MSCADAMS在机车车辆设计中的应用实例.docx

MSCADAMS在机车车辆设计中的应用实例.docx

《MSCADAMS在机车车辆设计中的应用实例.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MSCADAMS在机车车辆设计中的应用实例.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

MSCADAMS在机车车辆设计中的应用实例

MSC.ADAMS在机车车辆设计中的应用实例

作者：

MSC.Software

牵引制动系统性能的问题

机车车辆的牵引制动性能是关系到车辆运行安全与否的一个重要因素。

机车车辆的牵引制动系统的牵引制动性能除了要考虑牵引电机、传动系统、制动系统之外，还要考虑轮轨接触的影响。

通过MSC.ADAMS/Rail可以对机车车辆的牵引制动性能进行精确的仿真。

利用ADAMS/Rail的模板建模方式可以很方便的建立牵引制动系统的模板，然后建立牵引制动子系统，再与转向架和车体等其它子系统组装成整车模型。

在ADAMS/Rail中可以定义轮轨之间非线性的摩擦特性，随着蠕滑率的变化而变化的摩擦系数是进行牵引或制动性能分析至关重要的特性。

同时，还可以定义随着轨道长度方向变化的摩擦系数，这样可以分析钢轨表面干燥/潮湿的影响。

下面是这方面的应用实例。

实例1：

VoithTurbo是德国铁道车辆传动系统的一级供应商，主要开发、制造并组装机械、液压及电动系统。

他们提供铁道动车的驱动系统，可使机械系统运转更有效，使车辆运营速度更高，更舒适，并节省能源，减少噪音。

（摘自：

）

VoithTurbo公司的分析部门需要研究驱动系统和动车系统之间在牵引或制动时的相互耦合作用，如在牵引／制动时的轴系的谐振问题。

ADAMS/Rail、ADAMS/Flex、ADAMS/Exchange使得VoithTurbo实现了在其产品开发流程内虚拟产品开发的技术。

ADAMS/Rail的模版建模方式使得VoithTurbo能够将其建立的驱动系统模型与其他的供应商提供的车辆模型（包括转向架和车身子系统）联合起来建立一个包含驱动系统的整车模型，非常容易测试配置不同驱动系统的车辆的动力学性能。

其意义在于可以对驱动系统的谐振和稳定性进行研究，并进行优化，以使驱动系统的悬挂装置所受的冲击加速度不超过许可的范围。

上图所示为考虑传动系统的整车模型在通过湿滑轨面启动时牵引电机的输出扭矩随着仿真时间的变化过程，通过仿真发现了由于轨面的湿滑而导致输出扭矩的振动现象，这一现象是由于机车经过湿滑轨面时产生了打滑现象，引起了传动系统的扭振，所以电机的输出扭矩出现了上下的波动。

上面三个图所示为考虑电机的悬挂装置的机车在与其它车辆或固定物发生碰撞时电机的悬挂装置的振动冲击情况的虚拟试验过程，目的是研究由于碰撞冲击引起的发动机悬挂装置的最大加速度。

在该模型中牵引电机体悬，悬挂部件通过ADAMS/Flex将有限元的模态分析结果读入ADAMS/Rail，从而可以考虑悬挂结构柔性的影响，使仿真结果更接近实际情况。

实例2：

庞巴迪运输公司在运输行业处于领先地位，其产品包括长短途的机车、客车及货车，2002年收购Adtranz是一项重要的战略，奠定了庞巴迪成为铁路车辆运输及服务方面在全球设计、制造及销售方面的世界领先地位。

