■ 蔡軍爽 杜健 宋顯剛

0 引言

機車車輛幾何曲線通過計算是一種常見的計算，主要校核車輛連掛通過曲線時車體端墻之間或司機室前罩之間最小距離及車鉤的擺角。設(shè)計之初進行曲線通過計算可以有效校核運動部件及其周邊設(shè)備的布置合理性，避免干涉。進行小曲線通過計算，傳統(tǒng)算法一般是通過幾何關(guān)系進行CAD制圖，每種路況（直線加曲線、曲線、反曲線等）都需單獨進行制圖校核。與傳統(tǒng)的計算方法相比，基于CATIA軟件中的DMU運動機構(gòu)模塊進行列車過小曲線的運動仿真，可真實且一次性反映出列車實際通過小曲線所有路況時的運動狀態(tài)，其校核方法更加方便、形象、準確[1]。

1 傳統(tǒng)的幾何繪圖計算方法

以某車輛為例，其車輛參數(shù)見表1。選取其中一種路況，即兩車輛均在R180 m的曲線上，且不考慮車鉤壓縮、車輛相對于轉(zhuǎn)向架的偏移等特殊情況。校核此時列車通過曲線時，兩輛中間車車鉤及車體之間的運動相對關(guān)系。

首先，利用傳統(tǒng)的幾何繪圖計算方法進行校核（見圖1）。先畫一個R180 000 mm的圓弧來表示鐵軌之間的中心弧線。在圓弧上的任意位置作為圓心，以R17 500 mm畫圓，通過此圓畫一直線17 500 mm，直線兩端均在R180 000 mm上，表示兩枕梁中心（轉(zhuǎn)向架中心）均落在鋼軌中心線上。在此17 500 mm直線的兩端各以2 830 mm為半徑畫圓，尋找車鉤轉(zhuǎn)動中心。延長17 500 mm直線至R2 830 mm圓弧上后，刪除R2 830 mm圓弧。再在R180 000 mm圓弧上任意作17 500 mm直線，以相同方式找到R2 830 mm上的延長線的點。以這3個延長線的點為“三點畫圓”，生成的圓上任意一點均是“車鉤轉(zhuǎn)動中心的位置”。以車鉤轉(zhuǎn)動中心為圓心以1 840 mm（2×920=1 840）為半徑畫圓。此圓與車鉤轉(zhuǎn)動中心圓弧相交的點便是另一輛車的車鉤轉(zhuǎn)動中心點。連接此兩車鉤轉(zhuǎn)動中心點為一直線。車輛縱向中心線與此直線的夾角為車鉤擺角。

表1 車輛參數(shù)

圖1 幾何圖形法進行列車通過R180m曲線校核

經(jīng)過此方法得到，當兩車輛完全在R180 m曲線上時，車鉤橫向擺角為4°，兩車體端墻間的最小距離為268 mm。

2 DMU功能驗證

DMU是數(shù)字樣機（Digital Mock-Up）的簡稱，采用DMU技術(shù)，在計算機中建立完整的產(chǎn)品數(shù)字樣車，對產(chǎn)品進行計算機模擬裝配、模擬試驗、模擬維修，組成數(shù)字樣機的每個部件都具有實物的尺寸及公差、裝配、材料等特性，用以驗證產(chǎn)品設(shè)計、運動校核、部件拆裝維護等。

數(shù)字樣機技術(shù)使人們在工程決策和過程決策的協(xié)同工作時，能夠?qū)θ魏螐碗s的模型進行內(nèi)部觀察、周游、檢查和模擬。CATIA軟件中的DMU模塊主要是通過調(diào)用大量已有的多個種類的運動副或通過自動轉(zhuǎn)換機械裝配約束條件而產(chǎn)生的運動副，對任何規(guī)模的電子樣機進行運動機構(gòu)定義。通過運動干涉檢驗和校核最小間隙來進行機構(gòu)運動分析。利用DMU模塊實現(xiàn)列車在小曲線上的運動仿真，可以真實反映車鉤的運動狀態(tài)，幫助工程師減少開發(fā)成本，提高效率[2]。

3 驗證過程

3.1 CATIA建模

在CATIA軟件中建立一個產(chǎn)品，包括車輛、車鉤及鋼軌路基等零件。鋼軌路基設(shè)置成一條囊括直線段、R180 m的曲線段及反曲線路段的曲線，這樣運動仿真一次就可以模擬出所有路況下車輛的運動狀態(tài)，省去了基于幾何計算方法下一個路況一次計算的麻煩。車輛及車鉤根據(jù)表1所列的車輛參數(shù)進行建模，車輛過曲線模型見圖2。

