轴箱弹簧刚度对车辆运行性能影响研究

樊云霞 刘春艳 王青权

（北车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春∥第一作者，工程师）

轴箱弹簧刚度对车辆运行性能影响研究

樊云霞 刘春艳 王青权

（北车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春∥第一作者，工程师）

车辆动力学性能是验证车辆性能的重要指标之一。轴箱弹簧作为转向架的重要组成部分，其刚度对车辆的运行安全性能影响较大。以某地铁车辆为例，通过改变轴箱弹簧的横向和纵向刚度来分析车辆运行稳定性和曲线通过性能的变化规律，同时也展示了车辆动力学仿真分析在产品研发过程中的应用，为产品研发提供重要的理论依据。

地铁；车辆动力学；轴箱弹簧；悬挂参数

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

随着城市轨道交通行业的快速发展，对轨道车辆的研究也越来越深。车辆动力学性能是验证车辆性能的重要指标之一。车辆在轨道上运行时，轨道的不平顺、钢轨磨耗等会导致车辆的振动，同样会加大通过曲线的危险。转向架的作用就是保证车辆有良好的稳定性和运行安全性，使车辆的动力学性能满足设计标准要求。

轴箱弹簧作为转向架的重要组成部分，其刚度对车辆的运行安全性能影响较大。一般在转向架结构方案设计阶段，结合项目的要求，均进行车辆动力学分析，获得一组较好的、能够实现的转向架悬挂参数，尽可能使产品设计达到最优。

本文以某地铁车辆为例，对车辆动力学性能进行了仿真分析，主要分析了轴箱弹簧的刚度对车辆运行安全性能的影响。

1 模型介绍

1.1 设计模型

轴箱弹簧有很多种类型，本文选用了橡胶堆定位形式。转向架几何模型如图1所示。

图1 转向架几何模型

1.2 动力学分析模型

轨道交通车辆及其转向架本身是一个非常复杂的多体系统，其复杂性不但表现在各部件之间的相互作用力和相对位移上，更表现在多向非线性上。因此，仿真计算模型只能根据研究的主要目的和要求，对一些次要的因素进行适当的假定和简化，而对动力学性能影响较大的主要因素则尽可能做出符合实际情况的模拟。本例采用动力学软件Simpack创建车辆动力学模型，其动力学模型示意图如图2所示。根据结构特点，在建立仿真模型时作了以下假定：

（1）把车辆的各零部件，如车体、转向架构架、轮对等均看作刚体，不计这些部件本身的弹性变形。

（2）忽略了相邻车辆之间相互作用的影响。

（3）假设车辆匀速运动，不考虑变速情况下的影响。

图2 车辆动力学模型

整车系统由1个车体、2个转向架构架、4个轮对和8个轴箱共计15个刚体组成。在计算车辆蛇行运动稳定性、横向及垂向运行平稳性及曲线通过能力时取整车模型。车体取6个自由度，即横向、垂向、纵向、侧滚、点头、摇头；转向架构架取6个自由度，即横向、垂向、纵向、侧滚、点头、摇头；轮对取6个自由度，即横向、垂向、纵向、侧滚、点头、摇头；轴箱取1个自由度，即点头。整个车辆系统共计50个自由度，垂向、横向耦合在一起。

2 计算结果与分析

2.1 蛇行运动稳定性分析

车辆系统蛇行运动稳定性与系统的结构和悬挂参数存在着密切的关系，还受到轮轨接触几何关系和车辆的初始状态的影响。一般情况下，定义车辆系统的蛇行失稳临界速度为系统首次出现蛇行的极限环运动（等幅振动）时的最低运行速度。

在车辆蛇行运动稳定性计算中，考虑了轴箱弹簧的横向刚度和垂向刚度对临界速度的影响，计算时对其进行了不同参数的研究。AW0为动车的空车工况，AW3为动车的超载工况。计算结果如图3和图4所示。

从计算结果来看，轴箱弹簧的横向刚度对车辆蛇行运动稳定性有一定的影响。当车辆在AW0状态下，轴箱横向刚度在5～6 MN/m时车辆蛇行运动稳定性能最好；当车辆在AW3状态下，轴箱横向刚度在7 MN/m左右时车辆蛇行运动稳定性能最好。

2.2 曲线通过能力分析

在曲线通过能力的计算中，考虑了车辆以60 km/h速度通过曲线半径300 m、超高120 mm的曲线，激扰谱选用美国5级线路谱。计算结果如图5和6所示。

图3 蛇行运动稳定性随轴箱弹簧横向刚度变化规律

图4 蛇行运动稳定性随轴箱弹簧垂向刚度变化规律

从计算结果对比可知，随着轴箱弹簧横向刚度的变大，车辆的曲线通过能力逐渐变差；随着轴箱弹簧垂向刚度的变大，车辆的轮轴横向力和轮重减载率2个指标变差，而对脱轨系数影响很小。轴箱定位刚度的增大，不利于车辆全通过曲线。

3 试验验证

本项目在轴箱弹簧横向刚度为6 MN/m、垂向刚度为1.32 MN/m的状态下，进行了车辆动力学线路测试，其测试结果与仿真分析数据对比如图7所示。从对比结果看，测试结果和分析误差均在可接受范围之内，进一步验证了仿真分析方法的准确性。

4 结语

上述动力学计算是通过改变轴箱弹簧的横向刚度和垂向刚度参数，来分析对车辆蛇行运动稳定性、曲线通过能力的影响。目前，车辆动力学仿真分析技术在城市轨道交通客车产品研发过程有着大量的应用，通过分析各重要悬挂参数的变化对车辆动力学不同性能指标的影响规律，可以为产品设计和研发提供重要的理论依据。

图5 曲线通过能力随轴箱弹簧横向刚度变化规律

图6 曲线通过能力随轴箱弹簧垂向刚度变化规律

图7 测试结果与仿真分析数据对比

今后，不断完善车辆动力学模型更好地模拟车辆系统内部的相互作用和车辆运行状态的实际情况，是车辆动力学仿真分析发展的必然趋势。

［1］ 任尊松.车辆系统动力学［M］.北京：中国铁道出版社，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）