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(quán)

（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(quán)

（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(xué)性能是驗證車輛性能的重要指標(biāo)之一。軸箱彈簧作為轉(zhuǎn)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(wěn)定性和曲線通過性能的變化規(guī)律，同時也展示了車輛動力學(xué)仿真分析在產(chǎn)品研發(fā)過程中的應(yīng)用，為產(chǎn)品研發(fā)提供重要的理論依據(jù)。

地鐵；車輛動力學(xué)；軸箱彈簧；懸掛參數(shù)

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

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

軸箱彈簧作為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段，結(jié)合項目的要求，均進行車輛動力學(xué)分析，獲得一組較好的、能夠?qū)崿F(xiàn)的轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)，盡可能使產(chǎn)品設(shè)計達(dá)到最優(yōu)。

本文以某地鐵車輛為例，對車輛動力學(xué)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(shè)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(zhuǎn)向架幾何模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架幾何模型

1.2 動力學(xué)分析模型

軌道交通車輛及其轉(zhuǎn)向架本身是一個非常復(fù)雜的多體系統(tǒng)，其復(fù)雜性不但表現(xiàn)在各部件之間的相互作用力和相對位移上，更表現(xiàn)在多向非線性上。因此，仿真計算模型只能根據(jù)研究的主要目的和要求，對一些次要的因素進行適當(dāng)?shù)募俣ê秃喕鴮恿W(xué)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(xué)軟件Simpack創(chuàng)建車輛動力學(xué)模型，其動力學(xué)模型示意圖如圖2所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架構(gòu)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(shè)車輛勻速運動，不考慮變速情況下的影響。

圖2 車輛動力學(xué)模型

整車系統(tǒng)由1個車體、2個轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(wěn)定性、橫向及垂向運行平穩(wěn)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(cè)滾、點頭、搖頭；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架取6個自由度，即橫向、垂向、縱向、側(cè)滾、點頭、搖頭；輪對取6個自由度，即橫向、垂向、縱向、側(cè)滾、點頭、搖頭；軸箱取1個自由度，即點頭。整個車輛系統(tǒng)共計50個自由度，垂向、橫向耦合在一起。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 蛇行運動穩(wěn)定性分析

車輛系統(tǒng)蛇行運動穩(wěn)定性與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)存在著密切的關(guān)系，還受到輪軌接觸幾何關(guān)系和車輛的初始狀態(tài)的影響。一般情況下，定義車輛系統(tǒng)的蛇行失穩(wěn)臨界速度為系統(tǒng)首次出現(xiàn)蛇行的極限環(huán)運動（等幅振動）時的最低運行速度。

在車輛蛇行運動穩(wěn)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(shù)的研究。AW0為動車的空車工況，AW3為動車的超載工況。計算結(jié)果如圖3和圖4所示。

從計算結(jié)果來看，軸箱彈簧的橫向剛度對車輛蛇行運動穩(wěn)定性有一定的影響。當(dāng)車輛在AW0狀態(tài)下，軸箱橫向剛度在5～6 MN/m時車輛蛇行運動穩(wěn)定性能最好；當(dāng)車輛在AW3狀態(tài)下，軸箱橫向剛度在7 MN/m左右時車輛蛇行運動穩(wěn)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(jié)果如圖5和6所示。

圖3 蛇行運動穩(wěn)定性隨軸箱彈簧橫向剛度變化規(guī)律

圖4 蛇行運動穩(wěn)定性隨軸箱彈簧垂向剛度變化規(guī)律

從計算結(jié)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(biāo)變差，而對脫軌系數(shù)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(tài)下，進行了車輛動力學(xué)線路測試，其測試結(jié)果與仿真分析數(shù)據(jù)對比如圖7所示。從對比結(jié)果看，測試結(jié)果和分析誤差均在可接受范圍之內(nèi)，進一步驗證了仿真分析方法的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

上述動力學(xué)計算是通過改變軸箱彈簧的橫向剛度和垂向剛度參數(shù)，來分析對車輛蛇行運動穩(wěn)定性、曲線通過能力的影響。目前，車輛動力學(xué)仿真分析技術(shù)在城市軌道交通客車產(chǎn)品研發(fā)過程有著大量的應(yīng)用，通過分析各重要懸掛參數(shù)的變化對車輛動力學(xué)不同性能指標(biāo)的影響規(guī)律，可以為產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)提供重要的理論依據(jù)。

圖5 曲線通過能力隨軸箱彈簧橫向剛度變化規(guī)律

圖6 曲線通過能力隨軸箱彈簧垂向剛度變化規(guī)律

圖7 測試結(jié)果與仿真分析數(shù)據(jù)對比

今后，不斷完善車輛動力學(xué)模型更好地模擬車輛系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用和車輛運行狀態(tài)的實際情況，是車輛動力學(xué)仿真分析發(fā)展的必然趨勢。

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［3］ 嚴(yán)雋耄.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.

［4］ 繆炳榮.SIMPACK動力學(xué)分析高級教程［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

［5］ GB/T 14894—2005城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則［S］.

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）