CN108563864A - 一种基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，属于轨道车辆系统仿真领域。包括如下建模步骤：(1)建立铁路驮背运输车辆动力学模型；(2)建立道路货运车辆动力学简化模型，车体部分看作是一刚性体；(3)定义模型的三系力及确定两车主要部分的铰接形式；(4)按照步骤(3)的铰接方式完成两车铰接装配。本发明通过Simpack软件使铁路驮背运输载运系统模型直观清晰的体现出来，避免了数学建模过程中繁琐的步骤，建模效率高、准确、适用性强，有利于研究不同类型的铁路驮背运输载运系统运行状态的动力学仿真过程。

Description

一种基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法
技术领域
本发明是基于Simpack的铁路驮背运输载运系统的建模方法，属于公铁联运系统仿真技术领域。
背景技术
铁路驮背运输载运系统由道路货运车辆和铁路驮背运输车辆组成，工作形式为装载货物的道路货运车辆直接驶入铁路驮背运输车辆上，通过铁路驮背运输车辆完成长途运输。
铁路驮背运输载运系统在实车应用前需要先通过建模方法仿真分析载运情况，确定道路货运车辆和铁路驮背运输车辆两者之间的位置和动力学关系后，才能决定是否可以应用。
Simpack是一款针对机械/机电系统运动学或动力学仿真分析的多体动力学分析软件，它以多体系统计算动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。在Simpack中建立铁路驮背运输载运系统的核心问题是将已建立好的道路货运车辆模型和铁路驮背运输车辆模型如何以合理的铰接形式装配成铁路驮背运输载运系统三阶动力学模型。
目前广泛采用的方法是，分别建立道路货运车辆和铁路驮背运输车辆的二阶系统数学模型，然后通过两车模型耦合的方法，将两车系统结合成一个整体的三阶系统数学模型，而后进行数学分析。此种方法建立的铁路驮背运输载运系统的问题是不能直观的表现出车辆系统运行的状态，且当建立车辆三阶系统数学模型时公式极其繁琐，适用性较差。因此需要一种简易、科学的建模方法完成动力学仿真过程。
发明内容
本发明的目的在于基于Simpack建立一种能够简便直观的、可实现铁路驮背运输载运系统两车协同仿真的三阶系统建模方法，以解决现有建模方法的诸多不足，为铁路驮背运输载运系统性能仿真分析建立基础。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，其特征在于，主要由以下步骤构成：
(1)建立铁路驮背运输车辆动力学模型
包括有铁路驮背运输车辆的轮对、车体、转向架，其中转向架部分包括有侧架、承载鞍、摇枕；
(2)建立道路货运车辆动力学简化模型
包括有道路货运车辆的轮胎和车体两部分，其中，所述车体部分看作是一刚性体；
(3)定义模型的三系力及确定两车主要部分的铰接形式
①定义一系力作用在铁路驮背运输车辆承载鞍和侧架之间，承载鞍与侧架之间通过Simpack软件中的2号铰接形式铰接；
②定义二系力作用在铁路驮背运输车辆摇枕和侧架之间，摇枕与侧架之间通过Simpack软件中的25号铰接形式铰接；
③定义三系力作用在道路货运车辆轮胎和铁路驮背运输车辆车体之间，道路货运车辆轮胎和铁路驮背运输车辆车体之间通过Simpack软件中的0号铰接形式铰接；
(4)最后，将两车辆模型按照步骤(3)的铰接方式完成两车铰接，完成铁路驮背运输载运系统的建立。
建立铁路驮背运输车辆动力学模型时，首先在Simpack软件中建立铁路驮背运输车辆的轮对模型，定义轮对质量属性(包括轮对的实际质量和转动惯量)和车轴外形；再创建转向架模型，定义质量属性；然后将轮对模型导入转向架模型中，再将车体建立在转向架上，完成整个铁路驮背运输车辆模型的建立。
在铁路驮背运输车辆承载鞍和侧架之间建立一系力标记点，所述标记点即为铰接点，将车辆一系悬挂的实际刚度值和阻尼值输入到Simpack软件中定义完成一系力。
在铁路驮背运输车辆摇枕与侧架之间建立二系力标记点，所述标记点即为铰接点，将二系悬挂实际刚度值和阻尼值输入到Simpack软件中定义完成二系力。
在道路货运车辆轮胎和铁路驮背运输车辆车体之间建立三系力标记点，所述标记点即为铰接点，将三系悬挂实际刚度值和阻尼值输入到Simpack软件中定义完成三系力。
