轮式装备铁路冲击试验仿真研究

1 引言

目前，轮式装备在我军还占有相当大的比重，铁路运输是轮式装备长距离机动的主要途径。军用轮式装备在进行铁路运输时，由于列车在运行中的启动、加速、制动，货车在编组场上进行编组作业，以及在意外事故中车辆或列车间的正面冲突等，都会对车辆产生纵向冲击作用。除了事故冲突外，在正常的情况下，以列车运行时的突然起动，列车低速运行时的紧急制动和车辆编组作业时产生的冲击最为严重，车辆间的最大冲击力一般发生在调车溜放冲击工况下。因此，能否满足铁路输送过程中的冲击要求是确定轮式装备捆绑加固方案是否可靠的重要依据。现场冲击试验是检验轮式装备捆绑加固方案可靠性最直接、最准确的方法。但是由于现场冲击试验组织比较繁琐，耗资巨大，持续时间较长。所以，在制定装备的捆绑加固方案时，不可能对每一件装备都进行现场冲击试验，这就会出现制定出来的某些装备的捆绑加固方案不是最优方案的可能，甚至有可能导致运输过程中的事故发生。本文应用SIMPACK 对军用轮式装备铁路运输冲击试验进行仿真，从而得出冲击工况下装备和列车的位移、速度、加速度。并对结果进行分析，确定了捆绑加固方案的可行性，为制定装备的捆绑加固方案提供依据。

2 建模仿真过程

在现场冲击试验中，为了方便测试，将被测试的轮式装备装在被冲击车上。主要采用一辆冲击车对一辆被冲击车进行冲击的试验方案，即一辆车对一辆车的冲击。冲击速度一般为3km/h～7km/h。

本文的真实系统为：用满载60t 的敞车（敞车自重14 吨），撞击按某一捆绑加固方案装载在平车上的某军用轮式装备。

捆绑加固的方案是：用8 股镀锌铁线或 84 式紧固器按照前轮之前、后轮之后或者前轮之后、后轮之前的呈斜八字原则进行捆绑加固。用四块三角挡分别置于前面两个轮子之前和后面两个轮子之后。捆绑铁线的抗拉强度不小于17200N。三角挡尺寸为长度 300 毫米，底宽250 毫米，高度不小于150 毫米。装载加固后如下图所示：

构建模型的立体视图下图所示。

三角挡固定在平车上，可提供强大的阻力，防止装备在x 轴方向的平动；通过弹簧力的牵拉作用防止车轮的α 向的转动，从而模拟实际的加固要求，防止装备的质心移动。在模型的构建过程中，对模型进行了适当的简化，软件中自定义的铰和约束力需要设置部分参数，对仿真试验有一定的影响。

C60 型敞车供装运钢材、木材、煤炭、砂石、机械设备及其它不怕雨雪侵袭的散装或包装货物之用。车体采用普通碳素钢，全车为钢架木棒结构，由底架、侧墙、端墙、侧开门、下侧门组成。底架为全钢电焊结构，结构特点为单中梁；采用一根 450 × 150×11.5 工字钢作为中梁，牵引梁部分为两根 300×90×10 的槽钢；侧墙钢结构为桁架式。

依据C60 敞车技术参数和图6 平车模型多体系统拓扑图，构建C60 型敞车模型作为冲击车辆，模型构建过程同平车模型的过程相似。设定其装载后质量为74t，三维视图如图9 所示。

至此，模型构建完毕，下一步工作是对模型进行驱动，产生实验环境设定的冲击效果，观察测量试验数据，整理数据，分析得出实验结果。

3 仿真结果分析

按照冲击试验设定的试验环境，对构建的装备装载模型进行调车作业冲击动力学仿真分析。冲击速度从3km/h 至7km/h，步长以1km/h 递增的顺序依次仿真5 次，试验数据指标的曲线如下图 所示（以冲击速度为5km/h 时的装备质心纵向位移为例），五组仿真数据峰值如表1 所示。

仿真试验得出的曲线图和数据为冲击过程的曲线和峰值数据。冲击瞬间被冲击车具有很小的速度，其中0～2.0s为从静止状态到缓慢行驶状态过渡的曲线，有相应的冲击响应。应用曲线拟合最小二乘法对仿真结果各组数据进行线性回归分析，求出问题的最小二乘解S∗(x)（或称 f (x)的离散形式的最佳平方逼近函数），进而可求解区间内任意速度下的函数值。取冲击速度为横坐标，测量指标为纵坐标，可求解到各组数据最小二乘解。

根据以上仿真结果对冲击速度为5.0km/h 进行分析。

(1) 装备质心纵向位移在冲击速度为5.0km/h 时的峰值为1.78cm，S*(x) =1.754 cm。横向位移与纵向位移相比可以忽略不计（在各次仿真中峰值均低于0.1cm），这在实际运输过程中是可以接受的，不会对装备安全性造成影响。

(2) 装备质心纵向加速度峰值在冲击速度为5.0km/h 时的加速度峰值为 14.97m/s2，S*(x) =17.086m/s2比平车的加速度峰值小。因为冲击的能量在传递到车辆质心的过程中被弹性元件的阻尼衰减。

(3) 牵拉绳动应力峰值在冲击速度为5.0km/h 时的峰值为 9.65E+03N，S*(x) =12396 N。根据相关规定：8 号镀锌铁线单根破断拉力为4300N，许用拉力取其50%为2150N[6]。

8 股铁线拼齐缠绕使用时许用最大抗拉强度为17200N，在考虑股间摩擦时抗拉强度应大于17200 N，由此可见，牵拉绳动应力峰值与抗拉强度之间仍然存在安全空间。

(4) 三角挡法向压力在冲击速度为5.0km/h 时的峰值为9.91E+03 N，S*(x) =14434 N，与铁线拉力接近，在冲击过程中与铁线共同分担冲击导致装备加速度变化产生的力。

由以上结果分析可知：此捆绑加固方案是可行的，牵拉绳动应力峰值与抗拉强度之间仍然存在安全空间，是下一步优化装载加固方案的突破口。

4 结论

(1) SIMPACK 软件是诸多多体系统动力学分析软件中的佼佼者，通过对军用轮式装备铁路运输冲击试验的模拟与仿真，可以很快计算出所需要的各种数据，为验证军事装备的捆绑加固方案提供一定的依据。

(2) 该软件还可以用于捆绑加固器材进行功能性仿真试验，检验捆绑加固器材是否达到规定的技术要求，以指导捆绑加固器材的改进与发展。

(3) 随着仿真技术的不断发展，人们对仿真精确度的要求也越来越高。仿真系统的最终结果与实际情况相符程度，将直接影响到基于仿真结果所进行的一系列应用或决策过程。所以如何提高模拟仿真的精确度，是我们下一步的工作重心。

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