软件 THS I M，对传统
2、车辆动力学和车 辆 轨道耦合动力学两种类 型模型的横 向动力性能进行了比较与分析 结果表明：车辆无论是在直线上运行还是 通过曲线轨道和道岔时，采用传统模型计算所得 的轮轨横向相互动作用力均较采用耦合模型计算 的大；仿真计 算车辆蛇行失稳临界速度时，采用前一模型得到的结果较后者偏高；而两者计算所得的车辆垂 向与横 向振动差 别 甚小 关键词：车辆；耦合；轨道模型；传统车辆模型；轮轨横 向力；临界速度；平稳性 中图分类号：U 2 7 0 文献标识码 A S i mu l a t i o n o f La t e r a l Dy n a mi c Pe r f o r ma n c e s o f
3、 Lo c o m o t i v e s a nd Ve h i c l e s -Co mp a r i s o n o f Ve hi c l e Tr a c k Co up l i n g Mo d e l wi t h Tr a d i tio na l Ve h i c l e Mo de l WA NG Ka i-y u n，ZH A I Wa n rui n g，C A I C h e n g-b a o (T r a i n&T r a c k R e s e a r c h I n s t i t u t e，S o u t h w e s t J i a o t o n
4、 g Un i v e r s i t y，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1。C h i n a)Ab s t r a c t：，nl e l a t e r a l d y n a mi c p e rfo r ma n c e s o f v e h i c l e s a r e c alc u l a t e d wi t h t h e v e h i c l e t r a c k c o u p l i n g mo d e l an d t h e tra di t i o na l v e hi c l e mo de l t o i nv e s t i
5、g a t e th e di ffe r e n c e s The s o f t wa r e r兀S I M t I l a t ha s be e n v e rifie d by man y fie l d e x pe rime n t r e s ul t s i S us e d f o r the c alc u l a t i o n Th e r e s u l ts s h o w th a t th e l a t e r al wh e e L r a i l f o r c e s o b t a i n e d wi th t I l e tra d i t
6、i o n a l mo d e l are h i g h e r t I l a n tho s e wi th the v e h i c l e tra c k c o u pl i n g mo de l whe n v e h i c l e s r u n ni n g o n t a n g e nt，c u r v e d tra c k s o r t u r no u ts，tha t th e c rit i c al s pe e d o f h u n t i n g s t a b i l i t y b a s e d o n the v e h i c l e
7、 tr a c k the o r y i s l o we r than tha t b a s e d o n the tra d i ti o n al the o ry an d tha t the r e i S n o t o b v i o u s d i ff e r e n c e i n v e r t i c al an d l a t e r a l v i b r a t i o n s d e t e rm i n e d wi th the two mo d e l s Ke y wo r d s：v e hi c l e s；c o up ling；tra c
