（光学工程专业论文）摆式客车曲线通过动力学性能研究.pdf

烈南交遘大学硕士研究生学位论文第l 爽 ，摘要 | f 采用摆式客车，可以在不降低旅客乘坐舒适度的情况下以较高的速度 通过蛆线，这是既有线路提速、增加铁路客运能力、掇离铁路与其它交通工 其竞争能力的一种有效办法。翻外韵二多国家已缀成功开行了摆式列车，我国 也t f 在丌展摆式列车的研制工作。y 本文结合铁邀部科研项目，主要进行了摆 式客车固线通过动力学辩研究。 本文首先介绍了摆式客车掇速的机理，并简要介绍了国外几剥- 已成功 7 - 7 行弱撂式弼车。接着对摆式客车静辜耍攘梳构逡孑亍了运动学瑟动力学分斩， 得到了建立摆式客车曲线通过动力学模趔的参数。本文蘑点是进行摆式客车 麴线通过动力学熬疆究，首先建立了2 1 个塞凌疫黟客车整线逶遂j 线牲数 学模型，推导出了系统的运动微分方程组，模型中的非线性环节包括轮轨接 触几 可关系非线性、轮鞔作舄力非线性及悬挂黪蛙 线懂，摸懋还考纛了转 向架迫导向机构的作用。最后，建立了3 节车的曲线通过非线性数学横型， 并分析了车端连接装置对摆式客车曲线通过动力学性能的影响。 通过分桥遭导囱机构参数；f l j 悬挂参数以及车端连接装置参数对摆式客 车曲线通过动力学性能的影响，得出了以上参数的取值范围，为摆式客车的 设讨提供了鼙辇论依据。 【关键谣】摆式客g 径自努焉桑；颓撰露溉：藏线邋噩：动舅辜牲麓 a b s t r a c t b yu s i n gt i l t i n gp a s s e n g e re a r s ，t r a i n c a nn e g o t i a t ea tah i g h e rs p e e dw i t h o u t r e d u c i n gt h ep a s s e n g e r sr i d eq u a l i t y t h i si sog o o dm e t h o dt h a ta l l o w sas i g n i f i c a n t i n c r e a s ei n s p e e da te x i s t i n gt r a c k i m p r o v e st h er a i l w a yt r a n s p o r tc a p a b i l i t y a n d e n h a n c e sr a i l w a y sc o m p e t i t i o nw i t ho t h e rt r a n s p o r t a t i o n t i l t i n gt r a i n sh a v eb e e n a p p l i e ds u c c e s s f u l l yi ns e v e r a lc o u n t r i e si nt h ew o r l d c h i n ah a sa l s ob e g u nt od e v e l o p t i l t i n gt r a i n s - c o m b i n i n gw i t ht h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o j e c tf o rt h e m i n i s t r yo fr a i l w a y , t h em a i nw o r ko f t h i st h e s i si so nt h es t u d i e so f c u r v i n gd y n a m i c s o f t i l t i n gp a s s e n g e rc a r s f i r s t l y ，t h em e c h a n i s mo fi n c r e a s i n gc u r v i n gs p e e dw i t ht i l t i n gp a s s e n g e re a ra n d s e v e r a lt i l t i n gt r a