导航：安全管理网>> 安全论文>> 交通安全论文>>正文

基于SIMPACK软件的某型城市轨道交通车辆运行安全仿真及平稳性研究

文档作者：李晓斌方宇金子博尧辉明文档来源：上海工程技术大学城市轨道交通学院		点击数：	更新时间： 2020年12月04日
下载地址：点击这里	文件大小： 968.47 KB 共6页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共6页]

本文件共6页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：968.47 KB 共6页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：城市轨道交通车辆车门控制软件安全完整性…

上一篇：含假人模型的跨坐式单轨车辆碰撞安全仿真…

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

基亏SIMPACK软件的某型城市轨道交通车辆
运行安全仿真及平稳性研究*
李晓斌 方 宇 金子博 尧辉明
(上海工程技术大学城市轨道交通学院，201620，上海∥第一作者，硕士研究生)
摘要利用多体动力学软件SIMPACK对国内某型城市
轨道交通车辆进行整体建模，分析车辆以不同速度过弯道时
的脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数等3个安全性指标。仿
真结果表明，随着运行速度的增大，3个安全性指标均相应
增大且过弯道时变化更加明显。通过在车体安装加速度传
感器获取车辆实际运行过程中垂向和横向振动响应，运用
Sperling指标对车辆平稳性进行评定，得出该型城市轨道交
通车辆垂向和横向平稳性等级均为优。
关键词 城市轨道交通车辆；动力学建模；安全性指标；
Sperling指标
中图分类号U 270．1 1
DOI：10．I6037／j．1007—869x．2015．07．020
Simulation and Research on Operation Security an d Stability of
New-type Urban Rail Vehicle Based on SIM PACK
Li Xiaobin，Fang Yu，Jin Zibo，Yao Huiming
Abstract W ith the use of multi—body dynamics software
SIM PACK，an overall modeling of the new—type urban rail
vehicle is made to analyze three security indicators：vehicle
derailment coefficient under different curve speeds；wheel
weight ratio of load and overturning coefficient．The simu—
lation results show that three security indicators all increased
correspondingly with the increase of speed，and es—
pecially in curve sections．The vertical and horizontal vi—
bration responses in the process of actual operation are ob—
tained by the acceleration transducer installed on vehicle
body． The vertical and horizontal stability levels of the
new—type urban rail vehicle are evaluated as excellent by u—
sing the index of Sperling software．
Key words urban rail transit vehicle；dynamics modeling；