圖2 基于CATIA軟件的車輛過曲線模型

3.2 設(shè)置運動關(guān)系副

首先，利用DMU運動機構(gòu)模塊設(shè)置一個機械裝置，在此機械裝置下添加接合關(guān)系、固定零件及驅(qū)動命令等。車輛在沿軌道運行時，理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向架的中心銷始終在兩軌中心線的軌跡上，也就是車體的枕梁中心點始終處于軌道中心線上。因此，添加“點曲線接合”命令，將每一車輛的枕梁中心點均設(shè)置沿著R180 m的小曲線半徑軌跡運行（見圖3）。車鉤與車體連接采用“旋轉(zhuǎn)結(jié)合”命令，設(shè)置成車鉤繞車鉤轉(zhuǎn)動中心軸旋轉(zhuǎn)運動。最后，設(shè)置固定零件為“鋼軌路基”。

3.3 機構(gòu)的運動模擬及瞬時值實時監(jiān)測

設(shè)置完運動關(guān)系副，命令以枕梁中心點沿曲線驅(qū)動，當自由度顯示為“0”時，機械裝置就可以進行運動模擬（見圖4）。在整個運動仿真的過程中，可打開“傳感器”中的“瞬間值”進行實時觀察車鉤擺角及車體間的最小距離。并可以調(diào)整步驟數(shù)來調(diào)節(jié)列車在小曲線上運行的速度，便于更好地觀測車鉤擺角及車間距離的變化（見圖5）。

3.4 對應(yīng)關(guān)系的圖表表達

圖3 設(shè)置接合關(guān)系

圖4 機構(gòu)的運動模擬

圖5 車鉤擺角及車間最小距離實 時監(jiān)測

圖6 車體間最小距離、車鉤擺角與小曲線軌跡的對應(yīng)

整個運動仿真結(jié)束后，可以輸出整個曲線軌跡上任一點的車體間最小距離及車鉤擺角的圖表（見圖6），上半部分為車體間最小距離的曲線，中間部分為軌道曲線，下半部分為車鉤擺角曲線。從圖表中可以直觀地看出，當車輛處于直線段時，車輛間的距離就是兩個伸出的車鉤的長度，即車端間距500 mm。當車輛經(jīng)過線路從直線段過渡到R180 m的圓弧段時，車輛間距從500 mm逐漸變?yōu)?68 mm。兩車輛完全在圓弧上時，此時車輛間的距離也是恒定最小的，即268 mm。車輛進入反曲線時，兩車間最小距離由268 mm變?yōu)?60 mm，完全進入下一個R180 m的圓弧后，最小距離恒定為268 mm。

再看車鉤擺角，從圖6中可以明顯看到，當兩車輛處于直線段時，車鉤擺角為0°。當車輛處于反曲線時車鉤擺角最大，為10.7°。當車輛完全進入到R180 m的圓弧后，其車鉤擺角恒定保持在4°。

可見，當車體處于R180 m的曲線上時，其車體間最小距離268 mm及車鉤擺角4°都與幾何畫圖方法計算得到的結(jié)果吻合，也互相驗證2種方法的準確、可靠，但利用運動仿真輸出圖表的方式更加直觀。當驗證得到車鉤的最大擺角及車體間的最小距離后，一方面驗證車鉤的最大擺角是否超出其極限范圍，另一方面可以指導設(shè)計進行車鉤周邊及車體端墻上設(shè)備的布置。

4 結(jié)束語

基于CATIA軟件的列車過小曲線運動仿真校核方法，不僅直觀、準確可靠，更重要的是方便。如果利用傳統(tǒng)的幾何圖形法，直線曲線段、曲線段及反曲段就要分不同的路況分別進行繪圖。而DMU運動仿真方法只需將這些路況在一條軌跡線上表達出即可。在此方法的基礎(chǔ)上，還可進行以下的擴展應(yīng)用。

（1）高速動車組頭部關(guān)系比較復雜，包括車鉤、開閉機構(gòu)、頭罩及一些制動管路。進行詳細的三維建模后，進行頭車聯(lián)掛后運動仿真，可以真實地反映實車連掛運行的狀態(tài)，找到運動干涉點，然后進行改進。

（2）參數(shù)化設(shè)置，如將枕梁中心距車鉤轉(zhuǎn)動中心的距離、車鉤轉(zhuǎn)動中心距車鉤面的距離等設(shè)置成參數(shù)，甚至將路基軌跡設(shè)置成參數(shù)化。這樣，驗證不同車型在不同軌跡上運行的關(guān)系時，只需更改下參數(shù)即可。

（3）考慮車鉤壓縮量，車體相對于轉(zhuǎn)向架的橫向偏移量對運動仿真結(jié)果的影響。將這些變量進行參數(shù)化設(shè)置，將更加逼真地進行運動仿真的校核。

（4）進行列車過豎曲線校核，同時考慮轉(zhuǎn)向架輪緣磨損及空氣彈簧失氣工況下的車鉤上下擺動量，與車鉤的橫向擺動量形成一個包絡(luò)體，此區(qū)域內(nèi)禁止有其他設(shè)備。

[1] 羅仁，干峰，騰萬秀，等. 連掛車輛幾何曲線通過 計算[J]. 電力機車與城軌車輛，2013(4)：16-19.

[2] 劉海霞. DMU在商用車開發(fā)中的研究與應(yīng)用[J]. 汽 車科技，2012(4)：53-56.