i n sa b r o a da r ed e s c r i b e db r i e f l y t h e na n a l y s i st h e t i l t i n gm e c h a n i s m o ft h et i l t i n ge a r ，a n dg e tt h ep a r a m e t e r sf o rt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fm o t i o n sf o r t h e t i l t i n gc a r t h ee m p h a s e so f t h i sp a p e ra r eh es t u d i e so f c u r v i n gd y n a m i c s o f t i l t i n g p a s s e n g e rc a r s an o n l i n e a rm a t h e m a t i c sm o d e lw i t h2 1d e g r e e so ff r e e d o mi ss e tu pi n t h i st h e s i s t h en o n l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fm o t i o n sf o rt h e v e h i c l es y s t e mh a v e b e e nd e r i v e d t h en o n l i n e a r i t i e si nt h em o d e li n c l u d ew h e e l r a i l c o n t a c tg e o m e t r y ， w h e e l r a i li n t e r a c t i v ef o r c e sa n d s u s p e n s i o np a r a m e t e r s f o r c e d - s t e e r i n gm e c h a n i s mo f t h eb o g i ei sa l s oc o n s i d e r e di nt h ev e h i c l em o d e l a tl a s tan o n l i n e a rm a t h e m a t i c s m o d e l o ft h r e ec a r sc u r v i n g n e g o t i a t i o ni sb u i l t ，a n da r i a 每s i st h ei n f l u e n c eo ft h el o i n td e v i c e o f e a re n dt ot h ed y n a m i c sb e h a v i o ro f c u r v i n gn e g o t i a t i o n b yo p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so ft h es t e e r i n gm e c h a n i s ma n ds u s p e n s i o ns y s t e m a n d i n t e r v e h i c l e ，g e tt h er a n g e o ft h ep a r a m e t e r s k e yw o r d ：t i l t i n gp a s s e n g e rc a r ，r a d i a l b o g i e ，t i l t i n gm e c h a n i s m ， c u r v i n gn e g o t i a t i o n ，d y n a m i c sb e h a v i o r 亘童窒湮盔兰塑土塑塞圭兰焦迨塞 蔓! 