主副構(gòu)架鉸接的主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過性能研究*

羅湘萍 田師嶠

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上?！蔚谝蛔髡?副教授)

主副構(gòu)架鉸接的主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架曲線通過性能研究*

羅湘萍 田師嶠

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上?！蔚谝蛔髡?副教授)

開發(fā)了一種主副構(gòu)架彈性鉸接的新型城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架,其輪對(duì)定位采用不對(duì)稱懸掛,主構(gòu)架上輪對(duì)縱向定位剛度小,副構(gòu)架上輪對(duì)縱向定位剛度大。此新型轉(zhuǎn)向架具有主動(dòng)徑向功能:轉(zhuǎn)向架正向通過曲線時(shí),作動(dòng)器動(dòng)作使得副構(gòu)架相對(duì)主構(gòu)架產(chǎn)生彎折角,并帶動(dòng)其輪對(duì)處于徑向位置,提高了曲線通過性能;轉(zhuǎn)向架反向通過曲線時(shí),利用主構(gòu)架輪對(duì)自身的導(dǎo)向特性實(shí)現(xiàn)曲線通過。此種轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能大大提高,并同時(shí)兼顧了其直線運(yùn)行穩(wěn)定性。

城市軌道交通車輛; 主副構(gòu)架; 柔性鉸接裝置; 不對(duì)稱懸掛; 主動(dòng)徑向功能; 曲線通過性能

First-author′s address Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

城市軌道交通廣泛運(yùn)用的軌道車輛最小通過曲線半徑為300 m,為兼顧車輛運(yùn)行速度與車輛運(yùn)營安全,僅優(yōu)化懸掛參數(shù)已無法進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能,也就無法降低最小通過曲線的半徑值。因此,傳統(tǒng)軌道交通車輛已不能適應(yīng)城市軌道交通對(duì)運(yùn)營效率及線路布置靈活性的要求。兩者的矛盾日益尖銳。此矛盾的核心在于被動(dòng)定位的轉(zhuǎn)向架懸掛必須兼顧直線穩(wěn)定性與曲線通過性能。

若要徹底解決此矛盾,使得轉(zhuǎn)向架在具有較高蛇形臨界速度的同時(shí),亦具有較好的曲線通過能力,從而既能降低輪軌磨耗及轉(zhuǎn)向架過曲線時(shí)的“嘯叫”噪聲,又能提高車輛運(yùn)行速度,則需研究曲線通過時(shí)輪對(duì)徑向輔助調(diào)整的方法,以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的徑向功能。其中,主動(dòng)徑向技術(shù)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架徑向功能的最有效方式。

1 主副構(gòu)架鉸接的新型轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)

1種主副構(gòu)架鉸接的新型轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案模型如圖1所示。轉(zhuǎn)向架與車體間的垂向載荷通過空氣彈簧、柔性鉸接裝置傳遞;縱向及橫向載荷通過中心牽引裝置及橫向止擋傳遞?？梢?此新型轉(zhuǎn)向架具有與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相同的二系承載形式。

主副構(gòu)架通過柔性鉸接裝置一及二連接成一體,完成轉(zhuǎn)向架承載及傳遞載荷的功能。主副構(gòu)架間橫向布置作動(dòng)器以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)徑向功能,同時(shí)也為主副構(gòu)架間提供大橫向剛度。

轉(zhuǎn)向架的若干主要參數(shù)決定了其動(dòng)力學(xué)性能,對(duì)車輛運(yùn)行品質(zhì)有著決定性影響。此新型轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)如表1所示 。

