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1、HXN5型内燃机车动力学性能仿真分析汤琴琴（南车戚墅堰机车有限公司技术中心产品设计部江苏常州213011）摘要：介绍运用simpack软件对HXN5型内燃机车进行动力学性能仿真分析的基本建模方法 及步骤，求解机车的临界速度，评价机车动态曲线通过性能和直线运行平稳性。关键词：HXN5型内燃机车；动力学性能仿真；临界速度；动态曲线通过；运行平稳性1前言HXN5型内燃机车是南车戚墅堰机车有限公司从美国通用电气（GE）公司引进的车型。 为了更好地吸收GE公司先进的设计理念及制造技术，有效评估该车型运行平稳性、舒适性 等性能，我们对该车型进行了动力学性能仿真分析。本次分析利用了机车多体动力学原理，通过专
2、用的机车动力学建模、仿真分析软件 SIMPACK建立机车的多体动力学三维模型，并采用SIMPACK自身的求解器求解动力学方 程，得到和动力学相关的各项参数：力、力矩、位移、速度、加速度等等，从而对机车的稳 定性临界速度、动态曲线通过性能、直线运行平稳性等指标进行评价。2动力学建模2.1参数准备惯性参数：主要是指相对运动的零部件的质量、转动惯量以及质心位置。悬挂参数：即零部件连接的刚度或者阻尼参数。几何参数：几何参数是指机车零部件在空间的布置位置。2.2建立动力学分析模型2.2.1几何外形和零部件间相对运动关系的建立动力学参数准备好后要进行动力学建模。在利用SIMPACK软件前处理建模之前要进行
3、 机车动力学分析的拓扑关系图的绘制，以表示各个零部件之间的相对运动关系。图1所示为Car bodySecondarySuspensionBogie frdinePrimarySuspensionWheelset江_A - 芒2WUOOMLL-d圣ouLUoQgzoor-l.2lsueodunu_& 蚤oc图1 HXN5型内燃机车拓扑关系拓扑图绘制完成后，按拓扑图逐一添加体（车体、转向架、轴箱、轮对等以及它们的惯 性参数）、悬挂参数等连接参数。添加轮对连接参数时，须调用铁路模块的轮对专用模块， 以生成轮轨接触关系。运用simpack软件建立动力学模型时可以采用子结构的方式建模，这 样建立的模型结
4、构清晰、修改方便。图2是HXN5型内燃机车转向架子结构的组成图。图2 HXN5型内燃机车转向架子结构图2.2.2非线性因素的处理在机车中存在很多非线性因素，主要有：几何非线性（例如轮轨的踏面都是采用磨耗型 踏面）、接触非线性（轮轨接触时蠕滑的存在导致接触的非线性）以及悬挂非线性等。几何非线性是通过SIMPACK软件将几何非线性外轮廓离散后的数值拟合成样条函数 曲线来表示的，t60轨样条函数曲线如图3所示，JM3型踏面样条函数曲线如图4所示。接 触非线性可以通过软件选择接触的算法（一般采用软件默认值，即线性接触）。图3 t60轨样条函数曲线图4 JM3型踏面样条函数曲线悬挂非线性是影响动力学性能
5、的主要因素，典型的悬挂非线型有：轴端间隙、一、二系 止挡、减振器等。对于本次分析中的悬挂非线性因素，采用SIMPACK软件中自身的单边接 触单元来模拟，即采用在间隙内刚度为0，接触时刚度迅速增大的非线性弹簧来模拟。一系 止挡的非线性模型如图5所示。Input F unction；1l_1Dqng11.5025041D-051.5O25O41D-O93.1名义力的计算整车模型建好后，要进行名义力计算（整车模型如图6所示），以保证机车在动力学仿 真计算时是从整备的平衡位置开始的。名义力计算完成后，将计算所得到的名义值保存到各 悬挂的弹簧力中。图6HXN5型内燃机车动力学模型3.2临界速度分析机车的
6、临界速度分析就是要找出所设计的机车稳定运行的最高速度。超过该临界速度运 行，机车就会由于蛇形运动导致轮对持续撞击钢轨而引起机车脱轨、倾覆等安全事故。目前 临界速度分析主要有线性临界速度分析和非线性临界速度分析。由于非线性临界速度较线性 临界速度偏于安全，故一般用非线性临界速度来判断机车是否失稳。3.2.1线性临界速度分析线性临界速度分析主要是通过特征值实部的变化来考察某些和临界速度相关的部件（轮 对、构架、车体等）的特征值随车速的变化的曲线（即轨迹）。以速度为变量，计算得到各 阶特征值实部随速度的变化曲线（根轨迹），当某阶特征值的实部大于或等于0，就意味着 在该速度下该模态出现失稳，即确定该速