夏 第一章绪论 1 1 选题背景 由于铁路具有运量大、速度快、运输安全、节约能源以及环保等优点， 因此铁路自问世以来就得到了迅速发展。一直作为人类最重要的交通运输工 具之一。但是进入本世纪六十年代以后，随着公路交通和航空运输等的飞速 发展，铁路运输面临极其严峻的挑战。进入七十年代以后，各大工业国尽管 受到了能源危机的影响，公路交通和航空运输仍然得到了高速的发展。长期 以来主要依附于铁路的长途客运进入了航空通道，短途客运被轿车争夺，货运 由大量集装箱卡车取代，各国铁路客货运量大幅下降，仅以西欧为例，铁路到八 十年代其客货运量的市场占有率均从五十年代的5 0 左右下降到了不足1 5 面对困境，有识之士丌始觉醒。最终发现出现这种现象的原因是：长期以来， 铁路行业由于偏重于增加列车的重量而忽视了行车速度的提高。只有提高行 车速度、缩短旅行时间才能使铁路在与公路、航空的竞争中立于不败之地。 自然而然地，高速铁路为世界各国的旅客运输开辟了新途径【3 ”。 列车提速，面临的一个问题就是当列车在曲线区段运行时，当运行速 度高于曲线设计的平衡速度时即会产生未平衡离心加速度，使车上乘客受到 抛向曲线外侧的作用力，以致乘客乘坐舒适度恶化，并影响列车运行的安全 性。目前，列车提速一般有两种途径： 一是通过建设新的高标准线路或大规模改造既有线路，加大轨道曲线 半径，开通高速列车，如日本的新干线、法国的t g v 和德国的i c e 等； 二是在既有线路下，通过改善车辆性能，提高对线路的适应能力。运 用摆式列车就是普遍采用的一项技术措施。 高速列车必须有相应的线路、通讯信号和供电系统等配套设施，因此 高速铁路的投资大，建设周期长，技术难度大，投资回收期较长。开行摆式 列车可以少改甚至不改现有的线路，采用“移动设备适应固定设备”的技术 路线，可做到列车提速见效快、投资省。 我国是一个多山的国家，山地、高原和丘陵约占国土面积的三分之二， 很多既有线路曲线众多、半径很小，都采用第一种途径经济上是不现实的。 只有通过第二种途径才能尽快实现铁道部的规划：平原地区最高速度要提高 到1 4 0 1 6 0 k m h ，山区铁路最高速度提高到1 0 0 1 2 0 k m h 。根据一些研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 资料表明，摆式列车可以在保证运行平稳性的同时，较常规列车的曲线通过 速度提高3 0 5 0 ，这样通过运行倾摆式列车就可以在常规线路上实现准 高速，在准高速线路上实现高速【i j 1 ”。因此，采用摆式列车是适合我国的国 情、路情的。1 9 9 9 年，铁道部己批准立项，由醒南交通大学、唐山机车车 辆工厂、成都铁路局等单位联合丌发研制我国的摆式列车。本论文就是此项 目的的一部分，与具体科研项目相结合，为摆式客车的实车研制提供动力学 依据是撰写本论文的意义所在。 1 2 摆式客车提速机理 1 2 1 列车通过曲线时的离心力和离, b j l 】速度 离心力是机车车辆在曲线轨道上运行时所特 有的力。为平衡这个力，在曲线轨道上设置外轨 超高( 即外轨与内轨的高度差) ，亦可用超高角 口表示，见图1 1 。把曲线外轨适当提高，借助 车辆重力的水平分力抵消部分离心力。 当列车通过曲线时，车上的旅客经受的离心 力为列车离心加速度与旅客本身质量的乘积，离 心力的方向指向轨道外侧，平行于水平面。 当列车以速度v ( m s ) 通过半径r 、外轨超高 为h ( m m ) 的曲线轨道时，由于离心力而产生的离 心加速度为j ，由于外轨超高而产生的向心加作用于旅客身上的力 速度g t g a = g 兰，则由于列车通过速度v 与外轨超高h 不相适应而产生的 未平衡的离心加速度a 为： 口：妥一业 ( 1 1 ) ，【j 式( 1 3 ) 中，g 采用9 8 1 m s 2 ，s 采用1 4 9 3 m m ，得到与v 相适应的外轨 超高与和平均速度相适应的外轨超高之差，称为欠超高“。 ”g = 告“ 0 t 小)( 1 2 ) 如果“。