地鐵車輛制動的案例
仿真技術在地鐵車輛制動電阻設計中的應用
來源：中國電業 作者：招錦漢
關鍵字：仿真技術 振動沖擊 使用壽命
本文從對產品的振動、沖擊、疲勞、壽命、散熱分析等幾個方面進行了詳細的講解，剖析了仿真技術的重要性，并列舉了仿真軟件在制動電阻產品中的具體仿真分析實例。
1 概述
隨著地鐵車輛技術的迅速發展和人民生活質量的不斷提高，制動電阻作為地鐵車輛制動過程中的重要部件，其設計要求能夠適應車輛越來越高的運行速度，一方面要求產品能夠適應車輛在運行過程中，在各種沖擊振動中具有足夠的強度、高可靠性和長久的壽命，另一方面要求產品具有良好的散熱結構，能夠快速將由車輛制動時產生的能量轉化成熱量釋放到空氣中。
在過去的制動電阻產品設計中，以上問題的解決較多的依賴于工程師的個人經驗和對樣機的實際測試，很多都是在產品設計的后端或工程化階段，這樣不但效率低下而且需要花費昂貴的試驗費用，在市場競爭日益激烈的今天，效率和成本就意味著競爭力，這種滯后的產品開發模式和昂貴的試驗費用直接影響到了企業的產品競爭力，作為專業研發生產制動電阻的專業公司，我們已經意識到了這些問題，必須要及時解決。
CAE（Computer Aided Engineering，中譯：計算機輔助工程設計），指用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能，以及優化結構性能等。CAE仿真技術從上世紀60年代初在工程上開始應用至今，已經有了飛速的發展，它和高速發展的計算機技術相結合，在生產、設計、科研、教學等各個領域得到了廣泛的應用，顯示出了巨大的技術效益和經濟效益，CAE技術在解決制動電阻設計、開發、生產過程中遇到的問題帶來了高效率、低成本的途徑。
以下分兩大部分介紹仿真技術在制動電阻產品設計中的應用。
展開 基于RADIOSS的地鐵車輛傳遞函數分析
運用HyperWorks有限元軟件建立某地鐵車輛車體有限元模型，進行了傳遞函數分析，找到了車體側墻的固有頻率，為后續的車體優化和減振設計提供了依據。結果表明側墻中部可以適當提高剛度，提高舒適性；可以應用傳遞函數來預測車體局部的固有頻率。
史志楠_基于RADIOSS的地鐵車輛傳遞函數分析.pdf
我國新一代碳纖維地鐵車輛全球發布
新一代碳纖維地鐵車輛CETROVO
超炫大片
未來地鐵列車來了！
當地時間9月18日下午，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術展（InnoTrans 2018）上，中車四方股份公司正式發布新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”。
當地時間下午14:00時，新一代碳纖維地鐵車輛實車發布會舉行。
中國駐德國大使史明德、中國中車總裁孫永才、德國技術專家胡芬巴赫、中國中車副總裁王軍、中車四方股份公司總經理馬云雙出席發布會，并共同按下啟動球，為新車揭幕。
這是新一代碳纖維地鐵車輛的全球首次亮相。
該車是我國的全新一代地鐵，采用大量先進的新材料、新技術研制，在節能環保、舒適、智能等方面相比傳統地鐵實現全面升級，是我國地鐵領域的最新技術成果，代表著未來地鐵列車的技術潮流。
它的問世，將引領地鐵車輛駛入更加綠色智能的“新時代”。
中國中車科學家、中車四方股份公司副總工程師丁叁叁接受采訪
新一代地鐵車輛長什么樣？有什么“黑科技”？將帶來怎樣的乘坐新體驗？
展開 我國新一代碳纖維地鐵車輛全球發布
新一代地鐵車輛首次開發了“靈活編組”功能，列車以2節為最小的編組單元，能夠根據運營需求實現“2+N”節靈活編組，在2節至12節范圍內任意搭配車廂，并且完成“變身”只需不到5分鐘。
