转向架设计与开发中的运行动力学模拟

庞巴迪运输公司为一系列现代铁路车辆开发和生产转向架_1、2．运行动力学的计算和分析在这些产品的开发中起着不可缺少的作用。本文概述了在一个项目的单个产品开发阶段，计算机技术在研究车辆动力学方面的应用，典型的计算和运行动力学方面的最新挑战，并用庞巴迪公司的经验举例说明。

运行动力学和工程过程

铁路车辆工程过程中与时间和用于运行动力学模拟的输入参数知识相关的阶段如图1所示。

动态模拟已经在概念研究和可行性研究的早期阶段得到应用。这里所使用的模型通常是基于其他类似的车辆，大多数输入参数都是估计的。输入参数的不确定性通过参数变化和灵敏度测试来解决。

动力学计算的主要部分是在车辆设计期间进行的。在优化(初步)设计阶段，车辆布局是指定的，但输入参数仅基于第一次估计。悬架和其他耦合元件的参数必须根据标准和车辆规范给出的目标值进行优化。计算其他工程活动(如移动和负载)所需的输出值以支持工程过程。

在验证(细节)设计阶段，车辆拓扑被冻结。为了获得精确的车辆行为，车辆被详细建模。指定了元件的参数，如果可能的话，还通过对原型元件的测量进行了验证。验证阶段的目的是证明符合标准和法规以及车辆规格中规定的限值。失效分析和灵敏度分析可以作为验证计算的一部分。

随后，车辆动力学计算支持了车辆的验收和合格测试。在测试过程中，可以比较预测和测量的车辆性能，并改进模型，为未来的项目积累经验。

虽然在车辆投入使用时工程过程已经完成，但在极少数情况下，可能会出现问题，然后可能需要使用进一步的车辆动力学模拟进行评估。

庞巴迪运输公司铁路车辆开发的工程过程在庞巴迪工程系统(BES)中有规定。车辆动力学的分析、交付成果和责任在BES的车辆动力学设计过程中得到规定。

典型任务和挑战

具有轮轨接触元件的多体系统仿真的现代和高效程序使几乎所有运行情况的非线性模拟成为可能。为运行动力学计算而建立的模型范围从单个车辆到完整的列车组成。它们有几十个刚体，通常有几百个自由度。如果需要，可以考虑车体或其他子组件的柔性结构。

在铁路车辆工程中进行的车辆动力学计算涉及以下领域:

• 客户规格的完成
• 风险评估
• 预测和支持车辆验收测试
• 在设计过程中为其他专家提供支持

图2列出了与上述任务相关的典型动力学分析以及目的和适合的方法。

特征行为和平稳性检验

特征行为的评估是在模型建立之后首先要做的计算之一。这项调查主要是为了内部需求而进行的——它作为一个合理性检查和第一个参数优化。车体侧摇系数的准静态计算和扭转轨道的脱轨安全性是转向架发展的权衡因素之一。横摇系数极限在大陆车辆规格中有规定，必须遵守与车辆测量和受电弓横向运动有关的规定。这一要求限制了一级和二级悬架的最小垂直刚度水平，以及防滚装置的特性。相比之下，扭轨对脱轨安全的要求要求较低的刚度。这种权衡在带有充气空气悬架的车辆中变得更加关键，构成了转向架工程中的主要挑战之一。为了避免(很少使用的)紧急悬架的复杂设计，在采用气减悬架的车辆在扭曲轨道上运行时，必须充分利用其抗脱轨安全裕度。

关于铁路车辆运行特性验收测试的欧洲标准EN 143633在静止试验范围内确定了抗脱轨安全性测试的条件。然而，仍有一些应用和解释的余地。例如，在测试期间必须保持的轮轨摩擦系数最低和最高水平之间的范围，会对结果产生决定性影响，并可以决定某一车辆是否会获得批准。我们的动力学专家分析个别方法和影响参数，并支持联合国国际铁路基金旨在改进对脱轨安全评估的活动。