通过合并重组，庞巴迪公司可以为用户提供创造性的解决方案以满足用户的各种需求（摘自：

）

一台电力机车可以看作是包含电力系统、机械系统和控制系统的复杂系统。

为开发一个新的车型，需要各方面专家团队共同合作。

电能需要转化为机械能，电力驱动系统需要满足机械部分空间的要求，这一部分被称作传动系，包括：

电机转换器控制部分、异步电机、机械驱动系统（特指齿轮箱）、轮轨接触等。

庞巴迪运输公司的苏伊士分部负责开发制造机车转向架驱动系统，在实践中逐步认识到驱动系统是一个整体，单纯改变其中某一个部分而不考虑其他部分是不行的。

正因为如此，庞巴迪运输公司的苏伊士分部采用了将各个仿真软件的功能结合起来的方式，结果是使用不同的工具联合仿真来综合考虑整个系统的影响。

因此，选择了ADAMS/Rail与MATLAB/Simulink的联合仿真功能。

为了使分析过程标准化，在ADAMS/Rail的建模模板中建立了一系列的转向架及驱动系统的模板，这样可以方便的组装成各种不同的结构型式，其中包括：

构架、轴箱、发动机以及传动系，分别按照刚性或柔性来考虑。

利用MATLAB/Simulink建立控制系统的模型。

通过这种方式，可以考虑转向架及传动系统与控制系统之间的相互耦合作用，在满足牵引性能前提下修改悬挂参数以优化整个系统的性能。

采用这种方式，能够在很短的时间内就完成多个工程项目的分析，满足客户的要求。

“Commissioningoftractioncontrolcouldbefinishedinashorttimewithverygoodresultstothesatisfactionofourcustomer,eventhoughtheconditionswereverydifficult.”牵引系统工程部的PeterHaese说。

（摘自：

“ImprovingthedesignoflocomotivebogiesanddrivesusingADAMS”–presentedbyP.Haese,BombardierTransportation,atMDIEuropeanUsersConference,Berchtesgaden,Germany,15-Nov-01）

转向架的某阶振动模态，其中包含考虑柔性的构架、电机、传动系等

实例3：

Trenitalia是意大利铁路运营商，其官方网站是：

www.trenitalia.it。

UTMR（车辆技术部门）是Trenitalia组织的下属部门，要求在现有铁路车辆上安装一种防滑设备以便试验，对这种防滑设备在各种典型的制动工况下的性能比较感兴趣（类似于汽车上的ABS），并且进行了很多试验得到了大量相关的试验数据。

UTMR与佛罗伦萨大学合作，利用ADAMS/Rail建立了包括这种防滑设备的转向架的细化模型，该模型利用了ADAMS/Controls与MATLAB/simulink联合仿真的功能，并采用了非线性的粘/滑特性曲线以精确模拟轮轨之间在制动时的接触情况。

结果表明：

仿真的数据是精确的，并且再现了实际试验中所表现的情况，即在制动过程中，由于施加了制动力矩，车轮会出现滑动现象，车轮的切线速度小于所需要的速度（兰色线）。

当车轮的线速度低于预先定义的临界速度时，防滑设备开始工作，降低制动力矩，结果使车轮的线速度加大，再增加制动力矩以降低车速。

利用此模型可以优化防滑设备中有关的参数设置。

“Theproposedmodelhasabehaviourqualitativelyandquantitativelyanalogoustotheonlinetests.”UTMRTrenitalia的经理P.Presciani说。

（摘自：

“RailwayWagonModelwithAntislipBrakingSystem”–presentedbyGuidoVolterrani,UniversityofFlorence,at16thADAMSEuropeanUsersConference）

上面三个图所示分别为Trenitalia试验用的盘式制动系统、MATLAB/Simulink控制系统框图和仿真过程中开始制动时车列以及前后四个轮对上的速度随时间变化曲线。

走行稳定性能和曲线、道岔通过性能的问题

随着列车运行速度的不断加快，对机车车辆的走行稳定性和曲线、道岔通过性能的要求也越来越高。

机车车辆在铁道线路上运行，机车车辆是由若干零部件所组成的复杂的动力学系统，具有惯性、弹性、阻尼等许多动力学特性，而铁道线路上也存在各种不平顺的因素，如垂向不平顺、横向不平顺、轨距不平顺等等。

因此需要分析机车车辆各种不同的悬挂参数以及车轮不同踏面形状对走行稳定性能的影响。

通过ADAMS/Rail可以对车辆的走行稳定性能和曲线通过性能进行分析。

ADAMS/Rail中提供进行车辆稳定性分析的专用工具，你可以直接指定车轮踏面的等效锥度，即可以得到相应的临界速度，如果你给定车轮踏面等效锥度的变化范围，ADAMS/Rail还可以给出车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线，使用起来非常方便。

同时利用ADAMS/Rail中提供的动力学分析工具可以定义各种不同的曲线、道岔线路以及轮轨接触特性，分析车辆的曲线、道岔通过性能。

上图所示为车辆的临界速度与车轮踏面等效锥度的关系曲线的例子

下面是应用ADAMS/Rail进行车辆走行稳定性能和曲线、道岔通过性能分析的实例。

实例1：

SKODAHOLDINGa.s.是一家由SKODAPLZEN相关的产品生产派生出来的新公司。

SKODAHOLDING主要的股东目前是SKODAa.s.,它管理着SKODA部分资产，公司净资产大约为35亿CZK，SKODAHOLDINGa.s.及其子公司拥有7300名雇员。

