動車組轉向架參數對小半徑曲線通過性能影響的分析

蘇 建 崔大賓 西南交通大學機械工程學院

唐繼烈 王正權 上海鐵路局科研所

動車組轉向架參數對小半徑曲線通過性能影響的分析

蘇 建 崔大賓 西南交通大學機械工程學院

唐繼烈 王正權 上海鐵路局科研所

分析CRH1型動車組轉向架的轉臂定位剛度、抗蛇形減振器阻尼、空簧水平剛度和轉向架軸距，對直線運行臨界速度與小半徑曲線通過性能的影響。經計算分析，需對轉向架參數進行較大的調整才能改善小半徑曲線通過性能，但考慮到直線運行性能要求，這對既有動車組來說實現較困難。

動車組；轉向架參數；小半徑曲線；通過性能

轉向架參數是影響列車動力學性能的主要因素。目前對動車組轉向架參數的選擇主要目的是提高其直線穩定性，對小半徑曲線通過能力研究較少。在鐵路網中不可避免地存在小半徑曲線，由此產生的輪軌及鋼軌側磨已經成為影響鐵路運營成本的重要問題之一。

本為以CRH1B型動車組為研究對象，討論了一二系主要懸掛參數（如轉臂定位剛度、抗蛇形減振器阻尼、空簧水平剛度和轉向架軸距）對車輛系統直線運行性能（臨界速度）與小半徑曲線通過性能的影響，并給出了這些參數的影響規律。計算中小半徑曲線參數設置如表1所示。

表1 小半徑曲線參數

1　轉臂定位剛度的影響

從近幾十年的研究中可以知道，影響車輛運行中輪對蛇形穩定性的主要有一系懸掛中輪對的剪切剛度和彎曲剛度，如圖1所示。

圖1 輪對的運動模式

對目前在動車組（如本論文研究對象CRH1）中常用的轉臂式軸箱定位來說，轉臂節點橫向定位剛度就相當于輪對剪切剛度，節點縱向定位剛度就相當于輪對彎曲剛度。在進行高速列車設計時，為保證其擁有足夠高的蛇行穩定性，必須同時對相鄰輪對的彎曲剛度和剪切剛度進行選擇匹配。在匹配彎曲剛度和剪切剛度時，如果一個剛度選較小值，另一個約束剛度就必須選擇較大值，反之亦然。選取合適的剛度組合要同時考慮車輛的直線運行性能和曲線通過能力，合適的剛度組合可以優化車輛運行特性。

圖2 轉臂定位剛度對臨界速度的影響

從圖2中可以看出，車輛的臨界速度隨轉臂節點縱向剛度減小先增大后減小。這是因為，在一定范圍內（0～10MN/m）增大輪對的縱向定位剛度，可以有效抑制輪對的彎曲運動模式，從而阻止輪對蛇形的運動，以此提高車輛系統的臨界速度。但是，輪對縱向剛度不能選擇太小，因為臨界速度對縱向定位剛度變化很敏感，如果縱向剛度太小，隨著車輛的運行縱向剛度會進一步減小，從而使其臨界速度迅速降低，嚴重影響行車安全，這是考慮車輛安全的冗余設計。然而彎曲剛度較大，輪對在通過過曲線時，輪對產生的搖頭角較小，輪軌的蠕滑力不足以使輪對恢復對中位置，就可能會導致輪緣與鋼軌貼靠，增加輪緣磨耗，因此彎曲剛度不宜過大。橫向定位剛度對動車組穩定性影響較小，隨橫向剛度的減小臨界速度緩慢增大。但橫向剛度（即剪切剛度）過小會使一系橫向不能有效定位，給行車安全帶來隱患。

圖3 轉臂定位剛度對曲線通過性能的影響

列車通過曲線時，為使輪對穩態通過曲線，要求轉臂節點縱向剛度盡可能小，從而避免輪軌沖角過大及輪緣貼靠。從圖3中可以看出，縱向定位剛度對輪軌沖角和輪軌橫向力有較大影響。輪對沖角最大值和輪軌橫向力最大值隨轉臂縱向定位剛度的增大呈明顯上升趨勢，但在縱向定位剛度增大到一定值時，兩者最大值都基本不再變化并趨于穩定。這主要是因為輪對的縱向定位剛度對其搖頭形式起著決定性作用。在通過小半徑曲線時，越大的縱向定位剛度，就會使輪對越難以發生搖頭運動，從而引起較大的輪軌沖角，以至發生輪緣與鋼軌貼靠，進而又進一步增大輪軌橫向力，加劇輪緣磨耗。而橫向定位剛度的改變對輪對沖角和輪軌橫向力影響很小。計算結果還表明，可以通過適當減小輪對縱向定位剛度來降低輪對沖角。