本发明所述的基于Simpack的铁路驮背运输车辆建模方法的优点为：
1、相比于传统的数学建模方法，Simpack软件中提供了专业的铁路车辆建模模块，通过将道路货运车辆简化建模，能够更简易的完成铁路驮背运输载运系统的建模；同时对于轨道的应用采用的是轨道谱的方式，大大减少了数学建模中大量的对于轨道描述的公式，增大了应用性并保证了准确性。
2、通过该方法建立的铁路驮背运输载运系统模型在动力学仿真过程中能够直观的表现出车辆系统在不同的路面激励条件下各个时间段的运动状态，有利于仿真数据的得出与结论总结。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明铁路驮背运输载运系统建模流程图；
图2为本发明铁路驮背运输车辆模型示意图；
图3为本发明铁路驮背运输车辆模型转向架部分的结构图；
图4为本发明道路货运车辆简化后的模型示意图；
图5为本发明所建立的铁路驮背运输载运系统模型示意图；
图6为本发明铁路驮背运输车辆模型车体顶面凹槽和轮挡示意图。
图中：1—铁路驮背运输车辆轮对；2—铁路驮背运输车辆转向架；3—铁路驮背运输车辆车体；铁路驮背运输车辆车体顶面凹槽31；铁路驮背运输车辆车体顶面轮挡32；4—铁路驮背运输车辆侧架；5—铁路驮背运输车辆承载鞍；6—铁路驮背运输车辆摇枕；7—道路货运车辆轮胎；8—道路货运车辆车体；9—铁轨。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
本发明所述基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，是在Simpack软件的轨道车辆模块的基础上，通过实际参数分别建立铁路驮背运输车辆的动力学模型和简化后的道路货运车辆的动力学模型，而后确定两车各部分铰接形式，最后将两模型装配成一个铁路驮背运输车辆整体系统的过程，如图1所示。
一种基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，主要由以下步骤组成：
(1)建立铁路驮背运输车辆动力学模型
根据厂家提供的铁路驮背运输车辆数据，建立包括轮对、车体、轨道谱、转向架(采用ZK6型，包括侧架、承载鞍、摇枕、虚车体等结构)的铁路驮背运输车辆动力学模型。所以，铁路驮背运输车辆模型基本包括有：铁路驮背运输车辆轮对1、铁路驮背运输车辆转向架2、铁路驮背运输车辆车体3等几部分，其中转向架部分包括侧架4、承载鞍5、摇枕6等，如图2和图3所示。
建模时首先在Simpack软件自带的Rail_Track模块中建立铁路驮背运输车辆的轮对模型；再创建转向架模型；然后将轮对模型导入转向架模型中；再将车体建立在转向架上，完成整个铁路驮背运输车辆的模型建立。
(2)建立道路货运车辆动力学简化模型
根据道路货运车辆的实际数据，考虑到上铁路驮背运输车辆的道路货运车辆采用的是空气悬架，当铁路驮背车辆运行时，将道路货运车辆空气弹簧内气体排出，使其成为一个不产生振动的刚体模型，此时该道路车辆模型只有轮胎模型存在振动，故只需要将车体及其余所有结构简化为一个质量块模型(若采用非空气悬架的道路货运车辆，此处则应考虑悬架系统的振动)，整车简化为只有轮胎模型和刚体模型两部分，轮胎模型根据实际参数在软件中建立，最后通过装配各部分结构建立一个带有一阶振动的，且适合动力学仿真应用的道路货运车辆动力学简化模型即可。
所以道路货运车辆模型可以简化为只有道路货运车辆轮胎7和道路货运车辆车体8两部分，如图4所示，其中道路货运车辆车体7部分是简化的看作是一个刚性体。建模时首先建立道路货运车辆轮胎模型，然后建立简化后的带有质量的车体模型，然后将轮胎装在车体上，完成整个道路货运车辆简化模型的建立。
(3)确定两车主要部分的铰接形式及定义模型的三系力
铁路驮背运输车辆运行时，载运系统中的一些构件之间会存在振动，根据力学关系可知，构件之间力的变化导致了振动的产生，以下详细的说明了三系力的存在位置及模型建立的过程。
①一系力作用在铁路驮背运输车辆承载鞍5和左右侧架4之间，承载鞍5建立在铁路驮背运输车辆轮对1的外侧，首先与侧架4之间通过Simpack软件中的2号铰接形式铰接，其次在各个承载鞍5与侧架4之间建立一系力标记点A，然后将车辆一系悬挂的真实刚度值和阻尼值输入到软件中定义完成一系力。