， o 即离心加速度大于重力加速度横向分量，则称为欠超高 戮毒交遗大学硕童塑塞生鉴重论塞董墨翼 u d 0 即离心加速度小于重力加速度横向分黧，则称心为过超高 g d = 0 即离心加速度等于重力加速度横向分量，则称妁为欠超高。 此时称列车的运行速度为平衡速度( 或均衡速发) 。 由于容、货运列车的行车速度不同，因此在设置线路超离时要两者兼 籁。在实际运用中这辘缀容易密现旅客翔车出璐欠超商丽货运列车出现过超 高的情况。有关资料表明最大欠趣高值的确定取决于以下三个因素： ( 1 ) 不强趣离篷过大瑟导羧车轮聪上剐鞔。 ( 2 ) 不因横向力太大而使轨道失去稳定。 ( 3 ) 保证旅客一定熬乘坐爨逶疫。 未被平衡的离心加速度和欠超高不窳太大，否则，不仅会影响列举行驶 乎穗，使旅客感觉不适，蕊且在藤速行车条传下，还霹使车辆丧失稳定，危 及行车安全。 通过论证，旅客对欠超高的承受敏感性如下： a o 0 4 9 ，即“d 6 0 r a m ，旅客茺离心力的感觉； a o ，0 5 9 ，即“d 7 5 m m ，旅客能察觉，但无不舒服感觉； 窃 0 0 7 7 9 ，邵 1 1 5 r a m ，旅客链长辩闯承受； a 0 1 9 ，即蚴1 5 0 m m ，旅客短时间承受： 国羚铁路大多采臻按来较乎簿豹离心燕速发 辛旁译徐旅客舒适漤鹣标 准，规定： 在较好蜓线路上，旅客裂车毂未被平 夤| 裹心趣速度群 0 ，0 5 9 。 在山区和提遥线路上，a ，到车在逶过半径不鞠戆夔线酵，袋速魄 较如图1 3 。由图可见，摆式列车可以提高曲线通过速度2 0 4 0 。 西南交通大学硕士研究生学僮论文篁! 亟 1 3 国内、外摆式列车研制发展状况 1 3 1 国外摆式列车发展状况 世界各国对于摆式列车的研究已经有几十年的历史了。早在1 9 2 8 年， 德国人k r u c k e n b e r g 就提出了摆式列车的原理并画出了设计图。但由于当时 制造和控制技术的限制，其设计思想到1 9 3 5 年才由瑞士s i g 公司在b l s 铁 路上实现。其基本原理是将车体通过滚子支撑在转向架上的弧形枕梁上，当 离心力作用在车体时能使其在枕梁上摆动，从而产生一个附加角度，并采用 j a c o b 径向转向架i ”】。但这个试验车并没有得到真正的运用，真正付诸实际 运用的摆式车体设计思想是1 9 4 3 年西班牙t a l g o 公司开发的摆式系统。并 且在经历了近4 0 年的不断改造和试验后，t a l g o 公司最后于1 9 8 0 年将t a l g o p e n d u l a r 摆式系统正式投入批量生产。到9 0 年代初，t a l g o 公司已经成功研 制了时速达到2 5 0 k m h 的摆式列车，在德国高速线路上试验速度达到3 0 0 k m h 1 6 8 2 ，。 意大利是主动倾摆技术的发源地，同时也是研制和开发最为成功的国家 之一。f i a t 公司早在1 9 5 7 年就开始研究并制造了模拟试验机，经过1 8 年的 反复试验、研究之后，于1 9 7 5 年制造了两辆编组的实用性样车e t r 4 0 l 电 动车组，即第一代p e n d o l i n o 。它采用加速度传感器和陀螺仪来检测进入曲 线的状态，并发出车体倾摆的指令，利用液压作动器使车体进行倾摆。随后， f i a t 又相继开发了第二代( e t r 4 5 0 ) 和第三代p e n d o l i n o ( e t r 4 6 0 、e t r 4 7 0 、 e t r 5 0 0 ) 摆式列车i l 0 ”0 2 ，2 4 ，2 5 3 9 ，”1 。 瑞典是著名的摆式列车x 2 0 0 0 的发源地。它在1 9 6 9 年进行了摆式列车 的首次试验，1 9 7 3 年瑞典铁路( s j ) 和a s e a ( 后来的a b b 和a d t r a n z ) 公司制定了联合开发x 1 5 摆式列车的计划。1 9 7 5 年制造出了样车并进行了 8 年的试验，1 9 8 6 年批量生产时更名为x 2 0 0 0 1 ”1 i 2 l 2 ”。 