2　抗蛇形減振器的影響

抗蛇形減振器已成為高速列車轉向架上必備的元器件。抗蛇行減振器的特性主要體現在三個參數上：卸荷速度，卸荷力與串聯剛度。必須精心設計抗蛇行減振器的卸荷速度與卸荷力使其既能保證列車的臨界速度，又具備良好的曲線通過能力。

圖4 抗蛇行減振器對臨界速度的影響

從圖4中可以看出，減小卸荷速度或增大卸荷力都可以提高車輛的臨界速度。但在卸荷速度增大到一定值和卸荷力減小到一定值時，它們對臨界速度的影響變得不明顯。實際上，抗蛇行減振器第一阻尼系數（卸荷前卸荷力與卸荷速度之商）越大，構架與車體之間的相對搖頭運動就越困難，越有利于提高車輛的臨界速度。

圖5 抗蛇行減振器對曲線通過性能的影響

從圖5中可以看出，減小卸荷速度與增大卸荷力都會降低車輛的小半徑曲線通過性能，這與對臨界速度的影響相反。這是因為在通過曲線時，提高第一阻尼系數會導致轉向架與車體之間的搖頭運動變得困難，從而減小前后構架相對于車體的搖頭幅度，增大輪對與鋼軌的沖角。但沖角和輪軌橫向力變化幅值在計算范圍內變化都較小，這可能是因為在計算小半徑曲線時，車輛的速度都設置的較低，而抗蛇行減振器則是在兩個連接結構體之間相對速度差較大時減振效果才較明顯。因此，在通過小半徑曲線時，雖然構架與車體之間相對搖頭較大，但由于相對搖頭速度較低，對車輛通過小半徑曲線影響較小。

3　空氣彈簧的影響

空氣彈簧水平剛度對臨界速度的影響如圖6所示。可以看出，隨空氣彈簧水平剛度的增大，車輛臨界速度總體呈上升趨勢，且上升幅值較小。如圖7所示，通過小半徑曲線時，輪軌沖角和輪軌橫向力隨空氣彈簧水平剛度的增大都呈上升趨勢，且趨勢趨于線性增長。另外，空氣彈簧水平剛度與車輛系統的橫向平穩性指標有直接關系，因此需慎重選取。

圖6 空簧剛度對臨界速度的影響

圖7 空簧剛度對曲線通過性能的影響

4　軸距的影響

軸距是轉向架設計中一個重要的參數，其對車輛的動力學性能有較大影響。而CRH1的軸距為2.7 m，比常見高速轉向架的2.5 m長0.2 m，因此有必要對軸距變化產生的影響進行計算。圖8為軸距對車輛臨界速度的影響，可以看出，隨軸距的增大，臨界速度總體呈上升趨勢。這說明軸距越大，車輛直線運行越穩定。但軸距越大，曲線通過性能就越差。

圖8 軸距對臨界速度的影響

為分析車輛低速通過小半徑曲線時軸距對輪緣磨耗和鋼軌側磨的影響，計算了不同軸距下車輛通過小半徑曲線輪軌沖角和輪軌橫向力的變化，如圖9所示。從圖中可以看出，隨軸距的增大，輪軌沖角基本呈線性增長趨勢，說明軸距越大，輪對越難以趨向徑向位置導致沖角越大；而軸距對輪軌橫向力幾乎沒有影響，這主要是因為在不同軸距下，輪緣與鋼軌貼靠現象均已經發生，且提供了絕大多數輪對搖頭所需的回轉力。因此，僅從軸距方面進行調整難以有效降低輪軌橫向力，因為輪對搖頭主要由一系縱向定位剛度決定。

圖9 軸距對曲線通過性能的影響

5　結束語

經計算分析可知：一系定位剛度對臨界速度和小半徑曲線通過性能（如輪對沖角和輪軌橫向力）有較大影響；抗蛇行減振器對臨界速度有較大影響，但對小半徑曲線通過性能影響較小；空氣彈簧對臨界速度和輪軌橫向力有較大影響，對輪對沖角影響較小；軸距對臨界速度和輪對沖角影響較明顯，對輪軌橫向力影響較小。總的來說，通過改變轉向架參數可以提高小半徑曲線通過性能，但需要對各參數進行較大調整才能實現，這對既有動車組來說很難實現。

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［4］李芾.傅茂海.黃運華.車輛徑向轉向架發展及其動力學特性［J］.交通運輸工程學報.2003.（1）∶1-6.

責任編輯：許耀元

來稿日期：2016-06-12