軌道交通車輛抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式的選型分析

（中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

軌道交通車輛抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式的選型分析

梁 云 李文學(xué) 王云朋

（中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

介紹了抗側(cè)滾剛度對軌道交通車輛性能的影響。通過對車輛的控制方式、抵抗側(cè)風(fēng)能力、動力學(xué)性能和柔度系數(shù)4個方面的分析研究來確定軌道交通車輛的抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式，為車輛抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式的選擇提供了理論依據(jù)。研究表明：當(dāng)車輛采用兩點控制時必須設(shè)置抗側(cè)滾扭桿來提高車輛的抗側(cè)滾能力；當(dāng)車輛采用四點控制時可考慮增大空氣彈簧的跨距和設(shè)置抗側(cè)滾扭桿來提高車輛的抗側(cè)滾能力。

軌道交通車輛；抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)；抗側(cè)滾剛度

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

由于空氣彈簧具有垂向剛度小、當(dāng)量撓度大，以及良好的隔音和吸收高頻振動的性能，能有效提高車輛的乘坐舒適性，因此在車輛懸掛裝置中得到了廣泛應(yīng)用?？墒?，由于空氣彈簧垂向剛度小，在車輛運行中會導(dǎo)致車體的側(cè)滾角度增加，使得車輛側(cè)滾剛度較小，甚至出現(xiàn)側(cè)滾失穩(wěn)的現(xiàn)象，造成車輛運行安全性能降低，所以需要另外增加車輛的側(cè)滾剛度以限制其側(cè)滾角度，從而改善車輛的抗側(cè)滾性能，但同時又不能影響車輛的浮沉、橫擺、伸縮、點頭和搖頭等方面的性能。

1 抗側(cè)滾剛度對車輛性能影響

車輛抗側(cè)滾剛度對車輛抵抗側(cè)風(fēng)能力、車輛動力學(xué)性能和柔度系數(shù)都會產(chǎn)生影響。

隨著地鐵和輕軌車輛運行線路和區(qū)域的增多，列車的運行環(huán)境也越來越惡劣，列車受空氣動力學(xué)的影響越來越突出，尤其是橫風(fēng)效應(yīng)，如高架橋、路堤、都市樓宇間的風(fēng)口地帶等均具有特殊的風(fēng)環(huán)境，所以有必要提高車輛的抗側(cè)滾性能以保證車輛運行的安全性。車輛的抗側(cè)風(fēng)能力直接關(guān)系列車運行安全，輕者會影響列車乘坐的舒適性，造成列車橫向失穩(wěn)，重者將導(dǎo)致列車的傾覆或者脫軌事故。

在研究和分析軌道交通車輛動力學(xué)性能時，應(yīng)充分考慮抗側(cè)滾剛度對軌道交通車輛在各種典型運行狀態(tài)下的動力學(xué)性能（包括運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和運行安全性）產(chǎn)生的影響。

國際鐵路聯(lián)盟UIC 505－5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定客車的柔度系數(shù)S不得大于0．4，歐洲和國內(nèi)動車組要求S不得大于0．28。實際上控制S與控制側(cè)滾角是一樣的，控制S除了對車輛限界有意義外，主要也是對車輛曲線通過的舒適性有意義。

2 抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式選擇

目前國內(nèi)外主要通過以下兩種形式提高車輛的抗側(cè)滾能力。

（1）增大中央懸掛裝置中空氣彈簧的橫向跨距，以增大其角剛度，從而增強車輛的抗側(cè)滾性能。

（2）在轉(zhuǎn)向架和車體間安裝抗側(cè)滾扭桿裝置?？箓?cè)滾扭桿裝置是一種利用金屬彈性桿在受扭矩作用時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形而提供抗扭轉(zhuǎn)反力矩的彈簧裝置。