作为最早提出摆式列车概念的国家，德国在6 0 年代即由w e g m a n n 公 司开发出了被动倾摆系统，并在- - y i j 内燃动车组上进行了试验，但效果不尽 如人意。7 0 年代中期又在其他动车组上进行试验，尽管其性能有所改善， 但仍然没有达到预想的效果。8 0 年代末，为了适应与高速主干线相匹配的 需要，提高其二级线路的运输速度，德国联邦铁路( d b ) 对意大利主动倾 摆的e t r 4 0 1 列车和西班牙被动倾摆的t a l 9 0 2 0 0 0 列车进行了线路试验，并 订购了6 列t a l g o 摆式列车和2 0 列采用意大利f i a t 倾摆技术的内燃摆式动 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 车组v t 6 1 0 。此举极大地激发了德国机车车辆制造业对开发和研制摆式列 车的热情。a e g 公司首先在1 9 9 5 年研制世界上第- - y t j 采用机电式作动器的 内燃摆式动车组( v t 6 1 1 ) 。随后t a l b o t 公司在世界上首次采用了在抗侧滚 扭杆上安扎装倾摆作动器的倾摆技术，并于1 9 9 6 年在v t 6 1 4 内燃动车组上 成功地进行了试验。s i e m e n s 公司利用其下属的奥地利s g p 公司在8 0 年代 末就丌始致力于摆式列车研究的优势，与意大利f i a t 公司合作研制摆式列 车，先后丌发出i c t e t 摆式电动车组和i c t v t 摆式内燃动车组。这样通 过购置和开发，使德国成为世界上摆式列车最多的国家 1 3 , 1 5 , 1 6 , 1 $ , 3 2 , 3 3 , 3 4 。 法国也是摆式车体的创始国之一，继1 9 4 0 年试验以后，法国于1 9 5 6 年 研制成功了车体最大，摆角为18 。电动车。在该车进行了1 0 年的试验后， 于1 9 7 0 年试制了2 辆摆式客车并进行了试验。终因该车的结构过于复杂， 维修困难而被放弃。直到9 0 年代中期，法国开始重新研制摆式t g v 并造 出了样车m l 。 同本是在窄轨铁路上第一个采用摆式列车的国家。日本首先开发出了 3 8 1 系列摆式电动车组，并于1 9 7 3 年投入运营，该车使用德国w e g m a n n 的 被动倾摆原理，车体置于转向架的滚子上，车辆通过曲线时，车体由离心力 作用产生倾摆。此后日本研制和开发成功了其他形式的摆式列车并投入运用 5 l 。 其他一些国家也纷纷进行摆式列车的研究和开发，以提高在既有线路上 的旅客列车运行速度。同时摆式列车还可以用来对高速或准高速铁路进行进 一步提速。从国外摆式列车的研究和发展情况可以看出，摆式列车正成为世 界各国铁路运输事业发展的一个趋势。它可以适合各种线路提速。并且从 降低旅行时间上看，提高曲线限速要比提高最高峰值速度更有效，它既可增 加旅行速度又可节约由于加速、减速时的能耗。因此采用摆式列车进行提速 是一种有效而可靠的办法。 1 3 2 国内摆式列车的研制状况 我国对于摆式列车的研究起步较晚。直到9 0 年代初期，在严隽耄教授 的倡导下，以西南交通大学为主导力量的一些铁路科研机构和机车车辆制造 厂开始进行摆式列车应用前景和理论分析工作。在铁道部、国家自然科学基 金及学校的支持下，1 9 9 6 年西南交通大学机车车辆研究所建成了国内第一 个主动悬挂研究试验室，它可以对摆式列车的车体倾摆系统、控制系统、通 信系统等进行试验研究，特别是对倾摆控制系统的可靠性、安全性提供了试 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 验结论。并先后完成了国家自然科学基金资助项目、铁道部科技研究开发项 目等一批有关摆式列车的科研项目，取得了一定的成果。与此同时，在日趋 激烈的市场竞争刺激下，我国铁路的其他一些科研机构、高等院校和机车车 辆工厂制造工厂也纷纷着手研究摆式列车并取得了一些成果。1 9 9 7 年西南 交通大学、唐山机车车辆工厂和成都铁路局筹划联合开发我国的第一列摆式 列车；1 9 9 9 年铁道部已批准立项，由以上单位和大连机车厂等其余八家单 位共同开发两动六拖摆式列车，准备应用于建设中的成都一遂宁一重庆线 路。 