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城市軌道車輛牽引仿真分析研究

文檔作者：王振濱陸正剛余鹿延文檔來源： 1．上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院2．同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研電氣傳動室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月27日
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第12卷第1期
2009年3月
上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報
JOURNAL OF SHANGHAI DIANJI UNIVERSITY
VoI．12 No．1
M ar．2009
文章編號1671—2730(2009)01—0078—06
城市軌道車輛牽引仿真分析研究
王振濱 ， 陸正剛。， 余鹿延
(1．上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院
2．同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研
電氣傳動室，上海200070；
究院，上海200092)
摘要：介紹了城市軌道車輛虛擬設(shè)計和數(shù)字化仿真平臺，在此平臺上開發(fā)了適合我國城市軌道
車輛的牽引仿真分析模塊。該模塊可實(shí)現(xiàn)在不同粘著(蠕滑)條件下的輪軌相互作用、轉(zhuǎn)向架及主要零
部件的動態(tài)載荷、車輛縱向動力學(xué)、電機(jī)特性、牽引和運(yùn)行等功能的仿真分析。使用該模塊對陜西南路
一黃陂南路的一段實(shí)際線路上進(jìn)行牽引仿真分析，結(jié)果與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了該模塊的正確性。
關(guān)鍵詞：軌道車輛；牽引仿真；虛擬設(shè)計與仿真
中圖分類號：U 260．13：TP 391．9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
The Traction Simulation Study for Urban Metro Vehicles
WANG Zhenbin ． LU Zhenggang 。yU Luyan
(1．Department of Electrical EMve，Shanghai Electric Group Co．，Ltd．Central Academy，Shanghai 200070，
China；2．Institute of Railway and Urban Rail Transit，Tongji University，Shanghai 200092，China)
Abstract：An urban railway vehicle virtual design and digitization simulation platform is intro—
duced in this paper，and a traction simulation module adapted to urban railway vehicles in our country
is developed on this platform．This module has the following simulation&amp;amp; analysis functions：interac—
tive activities between wheels and rails in different stickiness(wheel slippage) conditions；dynamic
load of bogies and main parts；car vertical kinetics；motor characteristics；traction and running，etc．
A traction and simulation ob was done in a real metro 1ine from South Shanxi Road to South Huangpi
Road using the module．The results of using the module coincide with the actual situations，and verify
the correctness of the proposed module．
Key words：metro vehicle；traction simulation；virtual design and simulation
城市軌道車輛是機(jī)、電、控制一體化和信息技術(shù)
相結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品
概念、設(shè)計、零部件試驗(yàn)
，集成度高、復(fù)雜程度大，從
、整車裝配和性能測試(包括
動力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、牽引控制系統(tǒng)、制動安全性
能、零部件可靠性和疲勞壽命等)到最終產(chǎn)品的確