7、度为线性临界速度。图7是HNX5型内燃机车的 根轨迹图，从图中可以看车该车的线性临界速度是145km/h。图7 HNX5型内燃机车的根轨迹图3.2.2非线性临界速度分析本次分析采取方法是先给机车施加一段（50米）不平顺的激励，然后将激励撤掉，使 机车沿没有激励的平直轨道继续运行一段时间（运行距离要大于1000米）后，输出各个轮 对的横移来判断机车是否失稳。如果轮对横移量在线路激励撤掉后不随时间衰减，即轮对横 移量随时间变化的函数发散，则在该速度下机车失稳。求解非线性临界速度需要在其他参数 不变的情况下，逐步增大机车速度，机车失稳前一个速度即为非线性临界速度。通过计算得 到了现有参数下HXN5型
8、内燃机车的非线性临界速度为：140km/h，可以满足最高速度为 120km/h的设计要求。3.3动态曲线通过性能分析动态曲线通过性能分析主要考察机车通过最小曲线半径、常用曲线半径的能力。评价的 指标主要有：轮对横移和摇头（即各转向架第一轴的冲角）、轮轨横向作用力、脱轨系数和 轮重减载率等，要按照TB/T2360-93铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准来评 价。表1是计算所选择的几种较典型的曲线半径和常见的曲线超高。所选择的曲线是由直线 缓和曲线一一圆曲线缓和曲线直线组成的完整曲线。表1曲线通过计算工况曲线半径（m）速度(km/h)曲线组成（m）超高（mm）145530-20-30-20-
9、3003007030-50-50-50-30908008030-60-100-60-3075计算得到的相关参数显示：HXN5型内燃机车曲线通过性能良好，且机车能够以5km/h 的速度安全通过最小设计曲线。3.4直线运行平稳性分析直线运行平稳性是考察机车舒适性的。动力学分析时，仿真的速度可以取：机车平均运 行速度、机车常用运行速度和最高运行速度（即试验速度一机车设计速度的110%）。本次分析分别对V=100km/h、120km/h以及132km/h三种速度，采用欧洲线路谱计算 得到了司机室的振动加速度及其相应的横向和垂向平稳性指标。表2是在相应速度下相关评 定指标值。表3是各计算工况下车体的横向
10、、垂向加速度和平稳性指标的计算结果。表2对应速度下相应动力学性能指标（最大值）V指标1#轮对2#轮对3#轮对4#轮对5#轮对6#轮对100脱轨系数0.280.160.200.210.090.19轮重减载率0.320.290.340.330.260.30净横向力*30.3217.4625.4428.1319.6127.34120脱轨系数0.350.260.320.400.330.37轮重减载率0.400.330.430.380.360.44净横向力*35.2524.1732.5937.2128.2334.63132脱轨系数0.580.310.470.620.490.67轮重减载率0.530.44
11、0.570.460.480.59净横向力*43.1530.5239.1246.6543.2448.76*：净横向力单位KN表3车体加速度的最大值（m/s*2）和平稳性指标速度km/h司机室加速度司机室平稳性指标横向垂向横向垂向1000.230.131.651.8171200.240.151.661.821320.410.351.851.954结论通过对HXN5型内燃机车进行动力学仿真计算可以得到以下结论：（1）HXN5型内燃机车在现有设计参数下，其非线性临界速度为140km/h，可以满足 机车最高运营速度120km/h的设计要求。（2）HXN5型内燃机车在以正常速度通过曲线时，其曲线通过性能的
12、各项评定指标均 在动力学实验要求的范围之内，曲线通过性能良好。另外机车可以以5km/h的速度安全通 过最小设计曲线。（3）HXN5型内燃机车的运行平稳性在速度小于132km/h时良好。需要指出的是：由于分析中采用了线路谱（不是实测的线路值），线路谱仅仅能显示其所 代表的线路的统计规律，且机车在实际运用中除考虑线路条件外还要考虑机车本身正常或非 正常的磨耗，因此，实际的动力学性能与仿真分析报告相比会有偏差。参考文献1 严隽耄.车辆工程.北京：中国铁道出版社.20062 鲍维千.内燃机车总体及走行部.北京：中国铁道出版社.20043 廖炳荣，方向华，傅秀通.SIMPACK动力学分析基础教程.成都：西南交通大学出版社.20084 李明，戴焕云，丁磊.70%低地板轻轨车建模及动力学分析J.交通运输工程学报2004.065 南车戚墅堰机车有限公司动力学导航项目相关资料
