200 km/h軸箱內置式轉向架優缺點分析及動力學仿真

陸 銘 ,王 勇 ,王云鵬 ,王 雨

(1.山東職業學院 鐵道學院,山東 濟南 250104;2.西南交通大學 軌道交通運載系統全國重點實驗室,四川 成都 610031;3.中車青島四方車輛研究所有限公司 技術中心,山東 青島 266031)

我國鐵道車輛轉向架一般采用軸箱布置在車輪外側的二軸轉向架(以下稱傳統轉向架),具有運動穩定性好、抗側滾能力強等優點;但也具有簧下質量大、輪軌作用力大、輪軌磨耗快、小半徑曲線通過性能差等缺點。近些年來,鐵路科技工作者對軸箱內置式轉向架開展了研究。軸箱內置式轉向架是將構架、軸箱及一系懸掛裝置布置在車輪內側,轉向架為內支承模式[1],具有結構緊湊、自重輕、小半徑曲線通過能力強、輪軌作用力及輪軌磨耗小、可降低車軸疲勞等優點,在國外已成功運用于干線客貨車輛、直線電機轉向架車輛、低地板轉向架車輛以及單軸轉向架車輛[2]。隨著我國軌道交通車輛領域的蓬勃發展,多家企業也開展了軸箱內置式轉向架的研制[3]。

1 軸箱內置式轉向架優缺點分析

1.1 小半徑曲線通過性能強

輪對的搖頭角剛度大小直接影響著鐵道車輛曲線通過性能,可以用式(1)表示:

式中:Kφ為輪對搖頭角剛度,Kpx為一系懸掛縱向剛度,bp為一系懸掛橫向跨距之半。

由式(1)可知,一系懸掛縱向剛度和一系懸掛橫向跨距直接影響著輪對的搖頭角剛度,在一系懸掛縱向剛度差異不大的情況下,軸箱內置式轉向架車輛一系懸掛橫向跨距有所縮短,降低了輪對搖頭角剛度。由車輛系統動力學可知,輪對搖頭角剛度越小,輪對在搖頭方向上的約束越小,輪對更易趨向曲線徑向,減小了輪對沖角,更易通過小半徑曲線,改善了小半徑曲線通過性能[4]。

1.2 構架質量、簧下質量及輪軌力小

軸箱內置式轉向架構架橫梁縮短,減少了構架質量,且一系懸掛裝置一般采用橡膠元件,也可以減輕其自重[5];車軸長度縮短,中心孔加大,實現了輕量化,降低了簧下質量,輪軌橫向力、輪軌磨耗均會相應減小[6]。

1.3 空氣彈簧工作條件改善

空氣彈簧是鐵道車輛二系懸掛重要部件,具有良好的非線性特性。軸箱內置式轉向架可減小二系懸掛橫向跨距,當車輛在小半徑曲線發生偏轉時,空氣彈簧的縱向變形量和扭轉變形量均會減小,從而改善了空氣彈簧的工作條件[7]。

1.4 減輕車軸疲勞

圖1(a)為傳統轉向架,車軸垂向彎矩作用在車輪外側,車輛過曲線時輪軌橫向力對車軸產生的彎矩與垂向彎矩方向相同,因此彎矩是疊加的;圖1(b)為軸箱內置式轉向架,車軸垂向彎矩作用在車輪內側,車輛過曲線時輪軌橫向力對車軸產生的彎矩與垂向彎矩方向相反,因此會抵消部分彎矩,從而減輕車軸疲勞,延長車軸使用壽命,并可以加大空心車軸的內徑,進一步降低簧下質量[8]。

圖1 傳統轉向架和軸箱內置式轉向架車軸受力示意圖

1.5 蛇行運動穩定性和車輛橫向運行平穩性降低

軸箱內置式轉向架抗蛇行減振器橫向跨距小,減振器有效工作行程減小,回轉力矩相應減小,降低了車輛的橫向運行平穩性以及車輛的蛇行運動穩定性,所以需要加裝較大阻尼系數的抗蛇行減振器,以提高車輛的蛇行運動臨界速度[9];另外由于軸箱內置式轉向架車輛輪對搖頭角剛度減小,提供的搖頭力矩減小,抑制輪對搖頭和轉向架搖頭的能力減弱,也會使車輛的蛇行運動穩定性降低[10]。

1.6 抗側滾能力不足

軸箱內置式轉向架車輛空氣彈簧橫向跨距和一系懸掛橫向跨距小,支撐車體側滾的力臂減小,造成車輛的抗傾覆能力下降,特別是在側風條件下更加不利。在車輛設計時,需增大一系彈簧垂向剛度或加裝較大扭轉剛度的二系抗側滾扭桿,但需要關注高頻振動傳遞以及轉向架設計結構的復雜化[11]。

