漆 暉, 孫繼武, 伍智敏
(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,上海201804)
構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件,其性能直接影響到列車(chē)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性.柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架是近些年出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架,目前多用于城市軌道交通車(chē)輛的直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架.直線電機(jī)通常懸掛于構(gòu)架,為了保證電機(jī)與感應(yīng)板之間的氣隙,通常設(shè)置很大的一系垂向剛度,因此必須采用柔性構(gòu)架來(lái)適應(yīng)緩和曲線的扭曲.
北京機(jī)場(chǎng)線采用的直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架MKII是一種具有迫導(dǎo)向功能的柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架,它主要由輪對(duì)內(nèi)置式軸箱、車(chē)軛連接裝置、柔性構(gòu)架、迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)裝置、線性電機(jī)等組成[1].MKII轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架包括兩個(gè)側(cè)梁和一個(gè)橫梁,側(cè)梁與橫梁剛性連結(jié).由于沒(méi)有一系垂向懸掛,構(gòu)架必須具有一定扭轉(zhuǎn)的柔性,以適應(yīng)軌道在緩和曲線上超高的變化,因此MKII轉(zhuǎn)向架的橫梁并沒(méi)有采用封閉的箱形斷面,而是采用開(kāi)口的工字形斷面,使用高強(qiáng)度的鋼板焊接而成.文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的一種新型直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架中也使用了柔性構(gòu)架.該轉(zhuǎn)向架采用無(wú)搖枕結(jié)構(gòu),使用小直徑車(chē)輪和內(nèi)置式軸箱,電機(jī)構(gòu)架懸掛.為了保證電機(jī)氣隙,轉(zhuǎn)向架設(shè)置很大的一系垂向剛度.構(gòu)架由2個(gè)L型半構(gòu)架通過(guò)鉸接關(guān)節(jié)組成,構(gòu)架的柔性通過(guò)合理地設(shè)置鉸接關(guān)節(jié)的剛度來(lái)實(shí)現(xiàn).Siemens的Syntegra永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架也采用了柔性構(gòu)架[3].其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用抱軸式永磁同步電機(jī),電機(jī)的轉(zhuǎn)子與車(chē)軸固接在一起,直接驅(qū)動(dòng)輪對(duì).它的構(gòu)架側(cè)梁與橫梁采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接,側(cè)梁相對(duì)橫梁可以繞Y軸(動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系)自由地轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)設(shè)置一系垂向鋼彈簧,因此能夠很好地適應(yīng)線路三角坑和順坡.
這種新型轉(zhuǎn)向架采用了永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的牽引系統(tǒng),取消了傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng),使轉(zhuǎn)向架的軸距減小至1.6m,大大地減小了通過(guò)小半徑曲線的沖角和橫向作用力,輪軌磨耗也相應(yīng)減小,其設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1.
轉(zhuǎn)向架采用構(gòu)架外置結(jié)構(gòu),這樣留出整個(gè)輪對(duì)內(nèi)側(cè)空間,便于永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝.構(gòu)架外置的好處還在于可以利用現(xiàn)有的輪對(duì)和軸承結(jié)構(gòu),便于安裝和維護(hù).構(gòu)架的側(cè)梁為封閉的箱形結(jié)構(gòu),呈U型(見(jiàn)圖2).構(gòu)架的柔性主要由工字形的橫梁產(chǎn)生,橫梁采用工字梁結(jié)構(gòu),并且在工字梁的中心位置開(kāi)長(zhǎng)孔,以減小扭轉(zhuǎn)剛度.在側(cè)梁和橫梁之間設(shè)置箱形結(jié)構(gòu)的輔助橫梁和輔助縱向梁.一系懸掛采用平板式橡膠彈簧,提供輪對(duì)的縱向和橫向定位剛度,并緩和垂向沖擊力.二系懸掛采用空氣彈簧,空氣彈簧設(shè)置于構(gòu)架側(cè)梁的中心位置,以減輕垂向偏載產(chǎn)生的構(gòu)架應(yīng)力.垂向減振器設(shè)置在側(cè)梁外側(cè),橫向減振器和橫向止檔設(shè)置在輔助縱向梁上.抗側(cè)滾扭杠采用倒裝方式.緊湊型的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝在輔助橫向梁的下方.永磁電機(jī)采用抱軸式設(shè)計(jì),前、后輪對(duì)上的電機(jī)外殼通過(guò)上、下布置的縱向拉桿連接,內(nèi)側(cè)電機(jī)的外殼通過(guò)上、下布置的牽引拉桿與車(chē)體連接.
圖1 抱軸式永磁同步電機(jī)柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案
圖2 柔性構(gòu)架的設(shè)計(jì)方案
采用Simpack軟件分析上述抱軸式永磁直驅(qū)柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能.在模型中,對(duì)柔性構(gòu)架進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理.由于柔性構(gòu)架的彈性主要由橫梁提供,側(cè)梁的剛度很大,因此將構(gòu)架的側(cè)梁作為剛體對(duì)待,左、右兩個(gè)側(cè)梁通過(guò)具有六個(gè)方向剛度的彈簧元件連接,以模擬構(gòu)架橫梁的柔性,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示.左、右側(cè)梁連接彈簧的X,Y,Z三個(gè)方向的線剛度和角剛度與構(gòu)架柔性的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示,表1同時(shí)給出了根據(jù)設(shè)計(jì)方案的柔性構(gòu)架的有限元模型,計(jì)算得到的柔性構(gòu)架在各個(gè)方向的剛度.
