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铁路与轨道交通 |
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基于ADAMS/Rail的25吨轴重摆动式货车转向架动力学仿真研究 |
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摘要：本文将应用车辆动力学仿真软件ADAMS/Rail研究装备K5转向架的C80H货车动力学性能。基于C80H的电子样机模型和有关试验数据，建立25吨轴重的K5转向架动力学非线性数学模型，并最终建立C80H的整车的模型。文中还将K5转向架弹簧托板的有限元模型(MNF)文件引入动力学模型中进行柔性仿真分析，发现采用柔性弹簧托板可以改进车辆动力学性能的仿真分析精度。
随着铁路重载运输的不断发展，对重载火车转向架的动力学性能提出了更高的要求。发展适应我国重载运输需求的具有大轴重、高速度、动力学性能良好的货车转向架显得十分迫切。对货车转向架的结构方式、转向架动力学性能和悬挂参数优化设计等进行综合考虑，是目前需要解决的重要问题之一。
随着CAE技术的不断发展，过去只有通过最后产品试验才能完成的工作，现在通过仿真技术就可以实现。本文应用ADAMS/Rail和有关试验结果，建立K5转向架的动力学非线性数学模型，并最终建立C80H整车的模型。通过对模型的仿真和分析，研究K5转向架的动力学特性。在计算结果与试验结果良好吻合的前提下，对可能影响K5转向架动力学的一些重要因素进行了分析研究。
1 摆动式货车转向架动力学模型的建立
动力学模型的建立是进行动力学动态特性研究的基础。根据不同的研究目的，可以采用不同的建模方法。本文基于虚拟样机技术对车辆的各个部件进行建模。建立的模型可以用来对车辆的动力学性能进行仿真计算。建立的模型包括K5转向架模型、车体模型和轨道模型。
1.1 转向架模型
由于本文研究的是车辆运动过程中的动态特性，而转向架的轮对、侧架、摇枕等零部件的主要作用是产生惯性激振力，并传递力、扭矩等，因此可以不考虑它们的变形对动力学性能的影响而将其建为刚体。对于刚体模型，建立其运动微分方程所需要的参数是零件质心的位置、质量和惯性矩，这些参数可来自CAD实体建模。通过精确建立零部件的三维实体模型，可以获得其准确的质量参数。利用CAD软件NX建立侧架、摇枕、弹簧托板、轮对的三维实体模型，通过软件提供的功能，赋予各个组件和零件密度，由软件自动计算出各组件的质量、转动惯量和质心位置，采用这种建模方法，与实际物体的物理特性相差极小。最后将各个组件按实际位置装配好，完成车辆系统刚体模型的建立。建立的转向架的CAD模型如图1所示。
图1 转向架的CAD模型
由图一可以看出：转向架由左右两个侧架、前后两个轮对、四个轴箱承载鞍、四个摩擦式楔块减振器、十四组减振弹簧、摇动座支撑、心盘、旁承以及制动装置组成。进行系统动力分析的关键是部件自由度的确定和各部件之间自由度的选取。下面对本动力学模型各部分的分析和考虑作详细的说明。
轮对和承载鞍的连接
轮对和承载鞍之间通过滚动轴承连接，运动形式为轮轴在轴承内转动，两部分之间只有相互转动，实际建模中采用转动副连接，约束两部件之间的五个自由度，仅允许两部件之间相互转动来建立动力学模型。
侧架与摇枕的连接
侧架与摇枕之间为弹簧悬挂系统，采用弹簧单元来模拟，通过输入弹簧的垂向和横向刚度来确定弹簧的特性。
摇枕和车体的连接
摇枕在转向架和车体之间起着传递力和扭矩的作用，因此采用垂向、横向、纵向的力和扭矩来模拟心盘和旁承对车体的作用。
承载鞍与侧架、摩擦楔块与侧架以及弹簧摇动座支撑与侧架的连接
摇动座通过半径为125cm的圆柱作用在圆柱半径为250承载鞍上面。弹簧摇动座支撑与上类似，也是两个圆弧面相互接触。同时，摩擦楔块减振器与侧架和摇枕之间存在正压力和摩擦力，它们之间的力随车辆的运行不断变化，通过两者的摩擦消耗能量。为了精确模拟以上三种连接方式，采用contact接触单元来模拟以上三种现象。
在ADAMS中，接触的法向力有两种张算法：IMPACT函数法和恢复系数法，两种方法都是法向接触约束的罚函数规则产生的。本文采用IMPACT函数法来进行法向力的计算。IMPACT的力模型为：
其中：k为接触刚度，g为接触时的侵入量。dg/dt为接触点的侵入速度，e为力指数。d为接触阻尼系数，c为最大渗透量。Step为插值函数。