2 建立動力學仿真模型

2.1 軸箱內置式轉向架車輛動力學建模

200 km/h軸箱內置式轉向架車輛采用直徑860 mm 車輪;構架為H 型鋼板焊接構架,構架橫梁和側梁均采用箱形焊接結構;中央牽引裝置采用單拉桿牽引;采用盤形制動,制動夾鉗安裝在側梁端部;采用拉桿式軸箱定位方式,一系懸掛為2個錐形橡膠彈簧+一系垂向減振器,二系懸掛包括空氣彈簧、二系橫向和垂向減振器、抗蛇行減振器及抗側滾扭桿。

根據轉向架結構,采用Simpack軟件建立軸箱內置式轉向架車輛非線性動力學模型,考慮輪軌蠕滑、輪軌接觸、減振器阻尼特性及橫向止擋非線性。采用等效錐度為0.1的LMB10踏面與CHN60鋼軌互相匹配而成的輪軌接觸幾何關系,輪對內側距沿用中國標準1 353 mm。輪對、構架和車體均視為剛體,忽略其彈性變形。車輛部分動力學參數見表1。

表1 軸箱內置式轉向架與傳統轉向架車輛部分動力學參數m

2.2 傳統轉向架車輛動力學建模

為了對比軸箱內置式轉向架和傳統轉向架車輛動力學性能的差異,對軸箱內置式轉向架車輛動力學模型進行了修改。構架和輪對的質量、轉動慣量屬性參考200 km/h速度等級動車組來進行設置,其他懸掛參數未作改變,以此來構建傳統轉向架車輛動力學模型(表1),從而對二者動力學性能的差異進行對比研究。

3 動力學仿真驗證

3.1 運動穩定性對比分析

軸箱內置式轉向架車輛在不同速度下輪對橫移時間歷程曲線如圖2所示。車輛在速度479 km/h 時,當秦沈軌道譜激勵消失后,輪對橫移量收斂至平衡位置〔圖2(a)〕;車輛在速度480 km/h時,當秦沈軌道譜激勵消失后,輪對橫移量隨著時間的延續不再收斂而是處于極限環振動狀態〔圖2(b)〕。

圖2 軸箱內置式轉向架車輛輪對橫移時程曲線

圖3為傳統轉向架車輛在不同速度下輪對橫移時間歷程曲線。傳統轉向架車輛蛇行失穩臨界速度為597 km/h。

圖3 傳統轉向架車輛輪對橫移時程曲線

軸箱內置式轉向架車輛蛇行臨界速度低于傳統轉向架車輛,是由于軸箱內置式轉向架車輛的抗蛇行減振器橫向跨距比傳統轉向架車輛減小338 mm,使得軸箱內置式轉向架車輛蛇行運動穩定性降低,與理論分析結果一致。

按照搖頭角剛度分析,設置傳統轉向架車輛輪對搖頭角剛度50 kN·m/rad,軸箱內置式轉向架車輛輪對搖頭角剛度15.68 kN·m/rad。輪對搖頭角剛度隨蛇行臨界速度的變化規律如圖4所示。輪對搖頭角剛度降低,搖頭力矩減小,抑制輪對搖頭運動和構架搖頭運動能力減弱,車輛蛇行臨界速度呈現降低趨勢,所以軸箱內置式轉向架車輛蛇行臨界速度較低。

圖4 輪對搖頭角剛度對蛇行臨界速度的影響規律

3.2 運行平穩性對比分析

本文計算了軸箱內置式轉向架和傳統轉向架車輛在秦沈軌道譜激擾下直線運行平穩性指標(表2),圖5為2種轉向架車輛在不同速度下的橫向、垂向平穩性指標對比曲線,圖6 為2 種轉向架車輛在250 km/h速度下車體和構架橫向、垂向加速度時域對比圖。

表2 軸箱內置式轉向架和傳統轉向架車輛平穩性指標對比

圖5 2種轉向架車輛橫向、垂向平穩性指標對比

圖6 2種轉向架車輛構架和車體橫向、垂向加速度時域對比

在秦沈軌道譜激擾下,軸箱內置式轉向架和傳統轉向架車輛雖然一/二系懸掛作用點不同,但懸掛的垂向剛度相同,在直線運行時垂向平穩性指標、構架垂向加速度、車體垂向加速度差別不大。當車速大于160 km/h時,軸箱內置式轉向架車輛的橫向平穩性指標比傳統轉向架車輛稍差;軸箱內置式轉向架車輛的構架、車體橫向加速度較傳統轉向架車輛偏大,因此軸箱懸掛橫向跨距、空氣彈簧橫向跨距以及抗蛇行減振器橫向跨距的減小會惡化車輛橫向平穩性,而對車輛垂向平穩性影響較小。