圖3 Simpack中柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
表1 柔性構(gòu)架的剛度
在初始參數(shù)(空車(chē))條件下,車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)的臨界速度與踏面等效斜率的關(guān)系如圖4.可見(jiàn),隨著踏面等效斜率的增加,臨界速度在下降,當(dāng)踏面等效斜率達(dá)到0.4時(shí),臨界速度只有86km/h,這對(duì)城市軌道交通車(chē)輛而言,有些偏低.
圖4 臨界速度與踏面等效斜率的關(guān)系曲線
進(jìn)一步的仿真分析表明,柔性構(gòu)架的剛度參數(shù)中,只有X向線剛度(抗菱剛度)對(duì)臨界速度有影響.圖5實(shí)線給出了踏面等效斜率為0.05時(shí)臨界速度與抗菱剛度的關(guān)系,從圖中看出,臨界速度隨著抗菱剛度的增加而增加,當(dāng)抗菱剛度大于8MNm/rad時(shí),曲線增長(zhǎng)趨于平緩.圖5虛線給出了踏面等效斜率達(dá)到0.4時(shí)臨界速度與抗菱剛度的關(guān)系,從圖中看出,臨界速度隨著抗菱剛度的增加而增加,當(dāng)抗菱剛度達(dá)到9MNm/rad,臨界速度為101km/h(高于100km/h),這對(duì)城市軌道交通車(chē)輛而言,較為合適.
圖5 臨界速度與抗菱剛度的關(guān)系曲線
圖6 EN14363試驗(yàn)所用的線路半徑和超高設(shè)置
圖7 脫軌系數(shù)與扭曲剛度
脫軌安全性按照EN14363規(guī)定的試驗(yàn)線路計(jì)算[4].EN14363脫軌試驗(yàn)的曲線半徑為150m,線路扭曲部分位于等半徑曲線上,扭曲線路的變化梯度為3‰,線路扭曲通過(guò)改變外軌的高度來(lái)實(shí)現(xiàn),試驗(yàn)車(chē)速不得超過(guò)10km/h.線路的半徑和超高設(shè)置見(jiàn)圖6.
圖8 輪重減載率與扭曲剛度
圖9 Sperling指標(biāo)隨速度的變化
圖10 Sperling指標(biāo)與抗菱剛度關(guān)系
在初始參數(shù)下車(chē)輛以9km/h的速度通過(guò)試驗(yàn)線路時(shí)的脫軌系數(shù)為0.78,導(dǎo)向輪的輪重減載率為0.19.根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14363規(guī)范:如果輪緣角等于70°,計(jì)算所得的脫軌系數(shù)在任何地方都不允許超過(guò)1.2,導(dǎo)向輪的輪重減載率要小于0.6.所以在初始參數(shù)下,車(chē)輛的安全性滿足要求,不會(huì)發(fā)生脫軌.
進(jìn)一步仿真分析得出,柔性構(gòu)架參數(shù)中只有Y向角剛度(扭曲剛度)對(duì)脫軌系數(shù)和輪重減載率有影響,其中脫軌系數(shù)與扭曲剛度的關(guān)系如圖7所示,輪重減載率與扭曲剛度的關(guān)系如圖8所示.可見(jiàn),脫軌系數(shù)、輪重減載率都隨著扭曲剛度的增加而增加,當(dāng)扭曲剛度為7MNm/rad時(shí),輪重減載率達(dá)到0.6,當(dāng)扭曲剛度為10MNm/rad時(shí),脫軌系數(shù)達(dá)到1.2,車(chē)輛有可能發(fā)生脫軌.因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量減小柔性構(gòu)架的扭曲剛度.
平穩(wěn)性計(jì)算選用美國(guó)五級(jí)軌道譜作為車(chē)輛系統(tǒng)的軌道激勵(lì)輸入.采用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)估.
圖9給出了初始參數(shù)下車(chē)輛的Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)隨速度的變化趨勢(shì),可見(jiàn),在120km/h內(nèi),車(chē)輛的垂向Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)都小于2.5,處于優(yōu)級(jí)范圍,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在85km/h內(nèi)處于優(yōu)級(jí)范圍,速度100km/h時(shí)超高了3.0,其橫向平穩(wěn)性需要進(jìn)一步優(yōu)化.
仿真分析表明,柔性構(gòu)架的抗菱剛度對(duì)橫向平穩(wěn)性有顯著影響.圖10給出了速度80km/h時(shí),抗菱剛度與車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)的關(guān)系.可見(jiàn),橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著抗菱剛度的增加而減小,當(dāng)抗菱剛度大于3MNm/rad時(shí),曲線變化較慢,當(dāng)抗菱剛度大于7MNm/rad時(shí),橫向平穩(wěn)性指標(biāo)基本保持不變;而垂向平穩(wěn)性指標(biāo)基本不受抗菱剛度的影響.
本文設(shè)計(jì)了一種新型的永磁直驅(qū)柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架,構(gòu)架的柔性主要由工字形的橫梁提供.使用Simpack軟件建立了柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)模型,模型中將柔性構(gòu)架處理為采用多向彈簧連接的兩個(gè)側(cè)梁剛體.
仿真分析表明:柔性構(gòu)架的抗菱剛度對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性有明顯影響,臨界速度隨著抗菱剛度的增加而增加;柔性構(gòu)架的扭曲剛度對(duì)脫軌安全性有明顯影響,脫軌系數(shù)隨著扭曲剛度的增大而增大;柔性構(gòu)架的抗菱剛度對(duì)車(chē)輛橫向平穩(wěn)性影響較大,對(duì)垂向平穩(wěn)性沒(méi)有影響.
因此,為了滿足車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能,柔性構(gòu)架的抗菱剛度應(yīng)盡量高些,而扭曲剛度應(yīng)該盡量低些.
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