8、k mo d e l；t r a di ti on al v e hi c l e mod e l；wh e e L r a i l l a t e r al f o r c e：c rit i c al s p e e d；rid e p e r f o rm an c e 自2 0世 纪 9 0年代初。车辆-轨道耦合动力 学理论 在国 际上首次 被提 出来 以后，在相 关研 究领域 中 得到了较广泛的应用 文献 2 曾基于频域分析方法运用随机振动理论进行 了轮轨系统 中传统车辆模型 与车辆-轨道耦合模型的垂向随机振动响应比较与分析 而就两种模型在横向动力学等方面之间的差异进 行系统、综合的
9、研究至今很少涉及 为了探明两种模型在计算机车车辆横 向动力响应时的差异，从而进一 步界定两种模型的应用范围，为正确评价与分析铁道机车车辆动力学性能提供必要的参考，选用当前我国 铁路最主要、最常见的机车车辆和线路作为分析对象，运用 自己编制且经过大量线路实车运行试验验证的 动力学仿真软件 T H S I M，分别对基于两种类型模型的机车车辆轮轨横向相互作用力、横向运动稳定性以 收稿 日期：2 0 0 2-08 1 0 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(5 0 1 7 8 0 6 1)；高等学校骨干教师资助计划项 目 作者简介：王开云(1 9 7 4一)，男。助教。博士研究生 维普资讯 h
10、ttp:/ h t t p:/w w w.l w 23.c o m 论文网 论文大全1 8 西 南 交 通 大 学 学 报 第 3 8卷 及直线 轨道上运行平稳性 等性能，进行 了较 为详细 的仿真计算和 比较分析 其 中，r I TI S I M 动力 学仿真软件 结构、功 能及其 试验验证 以及机车车辆 与轨道结 构参数均可详见文献 3 1 轮轨横 向相互作用力的比较 轮轨横 向相互作用力是机 车车辆系统横 向动 力学 中最 为重要 的指标之 一，直 接关 系着 机车 车辆横 向 动 力学 性能，也是铁 路大系统所有横 向振动分析之基础 因此，准确 地模拟计 算 机车 车辆在 线路 上运
11、营时 的轮轨横 向力是对机 车车辆 动力学性 能作 出正确 评判的前提条件 1 1直线运行 时的轮 轨横 向力 分别采用车辆一 轨道耦合模型和传统车辆动力学模型对 C 货车以 6 0 k m h速度在直线轨道上运行 时轮轨横 向相互作用 力进行仿真计算，计算时采用美 国 A AR标 准的五级线路轨道 谱作为直线轨道 随机不 平顺 的输入 图 1(a)和(b)分别给出 了采用耦合模型 和传统模型 计算得到 的轮轨横 向力(F )随车辆运行 距离(Is)变化 的时间历程 在整个 时间历程 中，采用传统车辆模型计算 得 到的轮轨横 向力 较之采 用耦合模 型计算得 到的大 耦合模型 的轮轨横 向力最
12、 大值为 2 3 5 k N，而在 传统 模型 中，此值 达到 了 4 4 5 k N，前者 较 后者 减小 4 7 2 3 0 堇 0 3 0 IIII山 ll I 唧 n-1 Ir 1 下 一 。Ir 1 一 11 1 0 5 0 l 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 20 0 25 0 3 0 0 m m(a)耦合模 型(b)传统模型 图 I C 配 货车以 6 0 k m h速度在直线轨道上运行时轮轨横向力的计算结果 F i g 1 S i mu l a t e d wh e e l r a i l l a t e r a l
13、f o r c e o f C6 2 f r e i g h t c a r r u r mi n g o n t a n g e n t t r a c k a t s p e e d o f 6 0 k m h 1 2通过 曲线时的轮轨横 向力 轮轨横向力的仿真计算结果如图 2 6。4。：。2 0 6。4。：。2 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 S m S m(a)耦合模型(b)传统模型 图 2 准高速客车以 1 0 0 k m h速度通过半径 8 0 0 m曲线轨道时轮轨横 向力的计算结果 F i