認(rèn)，全過程開發(fā)周期長、試驗(yàn)成本巨大，而運(yùn)行過程
收稿日期：2008—12—08
基金項目：上海市科委資助項目(05dzllc03)
作者簡介：王振濱(1973一)，男，高級工程師，博士，專業(yè)方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計，E-mail．wangzhenbin@secca．cn
2009年第1期 王振濱，等：城市軌道車輛牽引仿真分析研究
中性能優(yōu)劣與零部件的疲勞、可靠性預(yù)測和防治更
需要長時間的數(shù)據(jù)積累。因此，從降低新產(chǎn)品開發(fā)
風(fēng)險和成本、縮短研發(fā)周期等方面來看，對于城市軌
道車輛這樣復(fù)雜的機(jī)電控制一體化的系統(tǒng)更適合采
用虛擬產(chǎn)品設(shè)計(VPD)技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品的全過程
集成開發(fā)和信息共享。
根據(jù)城市軌道車輛的特點(diǎn)，同濟(jì)大學(xué)初步建立
了城市軌道車輛虛擬設(shè)計和數(shù)字化仿真平臺[1 ]，
完成平臺總體框架設(shè)計和關(guān)鍵的車輛性能計算機(jī)輔
助工程(Computer-aided Engineering，CAE)分析集
成，實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛分析開發(fā)的工作流引用集成
(包括參數(shù)化定義、分析)和仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
(SDM)。平臺具有：① 基于分布式構(gòu)架和商業(yè)規(guī)格
(CS)的先進(jìn)性；② 開放性；③ 直觀性；④ 友好的人
一機(jī)界面；⑤ 標(biāo)準(zhǔn)化；⑥ 實(shí)用性。其設(shè)計思想、功
能、使用習(xí)慣源于設(shè)計人員的真正需求。該平臺采
用中央控制服務(wù)器為中心的分布式Web局部網(wǎng)絡(luò)。
它采用MSC公司的CAE軟件包作為研發(fā)軟件平
臺，開發(fā)出包括車輛動力學(xué)分析模塊、零部件強(qiáng)度和
模態(tài)分析模塊、關(guān)鍵零部件疲勞分析等模塊，具備多
體動力學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)有限元分析和模態(tài)分析、疲勞和
可靠性分析等功能。由于采用MSC公司的基本商
用軟件作為統(tǒng)一開發(fā)平臺，因而能夠保證整個軟件
平臺的一致性，且具備開放接口程序，方便添加其他
商用和自主研發(fā)軟件。
本文在同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的城市軌道車輛虛擬設(shè)計
和數(shù)字化仿真平臺[3“]的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一個城市
軌道車輛牽引仿真模塊。它主要實(shí)現(xiàn)城軌車輛(列
車)在牽引(制動)過程中，走行部機(jī)械系統(tǒng)和控制系
統(tǒng)的動力學(xué)性能的一體化聯(lián)合仿真；研究車輛機(jī)械
系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)在該工況下的綜合動力學(xué)性
能、相互作用和影響，為列車運(yùn)行控制提供基本的仿
真模型。不同于文獻(xiàn)[5—7]中介紹的以整車作為一
個質(zhì)點(diǎn)的建模方式，該模塊可實(shí)現(xiàn)在不同粘著(蠕
滑)條件下的輪軌相互作用、轉(zhuǎn)向架及主要零部件的
動態(tài)載荷、車輛(列車)縱向動力學(xué)、電機(jī)特性、牽引
和運(yùn)行等功能的仿真分析。該模塊是城市軌道交通
車輛虛擬設(shè)計和數(shù)字化仿真分析平臺核心模塊之
一
，提供良好的人機(jī)界面和可視化操作，實(shí)現(xiàn)與牽引
(制動)運(yùn)行相關(guān)的各種參數(shù)輸入和選擇，通過曲線、
圖表、動畫等多種形式輸出仿真結(jié)果。
1 牽引和運(yùn)行仿真模塊動力學(xué)模型
1．1 地鐵列車機(jī)械系統(tǒng)仿真模型
采用地鐵l號線北延長線的6節(jié)編組的列車為
研究對象。上海地鐵1號線有拖車(A型)、帶受電
弓的動車(B型)和不帶電弓的動車(C型)共3種類
型，采用6節(jié)編組，其排列為A—B—C—C—B—A。
由于車輛采用的是對稱排列，同時為了仿真計算時
節(jié)省機(jī)時，按照編組型式，采用拖車+動車+動車
(即T+M+M)的3節(jié)編組為牽引仿真的基本模
型。車輛之間用鉤緩裝置編組掛接，假定車鉤只傳
遞縱向力。模型中采用彈性連接元件和阻尼器來模
擬，如圖1所示。
圖1 車輛連接模型
Fig．1 Vehicle connection model
車輛牽引裝置中牽引電動機(jī)采用架懸的方式，
牽引電機(jī)通過4個螺拴懸掛在構(gòu)架上。電機(jī)輸出端
通過彈性聯(lián)軸器與齒輪箱連接。齒輪箱一端通過吊
桿彈性連接到構(gòu)架，一端抱死在軸上，將牽引力矩傳
遞到輪對上。在模型中采用剛體模型來模擬電機(jī)、
