城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架雙T型鉸接式柔性構(gòu)架動力學(xué)特性仿真研究

王常龍

摘要：現(xiàn)階段，隨著城市人口密集程度加大，空間條件限制了城市軌道交通線路緩和曲線的長度，從而加劇了現(xiàn)有城市軌道交通線路的扭曲程度。由于城市軌道交通車輛具有較大空重車變化，為控制車輛地板面高度，需設(shè)置較大的一系豎向剛度。而傳統(tǒng)剛性構(gòu)架僅依靠一系懸掛適應(yīng)線路扭曲，在一系豎向剛度較大且無法進一步減小的前提下，其適應(yīng)線路扭曲的能力受限。當(dāng)車輛通過大扭曲線路時，輪重減載率超標(biāo)，行車安全難以得到保障。近年來，柔性構(gòu)架技術(shù)成為解決上述矛盾的一種有效途徑。業(yè)界針對柔性構(gòu)架主要有以下幾種設(shè)計方法：①用強度大、剛度低的新型材料制作縱梁；②改變橫梁結(jié)構(gòu)形式；③左右側(cè)梁解耦，采用鉸接式連接。本文涉及的柔性構(gòu)架方案將整體H型構(gòu)架解耦成雙T型構(gòu)架。但此種結(jié)構(gòu)形式不可避免地改變了同一構(gòu)架前后輪對間的耦合關(guān)系，故其對車輛運行穩(wěn)定性的影響有待研究。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通車輛；轉(zhuǎn)向架雙T型鉸接式；柔性構(gòu)架動力學(xué)；特性仿真研究

引言

基于城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架雙T型鉸接式柔性構(gòu)架方案，進行了與其相關(guān)的動力學(xué)特性仿真研究。通過建立柔性構(gòu)架的仿真模型，分析柔性構(gòu)架對扭曲線路的適應(yīng)性及運行穩(wěn)定性，研究了鉸接橡膠節(jié)點剛度對動力學(xué)特性的影響。結(jié)果表明，相較傳統(tǒng)剛性構(gòu)架，所述柔性構(gòu)架在具有較高線路扭曲適應(yīng)性的同時，其運行穩(wěn)定性并未明顯降低。驗證了該方案的可行性，并為其工程化運用提供了參考。

1雙T型鉸接式柔性構(gòu)架方案及其仿真模型

所述的柔性構(gòu)架方案需具備以下技術(shù)特征：①較低的扭轉(zhuǎn)剛度，保證車輛具有足夠的曲線通過安全性；②較高的抗菱剛度，保證車輛具有較好的運行穩(wěn)定性；③承受和傳遞車體到輪對的豎向力、橫向力和縱向力。根據(jù)上述要求，提出一種雙T型鉸接式柔性構(gòu)架方案。橫梁管一端與側(cè)梁剛性連接，形成T型結(jié)構(gòu)，另一端與另一T型結(jié)構(gòu)的側(cè)梁通過橡膠關(guān)節(jié)連接。兩T型構(gòu)架通過兩個橡膠關(guān)節(jié)鉸接成H型構(gòu)架。該方案通過合理布置彈性鉸接環(huán)節(jié)將左右T型構(gòu)架解耦，使構(gòu)架左、右側(cè)梁具有相對自由扭曲的能力，從而降低構(gòu)架扭曲剛度。本文一系列動力學(xué)特性研究均基于此方案開展。橡膠關(guān)節(jié)提供了其鉸接軸相對于側(cè)梁的各向剛度，所述橡膠關(guān)節(jié)具有扭轉(zhuǎn)及偏轉(zhuǎn)剛度低、軸向及徑向剛度大的特點。

2柔性構(gòu)架對扭曲線路的適應(yīng)性

2.1柔性轉(zhuǎn)向架的扭曲剛度

柔性轉(zhuǎn)向架整體的扭曲剛度由一系懸掛豎向剛度、橡膠節(jié)點的扭轉(zhuǎn)及偏轉(zhuǎn)剛度共同確定。當(dāng)橡膠節(jié)點扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)剛度減小直至趨于零時，轉(zhuǎn)向架整體扭曲剛度隨之減小直至為零；而當(dāng)橡膠節(jié)點扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)剛度增大直至趨于無窮大時，轉(zhuǎn)向架整體扭曲剛度也隨之增大直至與傳統(tǒng)H型構(gòu)架趨于一致。此外，對于柔性構(gòu)架，橡膠結(jié)點的加入可等效看成在一系懸掛上串聯(lián)了某一剛度的彈簧，進而顯著降低總體扭曲剛度。根據(jù)上述分析可知，柔性轉(zhuǎn)向架不再僅依靠一系懸掛適應(yīng)線路扭曲，故柔性構(gòu)架方案可在理論上顯著提高轉(zhuǎn)向架扭曲線路適應(yīng)能力。