丁叁叁告訴記者，地鐵客流的潮汐變化非常突出，早晚高峰期客流量大，平峰期客流量小，根據客流變化靈活編組，在高峰期采用大編組，平峰期采用小編組，這樣能實現以最經濟的方式運營，節約能耗，降低運營成本，也利于增大發車密度，提高服務水平。
相較傳統地鐵，新一代地鐵車輛適應更惡劣的氣候地理環境，能在高溫高濕、-40℃高寒、2500米高海拔等復雜環境下運行。
同時，針對地鐵線路彎道多、半徑小，車輛首次在轉向架裝備主動徑向系統，當監測到車輛進入彎道時，能夠控制輪對處在曲線徑向位置行駛。這樣大大改善了列車的曲線通過性能，能更好地適應小曲線，最小轉彎半徑可達80米，遠超傳統地鐵，車輪磨耗也大幅降低，節約維護成本。
車輛在沒有外部供電時也能行駛。裝載了儲能系統——動力蓄電池，可為車輛提供牽引動力行駛15公里。當發生供電故障時可應急運行，也方便在線路和車輛段的“無電區”行駛。
3 跑得更穩
乘坐更舒適
新一代地鐵車輛采用先進的減振降噪技術，乘坐更舒適。
列車運行時，由于軌道不平順會引起車廂振動，要通過轉向架上的懸掛系統來減振。傳統地鐵的懸掛系統不可調節，稱為被動懸掛。
新一代地鐵車輛首次采用全主動懸掛技術，在行駛途中，當車廂產生振動時，能夠立刻探測到，并對懸掛系統的阻尼進行動態調整，使懸掛系統時刻處在最佳的減振狀態，從而使地鐵車輛“跑得更穩”。
車廂內也更安靜。
展開 
基于meshfree和abaqus的地鐵車輛車體檢測工裝變形仿真分析
一、模型和場景介紹
中車集團的主要產品為軌道車輛產品。對于某特殊地鐵車輛，需要定義一個檢測工裝，工裝如圖所示（由于保密問題對模型進行了處理）
對于該工裝，最主要的關注點是變形問題，要求變形不得超過1mm/m，總變形不得超過3mm。
由圖可以看出，該工裝屬于復雜的板殼類結構，處理起來非常復雜。
二、使用meshfree進行變形分析
將模型導入meshfree。由于meshfree的處理方式，只需要刪掉一些無用的零部件就可以了，最終生成的部件數321個和解除對902個。約束條件為地腳約束，載荷為重力載荷。如下圖所示：
對其進行受力分析，從模型處理到計算完成整個過程約1個小時。
從以上可以看出，整體的變形最大為1.4mm，垂向最大位移為0.79mm，小于標準值，安全
三、abaqus計算
此模型在使用abaqus進行計算時首先使用hypermesh進行網格劃分。由于對稱結果，采取1/2建模。模型（局部）如下：
對其進行分析。由于大量的板殼結構，需要進行復雜的幾何處理，并定義不同的截面屬性，整個分析大約一周。結果如下
由上可以看出，最大變形位移1.8mm。
展開 基于ADAMS的車輛減速器制動性能分析
摘 要：制動性能作為評價車輛減速器的重要指標，通常需在駝峰編組站通過實際測量的雷達測速曲線獲得。為進一步優化減速器制動性能的獲取方式，采用虛擬樣機仿真的方法對車輛減速器建模并進行動力學分析。首先，基于車輛減速器的工作原理，結合車輛減速器的結構參數和運行狀態，構建了“車輛-鋼軌-減速器”的剛柔耦合動力學模型；然后，以21t軸重、走行速度5m/s(18km/h)的車輛為例，利用仿真模型分析減速器的制動能力。結果表明：該模型的分析結果與減速器制動性能的理論值和實測結果相吻合，可為后續減速器的設計和改進提供參考。
關鍵詞：車輛減速器;動力學模型;制動性能;駝峰編組站;重力鉗夾式;
隨著我國鐵路貨運的快速發展，為更好的適應重載需求，需對相應的設備進行全面升級。編組站作為鐵路貨運的核心樞紐，正不斷通過技術創新提高其工作效率和性能，為重載貨運順利發展提供有力保障。
