直接驱动转向架的动力学性能分析

朱建伟,丛一新

(大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028)*



直接驱动转向架的动力学性能分析

朱建伟,丛一新

(大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028)*

运用多体系统动力学软件SIMPACK建立了铰接式直接驱动转向架的车辆系统动力学模型，通过仿真计算分析了三角杆纵向刚度和横向刚度与车辆临界速度的关系，并对二系悬挂垂向刚度和垂向阻尼的参数进行了优选.最后分析了整车曲线通过性，结果表明直接驱动转向架具有良好的动力学性能，能满足运行的需要.

直接驱动转向架；二系悬挂；曲线通过能性

0 引言

随着城市的建设，对城市轨道车辆的要求不再只考虑速度、舒适性、平稳性和安全性，车辆全寿命周期(LCC)也很重要[1].转向架结构参数和传动技术对降低LCC起重要作用，研究分析新型的转向架已成为必要的课题.德国西门子公司开发的新型动力转向架具有结构紧凑，质量轻，LCC低等有优点，本文参照这一转向架分析直接驱动转向架的动力学性能.

1 直接驱动转向架结构

直接驱动转向架(既西门子Syntegra转向架)是一种新型转向架，其主要特点为：取消了传统齿轮传动机构，采用三相交流永磁同步电机作为牵引电机，将驱动装置、基础制动装置和轮对做成整体式轮对单元机构，减少了部件的数量和磨耗，降低了簧下质量，使转向架轻量化；而构架采用H型铰接构架，由1横梁和2侧梁铰接而成，横梁承受所有水平方向的力，侧梁只传递垂向力，加上其特殊的轮对内侧定位方式，照就其独特的力的传递模式[2].参照图1建立转向架动力学模型，模型参数是参照我国现有地铁车辆和Syntegra转向架结构拟定的，主要参数如下：轮对质量1 250 kg，牵引电机450 kg，车体额定载荷工况下质量32 000 kg，轮对转动惯量520/86/20(x/y/z),kg·m2,车体额定载荷工况下转动惯量56 000/2 000 000/2 000 000(x/y/z)，kg·m2,新轮直径690 mm，轴距1 600 mm，定距15 700 mm，一系悬挂装置和三角杆横向间距1 100 mm，二系空气弹簧横向间距2 000 mm，一系悬挂垂向刚度1.5 MN/m，三角杆纵横向刚度4/2(x/y)，MN/m,空气弹簧三向刚度0.18/0.18/1.2(x/y/z)，MN/m,空气弹簧静挠度100 mm， 二系横向阻尼40 kN·s/m，二系垂

图1 Syntegra转向架

图2 整车直接驱动转向架模型

向阻尼36 kN·s/m.鉴于此转向架用于城市轨道车辆，最大运行速度是100 km/h，本文采用国内60 kg轨道的LMA型磨耗性踏面[3]，整车模型如图2.

2 三角杆定位方式的动力学性能分析

由于直驱转向架是轮对内侧轴箱定位方式，在结构上就直接限定了一系悬挂装置的安装位置和横向尺寸，考虑到安装空间和材料的性能，故将一系弹簧设定成相对轮对左右对称和三角杆拉板式定位结构[4].在力的传递上，一系弹簧主要传递垂向力，水平方向力大部分由与构架横梁、电机轮对轴箱铰接在一起的三角杆传递.三角杆在结构上有导向定位功能，传递纵向力和横向力，对车辆的动力学性能影响很大.

在分析其三角杆与非线性临界速度关系时，使用美国标准AAR5轨道谱，在直线上添加50 m横向激励，让其在光滑轨道上运行300 m后，观察第一轮对的横位移，判断不同刚度下的临界速度值.当设三角杆横向刚度为Ky=2 MN/m时，图3是整车非线性临界速度随Kx的变化趋势，可以看出三角杆的纵向刚度对车辆临界速度Vcr影响很大，随着Kx的变大，Vcr呈增大的趋势；在Kx小于10 MN/m时，Vcr变化趋势很大；但在Kx大于10 MN/m后，Vcr增加趋势变缓，最后稳定在220 km/h左右.考虑整车整体性能的发挥，取Kx=4 MN/m，此时Vcr约为160 km/h.图4为当Kx=4 MN/m时，Vcr随Ky的变化情况，可见Ky有着和Kx相同的变化趋势.这里取Ky=3 MN/m，此时Vcr约为163 km/h.

图3 Vcr随Kx的变化

图4 Vcr随Ky的变化

由此可见采用三角杆轴箱定位方式可在不需要添加抗蛇形减震器的情况下就能满足车辆对运行速度的要求，这对减少构件数量，轻量化转向架有帮助，保证了车辆的动力学性能.

3 二系空气弹簧直线动力学性能分析

通过前文SIMPACK仿真分析可知，车辆临界速度为163 km/h，考虑城市轨道车辆最高运行速度在80～100 km/h，在直线动力学分析时取最高速度为100 km/h，改变二系空气弹簧垂向刚度Kz和垂向阻尼Dz的参数，分别计算出第一轮对左侧车轮的轮轴横向力和轮轨垂向力，第一轮对上牵引电机的三个方向的加速度值及前端车辆地板上的横向平稳性和垂向平稳性.

