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基于Simpack的某型货车动力学分析

高忠军,高春雷,胡晓依

中国铁道科学研究院

摘要：利用动力学软件Simpack，建立铁路货车多体动力学仿真模型，分析了货车的非线性临界

速度、直线运行平稳性以及曲线通过性能等动力学指标，并根据铁道机车车辆动力学性能评定标

准和规范对该车动力学性能作了综合评估。研究结果表明：该轨道车辆非线性临界速度较高，具

有较大的稳定性；平稳性指标均达到标准的优级要求；动态曲线通过安全性指标能够满足安全行

车要求。

关键词：货车；Simpack;动力学性能;仿真

随着我国经济的发展，铁路运输能力不断受到挑战，为全面提高铁路运行的各方面效益，高

速、重载成为必然的发展趋势。随着货车运营里程和时间的增加，恶劣的运行品质易使车辆关键

零部件受损加剧，也会对线路造成损害，严重时甚至引发安全事故。动力学性能是考核铁路货车

性能的重要内容，直接关系到车辆的运行安全和使用寿命，本文以国内某型货车为研究对象，对

其整体动力学性能进行研究，通过仿真分析得出车辆运行的动力学性能指标，参考我国铁道车辆

运行性能评价指标对其进行评定，研究结果可为货车设计、改进提供理论依据。

1基于Simpack软件的车辆动力学模型的建立

多体动力学软件Simpack具有丰富的建模模块及元素库，包括体（Bodies）、铰（Joints）、

约束（Constrains）、力元（ForceElements）、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。

多刚体动力学是把系统中的各部件抽象为刚体，来研究各物体之间的相互作用及其对系统动

力学行为的影响。为了使研究的对象有利于分析计算，常常会采用等效的简化模型。在不考虑车

体、侧架、轮对和轴箱等主要零部件的弹性变形时，车辆可视为多刚体系统。货车由车体、构架、

轮对、一系悬挂装置、二系悬挂装置等组成。车体通过二系悬挂装置坐在构架上。一系悬挂装置

由轴箱弹簧、一系垂向减振器和轴箱拉杆等组成。轮轨接触部分，车轮踏面采用LM型，钢轨轨

头型面为60轨。轮对、侧架、摇枕和车体等部件均视为刚体；轨道视为无弹性刚性，仅考虑其

不平顺激扰。本文以国内某型货车为研究对象，利用Simpack软件建立其动力学模型如图1.1所

示

2017SIMULIA中国区用户大会

图1.1货车动力学模型

2铁道车辆动力学评价标准

2.1非线性临界速度

在车辆实际运行过程中，由于存在轮轨的非线性接触关系以及轨道的不平顺性，车辆的实际

运行稳定情况，需要考虑车辆以一定的速度通过一段不平顺性的轨道后的运行状态，根据系统中

各刚体的位移是否发散来判断轨道车辆的运行稳定性。

2.2Sperling平稳性指标

乘客的舒适度感受也是评价车辆动力学性能的一个主要方面。国际是常用的评价标准是车辆

平稳性指标。我国以GB/T5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中对平稳性评定

等级的界限。车辆运行平稳性等级如表2.1所示。

表2.1客货车平稳性等级表

平稳性指标平稳性等级评定

客车货车

1级优2.53.5

2级良好2.5-2.753.5-4

3级合格2.75-34-4.25

出于安全性考虑国标规定货车120km/h范围内，最大垂向加速度值不应超过0.7g,横向加速

度最大不超过0.5g。

2.3曲线通过性能指标

车辆在通过曲线轨道时，如果速度过快，很可能发生脱轨事故，因此对其曲线通过能力的分

析是很有必要的。

2.3.1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。

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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2.1所示。

图2.1车轮脱轨临界状态作用关系

脱轨系数表达式为：

?

?

=

tan???/?

1+?tan?/?

式中：

Q———作用于轮缘上的横向力,N;

P———作用于车轮上的垂向力,N;

N———钢轨对车轮的法向反力,N;

T———钢轨对车轮的切向反力,N;

α———车轮轮缘角,(°)。

我国制定的《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB5599-85）中脱轨系数标准见

表2.2,表中第一限度为合格标准，第二限度为增大了安全裕的标准。

表2.2我国脱轨系数安全限定值

指标GB5599-85

第一限度第二限度脱轨系数

≤1.2≤1

2.3.2轮重减载率

轮重减载率