2．1 增大空氣彈簧橫向跨距

增大空氣彈簧橫向跨距即增大轉(zhuǎn)向架中央懸掛裝置中空氣彈簧的橫向間距。以標(biāo)準(zhǔn)軌距轉(zhuǎn)向架為例，日本新干線高速客車轉(zhuǎn)向架采用無搖動臺的空氣彈簧裝置，空氣彈簧橫向間距為2 500mm（多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)軌距轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧橫向跨距為1 900～2 000mm）；德國MD型高速客車轉(zhuǎn)向架中央懸掛裝置采用有搖動臺的鋼彈簧，彈簧橫向間距為2 580 mm，為外側(cè)懸掛形式。這些轉(zhuǎn)向架均能滿足列車高速運行需求。

增大空氣彈簧橫向跨距的前提條件是車體結(jié)構(gòu)具有足夠的外廓尺寸。例如，日本新干線車體寬度為3 300～3 400mm，比中國和歐洲許多國家的車體寬300mm之多，即使采用空氣彈簧直接支撐于車體底架之下，轉(zhuǎn)向架仍有條件采用外側(cè)懸掛形式，使空氣彈簧橫向間距達2 500mm。由于大的橫向間距能使轉(zhuǎn)向架左右空氣彈簧的角剛度明顯增大，保證了抗側(cè)滾性能，所以可不再設(shè)置抗側(cè)滾扭桿裝置。

2．2 設(shè)置抗側(cè)滾扭桿

抗側(cè)滾扭桿裝置安裝于車體和轉(zhuǎn)向架之間，利用金屬彈性桿受扭矩作產(chǎn)生變形而提供抗扭轉(zhuǎn)反力矩。通常扭桿支撐座安裝于構(gòu)架上，連桿兩端為橡膠球鉸或金屬關(guān)節(jié)軸承，可在3個方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)車體相對于轉(zhuǎn)向架浮沉振動時，兩根連桿同時往一個方向運動，整個裝置繞支撐球鉸同時轉(zhuǎn)動，扭桿并不承受載荷，故不影響車體的浮沉振動，對除側(cè)滾以外的其它幾個運動同樣不提供任何附加力或扭矩。而當(dāng)車體與構(gòu)架之間發(fā)生側(cè)滾時，左右連桿向相反方向上下運動，通過扭轉(zhuǎn)臂使扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿由于彈性而產(chǎn)生反力矩；反力矩作用在垂向連桿上表現(xiàn)為一對大小相等方向相反的垂向力，而這對垂向力作用在車體上就形成了與車體側(cè)滾方向相反的抗側(cè)滾力矩，阻止車體相對于轉(zhuǎn)向架側(cè)滾?？箓?cè)滾扭桿裝置動作原理如圖1所示。

圖1 抗側(cè)滾扭桿裝置動作原理圖

2．3 兩種抗側(cè)滾形式對比

2．3．1 車輛性能

兩種抗側(cè)滾形式都能提供抗側(cè)滾剛度。加大空氣彈簧橫向跨距形式受車輛結(jié)構(gòu)和空間限制，能夠提供的抗側(cè)滾剛度有限，而抗側(cè)滾扭桿形式不受這方面的限制。另外，加大空氣彈簧橫向跨距后會對車輛的回轉(zhuǎn)剛度和搖頭運動產(chǎn)生影響，無法單獨解耦，而設(shè)置抗側(cè)滾扭桿裝置則沒有這方面的問題，抗側(cè)滾扭桿剛度變化不會對車輛其他性能產(chǎn)生影響。

2．3．2 空氣彈簧控制

空氣彈簧需要通過高度調(diào)整閥（以下簡稱“高度閥”）來控制其高度。高度閥的工作原理是通過車體與構(gòu)架之間的相對高度變化來控制高度閥充、排氣閥口的開閉，從而實現(xiàn)空氣彈簧的充氣和排氣過程。高度閥的作用就是使空氣彈簧在不同載荷工況下均保持相同高度，從而使車體地板面在不同載荷下均保持在相同高度。目前，軌道交通車輛空氣彈簧供風(fēng)系統(tǒng)的控制方式有3種，即兩點控制、三點控制和四點控制，其中三點控制方式在軌道交通車輛上的應(yīng)用較少，本文不討論。