Skoda机车需要对不同的机车转向架的设计型式进行评估。

特别是，他们需要评估以不同的方式悬置电机及齿轮传动箱对机车稳定性能及舒适性能的影响。

SKODAHOLDINGa.s.分析了两种不同的牵引电机体悬挂方式的影响，一种是牵引电机及传动系统全部采用体悬的方式，另一种是牵引电机体悬，而齿轮箱一边悬置在车体上，另一边悬置在构架上。

使用ADAMS/Rail建立了不同驱动系统不同悬挂方式转向架的细化模型并进行了各种工况下机车的稳定性和舒适性的分析计算，结果用于选择最为经济有效的方案。

“Thankstosimulationithasbeenpossibletochoosethemostcost-effectivedesignforthelocomotivebogies,byevaluatingthebehaviorofalldifferentvariants.”Skoda机车的VaclavKraus说。

（摘自：

“DynamicAnalysisofHigh-SpeedElectricLocomotive”–presentedbyVaklavKraus,SkodaLocomotive,at16thADAMSEuropeanUsersConference）

上面图片所示分别为：

Skoda的转向架总装图及车身上垂向加速度在不同的悬挂方式下随时间的变化曲线。

实例2：

Talgo车辆和设备公司经过多年国际化的扩张已经发展成为一个大的跨国公司，公司目前主要致力于开发满足不同国家铁道行业标准的Talgo产品和维修服务方面的技术革新，现在主要使用自己原有的技术进行车辆和铁道设备的设计、制造和维护上，并且为满足ISO9000标准而努力。

目前Talgo集团公司分布在西班牙、德国、美国和芬兰，并在其它国家和地区建有广泛的代表处和机构网络。

（）

在Talgo公司，MSC.ADAMS/Rail作为VPD技术工具贯穿在所有的产品开发的各个设计阶段。

Talgo公司更为关心其产品的动力学性能，其制造的产品是一种自适应的摆式车身的高速车辆，其中包含复杂的转向架的设计（包括独立轮对技术、转向架上部的空气弹簧悬挂等）。

利用MSC.ADAMS/Rail，Talgo公司完成了四节车厢编组的完整车列模型的仿真，通过ADAMS的各种分析功能对整车的模态、振型、稳定性、舒适性、脱轨安全性以及轮轨力的大小进行了分析。

在Talgo，使用VPD技术的意义可以用客户的话来说明，“仿真减少了设计的费用，是表明我们技术实力的核心工具，并能有效的保证我们产品的竞争力。

使用这一工具，可以很方便的处理设计中的问题，如舒适性及脱轨安全性等。

另外，仿真可以让工程师和试验人员完成一些根本无法做的试验，或者可以更为更为经济有效的虚拟试验方式（这种方式无需更多的测试通道，相比传统的试验方式来说更方便也更经济）”Talgo公司走行部经理EmilioGarcia说。

（摘自：

“SIMULACIONESPARAELESTUDIODELCOMPORTAMIENTODINÁMICODELTRENTALGODEALTAVELOCIDAD”,Talgointernalpresentation）

上图为Talgo公司的转向架及摆式车身的实物照片

上图为ADAMS/Rail中Talgo的车进行曲线通过分析的动画，右侧曲线图为车身等通过曲线时摆动的角度随时间变化的曲线。

上图为Talgo机车在通过不平顺的曲线轨道上时轮轨接触力的变化情况

实例3：

ALSTOM是欧洲一家铁道行业的公司，年销售额超过220亿欧元，在全球70个国家设有分支机构和办事处，雇员超过120,000。

在铁路行业产品供应商中，ALSTOM公司是仅次于庞巴迪的铁路车辆制造商，提供铁道全线产品及服务，从集成的运输系统、各种类型的车辆到信号控制系统，以满足客户的需求。

（www.A）

在意大利都灵市城市轨道车交通系统的设计阶段，考虑到车辆乘坐的舒适性，车辆采用了较低的地板设计及独立轮对的自适应转向架技术，AlstomFerroviaria决定采用VPD技术进行整车系统的动力学性能分析，以优化曲线通过性能、脱轨和倾覆安全性能。

