200 km/h轴箱内置式转向架优缺点分析及动力学仿真

陆 铭 ,王 勇 ,王云鹏 ,王 雨

(1.山东职业学院 铁道学院,山东 济南 250104;2.西南交通大学 轨道交通运载系统全国重点实验室,四川 成都 610031;3.中车青岛四方车辆研究所有限公司 技术中心,山东 青岛 266031)

我国铁道车辆转向架一般采用轴箱布置在车轮外侧的二轴转向架(以下称传统转向架),具有运动稳定性好、抗侧滚能力强等优点;但也具有簧下质量大、轮轨作用力大、轮轨磨耗快、小半径曲线通过性能差等缺点。近些年来,铁路科技工作者对轴箱内置式转向架开展了研究。轴箱内置式转向架是将构架、轴箱及一系悬挂装置布置在车轮内侧,转向架为内支承模式[1],具有结构紧凑、自重轻、小半径曲线通过能力强、轮轨作用力及轮轨磨耗小、可降低车轴疲劳等优点,在国外已成功运用于干线客货车辆、直线电机转向架车辆、低地板转向架车辆以及单轴转向架车辆[2]。随着我国轨道交通车辆领域的蓬勃发展,多家企业也开展了轴箱内置式转向架的研制[3]。

1 轴箱内置式转向架优缺点分析

1.1 小半径曲线通过性能强

轮对的摇头角刚度大小直接影响着铁道车辆曲线通过性能,可以用式(1)表示:

式中:Kφ为轮对摇头角刚度,Kpx为一系悬挂纵向刚度,bp为一系悬挂横向跨距之半。

由式(1)可知,一系悬挂纵向刚度和一系悬挂横向跨距直接影响着轮对的摇头角刚度,在一系悬挂纵向刚度差异不大的情况下,轴箱内置式转向架车辆一系悬挂横向跨距有所缩短,降低了轮对摇头角刚度。由车辆系统动力学可知,轮对摇头角刚度越小,轮对在摇头方向上的约束越小,轮对更易趋向曲线径向,减小了轮对冲角,更易通过小半径曲线,改善了小半径曲线通过性能[4]。

1.2 构架质量、簧下质量及轮轨力小

轴箱内置式转向架构架横梁缩短,减少了构架质量,且一系悬挂装置一般采用橡胶元件,也可以减轻其自重[5];车轴长度缩短,中心孔加大,实现了轻量化,降低了簧下质量,轮轨横向力、轮轨磨耗均会相应减小[6]。

1.3 空气弹簧工作条件改善

空气弹簧是铁道车辆二系悬挂重要部件,具有良好的非线性特性。轴箱内置式转向架可减小二系悬挂横向跨距,当车辆在小半径曲线发生偏转时,空气弹簧的纵向变形量和扭转变形量均会减小,从而改善了空气弹簧的工作条件[7]。

1.4 减轻车轴疲劳

图1(a)为传统转向架,车轴垂向弯矩作用在车轮外侧,车辆过曲线时轮轨横向力对车轴产生的弯矩与垂向弯矩方向相同,因此弯矩是叠加的;图1(b)为轴箱内置式转向架,车轴垂向弯矩作用在车轮内侧,车辆过曲线时轮轨横向力对车轴产生的弯矩与垂向弯矩方向相反,因此会抵消部分弯矩,从而减轻车轴疲劳,延长车轴使用寿命,并可以加大空心车轴的内径,进一步降低簧下质量[8]。

图1 传统转向架和轴箱内置式转向架车轴受力示意图

1.5 蛇行运动稳定性和车辆横向运行平稳性降低

轴箱内置式转向架抗蛇行减振器横向跨距小,减振器有效工作行程减小,回转力矩相应减小,降低了车辆的横向运行平稳性以及车辆的蛇行运动稳定性,所以需要加装较大阻尼系数的抗蛇行减振器,以提高车辆的蛇行运动临界速度[9];另外由于轴箱内置式转向架车辆轮对摇头角刚度减小,提供的摇头力矩减小,抑制轮对摇头和转向架摇头的能力减弱,也会使车辆的蛇行运动稳定性降低[10]。

