城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架研究*

羅湘萍 劉光輝

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥第一作者,副教授)

城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架研究*

羅湘萍 劉光輝

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上?！蔚谝蛔髡?副教授)

針對轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架技術(shù)進行了專題研究,分析了實現(xiàn)構(gòu)架柔性的不同方式。提出了一種彈性鉸接式雙“T”型柔性構(gòu)架方案,其扭曲剛度可低至0.03 kN/mm。采用Abaqus軟件分析了電機懸掛方式和抗側(cè)滾扭桿裝置對柔性構(gòu)架的干涉。仿真分析表明,基于雙“T”型柔性構(gòu)架平臺的永磁直驅(qū)電機彈性懸掛,優(yōu)選三點架懸方式;為降低抗側(cè)滾扭桿裝置對構(gòu)架柔性的影響,抗側(cè)滾扭桿裝置的安裝位置應盡量靠近構(gòu)架縱向中心位置。

轉(zhuǎn)向架; 柔性構(gòu)架; 電機懸掛方式; 抗側(cè)滾扭桿裝置

傳統(tǒng)的軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架普遍采用剛性構(gòu)架。構(gòu)架橫梁和側(cè)梁剛性固接在一起,僅依靠一系懸掛的柔度來緩和線路扭曲的影響。一系懸掛的柔度越大,其適應線路扭曲的能力越強。然而,基于一系一定柔度的前提下,若線路扭曲過大,則轉(zhuǎn)向架的輪重減載率將超標。這將嚴重影響轉(zhuǎn)向架運行的安全性,極大限制軌道交通車輛適應線路的能力。

對于采用直線電機的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架,為降低簧下質(zhì)量,直線電機宜采用架懸；受直線電機與感應板間氣隙條件的限制,一系懸掛需設置較大的剛度。對于采用永磁直驅(qū)電機架懸的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架,為滿足輪對與空心軸間的空間變位能力,輪對和空心軸間需要留有一定間隙,且間隙的大小與空重車載重的變化量和一系懸掛的剛度有關(guān):空重車載重變化越大,一系懸掛的剛度越小,所需間隙就越大。增大的間隙使得空心軸的尺寸增加,永磁電機的尺寸也會隨之增加,但永磁電機的外部尺寸還受到轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和車輛限界的限制。為降低空心軸和電機的尺寸,采用永磁直驅(qū)電機架懸的地鐵車輛轉(zhuǎn)向架擬將一系懸掛剛度設置得比現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架略高。但一系懸掛剛度的增大將會降低轉(zhuǎn)向架對線路扭曲的適應能力。

為彌補和強化轉(zhuǎn)向架適應線路扭曲的能力,提高列車通過曲線的安全性能,可通過改變構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式或構(gòu)架采用高強度彈性材料等方式,突破傳統(tǒng)剛性構(gòu)架一系懸掛四點支撐的超靜定約束受力,使得構(gòu)架一系懸掛的四點支撐中的任何一點受到線路扭曲抬降時,另外三點支撐的載荷變化盡可能小。即減小線路扭曲帶來的一系懸掛撓度變化,讓構(gòu)架自身也承擔一部分的線路扭曲量。本文定義依靠自身結(jié)構(gòu)來承擔一部分線路扭曲量的構(gòu)架稱之為柔性構(gòu)架。

1 現(xiàn)有柔性構(gòu)架技術(shù)

國內(nèi)外多家軌道交通車輛公司在此領(lǐng)域開展了柔性構(gòu)架的技術(shù)研究。如某公司設計的柔性構(gòu)架(見圖1)采用了柔性橫梁結(jié)構(gòu)[1]。左右側(cè)梁的中部通過4片鋼板組成的柔性橫梁固接在一起,從柔性橫梁的端面看,4片鋼板呈X形輻射狀分布。該設計實現(xiàn)了左右側(cè)梁間的無摩擦式柔性連接,便于左右剛性側(cè)梁相對點頭運動,以提高轉(zhuǎn)向架對線路扭曲的適應能力。柔性橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度可通過調(diào)整4塊鋼板的幾何參數(shù)使其在滿足強度前提下獲得較小值。但該柔性橫梁結(jié)構(gòu)上很難設計電機安裝座及齒輪箱吊座,因此無法實現(xiàn)電機、聯(lián)軸器和齒輪箱驅(qū)動方案的集成設計。