运行的稳定性

另一个与安全相关的标准是稳定性。在拥有传统轮对的轨道车辆的情况下，从特定的速度开始，自激振荡称为不稳定性会出现。这些振动不仅会导致运行特性的恶化，轮对和轨道之间的高侧向力的出现也会导致轨道横向偏移，从而导致脱轨。除车辆参数外，具有决定性影响的参数是轮轨或更精确地说轮对与轨道之间的接触几何形状以及轮轨摩擦系数。采用等效锥度作为简化参数来描述轮轨接触几何形状。等效锥度可以在很大程度上变化，并在车辆的运行行为中起着重要作用。尽管现代车辆的极低锥度有时会导致横向行驶性能的恶化和平顺性的下降(见图3)，但在不超过安全标准的情况下，高锥度限制了行驶安全方面的最大允许速度。在车辆验收试验中必须遵守的等效锥度范围在欧洲标准EN 143633中有明确规定。然而，个别的轨道维护规范往往没有反映这些条件，导致实际情况往往与EN 14363中定义的条件大相径庭。一方面，在钢轨磨削过程中使用了越来越多的替代钢轨型材，导致锥度降低; On the other hand, very high conicity is often referenced in the vehicle specification, in order to cover all present track conditions occasionally containing track sections that are narrow-to-gauge or contain heavily worn rails.

这些相互矛盾的趋势日益扩大了车辆必须遵守的等效一致性的范围。此外，即使是等效锥度的规格也不足以提供稳定性评估所需的精确轮轨接触条件。也就是说，相同的等效锥度值可以表示不同的接触几何形状，根据所选择的分析方法，每种接触几何形状可以导致不同的临界速度，这可以从第80页图4的模拟结果的比较中看到。有关通过计算机模拟进行稳定性评估的检查的更详细描述见4。轮轨之间的摩擦值也发挥了重要作用(见第80页的图5)，其摩擦值为0.3到0.6，都代表干燥条件，但仍然导致在临界速度从20km/h到70km/h时出现分歧。稳定性评价可采用各种线性和非线性方法进行。我们的转向架专家已经完成了各种检查，以比较个别方法和影响参数_4、5以协调公司内部稳定性评估准则为目标。在CEN/TC256第10工作组的动力学专家和UNIFE动力学工作组的合作下，这些发现支持了关于稳定性和轮轨接触几何评估的欧洲标准的增强。

弯曲性能

转向架的另一个技术挑战是运行稳定性和弯曲性能之间的权衡。纵向软轴引导允许轮对的自我转向，从而减少攻角和轨道负载(减少横向轮轨之间的导向力)，并降低磨损水平。因此，软轴引导的转向架更适合弯曲轨道，而刚性轴引导的转向架可获得较好的稳定性性能。稳定性和弯曲之间的权衡，以及通过应用轮对之间的耦合机制可能的增强，在6中提出。然而，自转向转向架对轮轨轮廓的差异很敏感，如图6所示的仿真结果所示。

对于稳定性和弯曲之间的目标冲突，一个更好的解决方案可以通过机电一体化的应用来实现，这将使机械转向架部件得以显著简化，并省去偏航阻尼器。庞巴迪运输公司在这项新的现代技术的发展中扮演着先锋和领导的角色_7、8．

强大的机车和牵引车辆的弯曲性能会受到牵引力的影响，主要是在低附着条件下(如湿轨)。为了模拟机车在附着极限下的运行动力学，包括牵引控制器模型，需要对仿真中用到的蠕变力模型进行扩展。作者的调查已经导致先前发展的蠕变力模型，适用于汽车动力学和牵引力控制的联合仿真，发表在9。

乘坐特性和舒适度

计算机模拟研究车辆的乘坐特性代表了车辆发展过程中运行动力学研究的另一个标准部分。为了模拟车辆在轨道上的运行，通常采用测量的不规则度。另一种可能是使用具有特定光谱密度的合成不规则物。平顺性也受到轮轨接触几何参数的影响(见图3)。