3.1 Kz对车辆动力学性能的影响

表1中给出的是当Dz为36 kN·s/m时，Kz从0.3 MN/m增加到2.1 MN/m，计算的各项动力学统计指标最大值.从表1中，可以看到随着Kz的增大，车辆的横向平稳性、轮轴横向力、电机各向加速度都无明显变化，轮轨垂向力和垂向平稳性有增大的趋势，其垂向平稳性变化最大.根据GB5599-85的评价标准：平稳性指数W<2.5时，平稳性为一级；2.5

表1 Kz对车辆动力学性能的影响

3.2 Dz对车辆动力学性能影响

当Kz为1.2 MN/m时，计算Dz从10～50 kN·s/m的各项动力学统计最大值.结果表明Dz的变化对轮轴横向力、横向平稳性、电机加速度几乎没有影响.图5、图6分别是轮轨垂向力和垂向平稳性随Dz的变化曲线.由图5可知，轮轨垂向力在Dz小于23 kN·s/m时，随着Dz的增大而减小；当Dz大于23 kN·s/m时，轮轨垂向力随着Dz的增大而上下波动，趋于平稳.由图6可知，在Dz小于28 kN·s/m，垂向平稳性随着Dz的增大而减小，当Dz大于28 kN·s/m时，垂向平稳性随着Dz的增大而增大.这表明，二系垂向减震器系数只有在一定范围内才起衰减振动的作用.当阻尼系数超过一定数值，抑制振幅的作用将会减弱，在垂向上表现出与垂向刚度相似的垂向特性.参考平稳性指标和阻尼特性，二系垂向阻尼系数优选为28 kN·s/m.

图5 轮轨垂向力与Dz的关系

图6 垂向平稳性与Dz的关系

4 曲线动力学性能分析

曲线通过性是评判车辆安全性的一个重要指标，参照GB 50157-2013《地铁设计规范》中关于A型车在正线上通过困难地段设定曲线参数：直线50 m—缓和曲线60 m—R300 m的圆曲线150 m—缓和曲线60 m—直线50 m，曲线超高150 mm，通过速度60 km/h[6].为更真实模拟现实情况，计算时对曲线添加轨道不平顺，轨道谱采用美国AAR5.在分析曲线通过性时，是用各项动力学参数的最大值作为评判车辆通过曲线的动力性能的好坏的标准，而不是采用统计指标.

计算点取第一轮对外侧轮对的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率和轮轨垂向力，分别如图7～图10.由图可知，轮轴横向力最大值(以下最大值都取绝对值)不超过20 kN，脱轨系数最大值不超过0.30，轮重减载率和轮轨垂向力有相似的垂向特性，且轮重减载率最大值不超过0.39.都小于GB5599-85的相关标准值：轮轴横向力47.37 kN，脱轨系数1.0，轮重减载率0.6[5].

图7 第一轮对外侧轮对轮轴横向力

图8 第一轮对外侧轮对脱轨系数

图9 第一轮对外侧轮对轮重减载率

图10 第一轮对外侧轮对轮轨垂向力

5 结论

通过动力学建模和对结构参数的仿真分析，可知直接驱动转向架这一新型转向架具有可行性.通过优化一系、二系结构参数，能使车辆具有较高的运行安全速度，安全余度可达到0.63，保证了车辆对运行速度的要求，具有较好的运行平稳性和曲线通过能力，能满足运行的要求.

[1]王勃洪. 创新的直接传动动力转向架Syntegra[J]. 机车电传动，2007(2):44- 51.

[2]周勇,黄志辉. 直驱转向架结构形式对车辆动力学性能影响分析[J]. 铁道车辆,2012(12):1- 4.

[3]黄志辉,许俊峰. 直驱转向架结构特点与应用展望[J]. 机车电传动， 2013(4)：60- 62.

[4]周勇,黄志辉. 直驱转向架一系悬挂设计分析 [J]. 机车电传动， 2012(3)：23- 25.

[5]中华人民共和国铁道部.GB5599-85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].北京：中国标准出版社，1985.

[6]中华人民共和国建设部.GB50157-2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

Analysis of Direct Drive Bogie Dynamic Performance

ZHU Jianwei,CONG Yixin

(School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)

Vehicle system dynamic models of the direct drive bogie were established based on SIMPACK. With the simulation calculation, the relationship between non-critical speed and the longitudinal stiffness and lateral stiffness of the triangle rod was analyzed, and the main parameters were selected for the secondary suspension system of the direct drive bogie. The passing curve capability of the vehicle′s was finally analyzed. The result shows excellent dynamic performances which could meet the need of running.

direct drive bogie; secondary suspension; passing curve capability

1673- 9590(2017)01- 0034- 04

2015-12-01

朱建伟(1957-)，男，副教授，硕士，主要从事机车牵引与传动控制的研究

A

E- mail:neatzhu@djtu.edu.cn.