機械式半主動控制橡膠節點的計算機仿真

劉高明，沈 鋼

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

在設計轉向架和優化車輛懸掛系統的參數時，車輛工程師必然要面對的一個最基本的矛盾就是車輛運行的蛇行穩定性和曲線通過性能兩者之間的協調問題，同時考慮鐵道車輛在曲線段的鋼軌及輪緣磨耗問題[1-3]。如果城市軌道交通線路復雜，曲線半徑較小，其輪緣磨耗及鋼軌側磨問題將更為突出，它不僅增加了脫軌事故的可能性，頻繁的鏇輪和鋼軌更換也給城市軌道交通的運營帶來了巨大的經濟負擔，同時輪緣咬切鋼軌產生的嘯叫聲會直接影響到車輛的乘坐舒適性，也對城市環境造成了噪聲污染。目前解決這一問題的主要方法有4種。

1）選用不同的懸掛策略。列車主動懸掛控制是自動控制理論在列車隨機振動平穩性控制上的應用，相對于無控制的被動懸掛系統而得名。列車主動懸掛控制是指列車在運行過程中，通過振動傳感器實時地檢測車體和根據算法需要是否檢測構架振動大小，將檢測出的振動值按一定的評價指標或控制算法計算出相應的控制量，將控制量通過驅動放大作用于執行元件或執行機構改變列車懸掛系統特性，即實時調節懸掛系統的“軟硬”特性，以適應列車不同線路和不同運行狀況，最大限度的抑制車體振動，從而提高列車運行平穩性[4-6]等。主動懸掛按其控制過程中系統是否需要外界提供能量，可分為主動懸掛控制和半主動懸掛控制[7-9]。沈鋼教授[10-11]和一些業內人士提出了一種采用力作用元件對輪對施以搖頭運動閉環控制的方法，結果表明該主動控制導向轉向架能根據轉向架在曲線軌道上的受力環境，使輪對以較合理姿態通過曲線，最佳地利用輪軌間的蠕滑力，減小輪軌磨耗。但是，這些傳統的懸掛控制方式在應用上各有優點和缺點，都不能同時解決車輛的曲線通過性能與穩定性，以及降低輪軌磨耗等動力學問題，如全主動懸掛系統因需要油壓和氣壓等動力源，存在穩定性問題和控制系統故障后的安全問題，而采用橫向半主動懸掛方式將使輪對動力學性能惡化[12]等。

2）優化車輛的設計參數。周勁松教授等人[13]以轉向架軸箱定位剛度為設計變量，采用折中優化的方法得到了一系定位剛度參數在可行域內的最優解；He Yuping等人[14]以輪對沖角，橫向力和縱向力之間的比值的加權函數為優化目標，采用遺傳算法方法自動搜索最優參數。這些都是從優化設計的角度去解決車輛穩定性與曲線通過之間的矛盾。

3）采用液壓阻尼式橡膠襯套。Jerry Evans[15]使用一種液壓阻尼式橡膠襯套來代替普通徑向轉向架的軸箱定位節點。該橡膠襯套內設有阻尼通道，利用其阻尼特性可實現低頻低剛度和高頻高剛度的動態特性。通過仿真和試驗的方法驗證了該橡膠襯套能夠在保證車輛直線穩定性的前提下，提高曲線通過性能。但是該襯套容易產生高溫現象，并且不易散熱，進而易使橡膠老化，影響其整體功能的充分實現。

4）對輪軌進行涂油潤滑。在曲線段對輪軌進行涂油潤滑，能夠降低輪軌間的摩擦系數，對減小輪軌磨耗起到一定作用，且該方法經濟性較高，然而摩擦系數的降低會限制車輛牽引力的發揮，從而影響車輛的動力性能，同時，鋼軌表面的油液會影響輪軌的滾動接觸疲勞特性，為鋼軌和輪對的疲勞破壞埋下隱患。

