孟買地鐵車輛轉向架牽引拉桿的優(yōu)化設計

周 睿

(南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210032,南京∥高級工程師)

南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司為印度孟買生產的地鐵1號線車輛已正式下線。通過科研院校的共同努力,擁有完全自主知識產權的地鐵A型車輛轉向架也得以首次運用。孟買地鐵車輛轉向架采用了“三無”結構、空氣彈簧、盤型制動等成熟的先進結構形式。其轉向架與車體間的牽引方式采用了單牽引拉桿結構,具有結構簡單可靠、功能全面的特點。本文針對轉向架結構設計的需要及孟買線路的特點,進行了相關的結構設計及性能分析計算。

1 牽引裝置的結構形式及特點

車輛牽引裝置主要起連接車體與轉向架,以及傳遞牽引力、制動力等作用[1]。根據孟買地鐵車輛轉向架整體結構設計的需要,采用單牽引拉桿裝置。其主要組成部分為：通過8個M24螺栓安裝于車體枕梁的中心銷座,兩端設置的牽引橡膠彈性節(jié)點的單牽引拉桿,安裝于中心銷底部的防過充止擋座。單牽引拉桿的牽引裝置結構見圖1。

采用該結構設計的牽引裝置滿足了以下的功能設計：

1)采用單牽引拉桿方式傳遞縱向牽引力與制動力。單牽引拉桿的兩端設置了橡膠彈性節(jié)點,既保證有足夠的縱向牽引剛度,又降低了橫向及豎向附加剛度。單牽引拉桿兩端分別連接中心銷座與構架安裝座。

圖1 單牽引拉桿的牽引裝置結構圖

2)中心銷兩側面與安裝于轉向架橫梁中部的橫向擋保持一定間隙,作為橫向止擋的限位面。

3)由于高度閥異常等原因導致空氣彈簧過度充風使車體上升時,防過充止擋座與構架橫梁下平面接觸,以阻止車體的過度上升。當車輪磨耗需在空氣彈簧下加墊調整時,只需將止擋安裝螺栓下的調整墊移至止擋與中心銷安裝面處。其結構簡單、操作方便、便于維護。

4)根據地鐵車輛運輸方式的需要,對轉向架進行適當保護后,該防過充止擋座同時起到了整體起吊轉向架作用。

2 牽引拉桿參數對車輛運行性能的影響

單牽引拉桿的結構簡單可靠,免磨耗,易于維護。但根據以往經驗,其相關參數的設計,如節(jié)點剛度、拉桿長度、前后位置等,對車輛運行性能特別是對曲線通過性能有較大的影響。因此,在轉向架設計過程中,對該部分進行了專門的分析計算,以保證安全運營的要求。

2.1 單牽引拉桿結構的主要性能參數

采用整車動力學性能分析方法[2],并與主要供應商技術確認后,確定了單牽引拉桿的有關性能參數(詳見表1)。

表1 單牽引拉桿結構主要性能參數表

2.2 牽引拉桿節(jié)點剛度對車輛振動模態(tài)的影響

由于在設計與制造過程中需考慮各種相關因素,很難在各種工況下均將牽引拉桿的高度設置在轉向架的構架中心,因此采用的牽引拉桿結構會將相關的縱向振動與豎向振動通過構架發(fā)生弱耦合,也會使車體的彈性體模態(tài)與構架縱向振動發(fā)生耦合。為避免這種耦合帶來的共振現象,需進行分析計算,將構架的縱向振動固有頻率與構架的點頭振動固有頻率和車體的低階模態(tài)頻率分離開。

根據下式

可分別計算出當牽引拉桿節(jié)點剛度為 50 MN/m時,動車、拖車構架的縱向振動固有頻率值 f(見表2)。從表2可見：拖車轉向架的縱向與點頭振動頻率比為1.088 6,已接近1,易發(fā)生共振問題;但構架的點頭阻尼比達46%左右,有足夠的阻尼,即使縱向阻尼很小,也不易引發(fā)共振。動車轉向架的點頭與縱向振動頻率比為1.420,已大于 1.414,不會發(fā)生共振問題。

表2 動車、拖車構架的振動固有頻率值及振動頻率比

構架的縱向振動也會與車體的低階彈性體模態(tài)發(fā)生耦合。設計的孟買地鐵車輛的車體一階彈性體模態(tài)頻率在7.6 Hz左右,因此構架縱向振動固有頻率與車體模態(tài)有一定的余量,不會發(fā)生共振問題。