2 轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)幾何行為分析

此轉(zhuǎn)向架通過曲線作動(dòng)器動(dòng)作時(shí),主副構(gòu)架的幾何動(dòng)作行為如圖2所示。

由圖2可知,當(dāng)轉(zhuǎn)向架副構(gòu)架在前時(shí),作動(dòng)器動(dòng)作推動(dòng)副構(gòu)架,使得副構(gòu)架相對(duì)主構(gòu)架產(chǎn)生回轉(zhuǎn)角。因柔性鉸接裝置一橫向剛度較大,而柔性鉸接裝置二橫向剛度較小,因此副構(gòu)架的回轉(zhuǎn)中心靠近柔性鉸接裝置一。同時(shí),副構(gòu)架輪對(duì)的縱向定位剛度很大,可忽略其與副構(gòu)架間的位移,從而可認(rèn)為輪對(duì)隨著副構(gòu)架回轉(zhuǎn),處于徑向位置。當(dāng)副構(gòu)架輪對(duì)處于理論徑向位置時(shí),作動(dòng)器的動(dòng)作位移:

圖1 主副構(gòu)架鉸接的新型轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案模型

設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)向架軸距/mm2500主構(gòu)架軸箱縱向定位剛度/(MN/m)4軸重/t16副構(gòu)架軸箱縱向定位剛度/(MN/m)20

圖2 轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)主副構(gòu)架動(dòng)作行為

(1)

式中:

d——作動(dòng)器動(dòng)作位移;

a——轉(zhuǎn)向架軸距;

R——曲線半徑;

Lx——作動(dòng)器軸線與柔性鉸接裝置一的縱向間距。

當(dāng)轉(zhuǎn)向架主構(gòu)架在前時(shí),主構(gòu)架因被柔性鉸接裝置及軸箱約束住了搖頭行為,從而無法主動(dòng)彎折,故只能利用主構(gòu)架輪對(duì)自身的導(dǎo)向特性來實(shí)現(xiàn)曲線通過。

有研究表明,當(dāng)前導(dǎo)向輪對(duì)的縱向剛度小,跟從輪對(duì)的剛度大時(shí),轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能令人滿意,且與前后輪對(duì)定位剛度都小的轉(zhuǎn)向架相當(dāng),同時(shí)轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性高于前后輪對(duì)定位剛度都小的轉(zhuǎn)向架[1]。因此,在保證轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性的前提下改善曲線通過性能是可行的[2]。

當(dāng)轉(zhuǎn)向架在直線上運(yùn)行時(shí),作動(dòng)器在主副構(gòu)架間提供了較大的橫向剛度,與柔性鉸接裝置一同時(shí)約束住了副構(gòu)架的搖頭行為,使轉(zhuǎn)向架具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。

為了驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方案的可行性,利用SIMPACK建立動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。

3 仿真模型建立

采用SIMPACK建立整車模型。1節(jié)車輛具有1個(gè)車體、2個(gè)新型轉(zhuǎn)向架及2個(gè)作動(dòng)器。其中,作動(dòng)器采用只有1個(gè)軸向自由度的驅(qū)動(dòng)鉸接裝置。其余懸掛元件與傳統(tǒng)軌道車輛相同。

為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)徑向功能,建立SIMULINK-SIMPACK聯(lián)合仿真模型,先由SIMULINK生成作動(dòng)器的動(dòng)作位移,再利用SIMAT模塊將動(dòng)作位移輸入至SIMPACK中,進(jìn)而完成聯(lián)合仿真。此仿真模型的流程框圖如圖3所示。

線路參數(shù)包括緩和曲線長度、圓曲線長度及圓曲線半徑等。本次仿真模型中,緩和曲線長度為60 m,圓曲線長度為100 m,圓曲線半徑為300 m,外軌超高120 mm,且車輛通過曲線時(shí)用足60 mm的欠超高。分析重點(diǎn)是此新型轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能及其穩(wěn)定性。

圖3 聯(lián)合仿真流程框圖

4 曲線通過性能與直線穩(wěn)定性分析

4.1 車輛通過曲線時(shí)副構(gòu)架在前

副構(gòu)架在前時(shí),副構(gòu)架輪對(duì)為導(dǎo)向輪。為便于分析主動(dòng)徑向的效果,建立2個(gè)SIMPACK模型。兩模型的區(qū)別僅在于作動(dòng)器是否動(dòng)作。仿真結(jié)果如圖4～7所示。

