軸箱彈簧剛度對車輛運行性能影響研究

樊云霞 劉春艷 王青權

（北車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥第一作者，工程師）

軸箱彈簧剛度對車輛運行性能影響研究

樊云霞 劉春艷 王青權

（北車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥第一作者，工程師）

車輛動力學性能是驗證車輛性能的重要指標之一。軸箱彈簧作為轉向架的重要組成部分，其剛度對車輛的運行安全性能影響較大。以某地鐵車輛為例，通過改變軸箱彈簧的橫向和縱向剛度來分析車輛運行穩定性和曲線通過性能的變化規律，同時也展示了車輛動力學仿真分析在產品研發過程中的應用，為產品研發提供重要的理論依據。

地鐵；車輛動力學；軸箱彈簧；懸掛參數

First-author'saddressChangchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，130062，Changchun，China

隨著城市軌道交通行業的快速發展，對軌道車輛的研究也越來越深。車輛動力學性能是驗證車輛性能的重要指標之一。車輛在軌道上運行時，軌道的不平順、鋼軌磨耗等會導致車輛的振動，同樣會加大通過曲線的危險。轉向架的作用就是保證車輛有良好的穩定性和運行安全性，使車輛的動力學性能滿足設計標準要求。

軸箱彈簧作為轉向架的重要組成部分，其剛度對車輛的運行安全性能影響較大。一般在轉向架結構方案設計階段，結合項目的要求，均進行車輛動力學分析，獲得一組較好的、能夠實現的轉向架懸掛參數，盡可能使產品設計達到最優。

本文以某地鐵車輛為例，對車輛動力學性能進行了仿真分析，主要分析了軸箱彈簧的剛度對車輛運行安全性能的影響。

1 模型介紹

1.1 設計模型

軸箱彈簧有很多種類型，本文選用了橡膠堆定位形式。轉向架幾何模型如圖1所示。

圖1 轉向架幾何模型

1.2 動力學分析模型

軌道交通車輛及其轉向架本身是一個非常復雜的多體系統，其復雜性不但表現在各部件之間的相互作用力和相對位移上，更表現在多向非線性上。因此，仿真計算模型只能根據研究的主要目的和要求，對一些次要的因素進行適當的假定和簡化，而對動力學性能影響較大的主要因素則盡可能做出符合實際情況的模擬。本例采用動力學軟件Simpack創建車輛動力學模型，其動力學模型示意圖如圖2所示。根據結構特點，在建立仿真模型時作了以下假定：

（1）把車輛的各零部件，如車體、轉向架構架、輪對等均看作剛體，不計這些部件本身的彈性變形。

（2）忽略了相鄰車輛之間相互作用的影響。

（3）假設車輛勻速運動，不考慮變速情況下的影響。

圖2 車輛動力學模型

整車系統由1個車體、2個轉向架構架、4個輪對和8個軸箱共計15個剛體組成。在計算車輛蛇行運動穩定性、橫向及垂向運行平穩性及曲線通過能力時取整車模型。車體取6個自由度，即橫向、垂向、縱向、側滾、點頭、搖頭；轉向架構架取6個自由度，即橫向、垂向、縱向、側滾、點頭、搖頭；輪對取6個自由度，即橫向、垂向、縱向、側滾、點頭、搖頭；軸箱取1個自由度，即點頭。整個車輛系統共計50個自由度，垂向、橫向耦合在一起。

2 計算結果與分析

2.1 蛇行運動穩定性分析

車輛系統蛇行運動穩定性與系統的結構和懸掛參數存在著密切的關系，還受到輪軌接觸幾何關系和車輛的初始狀態的影響。一般情況下，定義車輛系統的蛇行失穩臨界速度為系統首次出現蛇行的極限環運動（等幅振動）時的最低運行速度。

在車輛蛇行運動穩定性計算中，考慮了軸箱彈簧的橫向剛度和垂向剛度對臨界速度的影響，計算時對其進行了不同參數的研究。AW0為動車的空車工況，AW3為動車的超載工況。計算結果如圖3和圖4所示。

從計算結果來看，軸箱彈簧的橫向剛度對車輛蛇行運動穩定性有一定的影響。當車輛在AW0狀態下，軸箱橫向剛度在5～6 MN/m時車輛蛇行運動穩定性能最好；當車輛在AW3狀態下，軸箱橫向剛度在7 MN/m左右時車輛蛇行運動穩定性能最好。

2.2 曲線通過能力分析

在曲線通過能力的計算中，考慮了車輛以60 km/h速度通過曲線半徑300 m、超高120 mm的曲線，激擾譜選用美國5級線路譜。計算結果如圖5和6所示。

圖3 蛇行運動穩定性隨軸箱彈簧橫向剛度變化規律

圖4 蛇行運動穩定性隨軸箱彈簧垂向剛度變化規律

從計算結果對比可知，隨著軸箱彈簧橫向剛度的變大，車輛的曲線通過能力逐漸變差；隨著軸箱彈簧垂向剛度的變大，車輛的輪軸橫向力和輪重減載率2個指標變差，而對脫軌系數影響很小。軸箱定位剛度的增大，不利于車輛全通過曲線。

3 試驗驗證

本項目在軸箱彈簧橫向剛度為6 MN/m、垂向剛度為1.32 MN/m的狀態下，進行了車輛動力學線路測試，其測試結果與仿真分析數據對比如圖7所示。從對比結果看，測試結果和分析誤差均在可接受范圍之內，進一步驗證了仿真分析方法的準確性。

4 結語

上述動力學計算是通過改變軸箱彈簧的橫向剛度和垂向剛度參數，來分析對車輛蛇行運動穩定性、曲線通過能力的影響。目前，車輛動力學仿真分析技術在城市軌道交通客車產品研發過程有著大量的應用，通過分析各重要懸掛參數的變化對車輛動力學不同性能指標的影響規律，可以為產品設計和研發提供重要的理論依據。

圖5 曲線通過能力隨軸箱彈簧橫向剛度變化規律

圖6 曲線通過能力隨軸箱彈簧垂向剛度變化規律

圖7 測試結果與仿真分析數據對比

今后，不斷完善車輛動力學模型更好地模擬車輛系統內部的相互作用和車輛運行狀態的實際情況，是車輛動力學仿真分析發展的必然趨勢。

［1］ 任尊松.車輛系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

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Effect of Axlebox Spring Stiffness on Vehicle Operating Performance

Fan Yunxia，Liu Chunyan，Wang Qingquan

Vehicle dynamics performance is one of the important indicators to verify the vehicle performance.The axlebox spring is a key part of the bogie，its stiffness has greater influence on vehicle running safety.In this paper，a subway car is taken as the example，by changing the vertical stiffness and horizontal stiffness of the axlebox spring，the change regulation of the stability of vehicle operation and curve passing performance are analyzed，the vehicle dynamicssimulation analysis applied in the product research and development process is verified，which provides an important theoretical basis for product development.

metro；vehicle dynamics；axlebox spring；suspension parameter

U 270.331+.4

2013-08-07）