index of security；index of Sperling
Author S address School of Urban Railway Transporta—
tion，Shanghai University of Engineering Science，201 620，
*上海市科学技术委员会科研计划(12210501200)
随着城市轨道交通的高速发展，车辆的运行安
全保障日益成为行业关注的焦点，车辆在线安全监
测技术也成为研究的重要方向之一。本文以国内某
型城市轨道交通车辆为对象，对其整体运行的安全
性及平稳性进行了研究。通过仿真分析得出车辆运
行的3个安全性指标：脱轨系数、轮重减载率、倾覆
系数。在车体上安装加速度传感器获取车辆振动状
态特征，对运行车辆的平稳性运用Sperling指标进
行评定，研究结果可为城市轨道交通车辆在线安全
监测技术的研究提供理论依据。
1 基于SIMPACK软件的车辆动力学模型
的建立
SIMPACK软件是具有丰富的建模模块及元素
库的多体动力学分析软件，包括体(Bodies)、铰
(Joints)、约束(Constrains)、力元(Force
Elements)、标记(Markers)、传感器(Sensors)等。
该软件能运用多体动力学方面的理论自动创建动力
学系统的运动方程，并根据研究需求对方程进行求
解分析，快速寻找系统的静力平衡位置，获得系统中
各部件的位移、速度、加速度。此外，该软件还可利
用所测数据进行模态分析、频域分析和谱分析等。
本文以国内城市轨道交通车辆A型车C车为研
究对象，利用SIMPACK软件建立其动力学模型。车
辆部分参数见表1。建立车辆动力学模型时，多体系
统拓扑图的好坏和模型正确与否密切相关，并且影响
最终动力学方程的求解时间和计算效率[】。]。拓扑关
系主要由车体、构架和轮对3大部件组成，通过约束
· 85 ·
麓雅轫 翟 交 溷 鹦 √-000_0 ◆ 0llll
形式、铰接形式以及力元形式来表示不同结构之间的
连接关系 。车辆系统拓扑图如图1所示。
表1 车辆参数
参数 数值
车体质量／kg
轮对质量／kg
一系横向刚度／(N·m)
二系横向阻尼／(N·S·m )
车轮半径／m
构架质量／kg
一系纵向刚度／(N·m)
二系横向刚度／(N·m)
转向架轴距之半／m
一系弹簧横向间距之半／m
2．3× 10
1．61× 10
5．8× 1()0
2．95× 10
()．42
2．544x 1(p
5．8× 1(
1．57X 10s
1．25
1
7号铰接
物体r_j
标系
铰接— 一
约束— 卜_一
力元— — 一
图1 车辆系统拓扑图
选用国内某城市的一段轨道交通线路，整个轨
道线路由直线段、进出的缓和曲线和圆曲线组成，线
路前100 m为直线，其后是缓和曲线。线路参数见
表2。选择这条线路是为了更好地评价从直线到过
弯道车辆运行的安全性。初步研究表明，国内轨道
不平顺状况与美国5级轨道谱基本相同，因此本文
采用美国5级轨道谱来模拟轨道不平顺，最终在
SIMPACK软件中建立的车辆动力学模型如图2
所示。
表2 轨道线路参数
· 86 ·
2锄5年
图2 车辆动力学模型
2 车辆运行安全性仿真分析
列车运营的安全性是城市轨道交通最基本的要
求。在城市轨道交通车辆运行安全性评价标准中，
车辆运行的安全性主要涉及车辆是否会出现脱轨和
倾覆问题。而从脱轨机理来看，单纯从脱轨系数和
倾覆系数来判断车辆运行的安全性具有一定的局限
性l4]。因此，需要引入轮重减载率来对列车运行安
全性能进行补充和修正。本文通过仿真结果来分析
这3个指标，从而对该型城市轨道交通车辆的运行
安全性进行分析研究。
2．1 车辆运行安全性及其评价标准
2．1．1 脱轨系数
车辆运行时，车辆结构参数、运用条件和线路状
态等出现不利因素时，可能会导致车轮脱轨。在测
量或计算到的轮轨力中，采用横向力Q与垂向力P
的比值(Q／P)作为脱轨系数。车轮脱轨临界状态
作用关系如图3所示。
图3 车轮脱轨临界状态作用关系
脱轨系数表达式为：
一 垒 二
P 、 Ttana j N
式中：
Q 一作用于轮缘上的横向力，N；
P—— 作用于车轮上的垂向力，N；
JV 一钢轨对车轮的法向反力，N；
一
～厂