圖4 作動(dòng)器動(dòng)作位移圖

圖5 主副構(gòu)架相對(duì)彎折角

圖6 轉(zhuǎn)向架各輪對(duì)橫向力

由圖4～7可知:

(1) 車輛通過曲線,當(dāng)副構(gòu)架在前時(shí),作動(dòng)器動(dòng)作,副構(gòu)架相對(duì)主構(gòu)架的彎折角變大;前轉(zhuǎn)向架作動(dòng)器先動(dòng)作,后轉(zhuǎn)向架作動(dòng)器后動(dòng)作,且兩者在空間上相差1個(gè)中心銷距。

(2) 車輛通過曲線且當(dāng)副構(gòu)架在前時(shí),作動(dòng)器未動(dòng)作時(shí),輪對(duì)橫向力最大值出現(xiàn)在緩圓點(diǎn)處;作動(dòng)器動(dòng)作后,各輪對(duì)橫向力減小,尤其減小了在緩圓點(diǎn)處的輪對(duì)橫向力。

圖7 前后轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪沖角

(3) 車輛通過曲線且當(dāng)副構(gòu)架在前時(shí),作動(dòng)器動(dòng)作,前后轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪的沖角大幅度減小,導(dǎo)向輪對(duì)處于徑向位置。

轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí),各關(guān)鍵仿真數(shù)據(jù)記錄見表2。由表2可見,車輛通過曲線,當(dāng)副構(gòu)架在前時(shí),通過副構(gòu)架主動(dòng)彎折的動(dòng)作模式來實(shí)現(xiàn)徑向功能具有較好的徑向效果,明顯降低了輪對(duì)橫向力及導(dǎo)向輪的沖角,這對(duì)降低輪軌磨耗、降低脫軌系數(shù)有積極意義。

4.2 車輛通過曲線時(shí)主構(gòu)架在前

主構(gòu)架在前時(shí),主構(gòu)架輪對(duì)為導(dǎo)向輪。因主構(gòu)架無法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)彎折,所以只能利用主構(gòu)架輪對(duì)自身的導(dǎo)向特性實(shí)現(xiàn)曲線通過。此時(shí)為提高車輛通過曲線時(shí)的性能,并兼顧車輛運(yùn)行穩(wěn)定性,推薦采用不對(duì)稱懸掛設(shè)計(jì)[3],給主構(gòu)架上輪對(duì)設(shè)置較小的縱向定位剛度。仿真結(jié)果如圖8所示。

表2 轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)仿真數(shù)據(jù)記錄表

圖8 轉(zhuǎn)向架各輪對(duì)橫向力

由圖8可知:

(1) 車輛通過曲線且當(dāng)主構(gòu)架在前時(shí),若作動(dòng)器不動(dòng)作,則采用不對(duì)稱懸掛具有優(yōu)越性。此時(shí)主構(gòu)架上輪對(duì)縱向定位較小,輪對(duì)橫向力較低,尤其減小了在緩圓點(diǎn)處的橫向力。

(2) 車輛通過曲線且當(dāng)主構(gòu)架在前時(shí),若作動(dòng)器動(dòng)作,則副構(gòu)架相對(duì)主構(gòu)架產(chǎn)生彎折角,反而導(dǎo)致各輪對(duì)的橫向力均增大,使曲線通過性能不增反降,甚至影響運(yùn)行安全。

可見,車輛通過曲線且當(dāng)主構(gòu)架在前時(shí),因主構(gòu)架無法主動(dòng)彎折,故作動(dòng)器動(dòng)作反而會(huì)帶來不利影響。因此,只能采用不對(duì)稱懸掛,通過優(yōu)化主構(gòu)架輪對(duì)的縱向定位剛度來改善曲線通過性能,同時(shí)兼顧轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.3 車輛運(yùn)行穩(wěn)定性