此分析的一个主要目标是要得到的精确的车轮的踏面外形，使得整车性能同时满足安全性和舒适性的要求。

分析车辆的动力学性能，考虑不同的车轮踏面形状，优化轮轨接触关系，目的是要减少轮轨的磨耗，降低该运输系统的维护费用，同时还要保证很高的安全性。

由于有较低的地板和较高的重心位置，脱轨和倾覆问题成了考虑的重点。

经过ADAMS/Rail软件的初步分析，发现轮轨的踏面形状应该加以考虑。

事实上，经过分析表明：

采用优化的没有过急轮缘的踏面外形可以将这种影响降至最低。

ALSTOM的车辆现在解决了脱轨、倾覆等安全方面的问题后，曲线通过性能突出出来了，还要考虑转向时轮对的磨耗问题。

下一步需要考虑的同样重要，就是要优化车辆的配置，需要考虑运营网络的特性（如线路等级、不平顺、曲线特性等），需要对车辆的重量、弹簧/阻尼等悬挂设备进行协调以满足整个产品寿命周期成本的要求。

“Thesimulationproducedresultsinagreementwithallserviceconditionsandtheoveralldynamicbehavior.Derailmentandrolloverstabilitymeasurementshavebeenmatchedwithamaximumerrorof3%.”AlstomIPS公司研发部经理MassimoLenti说。

（摘自：

“Analysisofanindependentwheelstramvehicle”–M.Lenti,AlstomIPS,at16thEuropeanMDIUsersConference,15-Nov-01）

上图为使用ADAMS/Rail对Alstom公司的车辆曲线通过的情况

上图为Alstom公司为意大利都灵市设计的城市轨道交通系统用车辆的外形，右图为车辆曲线通过时车身所受到的侧向力及倾覆力矩的示意图。

实例4：

GE公司是铁道行业北美最大的制造商。

目前，几千台GE的机车在超过75个国家的铁路上服务。

其产品线包括：

柴油机车，交流/直流传动或交流/交流传动的电力机车。

（）

GE运输部门采用最新的技术和工具，用于机车的开发和设计，以满足客户对质量各种苛刻的需求。

主要应用的方面有：

新车的设计及可行性分析；径向转向架机车转向机构和零部件的分析。

性能优化包括：

稳定性和曲线通过性能；走行性能分析及改进；振动噪音分析；牵引制动动力学及粘着性能分析；部件设计的运动学及动力学分析；机车设计更改后性能预测；可靠性及安全性分析仿真。

在GE运输部门，需要研究采用不同的轮间距情况下机车的性能。

这一需求来源于GE公司的机车要在不同的国家的铁轨上运行，而各个国家的铁道标准个不相同，其轨道的轨距是不同的，因此需要采用不同的轮距以适应这一要求。

轨距影响机车运行的稳定性和曲线通过性能，因此使用ADAMS/Rail的仿真技术来校核轨距的改变仍然可以保证机车可以达到180km/h的运营速度，不管是在直线上还是在曲线上，也不管是否有轨道不平顺。

通过ADAMS/Rail的仿真可以在进行实际的物理样机试制及进行各种物理试验之前进行验证。

在GE，ADAMS/Rail是进行机车动力学建模和分析的工具。

在过去的几年内所进行的项目中，ADAMS/Rail的应用使GE的产品开发有以下几个特点：

快速性---缩短设计周期；

鲁棒性---更多设计工况；帮助从系统的角度理解机车的性能；

创新性---节省时间和费用，增加客户的满意程度。

“WehavedonealotofwonderfulworkusingADAMS.”控制和附件系统的JingjunZhang说。

上图为GE所生产的机车

上图为GE公司使用ADAMS/Rail对机车进行的仿真

乘坐舒适性能问题

随着市场竞争的深入，旅客在选择交通工具时，除了考虑价格、时间、方便与否等因素之外，还有一个重要因素，就是舒适性能。

列车行驶过程中，来自于线路上的不平顺引起车厢的振动；车厢振动、空气流动、空调通风等引起噪音；还有车厢内温度、湿度等生活环境都是评价乘坐舒适性能要考虑的因素。

通过优化悬挂参数，采用各种主动、半主动有源悬挂，可以明显的改善整车的振动性能；而通过在驾驶室、车厢的壁板、底板、车顶等上加装隔音/吸音材料，可以改善车厢内的噪音品质；另外通过分析车厢内温度场的分布情况，来研究热源的布置及温度的设置等等。

使用ADAMS/Rail结合ADAMS/Flex、ADAMS/Controls等模块，可以进行车辆振动性能的分析；使用MSCActran软件可以进行噪音方面的分析；而MSCCFDesign软件可以进行温度场、流场等方面的分析。