日本川崎重工業(yè)公司開發(fā)了采用碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)彈簧板的軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架“efWING”(見圖2)。該新型轉(zhuǎn)向架將側(cè)梁和一系懸掛的功能整合到弓形CFRP彈簧板中,大大降低了其當量一系懸掛剛度,從而增強了其適應線路扭曲的能力。該新型轉(zhuǎn)向架是未來軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架發(fā)展的一個方向,但受技術(shù)及成本的限制,現(xiàn)階段仍無法推廣使用。

德國西門子公司的Syntegra永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架(見圖3)采用了柔性構(gòu)架技術(shù)[2]。該柔性構(gòu)架屬于鉸接式構(gòu)架,將左右側(cè)梁和橫梁通過銷鉸連接而成,可實現(xiàn)左右側(cè)梁相對于橫梁無約束的反向點頭,極大降低了構(gòu)架的扭曲剛度,從而實現(xiàn)了構(gòu)架的柔性功能。某公司設計的直線電機轉(zhuǎn)向架(見圖4)采用了“雙T”型鉸接式柔性構(gòu)架[3],其鉸接裝置對角布置在構(gòu)架橫梁和側(cè)梁連接處,使得構(gòu)架左右側(cè)梁具有柔性的連接點以適應線路的扭曲,提高構(gòu)架承受線路扭曲的能力。但由于該構(gòu)架鉸接采用的橡膠關(guān)節(jié)裝置橫向剛度較小,不足以通過橫梁來傳遞橫向力,故需在構(gòu)架兩側(cè)梁間增加中心輔助橫梁來傳遞橫向力。而這又使得結(jié)構(gòu)過于復雜。

圖1 X形柔性橫梁構(gòu)架

圖2 川崎“efWING”轉(zhuǎn)向架

圖3 西門子Syntegra轉(zhuǎn)向架

圖4 鉸接式直線電機轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

為解決以上問題,本文設計了一種結(jié)構(gòu)簡單且能實現(xiàn)直驅(qū)電機架懸的彈性鉸接式雙“T”型柔性構(gòu)架,并使用Abaqus軟件分析了電機架懸和安裝抗側(cè)滾扭桿對柔性構(gòu)架的干涉性。

2 柔性構(gòu)架設計與扭曲剛度分析

柔性構(gòu)架通過改變構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式或采用新材料等方式,使得構(gòu)架一系懸掛四點支撐中的一點相對于其它三點形成的平面在垂直方向上可相對自由地運動。柔性構(gòu)架剛度計算簡圖如圖5所示。當構(gòu)架的某一點支撐在軸頸中心位置處受到力F時,受載端產(chǎn)生δ的位移。構(gòu)架的扭曲剛度即為產(chǎn)生單位位移的力,可用來評價構(gòu)架的柔性效果。構(gòu)架的扭曲剛度采用式(1)進行計算。

文獻[4-5]也均采用式(1)的形式來定義構(gòu)架的扭曲剛度。采用該定義計算扭曲剛度的數(shù)值時,可直接采用由有限元方法或試驗得到的構(gòu)架上對應于軸頸中心位置的垂向彈性變形,而不必再轉(zhuǎn)換到扭轉(zhuǎn)角位移。而且,該定義的單位與軸箱彈簧垂向剛度一致,便于計算剛度串聯(lián)后軸箱彈簧和構(gòu)架的變形分布[5]。

(1)