2.2柔性構(gòu)架的線路扭曲適應(yīng)性

分析柔性構(gòu)架對扭曲線路的適應(yīng)性時，以EN14363：2005中規(guī)定的分析線路扭曲時的軌道參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)置一系列具有不同扭曲率的仿真線路。曲線半徑為150m，超高45mm，中間包含一段長度為d、扭曲率為0.09/d的超高變化區(qū)段，直至超高變?yōu)?45mm。整段曲線前后各有一段長為30m的直線線路，線路的緩和曲線長度為20m，圓曲線長度為110m，超高變化點前后的圓曲線長度為（55m-d/2），出緩和曲線長度為20m。車輛通過速度為10km/h。則通過改變超高變化區(qū)段d的長度，可得到具有不同扭曲率的線路，以此分析柔性構(gòu)架對線路扭曲的適應(yīng)能力。相較傳統(tǒng)剛性構(gòu)架，柔性構(gòu)架在車輛通過扭曲線路時具有較小的輪重減載率，且隨線路扭曲率增大，該方案的優(yōu)勢愈發(fā)明顯；當(dāng)線路扭曲率為5‰時，剛性構(gòu)架的輪重減載率達到限值，而此時柔性構(gòu)架的輪重減載率仍有一定余量。因此，柔性構(gòu)架方案對扭曲線路的適應(yīng)性優(yōu)于傳統(tǒng)剛性構(gòu)架。傳統(tǒng)剛性構(gòu)架僅依靠一系懸掛適應(yīng)線路扭曲，而采取柔性構(gòu)架方案后，轉(zhuǎn)向架適應(yīng)扭曲線路的能力對一系剛度的依賴度將顯著降低。故需研究當(dāng)一系懸掛變形能力不足時，剛、柔性構(gòu)架的扭曲線路適應(yīng)性。線路扭曲率為3‰的條件下，僅改變一系豎向剛度所得最大輪重減載率。橫軸一系豎向剛度比例系數(shù)為仿真計算中所取一系豎向剛度值與方案設(shè)計值之比。相較傳統(tǒng)剛性構(gòu)架，柔性構(gòu)架方案在車輛通過相同扭曲率的線路時具有較小的輪重減載率，且隨一系豎向剛度增大，該方案的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。由此說明，對于某些要求具有較大一系豎向剛度的轉(zhuǎn)向架，采用柔性構(gòu)架方案仍可使其具備較好的扭曲線路適應(yīng)能力。

2.3橡膠節(jié)點剛度對構(gòu)架線路扭曲適應(yīng)能力的影響

轉(zhuǎn)向架整體的扭曲剛度與橡膠節(jié)點的扭轉(zhuǎn)及偏轉(zhuǎn)剛度有關(guān)，而其大小對轉(zhuǎn)向架線路扭曲適應(yīng)能力的影響仍需作進一步的研究。橫軸剛度比例系數(shù)為仿真計算中所取橡膠節(jié)點各項剛度值與方案設(shè)計值之比。結(jié)果表明，在一定變化范圍內(nèi)，輪重減載率隨橡膠節(jié)點扭轉(zhuǎn)及偏轉(zhuǎn)的提高雖略有增大，但上升幅度僅限于0.01的小范圍內(nèi)。因此，在該方案的工程化運用過程中，轉(zhuǎn)向架對線路扭曲的適應(yīng)性能并非制約橡膠節(jié)點剛度設(shè)計及優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3柔性構(gòu)架對車輛運行穩(wěn)定性的影響

3.1柔性構(gòu)架的車輛運行穩(wěn)定性

柔性構(gòu)架方案將整體H型構(gòu)架解耦為左右雙T型構(gòu)架，使得左右構(gòu)架具有相對縱向自由度，亦在一定程度上改變了同轉(zhuǎn)向架兩輪對間的耦合關(guān)系，故可能對車輛運行穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，需計算所述柔性構(gòu)架方案的非線性臨界速度，并進一步與傳統(tǒng)剛性構(gòu)架進行對比分析。計算模型采用無不平順的平直R60軌道及LMA磨耗型踏面。經(jīng)計算，剛性構(gòu)架的非線性臨界速度為150km/h，柔性構(gòu)架的非線性臨界速度為152km/h。可見，相較剛性構(gòu)架，橡膠結(jié)點的加入并未降低轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性。

3.2橡膠節(jié)點剛度對車輛運行穩(wěn)定性的影響

橡膠節(jié)點的徑向剛度將對轉(zhuǎn)向架整體抗剪剛度產(chǎn)生影響，進而影響車輛運行穩(wěn)定性。當(dāng)橡膠節(jié)點的徑向剛度為8MN/m時，車輛具有最優(yōu)的運行穩(wěn)定性；而進一步增大橡膠節(jié)點徑向剛度，對車輛運行穩(wěn)定性影響不大。故為確保滿足轉(zhuǎn)向架運行穩(wěn)定性的需求，橡膠節(jié)點的徑向剛度應(yīng)不低于8MN/m。

結(jié)語

（1）雙T型鉸接式柔性構(gòu)架可提高車輛適應(yīng)線路扭曲的能力，且該優(yōu)勢隨線路扭曲程度增大愈發(fā)明顯。（2）對于某些要求具有較大一系豎向剛度的轉(zhuǎn)向架，采用柔性構(gòu)架方案仍可使其具備較好的扭曲線路適應(yīng)能力。（3）鉸接橡膠節(jié)點剛度對車輛線路扭曲適應(yīng)能力無顯著影響，線路扭曲的適應(yīng)能力并非制約橡膠節(jié)點剛度設(shè)計及優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（4）雙T型鉸接式柔性構(gòu)架對車輛運行穩(wěn)定性不會造成明顯不利的影響。（5）考慮滿足轉(zhuǎn)向架運行穩(wěn)定性的需求，橡膠節(jié)點的徑向剛度不應(yīng)低于8MN/m。上述仿真成果驗證了雙T型鉸接式柔性構(gòu)架的有效性及安全性，并可為其工程化運用提供一定參考。

參考文獻

[1]羅湘萍，劉光輝.城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架研究[J].城市軌道交通研究，2017（3）：15.

[2]楚永萍，唐永明，馮遵委，等.軌道車輛柔性轉(zhuǎn)向架：中國，CN201220333404.9[P].2013-03-06.

[3]趙洪倫.軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4]沈鋼.軌道車輛系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2009：175-176.

[5]張輝，任珠芳，胡用生.貨車轉(zhuǎn)向架的抗菱、抗剪與抗彎剛度[J].鐵道車輛，1999（12）：8.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）