撄 轫 越 交 溷爨≯ ◆ l0_llll一ll_√l_ ll ll llll；ll_l _ ll ； 2 1年
0
0
坚一0
- 0
0 25 50
时间／S
图12 40 km／h时轮对2倾覆系数
0．2
0．1
。
一0．1
- 0．2
0 l7 34
时间／S
图13 60 km／h时轮对2倾覆系数
0．4
0·2
鬣 。
娶一0
．2
- 0．4
o
0
1
娶一0
- 0
． ．^^^』L ． ． ． lI．
一
1 w 1
1‘
时间／S
图14 ㈤km／h时轮对2倾覆系数
0 l1 22
时间／s
图15 90 km／h时轮对2倾覆系数
由图4～图7可知：负载一定时，车辆通过设置
好的曲线线路，轮对脱轨系数(绝对值)随着速度的
增大呈增大趋势(脱轨系数为负值是因为轮缘上的
横向力具有方向性)；车辆行驶100 ITI进入缓和曲
线时的脱轨系数比车辆直线行驶时要大；当车速达
到90 km／h时，个别时刻脱轨系数超过0．6，但仍然
小于GB／T 14894-2005的规定值0．8。因此，仅
从脱轨系数来看，车辆运行安全性具有较大的保障。
但是现场的运行环境非常复杂，车辆脱轨是由许多
因素(如轨道上有异物、外轨超高设置不当、路面坍
塌等)复合作用的结果，列车转弯超速仅是引起车辆
脱轨的众多因素之一。
由图8～ 图15可以看到，车辆从直线进入缓和
曲线，轮重减载率和倾覆系数变化缓慢，随着车速的
增加，这2个指标均有增大趋势但变化不明显；这2
个指标均满足GB／T 14894 2()()5的要求(Ap／p
· 88 ·
<()．6，D<()．8)，并且有较大的安全余量，车辆的行
驶安全同样得到保障。
3 车辆运行平稳性试验分析
列车在运行过程中产生的振动是产生乘坐不舒
适的重要来源。人在振动环境中不仅会产生疲劳，还
会发生内部器官及全身组织与外界振动或谐振的可
能，因此，对车辆平稳性进行评定具有重要意义 。
利用平稳性指标来评价车辆运行性能的方法在
国际上得到了广泛的应用。Sperling指标是基于大
量试验而制定的平稳性指标，用于评价车辆运行平
稳性。平稳性指标(W)由下式表示：
r— ————一
w=7．08 ／ J F(厂) (4)
式中：
— — 振动加速度，g；
厂—— 振动频率，Hz；
F(，)——与振动频率有关的修正系数。
在常用的频率范围内，垂向和横向的F(厂)是不
同的，如表3所示。由车辆平稳性指标评定的平稳
性等级如表4所示。
表3 频率加权系数
垂向振动 横向振动
f／Hz F({ f／Hz }
评定 平 标 平 标
评价车辆平稳性最直接的指标就是车体加速
度。相对于轮缘上的横向力和车轮上的垂向力等用
来计算脱轨安全性的一些力元信息，车体加速度信
息更容易获取。为了对车辆运行平稳性进行分析，
在车辆车体底板上安装三向加速度传感器，采样频
率为2 500 Hz。车体加速度传感器安装实物图和
车底走线分布如图16、图17所示。
车辆在额定负载下以一定速度沿轨道运行，通
过数据采集器、工业交换机、车载服务器等设备获取
的车体横向和垂向加速度响应(归零后)的时间历程
如图18、图l9所示。