采用兩點控制的車輛，在進出曲線時車體相對于轉(zhuǎn)向架發(fā)生側(cè)滾運動，由于兩空氣彈簧共用一個高度閥，且高度閥調(diào)整桿通常設(shè)置在車輛縱向中心線上，車體發(fā)生側(cè)滾運動后，縱向中心處車體和構(gòu)架相對位置保持不變，高度閥不動作，空氣彈簧不能為車輛提供抗側(cè)滾剛度。

采用四點控制的車輛，進出曲線時車輛產(chǎn)生側(cè)滾，空氣彈簧高度發(fā)生變化，由高度閥控制空氣彈簧將分別進行一次充氣和排氣過程。由于空氣彈簧充、排氣完成后具有一定的抗側(cè)滾剛度，因此可以提高車輛的抗側(cè)滾能力。

因此，當(dāng)車輛采用兩點控制時，必須設(shè)置抗側(cè)滾扭桿來提高車輛的抗側(cè)滾能力。當(dāng)車輛采用四點控制時，可以考慮增大空氣彈簧橫向跨距和設(shè)置抗側(cè)滾扭桿兩種結(jié)構(gòu)形式。

2．3．3 車輛運用維護

在車輛運用過程中，由于使用環(huán)境惡劣，極易出現(xiàn)扭桿表面被擊傷進而發(fā)生裂紋的情況。據(jù)某車輛段2012年8月—10月統(tǒng)計，在軌道交通客運車輛進行的A2級、A3級修程中共發(fā)現(xiàn)扭桿裂紋26件，占所檢修扭桿總數(shù)的24．1%。另外，部分車輛抗側(cè)滾扭桿裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分連接件拆卸困難，直接影響到其他部件的試驗和檢修，有時只能對其進行破壞性分解。

在滿足車輛限界要求和安全性的前提下，增大空氣彈簧橫向跨距形式比設(shè)置抗側(cè)滾扭桿形式明顯減少了轉(zhuǎn)向架的零部件數(shù)量，降低了車輛設(shè)計成本，簡化了轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式，降低了車輛運用維護成本和檢修工作量。

3 抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)選型分析

某地鐵運行線路全長33km，其中地下線路長30km，高架線路（含過江大橋）長3km。車輛寬度3 000mm，二系懸掛為空氣彈簧，采用四點控制，橫向跨距為2 050mm或2 210mm。

3．1 抗側(cè)滾剛度對抵抗側(cè)風(fēng)能力的影響

3．1．1穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)工況

計算條件為車速100km／h，6～9級穩(wěn)態(tài)風(fēng)。檢驗車輛的運行安全性、車體運動姿態(tài)等指標(biāo)。

通過仿真分析可知，在穩(wěn)態(tài)橫風(fēng)作用下，隨著扭桿剛度增大，輪軸橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)均逐漸減低（見圖2、圖3），選取適當(dāng)?shù)呐U剛度有利于提高側(cè)風(fēng)下的抗脫軌能力。

圖2 穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)下扭桿剛度對輪軸橫向力和減載率的影響

圖3 穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)下扭桿剛度對脫軌系數(shù)的影響

3．1．2 瞬態(tài)風(fēng)工況

瞬態(tài)風(fēng)的波形是根據(jù)我國線路實測風(fēng)壓波形而設(shè)定的。

（1）運行安全性：瞬態(tài)風(fēng)下扭桿剛度對輪軸橫向力、減載率、脫軌系數(shù)的仿真分析如圖4、圖5所示。通過仿真分析可知，在瞬態(tài)風(fēng)作用下隨著扭桿剛度增大，輪重減載和脫軌系數(shù)略增大；在計算工況下，各安全性指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 瞬態(tài)風(fēng)下扭桿剛度對輪軸橫向力和輪重減載率的影響