采用不對(duì)稱懸掛后,主構(gòu)架輪對(duì)的縱向定位剛度較小。這在一定程度上會(huì)降低轉(zhuǎn)向架的直線穩(wěn)定性。因此,需要計(jì)算此時(shí)轉(zhuǎn)向架的臨界速度。此新型轉(zhuǎn)向架在不同運(yùn)行速度下,輪對(duì)橫移量如圖9所示。計(jì)算模型中輪對(duì)采用LMA磨耗型踏面,軌道采用R60軌。

圖9 轉(zhuǎn)向架運(yùn)行臨界速度

由圖9可知,此轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行臨界速度為46.5 m/s(約為167 km/h),滿足現(xiàn)今軌道交通車輛80 km/h的運(yùn)行速度要求。

5 結(jié)論

此新型轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)的各關(guān)鍵仿真數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 新型轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)仿真數(shù)據(jù)記錄表

結(jié)合表3及上述分析,可以得到如下結(jié)論:

(1) 針對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性,采用了不對(duì)稱懸掛的設(shè)計(jì)。其中,副構(gòu)架上輪對(duì)縱向定位剛度大,因此副構(gòu)架在前通過曲線時(shí),需通過副構(gòu)架的主動(dòng)彎折來帶動(dòng)輪對(duì)處于徑向位置;主構(gòu)架上輪對(duì)縱向定位剛度小,當(dāng)轉(zhuǎn)向架反向通過曲線時(shí),可利用輪對(duì)自身的導(dǎo)向特性以較好的姿態(tài)通過曲線。此時(shí)作動(dòng)器若動(dòng)作,反而會(huì)惡化轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能,甚至影響安全。此種具有不對(duì)稱懸掛設(shè)計(jì)的主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架,提高了車輛的曲線通過性能,同時(shí)也兼顧了轉(zhuǎn)向架的直線穩(wěn)定性,其臨界速度可達(dá)167 km/h,滿足城市軌道交通車輛對(duì)穩(wěn)定性的要求。

(2) 為提高此新型轉(zhuǎn)向架的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值,可以采用如下方案:車輛通過曲線時(shí),若副構(gòu)架在前,則主動(dòng)徑向調(diào)整機(jī)構(gòu)動(dòng)作;若主構(gòu)架在前,則主動(dòng)徑向調(diào)整機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。

[1] 沈鋼,黎冠中.非對(duì)稱半主動(dòng)控制徑向轉(zhuǎn)向架的仿真研究及方案設(shè)計(jì)[J].鐵道車輛,2002,40(3):13-16.

[2] 陳琦.采用非對(duì)稱轉(zhuǎn)向架的城軌車輛動(dòng)力學(xué)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2008.

[3] 萬芳.非對(duì)稱懸掛轉(zhuǎn)向架曲線通過性能[J].國外鐵道車輛,1998,35(2):15-19.

Curving Performance of Active Radial Bogie with Main frame and Sub-frame

LUO Xiangping, TIAN Shiqiao

A new bogie of rail vehicle equipped with two frames coupled by a pair of flexible joints is designed, which adopts unsymmetrical primary suspensions,the longitudinal stiffness of wheel is set to be soft on the main frame,while the hard longitudinal stiffness is on the sub-frame.Active radial function is implemented on this new bogie, the angle around Z-axis between the main frame and sub-frame becomes larger with the performance of actuator when bogie moves forward through a curve, the action will lead the wheel on sub-frame to radial position,enhancing the curving performance.The steering characteristics of wheel itself on main frame is fully used when bogie moves backward through a curve.In conclusion,the curving performance of this new bogie is increased significantly and the stability is balanced as well.

rail transit vehicle; main frame and sub-frame; flexible joint; unsymmetrical suspension; active radial function; curving performance

* 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAG12B01-21)

U 270.331; U 260.11+3

10.16037/j.1007-869x.2016.12.001

2016-06-22)