轻轨车辆回转支承的选型及其对车辆动力学性能的影响

孔媛媛，匡剑宇，张建全，颜志军,2，王志明,2

轻轨车辆回转支承的选型及其对车辆动力学性能的影响

孔媛媛1，匡剑宇1，张建全1，颜志军1,2，王志明1,2

（1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001；2.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412001）

介绍了回转支承的结构型式，以及影响承载能力和回转阻力矩的因素。并通过仿真计算，分析了不同回转阻力矩对车辆动力学性能影响，分析结果表明：随着回转阻力矩的增加，车辆在直线上的运行性能有明显提升。在曲线上运行时，随着回转阻力矩的增加，车辆的运行安全性有明显降低，特别是在缓圆点处脱轨系数增加了12.5%，轮轴横向力增加了46%。回转支承作为轻轨车辆实现通过最小半径30 m曲线的关键部件，其参数的确定需要结合回转支承的承载能力、车辆运行的线路状态等综合考虑。

轻轨车辆；回转支承；回转阻力矩；动力学性能

轻轨车辆需要通过最小曲线半径30 m的车场线，在极限状态下车体与转向架间的转角将达到12°左右，传统车辆和转向架无法适应，采用带摇枕和回转支承的转向架成为解决该难题的一种最佳方案。该方案通过连接臂连接回转支承的外圈与车体、内圈与摇枕，实现车体与转向架的连接，并满足车体与转向架间的摇头、点头等运动，确保车辆安全地通过极小半径曲线。回转支承同时承受着车体重量、纵向力（牵引力、制动力、纵向冲击）和倾覆力矩等多种载荷[1-2]。

图1 回转支承的安装

1 回转支承的选型

1.1 回转支承的工作条件

轻轨车辆一般轴重在12 t以下，回转支承轴向承载在17 t左右，同时承受车辆在线路上运行时未平衡的离心力、风力等引起的倾覆力矩，以及牵引、制动时的纵向力。

图2和图3分别为车辆在新轮新轨状态通过30 m曲线时，回转支承的回转角度和回转角速度。可以看出，轻轨车辆用回转支承的工作条件为承受大的轴向力、运动速度比较小。

图2 回转支承旋转角度

图3 回转支承旋转角速度

1.2 回转支承的型式

常用回转支承的结构型式有四种，如图4所示[3]。

（1）单排球式回转支承结构轻巧、紧凑，能同时承受轴向力、倾覆力矩和径向力。

（2）双排球式回转支承分为上下两排布置滚珠，能同时承受轴向力、倾覆力矩和径向力。

（3）三排滚柱式回转支承主要传递径向载荷的是位于中间的一排滚柱，其垂直于上排和下排的滚柱。载荷大、直径较大的大型回转设备一般采用三排滚柱式。

（4）交叉滚柱式回转支承滚动体为成90°交叉排列的圆柱形或圆锥形，为平面式滚道，一般45°接触角，在轴线上相邻滚道的滚柱交叉排列，径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩可沿不同方向轴向传递。

图4 回转支承类型

在滚道中心直径相同的情况下，单排球式回转支承的承载能力比双排球式、交叉滚柱式高，且型式简单、制造方便、滚道形状精度易控制，材料、加工费用低，因此轻轨车辆选用单排球式回转支承。

1.3 回转支承的承载能力

单排球式回转支承的钢球与滚道的接触是球体与鞍形曲面的接触，接触面是一个椭圆，整个接触面上的应力分布为椭球形，最大接触应力发生在接触面中心[4]。单排球式回转支承设计时需确保接触面的最大接触应力小于材料的许用接触应力。ISO 76标准[5]将轴承中接触应力最大处钢球和滚道接触总塑性变形量为钢球直径万分之一的静负荷定义为额定静容量。

单排球式回转支承在轨道交通车辆运行中，只有当车辆通过曲线时才会出现小角度回转，一般不超过15°，且车辆不经常满负荷，存在较大冲击的频率也比较低，因此，一般取f＝1.15～1.30。

某轻轨项目的单排球式回转支承参数及载荷如表1所示。

表1 回转支承轴承参数及载荷

根据表1，计算得极限工况下f＝1.25，满足要求。

1.4 回转阻力矩

回转支承的摩擦是由钢球与滚道之间的滚动摩擦和滑动摩擦产生的，主要由弹性滞后、差动滑动、自旋滑动、钢球打滑和陀螺旋转等引起。由于回转支承转速较低，钢球与每个沟道间存在较大的自旋滑动，绕接触点切线方向的差动滑动产生的摩擦力矩较小，而绕接触点法线方向的自旋产生的摩擦力矩是轴承运动状态时摩擦力矩的主要来源，因此游隙是决定滚动轴承摩擦力矩最重要的因素之一。采用负游隙使钢球与滚道间存在一定的预紧力，不仅可消除轴承内部游隙、减小列车纵向冲击的影响、避免滚道的疲劳剥落，且能降低轴承的体积和重量，使部件更加紧凑、轻便[9]。根据实际应用经验，回转支承的回转阻力矩一般估算为：

某轻轨项目的单排球式回转支承空载载荷如表2所示。

表2 回转支承轴承空载载荷

2 回转阻力矩对车辆动力学性能影响

2.1 回转阻力矩的范围

EN 14363标准[10]中规定：

根据标准要求，为确保车辆能够顺利通过曲线，需使＜0.1，由式（5）可以看出，车辆在空载时回转阻力系数最大。该轻轨车辆轴距2 m、空车轴重7.5 t，由此可知，其回转阻力矩应小于14.715 kN·m。