圖5 構(gòu)架扭曲剛度計算方法

柔性構(gòu)架除應滿足較低扭曲剛度要求之外,還應滿足軌道交通車輛對構(gòu)架的基本要求,為轉(zhuǎn)向架各零部件提供安裝基礎(chǔ),并承受和傳遞車體到輪對的垂向力、橫向力和縱向力。柔性構(gòu)架的設計將圍繞上述要求展開,將構(gòu)架橫梁和側(cè)梁解耦,把構(gòu)架分解為兩個或多個部件,并合理布置彈性鉸接環(huán)節(jié),使得構(gòu)架左右側(cè)梁具有相對自由扭轉(zhuǎn)的能力,以實現(xiàn)構(gòu)架的低扭曲剛度。

為滿足柔性構(gòu)架的各項要求,用于鉸接式柔性構(gòu)架的橡膠關(guān)節(jié)應具有扭轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)剛度低、徑向和橫向剛度大的特點?；诖嗽瓌t,本文設計了一種新型的橡膠關(guān)節(jié)裝置(見圖6)。

圖6 橡膠關(guān)節(jié)裝置示意圖

該橡膠關(guān)節(jié)裝置主要由橡膠關(guān)節(jié)、鉸接軸、安裝座、端部螺栓、內(nèi)外端蓋和橡膠密封圈組成。鉸接軸與構(gòu)架橫梁焊接連接。并通過端部螺栓和橡膠關(guān)節(jié)連接,安裝座與構(gòu)架側(cè)梁焊接連接。橡膠關(guān)節(jié)的橡膠斷面呈開口相對的雙“U”型,不僅易于橡膠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)變形,保證其有較低的偏轉(zhuǎn)剛度,而且,其“U”型邊還增大了橡膠關(guān)節(jié)的徑向和橫向剛度。本文提出的兩種不同鉸接點布置形式鉸接式柔性構(gòu)架方案均采用此橡膠關(guān)節(jié)裝置。

2.1 四點鉸接式柔性構(gòu)架

為實現(xiàn)構(gòu)架的柔性,一種方案是采用4個橡膠關(guān)節(jié)將橫梁與側(cè)梁鉸接(見圖7),以充分利用橡膠關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度和偏轉(zhuǎn)剛度低、徑向和橫向剛度大的特性。該方案的箱形橫梁既能承受電機座和齒輪箱吊座的懸臂扭矩,也能傳遞橫向力和縱向力,較易實現(xiàn)驅(qū)動方案的集成設計。

圖7 四點鉸接式柔性構(gòu)架

為分析構(gòu)架的柔性效果,采用Abaqus軟件建立了柔性構(gòu)架的有限元模型。計算得到的構(gòu)架扭曲剛度為2.01 kN/mm,和現(xiàn)有整體構(gòu)架的扭曲剛度基本相同。經(jīng)分析，橡膠件幾乎沒有偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)變形,僅為單一徑向變形(見圖8)；而橡膠件的徑向剛度較大且徑向變形能力有限?？梢姡摲桨肝茨艹浞掷孟鹉z關(guān)節(jié)的特性,無法滿足設計要求,故不能實現(xiàn)構(gòu)架的柔性。

圖8 構(gòu)架受載的位移云圖

2.2 “雙T”型柔性構(gòu)架

進一步分析四點鉸接式構(gòu)架可知,箱形橫梁將4個橡膠關(guān)節(jié)裝置約束在同一平面內(nèi),而且同一側(cè)梁的2個橡膠關(guān)節(jié)裝置跨開一定的距離,只能依靠橡膠關(guān)節(jié)微小的徑向變形量來提供構(gòu)架的扭曲剛度。因此,將箱形橫梁替換為2根橫梁圓管,解除箱形橫梁對橡膠關(guān)節(jié)裝置的過度約束,將橡膠關(guān)節(jié)裝置對角布置在構(gòu)架橫梁和側(cè)梁連接處而形成雙“T”型柔性構(gòu)架(見圖9)。和圖4的鉸接式直線電機轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相比較,本構(gòu)架采用的橡膠關(guān)節(jié)裝置可以傳遞橫向力,因而不再需要中心輔助橫梁,結(jié)構(gòu)得到了簡化。

