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基于SIMPACK的双层集装箱平车限界分析
杨继震,高忠军
中国铁道科学研究院
摘要:利用动力学仿真软件SIMPACK,建立铁路双层集装箱平车多体动力学仿真模型,仿真计
算在最大重心高度条件下,不同速度级时的车体最大垂向和横向位移偏移量,又按照计算规范要
求,仿真计算开行速度下,受对应最大横风荷载作用时的车体最大垂向和横向偏移量。研究结果
表明:该双层集装箱平车在最大重心高度条件下,满足限界要求。
关键词:双层集装箱平车;SIMPACK;限界
集装箱运输具有货损少、效率高、速度快、便捷性高等优点,所以在铁路运输行业中,集装
箱运输是其中的重要方式之一。近年来,在集装箱专用平车的基础上,为了提高其经济效益,国
内企业研制了X2H和X2K型双层集装箱平车,如图1所示。从图1中不难发现,不管是空车还是重
车,双层集装箱车辆的质心比较高,尤其受横风作用时,受到的横向载荷也比较大,在车辆运输
过程中,是否会超限,是铁路运输部门最为关心的问题之一。
一般而言,车体横向偏移量计算有静态计算、准动态计算和计算机仿真几种方法。静态计算
无须进行复杂的建模,直接根据车辆各部件之间、车辆与轨道之间的位置关系或几何关系,判定
车辆处于最不利位置时的车体偏移量。但由于车辆的实际位移与多种因素有关,车辆的运行速度、
线路的等级、轮轨的踏面外型、车辆悬挂系统等严重影响车辆振动幅度,而这些因素均无法在静
态计算中考虑到,造成误差很大。而动力学计算则通过对车辆、线路和轮轨接触关系建模,模拟
车辆运行时受外界因素如轨道不平顺、风载等激扰而产生的振动,可以更准确地估算车体的最大
偏移量,也可以实现准动态计算。因此使用SIMPACK软件,建立双层集装箱车辆动力学仿真模型,
分不同工况进行车辆限界分析。
图1双层集装箱平车
1车辆动力学模型
在双层集装箱平车X2K和X2H中,其转向架分别是转K6和K5型转向架。这两款转向架,虽然
都是两轴三大件式转向架,但是在结构上,因侧架与摇枕的连接方式不同而有很大的差异。以下
以X2H型集装箱平车为对象进行建模计算。
1.1车辆模型
转K5是摆动式转向架,通过弹簧托板连接侧架,主要由分别由侧架、摇枕、弹簧托板、摇
动座、摇动座支撑、承载弹簧、减振装置、轮对、轴承、基础制动装置和常接触式弹性旁承等组
成。在利用动力学仿真软件SIMPACK建模时,充分考虑了该转向架的结构特性。
首先,建立轮对模型,如图2所示,使用SIMPACK软件的轮对模板自动生成,单侧车轮和轨
道之间,软件已经预设了5个接触力,来模拟轮轨接触时可能发生的单点和多点接触;转向架模
型,转K5动力学仿真模型如图3所示,除了前后轮对、侧架、摇枕和心盘等零部件外,还专门
建立了弹簧托板,考虑了侧架与承载鞍之间的侧滚作用,用25号铰接来描述该特点。
图2轮对模型
图3转K5转向架模型
此外,充分考虑了转向架模型中的非线性因素,如用图4所示间隙力来模拟止挡,用面摩擦
力来模拟斜楔、旁承和心盘等处的摩擦减振作用,另外,对于交叉拉杆,采用单向力来模拟。严
格按照动力学参数搭建全参数化的、装载两个高箱集装箱的车辆动力学模型,如图5所示。
图4非线性止挡模拟
图5典型双层集装箱装载车辆
2.2线路模型
根据资料可知,最小曲线半径为R600mm,该处实设超高为150mm,均衡车速为85km/h,以
75km/h和100km/h运行时,过超高和欠超高分别为40mm和47mm。
因此在线路模型设计方面,分别设置了直线和R600m的曲线。在曲线设置中,分别设置了直
线-缓和曲线-圆曲线-缓和曲线-直线等五段,R600m的曲线中,缓和曲线长度为140m,圆曲线长
度是200m,超高分别是150mm,线路俯视图分别如图6所示。
轨道激励选用三大干线轨道谱,如图7所示。
图6R600曲线设计俯视图
左轨横向激励
右轨横向激励
左轨垂向激励
右轨垂向激励
图7三大干线轨道激励
2空车仿真结果
2.1直线运行仿真结果
双层集装箱平车X2H空车,以时速60km/h、80km/h、100km/h和120km/h,在三大干线轨道
谱为激励的直线线路上运行,车体上横向和垂向位移最大值如表1所示,仿真结果如图8和9
所示,黑色、红色、绿色和蓝色曲线分别是车速为60km/h、80km/h、100km/h和120km/h的结果。
表1直线运行指标最大值结果
车速
60km/h80km/h100km/h120km/h
车体横向位移最大值(mm)22.3118.3029.2429.84
车体垂向位移最大值(mm)6.324.556.397.39
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