2.2 回转阻力矩对临界速度的影响

在直线轨道上施加一段不平顺，激发车辆的振动，然后使车辆在平直光滑的轨道上运行，当车辆的响应不再收敛到平衡位置，而是趋于稳定的极限环时，此时速度即为车辆临界速度。

图5为车辆在不同回转阻力矩下的临界速度。由图可知，随着回转阻力矩的增大，车辆的临界速度也随之提高。

图5 回转阻力矩对临界速度的影响

2.3 回转阻力矩对车辆直线运行性能的影响

车辆在直线上运行时，不同回转阻力矩对车辆运行平稳性和运行安全性的影响情况如图6所示。

图6 回转阻力矩对车辆运行平稳性和运行安全性的影响

由图6可知，车辆在直线上运行时，随着回转阻力矩的增加，车辆的横向平稳性、横向加速度均方根值、脱轨系数、轮轴横向力均有明显降低；但垂向平稳性、垂向加速度均方根值基本没有变化。显然，轻轨车辆回转支承的回转阻力矩越大，对车辆的直线运行越有利。

2.4 回转阻力矩对车辆曲线通过性能的影响

线路的曲线半径为200 m，缓和曲线长度75 m，圆曲线长度100 m，超高120 mm，运行速度55.5 km/h。为了清楚显示回转阻力矩对车辆运行性能的影响，本文在曲线仿真时没有增加轨道激励。图7为最大回转阻力矩设置为1000 N·m时的回转阻力矩历程图。

图7 回转阻力矩的历程图

图8为车辆在200 m曲线上运行时，不同回转阻力矩对车辆曲线运行安全性的影响。

由图7、图8可知，当车辆在曲线上运行时，随着回转阻力矩的增加，车辆的脱轨系数、轮轴横向力，特别是在缓和曲线以及缓圆点处有明显的增加。其中缓圆点处的脱轨系数由0.36增加到0.405，增加了12.5%；轮轴横向力由5.574 kN增加到8.155 kN，增加了46%。显然，随着回转阻力矩的增加，车辆曲线通过性能恶化，即，为了通过小半径曲线，回转支承的回转阻力矩不能取得过大。

2.5 小结

从以上分析可以看出，增加回转阻力距可以提高车辆的临界速度、衰减车辆在直线上运行的振动，提高车辆运行稳定性和平稳性，但在通过曲线时，脱轨系数、轮轴横向力会有明显的增加，降低了车辆的曲线通过安全性，即回转阻力距对车辆在直线上和曲线上运行性能的影响相互矛盾，因此回转阻力距的选择需要依据标准的要求、车辆的运营条件以及回转支承的制造水平综合考虑。

图8 回转阻力矩对脱轨系数和轮轴横向力的影响

3 结论

采用带摇枕和回转支承的转向架成为解决轻轨车辆通过小半径曲线的一种最佳方案，从仿真结果可以看出，回转支承的回转阻力矩对车辆的运行性能存在明显的影响，其中当车辆运行在直线上时，随着回转阻力矩的增加，车辆的横向平稳性、横向加速度均方根值、脱轨系数、轮轴横向力均有明显的降低；但当车辆运行在曲线上时，随着回转阻力矩的增大，车辆的脱轨系数、轮轴横向力均有明显增加，特别是在缓圆点处，脱轨系数增加了12.5%，轮轴横向力增加了46%。由于回转支承需要承受车体和乘客重量、列车牵引、制动时的径向力以及由于离心力、侧风引起的倾覆力矩等载荷，但回转支承的回转角度及回转角速度相对较小，因此，需要结合回转支承的承载能力、车辆运行的线路状态等综合考虑，合理地确定回转支承的游隙等参数，确保其承载能力以及车辆的动力学性能，以保证轻轨车辆通过小半径曲线的运行安全性。

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Selection of Slewing Bearing for Light Rail Vehicle and its Influence on Vehicle Dynamics Performance

KONG Yuanyuan1，KUANG Jianyu1，ZHANG Jianquan1，YAN Zhijun1,2，WANG Zhiming1,2

(1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou412001, China; 2.The State Key Laboratory of Heave Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration, Zhuzhou 412001, China )

This paper studies the structure of the slewing bearing and the factors influencing the bearing capacity and the slewing resistance moment. Through the simulation calculation, the influence of different slewing resistance moment on the vehicle dynamic performance is analyzed. The analysis results show that with the increase of the slewing resistance moment, the running performance of the vehicle on a straight line is obviously improved. When running on the curve, with the increase of the slewing resistance moment, the running safety of the vehicle is significantly reduced. Especially at the point of spiral to curve, the derailment coefficient increases by 12.5%, and the lateral force of the axle increases by 46%. The slewing bearing is a key component for light rail vehicles to pass the curve with a minimum radius of 30m. The design parameters of slewing bearings are decided according to the bearing capacity of the slewing bearing and the line state of the vehicle.

light railway；slewing bearing；slewing resistance moment；dynamic performance

U260.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.05.007

1006-0316 (2022) 05-0041-06

2022-01-13

孔媛媛（1986－），女，山东曲阜人，工程师，主要从事机车车辆转向架的研发工作，E-mail：zelc009@163.com。