這些傳統的方法，對于解決車輛穩定性與曲線通過性能之間的矛盾，理論分析上比較繁瑣，實際應用上仍有局限性，難以使車輛的動力學性能有進一步的改善。

1 機械式半主動控制軸箱定位裝置

機械式半主動控制軸箱定位裝置由離心式控制機構和機械式橡膠節點構成，而其控制的“半主動”性，正是由這兩個特殊機構來實現。離心式控制機構安裝在一個旋轉的部件上，以其轉速，即系統內的能量，而不是由系統之外的能量作為控制信號和動力源，控制機械式橡膠節點內滑閥的移動，進而調整橡膠節點的剛度，以滿足車輛穩定性和曲線通過性能對橡膠節點縱向剛度的不同需求。

1.1 離心式控制結構

圖1為離心式控制機構的簡圖，該控制系統是無源主動懸掛控制系統，即半主動控制懸掛系統，其不需要系統外部能量的輸入，而僅僅以輪對轉速為動力源，通過該機構實時調節機械式橡膠節點的剛度值，從而改善懸掛系統的動力學性能。如圖1所示，安裝盤安裝在軸端的旋轉部件上，并由其帶動轉動，當達到一定轉速時，擺臂在離心力作用下產生擺角，進而推動拉桿產生一定的位移。預緊彈簧為拉桿提供回復力，同時可以通過改變彈簧的預壓縮量調節機構作動所需的轉速。

1.2 機械式橡膠節點基本結構

可變剛度裝置以輪對速度為控制信號，由機械式橡膠節點（如圖2所示）的滑閥在芯軸中的位置來調控剛度的變化。當滑閥無滑動而處于芯軸的中間位置時，則橡膠節點的總體剛度由滑閥，芯軸，橡膠體，止擋托盤，止擋和外套筒共同決定，剛度較大，約為10～12 MN·m-1；而當滑閥被拉繩或彈簧拉到芯軸的一側時，橡膠節點的總體剛度由芯軸、橡膠體、止擋托盤，止擋和外套筒共同決定，此時的剛度較小，約為3～5 MN·m-1。

圖1 離心式控制機構Fig.1 Centrifugal control mechanism

圖2 機械式橡膠節點結構簡圖Fig.2 Sketch of mechanical rubber point

1.3 機械式半主動控制懸掛系統控制原理

傳統的半主動懸掛系統是為克服全主動懸掛系統所需的較大控制能量和高成本作動器而提出的。該系統由于改變剛度值同樣需要較大的能量，而改變阻尼器的阻尼值相對容易實現，所以根據優化車輛動力學性能的需要，如何調整二系最佳阻尼值使之能夠滿足各動力學性能對該參數的需求，是其關鍵問題。與傳統半主動懸掛系統相比，機械式半主動控制軸箱定位懸掛的顯著特點是：通過測量裝置對輪對的速度進行測量，根據速度的大小，來控制橡膠節點的滑閥位置，進而調節橡膠節點整體剛度，而不需要考慮調控最佳阻尼值，控制策略簡單有效。輪對的速度既是信號源，又是動力源，不存在動力源不穩定而造成的控制策略失效等問題。

2 機械式橡膠節點動力學特性的計算機仿真

使用SIMPACK搭建四軸客車整車模型，對車輛在一般工況下的穩定性及曲線通過性能進行計算機仿真，以驗證該新型定位裝置的工程應用價值，查看其在不同工況下的工程應用可行性。表1是整車模型參數，其中“較優剛度Kl”是指新型軸箱定位裝置在半主動控制下能夠實現的剛度值，該剛度能同時滿足車輛穩定性與曲線通過對縱向剛度的需要。“一般剛度Kh”是指傳統情況下，軸箱定位裝置能夠提供的剛度，該剛度不能有效滿足車輛穩定性與曲線通過對縱向剛度的需求。