14、 g 2 S i m ula t e d w h e e lr a i l l a t e r a l for c e o f q u a s i h i gh s p e e d p a s s e n g e r c a r p ass i n g t h r o u g h c u r v e d t r a c k(R=8 0 0 m)a t s pee d o f 1 0 0 k m h 为 了达到计算基 于两种类型模型 的机 车车辆通过 曲线轨道时轮轨横 向力，从 而对其 进行 比较 的 目的，不失一般性，选 取我 国准高速客 车作 为研究对象，其 曲线 通过速度为 1 0 0 k
15、 m h，轨道质 量状态 拟采用我 国 铁路三大干线轨道 随机不平顺来模拟 曲线 轨道 的设置 为：曲线 半径 8 0 0 m，缓 和 曲线 长 6 O m，圆曲线 长 如 0 维普资讯 http:/ h t t p:/w w w.l w 23.c o m 论文网 论文大全第 1期 王开云等：机车 车辆横 向动 力争 生能仿真 1 9 1 0 0 m，前段直线 长 2 0 m，后段直 线长 1 0 m，曲线外轨超 高 1 0 0 mm，轨底坡 1：4 0 在整个 曲线轨 道上，基于 传统 车辆模型计算得 到 的外侧轮轨 横 向相互动作 用较之基 于耦合模 型时 的剧烈，尤其 是 在 圆曲线 上
16、非常 明显 在 圆缓 点处，耦 合模型与传统模 型 的外侧轮轨横 向力 均 出现 了最大 峰值，分别 为 4 5 k N和 6 O k N，前 者 比后者小 2 5 1 3侧 向过岔 时的轮轨横 向力 为了全面地 比较两种类 型模 型在计算机 车车辆通过不 同线路设 置工况 时 的轮轨横 向力 之差 异，进 一 步计算 了 S S 8机 车 以 5 0 k m h速度侧 向通过 1 2号 固定辙叉 道岔时的轮轨横 向相互 作用力 由于道岔 区轨 道不平顺 较为复杂，采用 了文献 3，4 中所介 绍 的 l 2号 固定 辙叉 不平顺 作 为仿真计 算 时系统 的激扰 源 图 3给出了分别采用耦合
17、模型与传统车辆模型计算得到的第一位轮对内、外侧轮轨横向力随机车运行距 离的响应 由图可见，采用传统车辆模 型仿真计算 时，机 车轮对通 过转辙 区域 时 的轮 轨 系统横 向振动 非常 剧烈，外侧轮轨横 向力最大值达 到 1 4 5 k N，几乎是耦合模 型结 果(8 0 k N)的 2倍；当机 车轮对通 过辙 叉 区 域时，由于 固定辙叉有害空 间而引起 的轮轨系统横 向相互作用 亦很激烈，而采用耦合模 型仿真计算得到轮 轨横向力要小得多，轮轨横向冲击现象不明显 童 堇 S m m(a)耦合模型(b)传统模型 图 3 S S 8机车 以5 0 k m h速度侧向通过 1 2号固定辙叉道岔时轮
18、轨横向力的计算结果 F i g 3 S i mu l a t e d wh e e L r a i l l a t e r a l f o r c e o f S S 8 l o c o mo t i v e p a s s i n g t h r o u s h No 1 2 t y p e t u rn o u t a t s p e e d o f5 0 k m h 值得 注意的是，在导曲线上，采用两种模型得到 的轮轨横 向力 几乎相 等，这 是 由于仿真计 算时导 曲线 上无附加不平顺之故 这与文献 3 中曲线轨道上若无不平顺时采用两种模型计算得到的动力学性能无 显著差异之结论相 一致
19、 综合 上述 3种 不 同线路工况(直线 轨道、曲线 轨道 和道岔)下 轮轨横 向力 的仿真 计算 结果 与 比较，不 难发现，采用耦合模型计算得到的轮轨横向力较之采用传统模型计算得到的小，降幅约为 2 0 5 0 究 其原因，主要是由于耦合模型中的弹性轨道结构较之传统模型中的刚性轨道结构具有一定程度的缓冲与 减振作用 2横 向运动 稳定性的比较 仿真计算机 车车辆蛇行失稳 临界 速度，并且该速度 能较为真 实地反 映 出机 车车辆 在实 际线路 上横 向 运动稳定性极具重要意 义 文献 5 曾基于 车辆一 轨道耦合 动力学 理论对 机车 车辆 在 弹性轨道 结构 上 的横 向稳定性作了较详细