1 4 本文的主要工作 本文经过充分调查国外摆式列车发展的情况，了解国外如何解决在既 有线路上提高旅客运输速度的基础上，针对我国目前自行研制的第- - n 摆式 列车的实际情况，对其曲线通过性能进行研究，为转向架设计、参数选定提 供理论依据。为此进行了以下工作： 1 首先对倾摆机构建立四连杆模型，并对其进行运动学和动力学分析， 推导出求摆式列车重要参数的公式，编制计算程序，求出这些参数变化规律。 2 通过分析摆式客车的结构，对摆式客车各分离体进行受力分析。并 对迫导向机构进行模拟，同时充分考虑摆式客车系统中的非线性因素和倾摆 机构的作用，推导出摆式客车曲线通过的动力学模型。 3 利用摆式客车曲线通过动力学模型，对常规转向架和迫导向径向转 向架的曲线通过动力学性能进行比较。通过分析迫导向机构参数和一、二系 悬挂参数等对曲线通过动力学性能的影响，提出我国摆式客车用迫导向径向 转架的实际设计参数。 4 为了考察相邻车辆在倾摆过程中的相互影响，以及车端联接装置对 摆式列车曲线通过动力学性能的影响，建立车端联接装置的等效模型并利用 a d a m s r a i l 软件，建立三辆车的动力学分析模型，分析车端联接装置对摆 式列车曲线通过动力学性能的影响，以便指导我国首列摆式列车的设计。 疆豢交通大学硕士戮究生掌位论文第8 炎 第二章倾摆机构运动学、动力学分析 摆式客车与普通客车的区别就在于摆式客率通过油线时率体在倾摆机 构的作用下产生倾摆，以抵消部分离心力。摆式客车的倾摆机枣勾采用一对对 称的铰链溺连杼机构。车体坐落在摆枕上，车体及摆枕燕量通过八字吊杆作 用在构架上，通过安装在摆枕与构架之间的作动器提供倾摆力，实现举体倾 摆。车俸颓摆会逡成车体鬟心在横向和羹彝上酌位移，阏辩在攘枕与桷粲之 间有作动器的输出力，这些参数都应在摆式客率动力学计算模型中加以考 虑，因_ 毙鸯必要蔚矮摆撬穆进嚣遮动学、动力学分掇。 2 1 倾摆运动规律的确定 车辆倾摆时横向若有较大的倾摆角速度、角加速度，极易使乘客晕车。 因此，对摆式车辆进行舒适度评价时，必须考虑倾摆焦速度和建加速度救影 响。根据国外摆式列车的设计经验，乘坐摆式列车的乘客保证舒适度所能承 受的倾摆角速度一般不大予5 。，s ，角加速度不大于1 5 。，s 2 。取倾摆角加速度 按与对间t 成分段线性关系交纯静梯形波信号，其数学表达式为： 垒， t 0 疗m 0 一占 一垒( r 一) o s 蔓f f ，o t 。t t 一芘 ( 2 - 1 ) 7 一“f 茎t r r 彳s f 篓f 对上式在相应时阅段作定积分，孬积分，缛到零体镁摆角速凄r _ o 和顾摆角 度。与时间的关系( 参见阐2 1 ) ： | 叠： l ( f ) + 靠( f - - t o ) c o - - - - - c o ( t o ) ic o ( t t o ) 一。( f t + f ) 卜叫卜象( 卜u 2 ) o t s f f 墨f s ，o o ，t - t o ( 2 - 2 ) r 一，o ，墨t r t f t t 两南交通太学硕士研究生学位论文第9 甄 鱼f 3 0 9 f s f 16 t o o ( r ) + c o ( f ) 磅 秽一t o ) 2 r t _ t o 扣! o ( t o ) + 搿( t o ) ( h 。) t o _ t 3 # 烈) 式中：兵= 眩y + k y 设# 一每，粼可褥戮缩疆了的蠕漆力： 缀强嫣潺力：t = e ( 3 - 1 1 ) 横肉孀滢力：e = 占( 3 - 1 2 ) 自旋蠕滑力矩：m = m ! ( 3 - 1 3 ) 上述蠕滑力、蠕滑力矩e ，f ，m ：怒定义在轮轨接触平面上的，下图给 礴了左、右轮静螨潺力、蠕潺力矩，分涮焉、r 表示。霰设轮对渖爨为， 侧滚角为中。，如果把蠕滑力( 矩) 表示成各挑标轴的分量，可以有如下表 示： 左轮： 毛；f , ic o s | f f 。一或s 磊戎，) s 迹 f j = 壤s i n g s 。