车辆的乘坐舒适性能分析是一种综合性的分析过程，因为车厢的振动噪音不仅仅来源于轮轨的接触冲击，还有空调通风系统、室外噪音等，由此需要考虑整车的动力学性能之外，还要考虑车体的柔性、车厢内饰板等的影响。

下图为进行车辆振动噪音性能分析的流程图。

在此流程中，如果要考虑车体或构架的柔性影响，需要使用MSCPatran和MSCNastran进行车体或构架的网格划分和模态分析，然后通过ADAMS的Flex模块读入ADAMS/Rail，进行整车系统的动力学分析，然后利用MSCActran进行车厢内噪音的分析，这些过程是环环相扣的，即前面的结果是后续过程的输入条件。

下面具体介绍几个这方面的应用实例。

实例1：

RTU（曼彻斯特城市大学的工程技术系的铁路技术部门）主要承担铁路上相关业务的研究和咨询的任务。

（）

RTU要对英国的某典型货车的走行性能进行仿真。

在英国铁路上运行的所有货车必须通过标准为RGS（铁道组织标准）GM/RT2141的试验才能在路网上运营。

评判标准是依据在指定线路上运行时货车车身上的加速度情况确定的。

RTU使用ADAMS/Rail建立了该典型车辆的动力学模型，其中包括摩擦单元，并预先在ADAMS/Rail中准备特定的仿真轨道线路，该线路的相关数据是由轨检车记录下来并作为仿真模型分析的输入。

利用ADAMS/Rail的分析功能，分析在按照不同的速度下通过在指定线路上车身上测试点加速度的情况，并利用ADAMS/Rail的后处理模块自动进行加速度循环周期情况的累计。

“WithADAMS/Rail,theeffectsofmodificationstothevehiclecanbeevaluatedbeforetheactualtestprocedureiscarriedout.”曼彻斯特城市大学的RTU的YannBezin说。

（摘自：

“SimulationoftheUKfreightvehicleacceptanceprocedure”–YannBezin,RTU-MMU,ADAMS/RailNewsletter#6.）

上图所示为RTU所建立的ADAMS/Rail模型

上图所示为各种不同通过速度情况下加速度的循环周期累计曲线。

曲线中横坐标为车身上的加速度值（单位：

g），纵坐标为加速度分布情况，红色线为可以接受的曲线，其它颜色线为不同通过速度情况下加速度的循环周期累计曲线，由此可见只有50km/h和65km/h两种情况可以接受，而80km/h和95km/h两种情况超标。

实例2：

ISOCOMP是一家意大利的公司，其业务是为高速铁道运输行业提供的高性能设备的设计、制造及产品支持中具有独创性的解决方案，包括机械、液压方面的技术。

其战略目标是在工程项目管理、系统集成、装配和测试及相关方面取得行业领导地位。

（www.isocomp.it）

ISOCOMP公司的工程部需要分析要装车的某种横向主动悬挂装置与其客户的车辆的匹配情况如何。

这种横向主动悬挂装置是电动控制的，可以根据车辆性能的要求以及设备反馈给司机的信号调整横向悬挂的阻尼性能，目的是在车身和转向架之间相对运动的相反方向提供横向力，其大小是其相对运动速度的函数。

要求ALS（横向主动悬挂装置）能够改变横向力/速度的关系以保证高速车在整个速度范围内都具有很好的走行性能。

利用MSC公司ADAMS/Rail和ADAMS/controls模块建立包含控制系统在内的车辆动力学模型。

分析结果表明：

能够仿真ALS对车辆的舒适性能的影响，通过优化达到以下目标：

•提高舒适性（30-50%，与轨道和车辆有关）

•减少车身上的横向加速度

•可以向客户演示使用的好处。

（摘自：

“ComfortandSafetyinRailwayEngineering:

CardanshaftDrivelineredesignforRailwayVehicles（ApplicationofCompositematerials）,ActiveLateralSuspensionforHighSpeed.RailwayVehicles（DevelopmentofControlledDevices）,IntegrateddeviceforHighSpeedRailwayVehicles（DevelopmentofAntiderailmentandMonitoringdevice）”,MassimoLenti,TechnicalDirector,ISOCOMP,Italy:

EMEAVPD2004conference）

上面三个图片所示分别为：

ISOCOMP试验用的转向架模型（包含转向架和横向主动悬挂装置）、ASL装置实物验证试验及MATLAB/Simulink下建立的控制系统框图

实例3：

ALSTOM是欧洲一家铁道行业的公司，年销售额超过