3.3 小半徑曲線通過安全性對比分析

按照表3設置了3種不同小曲線半徑工況,曲線由直線、緩和曲線、圓曲線、緩和曲線和直線連接而成[12],并施加秦沈軌道譜激擾。軸箱內置式轉向架和傳統轉向架車輛在輪重減載率、輪軌橫向力、輪對沖角以及車輪磨耗指數上的對比如表4所示。

表3 曲線線路設置

表4 不同曲線半徑工況下2種轉向架車輛曲線安全性指標對比

由表4可以看出,軸箱內置式轉向架車輛的輪對沖角、輪重減載率、輪軌橫向力及車輪磨耗指數均小于傳統轉向架車輛,隨著曲線半徑的增大,各安全性指標減小的百分比逐漸降低,在曲線半徑相對較小的情況下,軸箱內置式轉向架車輛更能顯示出其優良的小半徑曲線通過性能。

3.4 抗側滾性能對比分析

施加9級定常風,定常風由坐標系y軸正方向吹向負方向,且定常風載荷垂直作用在車體側墻[13],采用秦沈軌道譜,設置車速120～200 km/h,直線運行時的傾覆系數、輪重減載率結果差異如圖7所示。

圖7 9級側風條件下2種轉向架車輛直線安全性結果對比

由圖7可以看出,側風工況下車輛的輪重減載率要大于傾覆系數,這是因為輪重減載率是每個車輪的減載率,傾覆系數是轉向架的減載側。速度大約187 km/h時,軸箱內置式轉向架車輛的輪重減載率已經超出限定值,但此時傳統轉向架車輛的輪重減載率和傾覆系數均在安全范圍內。

3.5 空氣彈簧運動特征對比分析

軸箱內置式轉向架車輛二系懸掛橫向跨距小,當車輛在小半徑曲線發生偏轉時,空氣彈簧的縱向變形量和扭轉變形量均會減小,改善了空氣彈簧工作條件[14]。圖8為軸箱內置式轉向架和傳統轉向架車輛以25 km/h通過110 m 小半徑曲線時空氣彈簧的運動特征,仿真計算施加秦沈軌道譜激擾。

圖8 2種轉向架車輛空氣彈簧運動特征曲線對比

由圖8可以看出,軸箱內置式轉向架車輛的空氣彈簧縱向位移量大約為0.04 m,傳統轉向架車輛的空氣彈簧縱向位移量大約為0.07 m;軸箱內置式轉向架車輛的空氣彈簧縱向力大約為6 kN,傳統轉向架車輛的空氣彈簧縱向力大約為11 kN;在沒有觸碰橫向止擋的情況下,空氣彈簧和構架布置方式對空氣彈簧橫向位移和橫向力的影響不大,軸箱內置式轉向架車輛的空氣彈簧縱向位移和縱向力小于傳統轉向架車輛,改善了空氣彈簧工作條件,可延長使用壽命。

3.6 車軸彎矩分析

設置曲線半徑300 m、超高0.12 m 曲線,讓軸箱內置式轉向架和傳統轉向架車輛以70 km/h速度通過曲線,線路不設置軌道譜激擾,軸箱內置式轉向架車輛與傳統轉向架車輛的輪軌橫向力彎矩、車體載重彎矩如圖9(a)、圖9(b)所示,合成彎矩對比如圖9(c)所示。可以看出,軸箱內置式轉向架車輛車軸合成彎矩小于傳統轉向架車輛,可減輕車軸疲勞,延長車軸使用壽命。

圖9 2種轉向架車輛車軸彎矩對比

4 結論

本文的研究表明:軸箱內置式轉向架車輛蛇行臨界速度低于傳統轉向架車輛;軸箱內置式轉向架車輛一/二系懸掛橫向跨距減小會惡化車輛橫向運行平穩性,使車輛抗傾覆能力下降;軸箱內置式轉向架車輛小半徑曲線通過性能要優于傳統轉向架車輛;軸箱內置式轉向架車輛空氣彈簧縱向位移和縱向力要小于傳統轉向架車輛,改善了空氣彈簧的工作條件,可延長其使用壽命;軸箱內置式轉向架車輛可減小車軸彎矩,減輕車軸疲勞,提高車軸強度裕量。