表1 車輛模型參數Tab.1 Parameters of vehicle model

2.1 機械式橡膠節點對車輛曲線通過性能的影響

整車模型分別在3種曲線計算工況下運行，如表2所示。

表2 曲線通過計算工況Tab.2 Parameters of calculation cases for curve passing

圖3～圖6分別是不同動力學指標的仿真結果，圖中Kl和Kh分別是車輛在曲線段時，新型橡膠節點和傳統軸箱定位裝置能夠提供的縱向剛度，R1～R3則是不同的曲線半徑，V1～V3是在相應工況下的試驗速度。

圖3 輪對外輪沖角Fig.3 Attack angles of the outer wheels

圖4 輪對外輪磨耗功Fig.4 Wear of the outer wheels

圖5 輪對外輪橫向力Fig.5 Lateral force of the outer wheels

圖6 輪對外輪脫軌系數Fig.6 Derailment coefficient of the outer wheels

從圖3，圖4，圖5可以看出，輪對的沖角，橫向力及磨耗量隨曲線半徑的增大而減小，穩定性增強，反之亦然。當曲線半徑較小時，新型橡膠節點與傳統軸定位節點相比，能夠有效降低輪對沖角，輪對橫向力、輪軌磨耗量。如表3所示。

表3 新型橡膠節點對車輛曲線通過性能的影響Tab.3 Influences of new rubber nodal points on curve passing performance

從表3可以看出，與傳統軸箱定位節點相比，車輛通過曲線半徑較小的路徑時，該機械式半主動控制軸箱定位節點對車輛曲線通過性能的改善很明顯。當曲線半徑為400 m時，機械式半主動控制軸箱定位節點能使輪對沖角降幅達到77.2%，橫向力降幅達到67.9%，磨耗量降幅達到64.6%，車輛的脫軌系數降幅達到99%；當曲線半徑為800 m時，機械式半主動控制軸箱定位節點能使輪對沖角降幅達到77.2%，橫向力降幅達到46.4%，磨耗量降幅達到85.9%，車輛的脫軌系數降幅達到93.8%。由此可見，機械式半主動控制橡膠節點適用于小曲線半徑的工況。

2.2 機械式橡膠節點對車輛穩定性的影響

由于車輛的穩定性隨著輪對等效斜度的增大而降低，所以為了考察機械式橡膠節點對車輛穩定性的影響，在此采用等效斜度為0.4的磨耗型踏面與60 kg·m-1的鋼軌組合，計算了當一系縱向定位剛度為3 MN·m-1和橫向定位剛度為22.5 MN·m-1，輪軌粘著系數為0.6時的非線性臨界速度，以考察其在較壞工況下的穩定性。仿真結果顯示車輛的初始速度約為170 km·h-1，經過一段軌道激勵后出現蛇形失穩現象，然后到達133 km·h-1時明顯收斂，最低值約為100 km·h-1。由此可見，機械式橡膠節點能明顯提高車輛在較壞工況下的穩定性。

3 結論

四軸客車軸箱定位裝置，引入機械式半主動控制橡膠節點后，用多體動力學仿真軟件SIMPACK對車輛在不同工況下的曲線通過性能進行動力學仿真分析，得出以下結論：

1）在車輛通過曲線時，機械式半主動控制橡膠節點能夠有效降低輪對沖角，輪對橫向力、輪軌磨耗量，改善車輛曲線通過性能及安全性，有效克服傳統懸掛控制系統的缺點。引入機械式半主動控制橡膠節點的車輛，尤其適用于小曲線半徑的工況。當曲線半徑為200 m時，機械式半主動控制軸箱定位節點相對于傳統軸箱定位節點而言，能使輪對沖角降幅達到37.2%，橫向力降幅達到12.6%，磨耗量降幅達到38.9%，車輛的脫軌系數降幅達到10.6%。

2）機械式橡膠節點能顯著提高車輛在較壞工況下的穩定性能，使其維持在較高的運行速度。

3）通過對機械式半主動控制橡膠節點在四軸客車模型上的仿真分析，證實了該設計方案為解決車輛穩定性和曲線通過性能之間的矛盾提供了新的方法，而其應用的可行性和可靠性還有待在實踐中做進一步的論證。

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