1.6 抗侧滚能力不足

轴箱内置式转向架车辆空气弹簧横向跨距和一系悬挂横向跨距小,支撑车体侧滚的力臂减小,造成车辆的抗倾覆能力下降,特别是在侧风条件下更加不利。在车辆设计时,需增大一系弹簧垂向刚度或加装较大扭转刚度的二系抗侧滚扭杆,但需要关注高频振动传递以及转向架设计结构的复杂化[11]。

2 建立动力学仿真模型

2.1 轴箱内置式转向架车辆动力学建模

200 km/h轴箱内置式转向架车辆采用直径860 mm 车轮;构架为H 型钢板焊接构架,构架横梁和侧梁均采用箱形焊接结构;中央牵引装置采用单拉杆牵引;采用盘形制动,制动夹钳安装在侧梁端部;采用拉杆式轴箱定位方式,一系悬挂为2个锥形橡胶弹簧+一系垂向减振器,二系悬挂包括空气弹簧、二系横向和垂向减振器、抗蛇行减振器及抗侧滚扭杆。

根据转向架结构,采用Simpack软件建立轴箱内置式转向架车辆非线性动力学模型,考虑轮轨蠕滑、轮轨接触、减振器阻尼特性及横向止挡非线性。采用等效锥度为0.1的LMB10踏面与CHN60钢轨互相匹配而成的轮轨接触几何关系,轮对内侧距沿用中国标准1 353 mm。轮对、构架和车体均视为刚体,忽略其弹性变形。车辆部分动力学参数见表1。

表1 轴箱内置式转向架与传统转向架车辆部分动力学参数m

2.2 传统转向架车辆动力学建模

为了对比轴箱内置式转向架和传统转向架车辆动力学性能的差异,对轴箱内置式转向架车辆动力学模型进行了修改。构架和轮对的质量、转动惯量属性参考200 km/h速度等级动车组来进行设置,其他悬挂参数未作改变,以此来构建传统转向架车辆动力学模型(表1),从而对二者动力学性能的差异进行对比研究。

3 动力学仿真验证

3.1 运动稳定性对比分析

轴箱内置式转向架车辆在不同速度下轮对横移时间历程曲线如图2所示。车辆在速度479 km/h 时,当秦沈轨道谱激励消失后,轮对横移量收敛至平衡位置〔图2(a)〕;车辆在速度480 km/h时,当秦沈轨道谱激励消失后,轮对横移量随着时间的延续不再收敛而是处于极限环振动状态〔图2(b)〕。

图2 轴箱内置式转向架车辆轮对横移时程曲线

图3为传统转向架车辆在不同速度下轮对横移时间历程曲线。传统转向架车辆蛇行失稳临界速度为597 km/h。

图3 传统转向架车辆轮对横移时程曲线

轴箱内置式转向架车辆蛇行临界速度低于传统转向架车辆,是由于轴箱内置式转向架车辆的抗蛇行减振器横向跨距比传统转向架车辆减小338 mm,使得轴箱内置式转向架车辆蛇行运动稳定性降低,与理论分析结果一致。

按照摇头角刚度分析,设置传统转向架车辆轮对摇头角刚度50 kN·m/rad,轴箱内置式转向架车辆轮对摇头角刚度15.68 kN·m/rad。轮对摇头角刚度随蛇行临界速度的变化规律如图4所示。轮对摇头角刚度降低,摇头力矩减小,抑制轮对摇头运动和构架摇头运动能力减弱,车辆蛇行临界速度呈现降低趋势,所以轴箱内置式转向架车辆蛇行临界速度较低。

图4 轮对摇头角刚度对蛇行临界速度的影响规律

3.2 运行平稳性对比分析

本文计算了轴箱内置式转向架和传统转向架车辆在秦沈轨道谱激扰下直线运行平稳性指标(表2),图5为2种转向架车辆在不同速度下的横向、垂向平稳性指标对比曲线,图6 为2 种转向架车辆在250 km/h速度下车体和构架横向、垂向加速度时域对比图。

表2 轴箱内置式转向架和传统转向架车辆平稳性指标对比

图5 2种转向架车辆横向、垂向平稳性指标对比

图6 2种转向架车辆构架和车体横向、垂向加速度时域对比

在秦沈轨道谱激扰下,轴箱内置式转向架和传统转向架车辆虽然一/二系悬挂作用点不同,但悬挂的垂向刚度相同,在直线运行时垂向平稳性指标、构架垂向加速度、车体垂向加速度差别不大。当车速大于160 km/h时,轴箱内置式转向架车辆的横向平稳性指标比传统转向架车辆稍差;轴箱内置式转向架车辆的构架、车体横向加速度较传统转向架车辆偏大,因此轴箱悬挂横向跨距、空气弹簧横向跨距以及抗蛇行减振器横向跨距的减小会恶化车辆横向平稳性,而对车辆垂向平稳性影响较小。