20、的分析，并且对采用耦合模型与传统车辆模型计算得到的机车车辆临界速度作 了大 量的 比较 在这里，仅 以我国高速客车为例加 以说 明 采用两种模型仿真计算高速客车在美国 A A R标准的六级线路轨道谱激扰下临界速度，高速客车加装 了抗蛇行减振器 采用耦合模型计算得到的临界速度#2 4 3 0 k m h，而采用传统模型计算的结果为4 6 2 k m h 后者相 对前者高 出 7 4 4 出现这种 现象主要 是 因为在 耦合模 型 中，轨道 弹性 阻尼 结构体 系参 与了系统 的振动，钢轨具有三向振动自由度，左右钢轨对轮对的横向和垂向约束能力相对传统模型中固定钢轨来说 有所 降低，因而轮对更 易
21、出现蛇行失稳，致 使车辆 的临界速度较低 维普资讯 http:/ h t t p:/w w w.l w 23.c o m 论文网 论文大全2 0 西 南 交 通 大 学 学 报 第 3 8卷 3车体 振 动 响应 的 比较 车体振动加速度反映机车车辆车振动水平，与旅客乘坐舒适性直接相关 准确地仿真计算机车车辆在 线路上运行 时车体振动 的加速度 及其相 应 的平稳性指标，是设计 与优化机 车车辆悬挂参 数 的关键所在 为 了比较采用两种类 型模型仿 真计算 车体振动 响应 的差异，以 c 货 车 以 6 0 k m h速度 在轨 道质 量与美 国 A AR标准五级线路相 同 的直线轨道上 运行
22、工 况 为例，重点考察 车 体横 向、垂 向振 动加 速度 及其相 应 的平 稳性 指标 图 4和 图 5描述 了车体质 心处横 向加速度(口 )和垂 向加速度(口：)随车辆运行 距离变化 的情况，从 总体上来看，无论是横 向振动加速度还是垂 向振动加速度，分别 采用不 同模型 计算得到 的结果均 比较 吻 合，但也存在一些微小的差别 O 2 O l 0 0 o 1 0 2 O2 O l 0 0 -0 1 0 2 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 s|、s|、(a)耦合模型(b)传统模
23、型 图 4 c 配 货车以 6 0 k m h速度在直线轨道上运行时车体横向加速度的计算结果 F i g 4 S i mu l a t e d l a t e r a l c a r b o d y a c c e l e r a t i o n o f C6 2 f r e i g h t c a r r u n n i n g o n t a n g e n t t r a c k a t s p e e d o f 6 0 k m h O 4 O _ 2 0 0 o 2 o 4 O4 O 2 0 0 -O 2 0 4 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 25 0 3 0 0
24、0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 50 3 0 0 S m S m(a)耦合模型(b)传统模型 图 5 C a 货车以 6 0 k m h速度在直线轨道上运行时车体垂向加速度的计算结果 F i g 5 S i mul a t ed v e r t i c a l c a r b o d y a c c e l e rat i o n o f C 6 2 f r e i g h t c a r r u n nin g o n t an g e n t tra c k a t s pe ed 0 f 6 0 k m h 车体平稳性指标的统计结果列于表 1 平稳性指标对比结果亦可表