聯(lián)軸器以及齒輪箱的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及轉(zhuǎn)動慣量
等，電機(jī)按照實(shí)際位置通過彈性定位節(jié)點(diǎn)連接到構(gòu)
架，聯(lián)軸器通過鉸接聯(lián)接電機(jī)和齒輪箱，齒輪箱一端
根據(jù)實(shí)際位置通過定位節(jié)點(diǎn)聯(lián)接構(gòu)架，一端鉸接到
車軸上通過齒輪副來模擬齒輪箱傳遞力矩。圖2為
動力轉(zhuǎn)向架模型。
圖2 動力轉(zhuǎn)向架模型
Fig．2 A power bo~iemodel
80 上海電機(jī)學(xué) 院學(xué)報 2009年第1期
輪軌間相互作用力的模擬采用多體動力學(xué)模
型，與傳統(tǒng)牽引計算質(zhì)點(diǎn)模型有很大不同。由于
Kalker線性理論只適用于小蠕滑率和小自旋的情
形，對于在牽引和制動過程中，輪軌接觸可能出現(xiàn)的
大蠕滑、大自旋甚至完全滑動的情況，輪軌蠕滑力將
呈飽和狀態(tài)，蠕滑力與蠕滑率成非線性關(guān)系。為此，
采用Johnson-Vermeulen理論作如下修正，使蠕滑力
的計算可廣泛適用于任意蠕滑率和大自旋的情形。
將按照Kalker線性理論計算的縱向蠕滑力
和橫向蠕滑力F 合成為
FR===~／F：+F (1)
f，N[ 一 1兩FR)。+_1[＼F R)。]，
FR一1 FR≤3fN (2)
l ， FR> 3fN
式中，F(xiàn)R為合成蠕滑力；f為輪軌間摩擦系數(shù)；N為
壓力。
定義縮減因子為
一娶 (3)
R
F'y= s Fy ㈤
圜
榔
據(jù)
蠕滑率
圖3 干燥和潮濕軌面下的粘著特性曲線
Fig．3 Stickiness characteristic curves under dry and wet rail
surface conditions
運(yùn)行控制。在每個階段，如牽引加速階段，采用恒扭
矩控制、恒加速度控制等不同方式。
1．2．2 粘著的控制和利用 對沒有預(yù)先給定的運(yùn)
行控制策略，或在較不利的粘著條件下，通過檢測列
車縱向速度、車輪瞬時轉(zhuǎn)動速度、車輪滾動圓半徑及
輪軌接觸關(guān)系，可以實(shí)時計算縱向蠕滑率大小，即該
參數(shù)是可觀測的，在實(shí)際控制中可以作為控制變量。
因此，模型中采用控制縱向蠕滑率的方法來實(shí)現(xiàn)對
輪軌粘著的控制，在需要大牽引力矩時，如果此時
的輪軌間蠕滑率沒有達(dá)到粘著利用最大對應(yīng)的數(shù)
值，則可以繼續(xù)增加電機(jī)的輸出力矩。如果蠕滑率
超過粘著利用的最大值點(diǎn)，則減小電機(jī)牽引力矩的
輸出，防止出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或者打滑。
1．2．3 基于MATLAB／Simulink環(huán)境下的運(yùn)行控
制系統(tǒng) 圖4為基于MATLAB／Simulink環(huán)境下
的列車牽引運(yùn)行的機(jī)械一電機(jī)聯(lián)合仿真系統(tǒng)。使用
運(yùn)行速度控制模塊(牽引控制)、電機(jī)力矩控制模塊、
運(yùn)行距離控制模塊(制動控制)、制動系統(tǒng)仿真模塊
以及蠕滑力修正模塊，通過控制變量的輸人輸出，連
接機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
2 列車牽引和運(yùn)行仿真分析實(shí)例
地鐵1號線6節(jié)編組的列車，由于車輛采用對
稱排列，同時為節(jié)省仿真分析機(jī)時，采用拖車+動車
+動車(即T+M+M)的3節(jié)編組為牽引仿真的基
本模型。在平臺上提供了單個動車和3節(jié)編組的車
組從陜西南路一黃陂南路的牽引過程仿真結(jié)果。通
過平臺，可方便地改變線路區(qū)間，對不同線路進(jìn)行仿
真，研究在牽引過程中電機(jī)扭矩、車輛運(yùn)行加速度、
車輛運(yùn)行位置變化、輪軌作用力等不同方面的指標(biāo)。
2009年第1期 王振濱，等：城市軌道車輛牽引仿真分析研究 81
圖4 列車牽引運(yùn)行的機(jī)械一電機(jī)控制聯(lián)合仿真模型
Fig．4 The combined mechanism and motor control simulation model for the vehicle traction running
2．1 牽引仿真分析主要參數(shù)
仿真分析主要參數(shù)如下：輪對簧下質(zhì)量(每軸)
為l 312 kg；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量為2 312 kg；二系簧上
質(zhì)量(空車)為24 893 kg；二系簧上質(zhì)量(重車)為
43 803 kg；每軸箱一側(cè)的一系剛度縱向?yàn)?0
MN／m，橫向?yàn)?．5 MN／m，垂向?yàn)?．19 MN／m；一
系垂向阻尼系數(shù)為10．63 kN·s／m；每轉(zhuǎn)向架一側(cè)
的二系剛度縱向?yàn)?47 kN／m，橫向?yàn)?47 kN／m，
垂向?yàn)?94 kN／m；二系橫向阻尼系數(shù)為4O MN ·
s／m；二系垂向阻尼系數(shù)為20．59 kN·s／m；抗測滾
扭桿剛度為2．5 MN·m／rad；車輪半徑為0．42 m；
滾動圓橫向間距為1．5 1TI；車輛定距為15．7 m；轉(zhuǎn)向
