不同车体重心高度对车辆动力学性能的影响

何峻峰 李潇 王 民 伟 曲主峰 韩兴宇 徐嘉阳

大连科技学院 116052

摘要：随着我国铁路行业的蓬勃发展，客货列车的运行速度越来越高，载重量也越来越大。如此的高速重载，车体重心的高度对于列车的动力学性能及运行安全性方面有着较大的影响。我国铁路技术标准严格限制车辆重心高度：当重心超过2000mm时，车辆要限速运行。在满载条件下，我国铁路现有的列车实际重心高度普遍接近或高于2000mm。为了研究车体重心高度对列车运行性能的影响，现利用SIMPACK仿真软件建立车辆模型并分析在不同工况下运行时车体重心高度对其动力学性能的影响。

关键词：车辆动力；不同车体；重心高度；力学研究

引言

有了车辆模型后，我们通过了基本线路上的运行计算，可知该模型动力学性能良好。小幅度的改变了车体中心高度值并进行了计算，通过计算结果我们得出通过改变车体中心高度值对列车的动力学性能有着较大的影响，比较突出的有轮轨间横向力、轮对横移量及脱轨系数等，后期还需进行更加深入的计算并进行分析。同时分析列车在过圆曲线时曲线半径的变化对安全指标的影响，发现随着曲线半径的减小，脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数成指数关系逐渐被放大。

一、不同重心高度下列车在直线上运行时的动力学性能

1.横向振动加速度

首先我们将车辆的运行速度固定，将车辆的重心高度设置为1500mm，所观测的横向振加速度如左上图所示，由图可见，该图所展示的波形上下高度差较大；随后我们把车辆的重心高度设置为2000mm，所观测的横向振加速度如右上图所示，此时我们可以很清楚的发现相比于图a横向振加速度波形图，图b所展示的波形上下高度差明显减小。所以我们得出了这个结论：在车辆的运行速度保持不变的情况下，一定范围内，车辆的重心高度越高，所得到的横向振加速度就越大。

图a 图b

图c

图c是我们对车辆的一系纵向刚度随平稳性系数的变换关系，首先我们将车辆的运行速度保持不变，将一系纵向悬挂刚度设置为0.8，看出此时车辆的平稳性系数为3.2，随后每次将一系纵向悬挂刚度增加0.3，发现车辆的平稳性系数在短暂的平稳过程后有了明显的下滑趋势，由此我们得出以下结论：在车辆的运行速度保持不变的情况下，车辆的一系纵向悬挂刚度越大，车辆越不稳定。

2.轮对横移量

在保证曲线运行速度和曲线半径不变的情况下，通过改变车辆的重心高度来观察车辆的轮对横移量。当车辆重心高度为1500mm时在车辆在曲线运行时其轮对横移量如左图所示，左图中我们可以发现轮对从发生横移量到逐渐趋于稳定所需的时间较长，说明在该重心高度时车辆在曲线运行不稳定；于是我们将车轮的重心高度设置为2000mm时在车辆在曲线运行时其轮对横移量，在右图中我们发现轮对从发生横移量到逐渐趋于稳定所需的时间明显减小，说明在该重心高度时车辆在曲线运行相对稳定。由此我们得出以下结论：在曲线运行速度和曲线半径不变时，在安全范围内，车辆的重心高度越高，车辆在弯道运行越安全。

3.轮轨接触摩擦功率

首先固定车辆运行速度，将车辆运行后所得到的数据记录在上图中，我们发现车辆在运行过程中，左车轮的轮轨接触摩擦功率明显大于右车轮的轮轨接触摩擦功率，这是由于车辆由直线路转向弯路运行时两侧车轮都要承受转弯所带来的离心力，而且外侧的车轮承受的力的大小要大于内侧车轮所承受的力的大小。所以承受的力越大，其轮轨接触摩擦功率就越大。在车辆由弯道转到直线路时车辆车轮承受力的大小逐渐相同，所以轮轨接触摩擦功率也相同，同时也变得很小，几乎为零。

二、不同重心高度下列车在曲线上运行时的动力学性能

1. 轮对横移量

图f 图g

图f的是保持轨道的曲线半径不变的情况下，首先固定车辆运行速度，将车辆运行后所得到的数据记录在左图中，我们发现车辆在运行过程中，轮对的横移量较大，由此看出在该车速运行下车辆行驶的安全隐患较大，随后我们降低了车辆的运行速度，将车辆运行后所得到的数据记录在图g中，我们发先车辆在运行过程中，轮对的横移量较小，所以我们得出以下结论，在车辆曲线半径不变的情况下，在安全范围内，车辆运行速度越低，轮对横移量越小，即车辆运行越安全。

2. 轮对横向力

图h 图i

图h、图i所表示的是车辆运行过程中左右车轮的轮对横向力大小的变化情况，我们可以发现随着运行时间的增加，左右轮对的横向力变化情况一模一样，由此得出以下结论，在安全范围内，车辆车轮的左右轮对横向力变化情况完全相同。

3. 摩擦功率

车辆在曲线轨道上运行时左右车轮的摩擦功率，通过对比我们发现左车轮的摩擦功率明显大于右车轮的摩擦功率，这是由于车辆由直线路转向弯路运行时两侧车轮都要承受转弯所带来的离心力，而且外侧的车轮承受的力的大小要大于内侧车轮所承受的力的大小。所以承受的力越大，其摩擦功率就越大。在车辆由弯道转到直线路时车辆车轮承受力的大小逐渐相同，所以摩擦功率也逐渐相同，同时也变得很小。

结语

课题组学科及理论水平限制，对问题深入度不够，并且时间着实有限，我们也还存在着很多问题与不足，在剩下时间里，我们会对课题进行进一步的研究，适当的可以用于以后的毕业论文。

参考文献

[1]蒋帅,费天扬.基于车辆行驶模型与跟驰模型的安全评估研究[J].科学技术创新,2021(24):1-2.

[2]李韶华,王伟达.车辆动力学与控制研究进展[J].动力学与控制学报,2021,19(03):1-4.