圖9 雙“T”型柔性構(gòu)架

同理建立雙“T”型柔性構(gòu)架的有限元模型進行計算,得到構(gòu)架的扭曲剛度為0.03 kN/mm,抗菱剛度為3.56×103MN·mm/rad。構(gòu)架受載的位移云圖見圖10-11。計算結(jié)果表明,雙“T”型柔性構(gòu)架的扭曲剛度僅為現(xiàn)有整體構(gòu)架扭曲剛度的1/60,柔性效果十分明顯,并能提供足夠的抗菱剛度,其穩(wěn)定性也未降低。

圖10 雙“T”型柔性構(gòu)架扭曲位移云圖

圖11 雙“T”型柔性構(gòu)架抗菱位移云圖

該雙“T”型柔性構(gòu)架充分利用了橡膠關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)剛度低,且徑向和橫向剛度大的特點。當構(gòu)架受到扭曲載荷時,對角布置的2個橡膠關(guān)節(jié)出現(xiàn)較大的偏轉(zhuǎn)變形,不再處于同一高度上。這使得該構(gòu)架的扭曲剛度很低。當構(gòu)架受到菱形變位載荷時,2個橡膠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)變形較小。由于橡膠關(guān)節(jié)徑向和橫向剛度大,因此,該構(gòu)架具有較大的抗菱剛度。

3 電機架懸對構(gòu)架柔性的影響

雙“T”型柔性構(gòu)架通過左右側(cè)梁解耦的方式實現(xiàn)了構(gòu)架的柔性,將構(gòu)架由1個剛性平面結(jié)構(gòu)變?yōu)橥ㄟ^橡膠關(guān)節(jié)連接的2個平面結(jié)構(gòu)。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架其它零部件的安裝基礎(chǔ),任何在柔性構(gòu)架2個平面結(jié)構(gòu)間建立連接關(guān)系的零部件均會對構(gòu)架解耦產(chǎn)生影響,即對構(gòu)架的柔性產(chǎn)生干涉效應。

永磁電機通過橡膠元件彈性架懸于構(gòu)架上,需在2個“T”型框架間建立連接關(guān)系。為選擇合適的電機架懸方式,利用Abaqus軟件進行非線性有限元計算，得到電機不同架懸方式下構(gòu)架扭曲剛度比較結(jié)果(見圖12、圖13及表1)。

圖12 電機三點架懸下構(gòu)架受扭位移云圖

圖13 電機四點架懸下構(gòu)架受扭位移云圖

表1 雙“T”型構(gòu)架扭曲剛度計算結(jié)果對比表

由表1可知,永磁電機彈性架懸于構(gòu)架會對雙“T”型構(gòu)架的柔性產(chǎn)生干涉。永磁電機三點架懸時的干涉程度較低;永磁電機四點架懸時的干涉程度很高。因此基于雙“T”型柔性構(gòu)架平臺的永磁電機懸掛,應選擇三點彈性架懸方式。

4 抗側(cè)滾扭桿裝置對構(gòu)架柔性的影響

由于抗側(cè)滾扭桿裝置利用金屬彈性桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時提供的反力矩,來抑制車輛的側(cè)滾振動,同時又不影響車輛的伸縮、橫擺、點頭、搖頭及沉浮等振動,因此，其在軌道交通車輛上得到廣泛應用?？箓?cè)滾扭桿裝置布置在構(gòu)架和車體之間,而構(gòu)架左右側(cè)梁通過車體建立了連接關(guān)系。這勢必將對柔性構(gòu)架扭曲形成干涉。

抗側(cè)滾扭桿裝置主要由連桿、扭臂、扭桿、安裝座和橡膠球關(guān)節(jié)等組成。由于雙“T”型柔性構(gòu)架的2根橫梁管端部對角布置有橡膠鉸接關(guān)節(jié)裝置,故扭桿無法采用貫穿橫梁管的安裝方式。基于軌道交通車輛限界的考慮,選擇車體安裝扭桿的方式。