圖5 瞬態(tài)風(fēng)下扭桿剛度對脫軌系數(shù)的影響

（2）運動姿態(tài)：通過仿真分析可知，在瞬態(tài)風(fēng)作用下隨著扭桿剛度增大，車體側(cè)滾角明顯降低見（圖6）。

3．2 抗側(cè)扭桿剛度對動力學(xué)性能的影響

軌道交通車輛運行速度為100km／h，通過優(yōu)化計算選擇了曲線半徑R＝800m、超高h＝65mm、速度v＝100km／h，軌道不平順激擾為美國五級線路譜，其中曲線安全性指標(biāo)選取導(dǎo)向輪一位輪對外側(cè)作為考察對象。不同抗側(cè)滾剛度對車輛動力學(xué)性能的影響如圖7所示。

圖6 瞬態(tài)風(fēng)下扭桿剛度對車體側(cè)滾角的影響

圖7 不同抗側(cè)滾剛度對車輛動力學(xué)性能的影響

從圖7可以看出，抗側(cè)滾剛度對車輛運行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、曲線通過性能均影響不大；輪重減載率隨著抗側(cè)滾剛度的增大逐漸增加，說明側(cè)滾扭桿在一定程度上會惡化曲線通過性能。

3．3 抗側(cè)滾扭桿剛度對柔度系數(shù)的影響

由圖8、圖9可知：當(dāng)空氣彈簧跨距為2 050mm且扭桿剛度大于0．1MN·m／rad時，柔度系數(shù)滿足小于0．4的要求；當(dāng)跨距為2 210mm時不設(shè)置扭桿可滿足柔度系數(shù)要求。

圖8 抗側(cè)滾扭桿剛度對車輛柔度系數(shù)的影響（空氣彈簧跨度為2 050mm）

該地鐵車輛為四點控制形式，車輛具備加寬空氣彈簧橫向跨距的條件。綜合上述分析，該地鐵車輛通過加寬空氣彈簧橫向跨距的方式可以滿足車輛安全運行的要求。

圖9 抗側(cè)滾扭桿剛度對車輛柔度系數(shù)的影響（空氣彈簧跨度為2 210mm）

4 結(jié)論

（1）當(dāng)車輛采用兩點控制時，必須設(shè)置抗側(cè)滾扭桿來提高車輛的抗側(cè)滾能力。

（2）當(dāng)車輛采用四點控制時，可以考慮增大空氣彈簧橫向跨距和設(shè)置抗側(cè)滾扭桿兩種結(jié)構(gòu)形式。

（3）在車輛限界、車體結(jié)構(gòu)與外廓尺寸允許的前提下，依靠增大空氣彈簧的橫向跨距來提高車輛的側(cè)滾角剛度不失為一種理想的選擇，因為它簡化了轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，對改善車輛動力學(xué)性能也是有利的。

［1］ 嚴(yán)雋耄．車輛工程［M］．2版．北京：中國鐵道出版社，1999．

［2］ 池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等．高速客車轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)分析［J］．大連交通大學(xué)學(xué)報，2007（3）：13．

Type Selection of Anti－roll Structural Forms for Rail Transit Vehicle

LIANG Yun，LI Wenxue，WANG Yunpeng

The influences of anti－roll stiffness on the capacity of rail transit vehicle are introduced．Theoretical basis for the type selection of anti－roll structural forms for rail transit vehicle is provided through an analysis from4 aspects：the control ways，the capacity of resistance to side wind，the dynamics performance and the flexibility coefficient．The research confirms that in two－point control mode，the antiroll torsion bar must be installed，while in four－point control mode，the air spring span must be increased and the anti－roll torsion bar be installed to enhance the anti－roll capacity．

rail transit vehicles；anti－roll structure；antiroll stiffness

U270．33

10．16037／j．1007－869x．2017．02．004

2016－09－01）