3.3 小半径曲线通过安全性对比分析

按照表3设置了3种不同小曲线半径工况,曲线由直线、缓和曲线、圆曲线、缓和曲线和直线连接而成[12],并施加秦沈轨道谱激扰。轴箱内置式转向架和传统转向架车辆在轮重减载率、轮轨横向力、轮对冲角以及车轮磨耗指数上的对比如表4所示。

表3 曲线线路设置

表4 不同曲线半径工况下2种转向架车辆曲线安全性指标对比

由表4可以看出,轴箱内置式转向架车辆的轮对冲角、轮重减载率、轮轨横向力及车轮磨耗指数均小于传统转向架车辆,随着曲线半径的增大,各安全性指标减小的百分比逐渐降低,在曲线半径相对较小的情况下,轴箱内置式转向架车辆更能显示出其优良的小半径曲线通过性能。

3.4 抗侧滚性能对比分析

施加9级定常风,定常风由坐标系y轴正方向吹向负方向,且定常风载荷垂直作用在车体侧墙[13],采用秦沈轨道谱,设置车速120～200 km/h,直线运行时的倾覆系数、轮重减载率结果差异如图7所示。

图7 9级侧风条件下2种转向架车辆直线安全性结果对比

由图7可以看出,侧风工况下车辆的轮重减载率要大于倾覆系数,这是因为轮重减载率是每个车轮的减载率,倾覆系数是转向架的减载侧。速度大约187 km/h时,轴箱内置式转向架车辆的轮重减载率已经超出限定值,但此时传统转向架车辆的轮重减载率和倾覆系数均在安全范围内。

3.5 空气弹簧运动特征对比分析

轴箱内置式转向架车辆二系悬挂横向跨距小,当车辆在小半径曲线发生偏转时,空气弹簧的纵向变形量和扭转变形量均会减小,改善了空气弹簧工作条件[14]。图8为轴箱内置式转向架和传统转向架车辆以25 km/h通过110 m 小半径曲线时空气弹簧的运动特征,仿真计算施加秦沈轨道谱激扰。

图8 2种转向架车辆空气弹簧运动特征曲线对比

由图8可以看出,轴箱内置式转向架车辆的空气弹簧纵向位移量大约为0.04 m,传统转向架车辆的空气弹簧纵向位移量大约为0.07 m;轴箱内置式转向架车辆的空气弹簧纵向力大约为6 kN,传统转向架车辆的空气弹簧纵向力大约为11 kN;在没有触碰横向止挡的情况下,空气弹簧和构架布置方式对空气弹簧横向位移和横向力的影响不大,轴箱内置式转向架车辆的空气弹簧纵向位移和纵向力小于传统转向架车辆,改善了空气弹簧工作条件,可延长使用寿命。

3.6 车轴弯矩分析

设置曲线半径300 m、超高0.12 m 曲线,让轴箱内置式转向架和传统转向架车辆以70 km/h速度通过曲线,线路不设置轨道谱激扰,轴箱内置式转向架车辆与传统转向架车辆的轮轨横向力弯矩、车体载重弯矩如图9(a)、图9(b)所示,合成弯矩对比如图9(c)所示。可以看出,轴箱内置式转向架车辆车轴合成弯矩小于传统转向架车辆,可减轻车轴疲劳,延长车轴使用寿命。

图9 2种转向架车辆车轴弯矩对比

4 结论

本文的研究表明:轴箱内置式转向架车辆蛇行临界速度低于传统转向架车辆;轴箱内置式转向架车辆一/二系悬挂横向跨距减小会恶化车辆横向运行平稳性,使车辆抗倾覆能力下降;轴箱内置式转向架车辆小半径曲线通过性能要优于传统转向架车辆;轴箱内置式转向架车辆空气弹簧纵向位移和纵向力要小于传统转向架车辆,改善了空气弹簧的工作条件,可延长其使用寿命;轴箱内置式转向架车辆可减小车轴弯矩,减轻车轴疲劳,提高车轴强度裕量。