車輛減速器作為編組站的主要調速設備，用于間隔制動位和目的制動位調速，直接影響編組站調車作業效率。目前，車輛減速器主要采用重力鉗夾式減速器，其對車輛車輪的制動力可根據車輛自重進行自適應調節，并通過兩側制動軌完成制動減速[1]。
制動性能是車輛減速器的重要技術指標，目前主要是通過雷達測速曲線計算的方式獲取。這種現場試驗的方式，不僅對駝峰正常溜放作業有一定影響，且需要耗費大量的人力、物力。邱戰國等[2]提出通過測出單臺減速器對單個車輛制動時的減速度后，依據實時算法計算減速器的單位制動能高；郭玉華等[3]提出利用中值濾波法對雷達測速曲線進行濾波處理，通過編程實現減速器單位制動能高的實時計算和統計展示。但這些研究均依托于實測的雷達速度曲線，對減速器的制動性能進行計算，雖然有較好的實際應用價值，但適用范圍有一定的局限性。
展開 中車四方股份公司研制的碳纖維地鐵車輛將在全球首次亮相
近日，中車四方股份公司研制的碳纖維地鐵列車從青島裝船啟運，發往德國，參加全球軌道交通領域規模最大的柏林國際軌道交通技術展。在9月18-21日柏林展期間，該碳纖維地鐵車輛將在全球首次亮相。
該地鐵車輛采用碳纖維的車體和轉向架，并應用了大量先進的智能環保等新技術，是更綠色、智能的全新一代地鐵，最高運行時速140公里。
車輛制動系統仿真技術的應用
車輛制動系統仿真技術的應用
制動系統是當今車輛最主要的性能之一，建設一套完整高效的制動系統匹配分析平臺顯得尤為重要。制動目前越來越多的主機所或者用戶開始關心制動性能的評價，比如踏板感、響應時間、轉彎制動性能等等。許多主機所除了采用實驗之外并無專用評價分析工具，但是實驗往往耗時較多，成本高。
此次研討會全程都會穿插生動的演示，同時也會介紹真實的用戶案例來幫助聽眾更好的理解內容。
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主講內容：
制動系統行業背景和制動分析平臺建設必要性
制動系統行業需求背景
制動系統分析平臺建設必要性
制動零部件高精度建模
制動零部件建模：助力器、主缸、前卡鉗、IPB、鼓式制動器
制動系統集成
制動系統與整車集成
制動性能評價
國內制動平臺建設用戶案例分享
案例1:高精度制動零部建模及模型庫開發
案例2:制動法規項評價模板和制動系統評價模板建設
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車輛疲勞耐久性試驗技術的應用
車輛疲勞耐久性仿真技術的應用
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展開 重載車輛減速制動過程中輪胎力作用下的路面力學響應研究
③輪胎-道路耦合有限元模型如圖所示：
四、方法計算的機時耗費情況：一個工況需要計算23個小時
五、仿真計算的結果分析：
本文通過控制變量法進行研究，主要是根據輪胎不同的減速度，不同的初始速度，不同的載荷，不同胎壓，不同的路面摩擦系數，以及在制動時，不同初始滑移率下的最大Mises應力值，最大剪切應力值，最大法向位移數值的變化情況進行分析。
①不同減速度下的路面力學響應
2m/s2
3m/s2
4m/s2
5m/s2
最大的Mises應力（MPa）
4.65
4.79
4.73
4.66
最大的剪切應力（MPa）
2.55
2.64
2.63
2.59
最大的法向位移（mm）
3.195
3.194
3.192
3.191