接触的切向力为相当简单的基于速度的库伦摩擦模型。优先指定摩擦特性。选择适当的参数，对以上三种连接方式进行精确的模拟。
1.2 车体模型
车体为C80车体，如上所述，本文中，可以把车体看作一个刚体，把NX模型导入ADAMS，得到车体的模型，最后组装成整车的模型如图2所示：
图2 整车的动力学模型
1.3 线路模型
轨道几何形状的变化是引起车辆各种动态响应的主要原因。本文选用与试验对应的铁科院环形试验道的实测不平顺，建立线路的不平顺模型。
2 整车重车直线运行过程仿真
利用以上建立的重车模型进行仿真计算，车辆的速度分别取为40、60、80、100、120、135km/h，仿真共进行40秒。取前轴左轮的受力，分别得到以下结果。
2.1 车体横向加速度
当速度为80km/h时，得到车体的横向加速度如图3所示。得到各速度下的车体横向加速度的平均值和最大值如表1所示。参考铁科院研究报告TY字第1766号-C80H型铝合金浴盆运煤敞车动力学性能试验报告，得到比较图表如以下所示。
图3 80km/h时重车车体横向加速
表1 重车时不同速度时的车体横向加速度最大值比较
 把以上数据绘成曲线，如图4所示。
图4 车体横向加速度计算值和试验值的比较
2.2 车体垂向加速度
当速度为80km/h时，得到车体的垂向加速度如图5所示。得到各速度下的车体垂向加速度的最大值如图6所示所示。
图5 80km/h时车体垂向加速度
图6 车体垂向加速度计算值和试验值的比较
2.3 脱轨系数
当速度为80km/h时，得到重车的脱轨系数如图7所示。得到各速度下的脱轨系数的最大值如图8所示。
图7 重车80km/h脱轨系数
图8 重车时不同速度下的脱轨系数的平均值比较
3 修改承载鞍处的圆弧大小后的仿真结果
如图9所示：把承载鞍处的接触圆弧由原来的R250、125mm分别修改为R80、70mm，然后在R300的弯道上进行仿真计算。
比较修改承载鞍圆弧的大小前后R300的弯道上的仿真结果，可以看出其差别不大，各曲线的变化规律和最大值基本相同。如40km/h时车身垂向振动加速度的变换如图10所示。
图10 承载鞍修改前后垂向加速度的比较
4 刚柔耦合模型的仿真结果
因为弹簧托板刚度较低，考虑弹簧托板的柔性，把弹簧托板做为柔性体。又因为弹簧托板的厚度较小，所以在划分有限元网格时使用壳单元。
将弹簧托板的有限元模型转入到ADAMS中，根据Craig-Bampton法原理，需要确定固定界面子结构的外部节点(attachment point)，这里选择的是弹簧托板与其相连接的各个部件处的节点，主要是弹簧托板和弹簧的连接处。将弹簧托板的有限元模型(MNF)文件引入ADAMS软件，得到弹簧托板的柔性体模型如图11所示。由于外部节点选取较多，在ADAMS软件中的保留模态数较多，考虑到高阶频率对应的振型对系统的运动贡献不大，对于此系统，使高于300Hz的各阶振型无效掉(disable)。最后得到转向架的柔性体模型如图12所示。
图11 弹簧托板的柔性体模型
图12 含有柔性弹簧托板的转向架模型
把转向架的柔性体模型和车体模型装配，得到整车模型，利用该模型进行动力学分析，得到含有柔性弹簧托板的整车的动力学性能。取车体的横行、垂向加速度以及前轮左侧的脱轨系数如图13～15所示。
由图13～15可以看出：由于存在冲击，特别是在使用接触来模拟楔块的时候，不考虑刚度较小的部件的柔性可能造成加速度的计算结果偏大。但弹簧托板的柔性使脱轨系数略为增加。因此，在使用多刚体系统研究脱轨时，应该考虑刚度较小部件的柔性作用。
5 结论与展望
1.由以上结果可以看出，本文计算所得到的计算结果和试验结果吻合的相当好，说明本文建立的车辆动力学模型是正确的。该模型可以较精确的模拟C80的动力学性能。
2.修改承载鞍处圆弧的直径对车辆的动力学性能影响不大，可以考虑从其它方面改善车辆的动力学性能。
3.把转向架地弹簧托板变成柔性体进行分析，可以对车辆的动力学分析结果产生影响，应该考虑刚度较小部件的柔性作用。并且利用该结果可以对弹簧托板的疲劳分析提供数据来源。
4.利用该模型，可以进一步对K5转向架的结构参数进行优化，提高和改善C80的动力学性能。如优化转向架的弹性元件等等。这对于K5转向架结构的改进是很有意义的。(end)
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(5/25/2012) |
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