2.3 牽引拉桿橫向分力對車輛曲線通過性能的影響

為了模擬分析當車輛經過曲線時牽引拉桿的影響,作出車體、轉向架、牽引拉桿相對位置示意圖,見圖2。前轉向架中心(理論位置在O點)所在的曲線徑向角為θ,實際轉向架中心位于D點,搖頭角為ψ;車體相對于轉向架中心的橫移量為y,車體的偏轉角為α。可得車體與轉向架之間的偏角β為：

圖2 前轉向架的曲線通過位置及牽引拉桿位置

圖2 中的牽引拉桿為 AB,AC長為L1,DB長為L2,根據幾何關系可以求得以C點為原點的A點坐標為(-L1cos α,-L1sin α),B 點坐標為(L2cos(β-α),-y-L2sin(β-α))。則可以求得 AB 與水平線的傾角δ值：

設作用在牽引拉桿上的力為T,則可以求出橫向(徑向)分力F為：

已知L1=250 mm;L2=260 mm;孟買地鐵的線路曲線半徑R=80～400 m。在不同曲線半徑和二系橫向偏移量(-20～20 mm)的工況下,求得牽引拉桿的橫向分力系數(見圖3)。由圖3可見,最大的橫向分力出現在曲線半徑為80 m處;當二系橫向偏移為-20 mm(車體向內)時,橫向分力為牽引桿軸向力的0.09倍。牽引工況時,對于前轉向架為拉力、橫向分力系數為負值時,橫向分力指向曲線內側;制動工況時,對于前轉向架為壓力、橫向分力系數為負值時,橫向分力指向曲線外側。對于后轉向架,由于結構呈對稱布置,橫向分力系數的計算結果也是對稱的,其橫向分力最大值與前轉向架一致。

圖3 不同曲線半徑和二系橫向偏移下的牽引拉桿橫向分力系數

車輛通過相關動態(tài)曲線的計算分析表明：在分別考慮了牽引工況(AW0)和制動工況(AW4)兩個極端條件下,比較有無牽引拉桿的橫向分力作用后,車輛的主要曲線通過性能指標(如輪軌橫向力、脫軌系數、輪重增減載、輪對橫移量、輪對沖角等)幾乎沒有變化。因此,車輛通過曲線時牽引拉桿產生的橫向分力對車輛的性能指標基本沒有影響,唯一變化較大的是二系橫向動繞度(見圖4和圖5所示)。

2.4 車輛運行平穩(wěn)性驗證

為了驗證在所選的單牽引拉桿裝置參數下的車輛運行平穩(wěn)性,針對不同速度下的拖車和動車進行了仿真計算。計算條件為：①車輛載荷在AW0工況下;②計算速度范圍為10～120 km/h;③加速度的測點在前后中心銷上方側面1 m處和車體中心側面1 m處;④輸入譜為美國AAR五級線路不平順譜。

圖4 有牽引拉桿橫向分力作用下(牽引工況下)

圖5 無牽引拉桿橫向分力作用下(牽引工況下)

計算結果見圖6～9。由圖6～9可見：當速度為100 km/h時,拖車豎向平穩(wěn)性指標最大值為2.400 7,橫向平穩(wěn)性指標的最大值為2.229 4,均小于2.5;動車豎向平穩(wěn)性指標最大值為2.498 7,橫向平穩(wěn)性指標最大值為2.290 3,仍小于2.5。上述指標均屬優(yōu)級水平。

圖6 豎向平穩(wěn)性指標(拖車)

圖7 豎向平穩(wěn)性指標(動車)

圖8 橫向平穩(wěn)性指標(拖車)

3 結語

1)孟買地鐵車輛轉向架的單牽引拉桿裝置結構簡單,易于實現,且功能全面,具有較好的工藝性和一定的先進性。

圖9 橫向平穩(wěn)性指標(動車)

2)單牽引拉桿裝置已有效地將構架縱向振動固有頻率與構架的點頭振動固有頻率同車體的低階模態(tài)頻率分離開,避免了由于耦合帶來的共振現象。

3)在優(yōu)選的參數下,車輛通過曲線時單牽引拉桿引起的橫向分力對各項安全性能指標基本沒有影響。

4)在優(yōu)選的參數下,車輛的豎向、橫向平穩(wěn)性指標均為優(yōu)級。

[1] 陸超,羅式輝,姚遠.單牽引桿布置方式對機車曲線通過性能的影響[J].鐵道機車車輛 2008(3)：8.

[2] 王福天.車輛系統(tǒng)動力學[M].北京：中國鐵道出版社,1994.