孟买地铁车辆转向架牵引拉杆的优化设计

2010-01-16周睿

城市轨道交通研究 2010年8期

周睿

(南车南京浦镇车辆有限公司,210032,南京∥高级工程师)

南京浦镇车辆有限公司为印度孟买生产的地铁1号线车辆已正式下线。通过科研院校的共同努力,拥有完全自主知识产权的地铁A型车辆转向架也得以首次运用。孟买地铁车辆转向架采用了“三无”结构、空气弹簧、盘型制动等成熟的先进结构形式。其转向架与车体间的牵引方式采用了单牵引拉杆结构,具有结构简单可靠、功能全面的特点。本文针对转向架结构设计的需要及孟买线路的特点,进行了相关的结构设计及性能分析计算。

1 牵引装置的结构形式及特点

车辆牵引装置主要起连接车体与转向架,以及传递牵引力、制动力等作用[1]。根据孟买地铁车辆转向架整体结构设计的需要,采用单牵引拉杆装置。其主要组成部分为：通过8个M24螺栓安装于车体枕梁的中心销座,两端设置的牵引橡胶弹性节点的单牵引拉杆,安装于中心销底部的防过充止挡座。单牵引拉杆的牵引装置结构见图1。

采用该结构设计的牵引装置满足了以下的功能设计：

1)采用单牵引拉杆方式传递纵向牵引力与制动力。单牵引拉杆的两端设置了橡胶弹性节点,既保证有足够的纵向牵引刚度,又降低了横向及竖向附加刚度。单牵引拉杆两端分别连接中心销座与构架安装座。

图1 单牵引拉杆的牵引装置结构图

2)中心销两侧面与安装于转向架横梁中部的横向挡保持一定间隙,作为横向止挡的限位面。

3)由于高度阀异常等原因导致空气弹簧过度充风使车体上升时,防过充止挡座与构架横梁下平面接触,以阻止车体的过度上升。当车轮磨耗需在空气弹簧下加垫调整时,只需将止挡安装螺栓下的调整垫移至止挡与中心销安装面处。其结构简单、操作方便、便于维护。

4)根据地铁车辆运输方式的需要,对转向架进行适当保护后,该防过充止挡座同时起到了整体起吊转向架作用。

2 牵引拉杆参数对车辆运行性能的影响

单牵引拉杆的结构简单可靠,免磨耗,易于维护。但根据以往经验,其相关参数的设计,如节点刚度、拉杆长度、前后位置等,对车辆运行性能特别是对曲线通过性能有较大的影响。因此,在转向架设计过程中,对该部分进行了专门的分析计算,以保证安全运营的要求。

2.1 单牵引拉杆结构的主要性能参数

采用整车动力学性能分析方法[2],并与主要供应商技术确认后,确定了单牵引拉杆的有关性能参数(详见表1)。

表1 单牵引拉杆结构主要性能参数表

2.2 牵引拉杆节点刚度对车辆振动模态的影响

由于在设计与制造过程中需考虑各种相关因素,很难在各种工况下均将牵引拉杆的高度设置在转向架的构架中心,因此采用的牵引拉杆结构会将相关的纵向振动与竖向振动通过构架发生弱耦合,也会使车体的弹性体模态与构架纵向振动发生耦合。为避免这种耦合带来的共振现象,需进行分析计算,将构架的纵向振动固有频率与构架的点头振动固有频率和车体的低阶模态频率分离开。

根据下式

可分别计算出当牵引拉杆节点刚度为 50 MN/m时,动车、拖车构架的纵向振动固有频率值 f(见表2)。从表2可见：拖车转向架的纵向与点头振动频率比为1.088 6,已接近1,易发生共振问题;但构架的点头阻尼比达46%左右,有足够的阻尼,即使纵向阻尼很小,也不易引发共振。动车转向架的点头与纵向振动频率比为1.420,已大于 1.414,不会发生共振问题。

表2 动车、拖车构架的振动固有频率值及振动频率比

构架的纵向振动也会与车体的低阶弹性体模态发生耦合。设计的孟买地铁车辆的车体一阶弹性体模态频率在7.6 Hz左右,因此构架纵向振动固有频率与车体模态有一定的余量,不会发生共振问题。

2.3 牵引拉杆横向分力对车辆曲线通过性能的影响

为了模拟分析当车辆经过曲线时牵引拉杆的影响,作出车体、转向架、牵引拉杆相对位置示意图,见图2。前转向架中心(理论位置在O点)所在的曲线径向角为θ,实际转向架中心位于D点,摇头角为ψ;车体相对于转向架中心的横移量为y,车体的偏转角为α。可得车体与转向架之间的偏角β为：

图2 前转向架的曲线通过位置及牵引拉杆位置

图2 中的牵引拉杆为 AB,AC长为L1,DB长为L2,根据几何关系可以求得以C点为原点的A点坐标为(-L1cos α,-L1sin α),B 点坐标为(L2cos(β-α),-y-L2sin(β-α))。则可以求得 AB 与水平线的倾角δ值：

设作用在牵引拉杆上的力为T,则可以求出横向(径向)分力F为：

已知L1=250 mm;L2=260 mm;孟买地铁的线路曲线半径R=80～400 m。在不同曲线半径和二系横向偏移量(-20～20 mm)的工况下,求得牵引拉杆的横向分力系数(见图3)。由图3可见,最大的横向分力出现在曲线半径为80 m处;当二系横向偏移为-20 mm(车体向内)时,横向分力为牵引杆轴向力的0.09倍。牵引工况时,对于前转向架为拉力、横向分力系数为负值时,横向分力指向曲线内侧;制动工况时,对于前转向架为压力、横向分力系数为负值时,横向分力指向曲线外侧。对于后转向架,由于结构呈对称布置,横向分力系数的计算结果也是对称的,其横向分力最大值与前转向架一致。

图3 不同曲线半径和二系横向偏移下的牵引拉杆横向分力系数

车辆通过相关动态曲线的计算分析表明：在分别考虑了牵引工况(AW0)和制动工况(AW4)两个极端条件下,比较有无牵引拉杆的横向分力作用后,车辆的主要曲线通过性能指标(如轮轨横向力、脱轨系数、轮重增减载、轮对横移量、轮对冲角等)几乎没有变化。因此,车辆通过曲线时牵引拉杆产生的横向分力对车辆的性能指标基本没有影响,唯一变化较大的是二系横向动绕度(见图4和图5所示)。