25、 明，采用耦合模型与传统模型计算 所得车体横向与垂 向振动程 度相 当 表 1 分别采用耦合模型与传统模型计算得到车体平稳性指标之对 比 T a b 1 Co mp a r i s o n o f r i d e pe rf o r ma n c e i n d i c e s o b t a i n ed wi t h c o u p l i n g mo d e l and tr a d i ti o n al mo d e l 车体横向平稳性指标 耦合模型 传统模型 车体垂向平稳性指标 耦合模型 传统模型 2 63 6 2 68 1 26 6 5 2 6 7 4 综上可见，在 轨道随机不
26、平顺 的激扰下，从 时间历 程来看，采用耦合 模 型与传 统模 型计算 所得 的车体 振动加速度及其平稳性指标差异不明显 由此表明，仿真计算或预测机车车辆在线路上运行的平稳性指标 时，可采用传统 的车辆动力学方法，从而使计算模型 简化 维普资讯 http:/ h t t p:/w w w.l w 23.c o m 论文网 论文大全第 1期 王开云等：机车 车辆横 向动 力学性 能仿真 2 1 4 结 论 采用耦合模型计算得到的轮轨横 向力较采用传统模型计算得到的小，相对差值约为 2 0 一 5 0 在 仿真计算机 车车辆 蛇行失稳 临界 速度时，采用耦合模型得 到的蛇行 失稳临界速度 较采用
27、传统模 型的低，但 相对差值一般在 1 0 以下 采用车辆一 轨道耦合模型能更加准确地仿真计算与评判机车车辆在实际线路 上运行 时的横 向动力学性能，尤其是运 行安全性和运动稳定性 采用两种模型计算 的车体加 速度及 其平稳 性指标均无 明显差异，因此，此 时可采用传统 的车辆 动力 学模 型，以便 简化计算模 型 参考文献：1 翟婉明车辆一 轨道耦合动力学 M 北京：中国铁道出版社，1 9 9 7：1-5 0 2 陈果，翟婉明，蔡成标，等传统 车辆模型与车辆一 轨 道耦合模 型的垂向随机振动响应 分析 及 比较 J 铁道学报，1 9 9 9；2 1(5)：7 0-7 4 3 翟婉明车辆 轨道
28、耦合动力学(第二版)M 北京：中国铁道 出版社，2 0 0 2：1 4 1 3 7 3 4 任尊松，翟婉明，王其 昌侧 向过岔护轨横向冲击力模拟计算 J 西南交通大学学报，2 0 0 0；3 5(4)：3 4 4 3 4 7 5 王开云，翟婉明，蔡成标车辆在弹性轨道结构上的横 向稳定性分析 J 铁道车辆，2 0 0 1；3 9(7)：1 4 西 南 交通 大 学 新 校 区建 设 开工 2 0 0 2年 1 2月 8日，西南交通大学新校区开工典礼暨奠基仪式在成都郫县新校区工地隆重举行 该校 区面积约 2 0 0 h m (3 0 0 0亩)，位于成都国家高新技术产业开发区西区，距成都校区约 8
29、 k m，乘车约 1 0 rn j n 即可到达 新校 区计划 建筑面积为 1 0 8万 m ，总投 资约 1 9亿元，预计 3 4年完 成校 区总体 工程，届 时可 接收 3万名学生 四川省委书记张学 忠、省长张 中伟、四川省 人大 常 委会主 任谢世 杰、成 都市 委书记 王 荣轩、市 长李 春 城、教育部直属高校工作办公室副主任牛燕冰、铁道部原教卫司司长许守祜等领导同志出席 了庆典大会 参加庆典大会的还有教育部、铁道部、四川省、成都市各有关部门、西南交通大学董事单位、新校区设计、施 工单位的领导及西南交通大学 2 0 o 0 余名师生员工 在庆典大会上，教育部直属高校工作办公室副主任牛燕
30、冰、铁道部教卫司司长许守祜分别宣读了教育 部、铁道部的贺信 西南交通大学校长周本宽教授在庆典大会上致辞 四川省人民政府副省长邹广严在讲 话中强调指出，西南交通大学新校区的开工，是四川省实施科教兴国战略、实现跨越式发展进程中的一件 大事 成都市委书记王荣轩在讲话中充分肯定了西南交通大学在成都扩建总校后 1 3年间对成都“两个文 明”建设所做出的重大贡献，表示成都市将进一步加大对西南交通大学支持 的力度 施工单位代表、中铁 电气化局集团有限公司董事长侯唯一也在庆典大会上讲 了话 四川省委书记张学忠宣布西南交通大学新校区建设工程开工，并与四川省省长张中伟、省人大常委会 主任谢世杰一道为新校区工程揭幕 所有与会的四川省、成都市、教育部、铁道部和西南交通大学领导以及 西南交通大学的 5位院士等为新校区奠基 西南交通大学学报编辑部 维普资讯 http:/ h t t p:/w w w.l w 23.c o m 论文网 论文大全