乘坐舒适性是指乘客与机械振动相关的健康状况，因此考虑了人体的生理特性。人体体验乘坐舒适度的方式因振动频率和振幅的不同而不同。为了考虑这一影响，采用了频率加权滤波器。

平顺性的目标值是客户规范的一部分。由于乘坐舒适性是由轨道质量的决定性影响，这是迫切需要详细了解轨道的不规则情况，并与合同协议，一起努力。在采用轻量化设计的现代车辆中，车身结构的灵活性起着重要作用，在评估车辆性能时应考虑乘坐舒适性。

额外的动态模拟

运行动力学模拟还应用于计算体的运动，悬架元件的位移，力和累积载荷分布，车辆测量和其他所需的输出。这些模拟满足了在设计过程中为其他专家提供支持的内部需求，并为结构分析、组件规范和子供应商组件开发提供必要的输入。

与风险评估相关的动态分析的进一步问题是与车轮滚动接触疲劳、严重或不对称车轮磨损、车轮不圆度和钢轨波纹有关的任务。由于速度越来越快，轴负荷越来越大，车轮直径越来越小，增加了车轮和轨道损坏的风险，这些问题的重要性正在增加。在公司的内部研究项目框架内，庞巴迪运输利用其最先进的技术知识开发和测试减少这些风险的新方法。例如，滚动接触疲劳的风险评估方法₁₀并提出了基于磨损的车轮廓形发展预测方法₁₁可以引用。

国际团队合作，能力和专业知识

虽然运行动力学仿真是铁路工程不可缺少的一部分，但目前还没有具体的标准和建议来规范如何进行铁路车辆动力学仿真。因此，庞巴迪运输内部整个运行动力学专家团队的网络和密切合作是知识和专有技术保持和可持续增长的重要条件。

庞巴迪运输公司在锡根、克雷斯平、德比和温特图尔等地设有20多名转向架运行动力学专家，从事仿真、轨道测量和悬挂系统开发。他们不仅为庞巴迪在欧洲的工程团队提供项目支持，还为庞巴迪在全球的工程团队提供项目支持，包括中国、北美和澳大利亚。这种国际关注以及庞巴迪运输公司之间不断进行的密切合作是在一个具有挑战性的背景下进行的。不同的标准、规格、国家设计理念和传统往往会导致不同的意见。庞巴迪车辆动力学能力中心的活动促进了车辆动态评估的协调，其中转向架团队发挥着重要作用。为车辆动力学模拟及其自动化系统引入的准则简化了动力学模拟的执行，并减少了新专家的引进。

未来的前景

运行动力学的计算机模拟能够优化设计和悬架参数，同时在设计阶段提供车辆和转向架行为的虚拟评估。通过这种方式，可以更好地应用技术限制、减少赛道测试以及缩短开发周期。它们的重要性随着新任务和新挑战的出现而增加。更高的速度、更大的轴重、更少的磨损和更长的维护周期带来了新的挑战。随着技术极限的不断开发，车辆动力学分析的复杂性也将不断增加。庞巴迪运输公司拥有一支国际动力专家团队，能够充分应对这些挑战和其他任何新的挑战。

图1:铁路车辆工程过程的阶段和参数知识和车辆建模的现状

图2:铁路工程中应用的典型动力学分析

图3:模拟车速160公里/小时时，车身底板的横向加速度(均方根值)。增加的规导致非常低的圆锥度，因此恶化的乘坐特性

图4:在振幅为3mm的相同等效锥度下，不同方法和轮轨接触几何形状对稳定性评估结果的影响

图5:根据en14363对实测轨道不规则度的模拟结果得出的轮轨摩擦系数对稳定性评估的影响(以无因次值对极限值的表示)

图6:由于外轨磨损，四轴机车外前轮导向力和磨损指数增加。刚性轴导向转向架和自转向互联轮对转向架的仿真结果

参考文献

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3. EN 14363:铁路应用。铁路车辆运行特性验收试验。运行性能试验和静止试验，欧洲工程师协会，布鲁塞尔，2005年6月
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