槛雅辄叠 交霾鼹 ⋯lll 2。0曩0 0。0 。000 ll0ll llIll00 l0 0 5l毒
4 装置样机
在深圳市地铁集团有限公司院士工作站的框架
下，与西南交通大学签订了该项目的技术咨询合同，
为该新型车载储能装置的研制提供强大的技术支
持。根据该装置的软硬件原理，已研制出了控制器
PCB(印刷线路板)、直流升降压系统等；经市场调
研，已采购超级电容组。目前样机已组装好，待经过
各种测试及试验验证合格后，将安装上地铁列车进
行应用考核。样机控制器见图7。
PWM驱动
状态反馈
路
lt B r
光
升
驱
动
PCBR
， ，
q"：
¨ 嘴开出
203 131111× 】46mill 一
图7 控制器
5 结语
本文阐述了一种新型的城市轨道交通列车制动
能量储存装置。该装置可有效利用目前列车电阻制
动消耗掉的能量，可完全替代列车制动电阻。使用
该装置后，城市轨道交通列车可取消(替代)制动电
阻(如在既有列车上进行改造，则无需改变既有列车
的安装结构)，能有效减少列车牵引能耗，减少列车
制动热量散发，降低隧道温升，达到节能减排的效
果，同时可降低列车实际运营成本。
参考文献
[1] 杨峰．地铁车辆制动系统浅析EJ]．现代城市轨道交通，2009
(4)：29．
[2] 方字，尧辉明，杨俭．上海城市轨道交通2号线车辆电阻制动能
耗计算[J]．城市轨道交通研究，201()(8)：25．
[3] 刘宝林．地铁列车能耗分析．[J]．电力机车与城轨车辆，2007
(4)：65．
[4] 曾先光，徐志荣，奚华峰．DC 1 5()()V供电的城市轨道交通车
辆超级电容储能技术分析[J]．城市轨道交通研究，2013
(1(1)：87．
(收稿日期：20I3—10—27)
(上接第89页)
[2] 黄安宁．基于SIMPACK的某型轨道车辆动态性能仿真研究 [73 张兵，林建辉，伍川辉，等．列车舒适度和平稳性测试仪的设计
[3]
[4]
[5]
[6]
ED]．昆明：昆明理工大学，2012．
缪炳荣，罗仁，王哲，等．SIMPACK动力学分析高级教程rM]．
成都：西南交通大学出版社，2010．
任尊松．车辆动力学基础[M]．北京：中国铁道出版社，2009．
GB／T 14894-2005城市轨道交通车辆组装后的检查与试验
规则[S]．
常庆斌，左言言，杨建．城市轨道车辆车体横向振动的仿真_J]．
噪声与振动控制，2012(1)：55．
[83
[9]
与实现l_J]．中国铁道科学，2008，29(1)：134．
倪纯双，王悦明．浅谈平稳性指标和舒适度指标lJ]．铁道机车
车辆，20()3，23(6)：1．
杜子学，杨绪杰，左长永．单轨车辆乘坐舒适性与运行平稳性
仿真和试验研究lJ]．城市轨道交通研究，2014(5)：37．
(收稿13期：2()14—06—30)
⋯ ⋯ 1 ⋯ ～ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ， 一 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯
(上接第94页)
[3] Thomas P H．Modeling of compartment fires~J]．Fire Safety
Journal，1967，2(5)：181．
[4] 张和平，姜锡权，谢之康，等．中庭建筑天井内火灾烟气运动
特性的盐水实验模拟_J]．实验力学，1999(14)：69．
[5] 王磊，高军，赵加宁．采用盐水模型实验法研究自然通风[J]．
建筑热能通风空调，2007(5)：2O．
[6] 孙云雷，王丽慧．地铁活塞风与空调送风耦合的温度场的试
验研究[J]．制冷空调，2010(11)：54．
[7] 麻柏坤，张人杰，张和平，等．烟气运动的盐水模拟实验lJ]．实
验力学，1994(4)：317．
r 8] Fleischman C M ，Pagni P J，Williamson R B．Saltwater
modding of fire compartment gravity currents[J j．Fire
Safety Science Proceeding of the Fourth International
· 98 ·
Symposium,1994(4)：253．
r 9] Steckler K D，Baum H R，Quintiere J G．Salt water modeling
of fire induced flows in multicompartment enclosures LJ J．
Symposium(Internationa1)onCombustion，1998，21(1)：143．
[10] 张和平，周晓冬，万玉田，等．受限空间烟气运动盐水模拟研
究的现状和展望_J]．中国安全科技学报，1999(9)：3O．
[11] 沈翔，吴喜平，董志周．地铁活塞风特性的测试研究[J]．暖通
空调，2005，35(3)：103．
[123 刘佳妮，沈丽，唐道发，等．基于液体缩尺模型的地铁活塞风
与站台送风耦合[J]．城市轨道交通研究，2013(8)：81．
E13] 李文博．基于地铁环境模拟(SES)的区间火灾工况通风模式
研究[J]．城市轨道交通研究，2()13(4)：65．
(收稿日期：2013—1l1—16)

网友评论 more

交通安全论文最新内容

02-21