②二系力作用在摇枕6和左右侧架4之间，摇枕6与侧架4之间通过Simpack软件中的25号铰接形式铰接，其次在摇枕6与侧架4之间建立二系力标记点B，然后将二系悬挂实际刚度值和阻尼值输入到软件中定义完成二系力。
③三系力作用在道路货运车辆轮胎7和铁路驮背运输车辆车体3之间，如图5所示，铁路驮背运输车辆与道路货运车辆轮胎之间通过Simpack软件中的0号铰接形式铰接，其次在道路货运车辆轮胎7和铁路驮背运输车辆车体3之间建立三系力标记点C。由于道路货运车辆开上铁路驮背运输车辆时，道路货运车辆轮胎驶入铁路驮背运输车辆车体3顶面设计的铁路驮背运输车辆车体顶面凹槽31内，通过前后铁路驮背运输车辆车体顶面轮挡32固定道路货运车辆，如图6所示。故轮胎在x、y方向均不存在移动及转动现象，轮胎固定后，在z方向上也不存在转动，这就限制了其5个自由度，轮胎只存在z方向上的振动，故该系力存在于道路货运车辆轮胎4及铁路驮背运输车辆车体6上，为弹性接触，其垂向特性需要用该型号轮胎的弹性刚度曲线函数来定义。
(4)最后，将两车辆模型建好后，按照步骤(3)的铰接方式完成两车各部位的铰接，建立铁路驮背运输载运系统完整的动力学模型，如图4所示，完成铁路驮背运输载运系统的建立，整个载运系统的承载基体是铁轨9。
注：Simpack软件中各结构之间均以铰的形式连接，全文中提到的0号、2号、25号铰接形式均为软件自定义的铰的代号，具有确定性和唯一性，参数由软件系统自动设定。
通常情况下，Simpack软件采用由小而大的建模顺序，即整车模型建立在子系统的基础上，子系统需要在各模块中单独建立，因此建立子系统是建立整车系统模型的基础。这里的子系统指道路货运车辆和铁路驮背运输车辆。

Claims (5)

1.一种基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，其特征在于，主要由以下步骤构成：
(1)建立铁路驮背运输车辆动力学模型
包括有铁路驮背运输车辆的轮对、车体、转向架，其中转向架部分包括有侧架、承载鞍、摇枕；
(2)建立道路货运车辆动力学简化模型
包括有道路货运车辆的轮胎和车体两部分，其中，所述车体部分看作是一刚性体；
(3)定义模型的三系力及确定两车主要部分的铰接形式
①定义一系力作用在铁路驮背运输车辆承载鞍和侧架之间，承载鞍与侧架之间通过Simpack软件中的2号铰接形式铰接；
②定义二系力作用在铁路驮背运输车辆摇枕和侧架之间，摇枕与侧架之间通过Simpack软件中的25号铰接形式铰接；
③定义三系力作用在道路货运车辆轮胎和铁路驮背运输车辆车体之间，道路货运车辆轮胎和铁路驮背运输车辆车体之间通过Simpack软件中的0号铰接形式铰接；
(4)最后，将两车辆模型按照步骤(3)的铰接方式完成两车铰接，完成铁路驮背运输载运系统的建立。
2.根据权利要求1所述的基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，其特征在于，建立铁路驮背运输车辆动力学模型时，首先在Simpack软件中建立铁路驮背运输车辆的轮对模型，再创建转向架模型，然后将轮对模型导入转向架模型中，再将车体建立在转向架上，完成整个铁路驮背运输车辆模型的建立。
3.根据权利要求1所述的基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，其特征在于，在铁路驮背运输车辆承载鞍和侧架之间建立一系力标记点，所述标记点即为铰接点，将车辆一系悬挂的实际刚度值和阻尼值输入到Simpack软件中定义完成一系力。
4.根据权利要求1所述的基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，其特征在于，在铁路驮背运输车辆摇枕与侧架之间建立二系力标记点，所述标记点即为铰接点，将二系悬挂实际刚度值和阻尼值输入到Simpack软件中定义完成二系力。
5.根据权利要求1所述的基于Simpack的铁路驮背运输载运系统建模方法，其特征在于，在道路货运车辆轮胎和铁路驮背运输车辆车体之间建立三系力标记点，所述标记点即为铰接点，将三系悬挂实际刚度值和阻尼值输入到Simpack软件中定义完成三系力。
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