路面的力學響應隨著減速度的增大，先增大后減小，整體并沒有呈現線性變化的趨勢，在法向位移的數值上，隨著減速度的增大，法向位移降低的幅度很小幾乎沒有變化。本文是給定了輪胎固定的轉速，隨著輪胎中心平移的速度不斷減小，滑移率由最初的35%也不斷地降低。
分析可以得到，當減速度在3.3m/s2左右時，此時車輛的滑移率為22.79%，輪胎與路面的相互作用達到最大值，則此時輪胎的制動效能最好，與滑移率的相關理論對應。汽車理論中認為車輛所受到的減速度是同時取決于制動器制動力和路面附著系數的，一般是由制動器制動力先進行決定的。
展開 基于ADINA的車輛制動盤TMC分析示例
基于ADINA的車輛制動盤TMC分析示例
計算模型
◇ 車軸、制動盤、預緊螺栓初始轉速300r/min；
◇ 采用1/2對稱模型； ◇ 制動力零時刻加滿；
◇ 轉動系統其它質量采用附加質量單元施加到模型上；
◇ 所有零件初始溫度為30攝氏度；
◇ 所有零件材料強度參數、熱物理性能參數隨溫度變化；
◇ 所有零件通過裝配面傳遞接觸力、熱；所有零件接觸傳熱表面定義熱阻；
◇ 采用TMC耦合計算方法；
◇ 前10步結果每步保存，之后每20個計算步保存1次計算結果；
1. 讀入幾何模型；
2. 螺栓body分解；
3. 螺栓劃分單元；
4. copy其它螺栓body，并同時copy網格；
5. 定義軸與車輪的face link；
6. 定義螺栓與制動盤接觸，包括螺栓桿部分；注意事項：摩擦系數；協調因子；接觸面傳導系數(熱阻) 10；
7. 定義閘片和制動盤接觸；注意事項：摩擦系數；協調因子；offset=5e-5；接觸面傳導系數1；
8. 定義制動盤與車輪接觸；注意事項：摩擦系數；協調因子；接觸面傳導系數10；
9. 定義單元組并劃分網格；
10. 定義載荷和約束；注意事項：軸心約束；對稱面約束；閘片約束；
11. 定義集中質量1 ton、初始轉速31.42 rad/s；
12. 定義TMC分析的設置，注意溫度場積分格式選擇Trapezoidal Rule；
13. 定義時間步；0.002s,10000步；
14. 定義結果輸出；每隔20步輸出結果；
15.
展開 分析ANSYS Wokbench的車輪熱容量
踏面摩擦制動是地鐵車輛的主要制動方式之一，對于踏面制動而言，過大的制動功率會導致摩擦副的損傷，這些損傷主要包括閘瓦熔化（鑄鐵閘瓦），粘結劑分解炭化（合成閘瓦），磨耗加劇。車輪踏面出現熱斑、裂紋和剝離等，所以踏面制動存在著踏面受熱極限，即車輪的熱容量。
對ANSYS Wokbench的車輪熱容量的分析，過去已有大量研究，而過去研究的大多是一次緊急制動情況下ANSYS Wokbench的車輪踏面的溫度場分布情況。而由于地鐵車輛具有運行速度高、站間距離短、啟動制動頻繁的特點，從上一次制動結束到下一次制動開始，車輪踏面的熱量來不及完全散失在空氣中，即在頻繁的啟動制動過程中，車輪踏面的熱量將進行累積，而一次緊急制動仿真分析很難真實模擬地鐵車輛在整個運營過程中溫度場的分布情況。為此，本文采用ANSYS Workbench軟件，分析了某地鐵車輛在一個往返運行過程中車輪的熱容量情況，并根據仿真計算結果，對車輪踏面的溫度場分布情況進行了分析。
通過對某地鐵車輛在一個往返過程中熱量的分析可以看出，地鐵在頻繁啟動制動過程中造成熱量積聚，從而導致車輪溫度升高，車輛運行至6457.7s時，車輪最高溫度達到446.88℃，并給出最高溫度時刻車輪的溫度場分布，分析結果對列車安全運行具有重要的指導作用，并為車輪設計以及進一步研究提供依據。
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