架固定軸距為2．5 m。
l
∞
魯
屆
匠
t／S
(a)仿真計算結(jié)果
2．2 控制模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)對比
由于建立電機(jī)控制模型時，對電機(jī)的控制進(jìn)行
了簡化，能夠更加有利于動力學(xué)仿真計算，因此可能
會對仿真結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。為此，在相同車輛
縱向加速度和電機(jī)輸出的牽引力矩的條件下，對2
動1拖3車系統(tǒng)在空載工況下仿真與實(shí)際運(yùn)行車輛
的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，考查仿真模型的精確性。
從車體縱向加速度的數(shù)據(jù)(見圖5)可以看出，
仿真計算的結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果比較相近，較好地
模擬了加速起動過程。
2．3 牽引工況仿真結(jié)果
在空載和重載2種工況下，3車車組以恒加速
控制方式在陜西南路～黃陂南路沿實(shí)際線路進(jìn)行牽
引工況仿真分析，仿真分析的結(jié)果如圖6、7所示。
I
∞
●
暑
導(dǎo)
．匿
t|S
(b)實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果
圖5 仿真計算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果
Fig．5 Simulation and computation results and actual testing data results
82 上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報 2009年第l期
g
＼
饞
廈
I
∞
量
曩
匠
g
＼
盡
(a)縱向加速度
(c)縱向位移
(b)已運(yùn)行速度
(d)電機(jī)輸出扭矩
圖6 3車空載牽引工況仿真分析結(jié)果
Fig．6 Simulation and analysis results under no-load traction conditions of three vehicles
(a)縱向加速度
(c)縱向位移
(b)運(yùn)行速度
(d)電機(jī)輸出扭矩
圖7 3車重載牽引工況仿真分析結(jié)果
Fig． 7 Sim ulation an d analysis results under heavy load traction conditions of three vehicles
一?！蓿笠唬?嘲 言． ＼ 輯丑辭暴
一N．s．m)＼ 曩匠
一．．∞．珊一＼ 瑙
2009年第l期 王振濱，等：城市軌道車輛牽引仿真分析研究 83
2．4 區(qū)間運(yùn)行仿真結(jié)果
在空載和重載2種工況下，3車車組以恒定加
速控制方式啟動，沿陜西南路一黃陂南路實(shí)際線路
I
∞
呂
最
暹
暴
(a)縱向加速度
運(yùn)行，達(dá)到80 km／h速度后惰行，然后制動，并在車
站停車，進(jìn)行區(qū)間運(yùn)行的牽引一惰行一制動全工況
仿真分析，結(jié)果如圖8所示。
25．O
20．0
邑15．0
瑙10．0
Ih
5．0
0 1O．O 3O．O 5O．0 70．0 90．0
t／s
1．O
芒
Z 0．5
罨 。
丑
堡～0．5
車
(b)運(yùn)行速度
O lO．O 30．O 5O．0 70．0 90．0
t|S
(c)縱向位移 (d)電機(jī)輸出扭矩
圖8 3車空載牽引一情行一制動全工況仿真分析結(jié)果
Fig 8 Simulation and analys~resul~ under no-load traction，coasting motion an d braking conditions of three vehicles
3 結(jié)論
借助于軌道車輛虛擬設(shè)計和仿真平臺，根據(jù)城
市軌道列車的運(yùn)行特點(diǎn)，開發(fā)了牽引和運(yùn)行仿真模
塊，該模塊主要功能如下：
(1)牽引和運(yùn)行仿真模塊主要實(shí)現(xiàn)城軌車輛在
牽引、惰行和制動過程中的走行部機(jī)械系統(tǒng)和電機(jī)
控制系統(tǒng)的動力學(xué)性能的一體化聯(lián)合仿真，進(jìn)而研
究車輛機(jī)械系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合動力學(xué)性
能、相互作用和影響。
(2)該模塊可實(shí)現(xiàn)在不同粘著(蠕滑)條件下的
輪軌相互作用、轉(zhuǎn)向架動態(tài)載荷、車輛(列車)縱向動
力學(xué)、電機(jī)特性、牽引和運(yùn)行等功能的仿真分析。
(3)在城市軌道交通車輛虛擬設(shè)計和數(shù)字化仿
真分析平臺上實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面和可視化。
(4)以上海地鐵l號線為例，提供了相關(guān)車輛
和線路模型，并進(jìn)行牽引仿真分析，仿真結(jié)果與實(shí)際
情況相符。
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