4.1 扭桿抗側(cè)滾剛度對構(gòu)架柔性的影響

通常扭桿為圓柱體，其扭轉(zhuǎn)剛度為:

(2)

式中:

T——扭桿所受扭矩載荷;

φ——扭桿兩端相對轉(zhuǎn)角;

G——材料的剪切模量;

μ——材料的泊松比;

E——材料的彈性模量;

Ip——極慣性矩;

L——扭桿的有效工作長度;

R——扭桿的半徑。

扭桿對車體的抗側(cè)滾剛度為:

(3)

式中:

b——扭桿安裝座橫向跨距;

a——扭臂長度。

建立扭桿關(guān)聯(lián)柔性構(gòu)架與車體的有限元計算模型如圖14所示。在不改變扭桿連桿連接于側(cè)梁縱向位置的情況下,分別計算扭桿不同抗側(cè)滾剛度下構(gòu)架的扭曲剛度。計算結(jié)果見表2。

圖14 柔性構(gòu)架有限元計算模型

表2 扭桿不同剛度下構(gòu)架扭曲剛度計算結(jié)果

由表2可知,抗側(cè)滾扭桿裝置對柔性構(gòu)架扭曲剛度有一定的影響。且抗側(cè)滾剛度越大,對柔性構(gòu)架扭曲剛度的影響也越大。因此抗側(cè)滾剛度不宜設置過大。

4.2 扭桿安裝位置對構(gòu)架柔性的影響

在不改變扭桿抗側(cè)滾剛度的情況下,分別計算連桿距構(gòu)架中心不同縱向距離時構(gòu)架的扭曲剛度。計算結(jié)果見表3。

由表3可知,扭桿的安裝位置對柔性構(gòu)架扭曲剛度有一定的影響。連桿距構(gòu)架中心縱向距離越大,對柔性構(gòu)架扭曲剛度的影響也越大,因此扭桿應盡可能趨于構(gòu)架中心安裝。

表3 扭桿不同安裝位置下構(gòu)架扭曲剛度計算結(jié)果

5 結(jié)論

本文所設計的彈性鉸接式柔性構(gòu)架扭曲剛度可低至0.03 kN/mm,其抗菱剛度也能維持較大值,且具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、維護方便等優(yōu)點。

通過仿真計算分析電機懸掛方式、抗側(cè)滾扭桿裝置的抗側(cè)滾剛度和安裝位置等對構(gòu)架柔性的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 基于雙“T”型柔性構(gòu)架平臺的永磁電機懸掛,應選擇三點架懸方式。

(2) 扭桿的抗側(cè)滾剛度對構(gòu)架柔性有一定影響,在滿足動力學性能和限界的前提下盡可能選擇較小值。

(3) 為降低抗側(cè)滾扭桿裝置安裝位置對構(gòu)架柔性的影響,扭桿應盡可能趨于構(gòu)架中心安裝。

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On the Flexible Frame of Urban Mass Transit Vehicle Bogie

LUO Xiangping, LIU Guanghui

Flexible bogie frame technology is studied additionally, the different ways to realize the flexibility of bogie frame are analyzed. An elastic articulated double "T" flexible bogie frame is proposed, the torsional stiffness of which could be lowed to 0.03 kN/mm. Then, Abaqus software is used to analyze the interference of the motor suspension mode and the anti-roll torsion bar on flexible bogie frame. Simulation results show that the direct-driven permanent magnet motor flexibly suspension based on double "T" flexible bogie frame platform prefers three point suspension. In order to reduce the influence of the anti-roll torsion bar on the flexible bogie frame,the installation position of the anti-roll bar should be as close as possible to the longitudinal center of the bogie frame.

bogie; flexible frame; motor suspension mode; anti-roll torsion bar

Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

*國家科技支撐計劃項目(2015BAG12B01-21)

U 270.331

10.16037/j.1007-869x.2017.03.004

2016-06-22)