+ 巧c o s ( 4 + 九) c o s 疋。茂8 i 珏( 参+ 丸) ( 3 - 1 4 ) m h = m bs i n ( 8 ，+ 妒。) s i n g s 。 m 。一一i f ：s i n ( 5 番。) c o s 妒。 m b = m kc o s ( 4 十丸) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 右轮 疋= 只c o s p t 。一f ，c o s ( 4 一九，) s i n g t 。 f 。= f ，s i n y 。+ c o s ( 4 一。) c o s y 。 f ：= 一f 、s i n ( 6 ，一。) m ，= 一m ：s i n ( 67 一牵。) s i n 妒。 m 。= m 。s i n ( 8 r 一丸，) c o s 吵。( 3 - 1 5 ) m 。= m 。c o s ( 4 一九) 3 1 3 悬挂特性非线性 抗蛇行减振器的阻尼力与减振器两端的相对运动速度呈非线性关系；摆 枕和车体之间设有横向止挡，它的力与位移也呈非线性关系，当摆枕与车体 之间的横向相对位移小于止挡间隙时，二者之间的横向刚度为空气弹簧的横 向刚度，止挡接触后，二系横向刚度为空气弹簧与横向止挡的组合刚度。计 算模型如图3 1 所示。 f k 2 ， 图3 - 1 二系止挡的非线性特性 3 2 摆式客车迫导向径向转向架结构与导向机理 3 2 1 摆式客车迫导向径向转向架结构 为了较为准确地建立迫导向径向转向架摆式客车的动态曲线通过模 嚣囊交通丈学壤土疆变生学位漳文繁2 癸 型，弱悫赍缨下追导向转囱絮的结构。如图3 2 所示。 摆式客车遗学国径向转向絮采用了八字摆抒式颁摆枧橡，安皴在梅架 和撼枕之闽的i 电动行鏊滚豫丝枉骏动摆挽按颈摆机摘的几何孰遮带动车体颓 攒，摆挽上方磷侧安装大鬃度空气弹簧鸯接支承车体，为簧闻攒结梅。采嬲 连接翱籀、构檠和莩体弱遍导向径囱视鞫实现转向架晌经向等囱功能 2 a 4 。 陶3 - 2 攫式释币追导固径翻转淘絮终糊圈 ( 一) 构架装拦 追”i j 目径向转向架构絮在结搦土超饕定镶耱对、支承颓摆祝构及车髂、 甬挂铷动装霞、传递牵琴i 、制动力、倾攫力及安装隧件的作用。褥檠采用镪 校浮接u 警缡褥。铡粱与主攒粱均累溺箱形缓爆绣掏，二纛通过对接浮缝 连接。 5 1 l | 粱中部差横粱上没摇秤支承座，涎铡横粱上中部设牵弓l 拉朽麾。梅 絮上稠礴个无缝镄餐小骥粱簿攀元翩动瀑瘗，夺横粱溃部浮接撬蛇抒减振器 安装座。在涮粱凌铡海接电动丝毂安装痊，餐l | | 粱步 铡安装径蠢毂杼辅窟。 ( 二) 轮对轴簇装饕 轮羽采瘸o g l s 毫遮辍型熬 搴辗镪车轮，模耗墅车羧穗甏，铸钢辜蠡辖舔 删躲弹繁托囊上设较向连样安装鹰。采遐镪圆弹餐承载，镪弹簧淘设强篱形 橡皎会矮蕊屡定挝瓣，定位器释敲级起定经礤凄，提供辅臻与擒黎之藏戆横 向弹性定位。定位器同时参与钢弹簧的整向振动。在辘簸夕 侧与梅絮下燕援 阉安装垂国泊疆搬掇器。 瑟南交通大学礤士磺突生学位论文 第2 2 贾 ( 纛) 导向机构 连接轴箱、构架和车体的径向连杆皱景由转向架两侧呈z 形连接的轴 箱谶杆、导向杠秆、杠秆转轴和车体连秆组成。辅箱连秆通过球形橡胶弹性 节点连接轴箱与构架上的导向杠杆。导向杠杆通过高强度自润滑耐磨轴瓦安 装褒褥架上靛转辘上。导离往抒上端逶邀连抒连接在车俗两铡静连秆凌上。 车辆进入曲线时，率体相对转向架的转动通过径向连杆机构使轮对趋予径向 位黉逶过照线。镫窝连抒静蔑褥跑铡关蓉设受壤籍对其舂一定程度熬过萼 向，可抵消少量机构磨损造成的导向不足。径向连杆使前后轮对及构架相对 车倦的强转运动藕醒在一起，可鸯效据铡车辆毂蛇行运渤。 ( 阴) 1 顷摆机构 倾摆机构由摆槐、两对摆村、上下昂轴和机电 乍动器组成。摆槐通过 两对倾斜布霭的八字摆秆敷吊轴懋挂在构架大横粱的摆秆座上。摆杆两端与 上下吊轴遁过自润滑轴承涟接。倾摆机构的摆心高度距轨面约为1 6 m ，接 近人 本中心和车体重心。电动行謦滚珠丝杠安装在构架侧梁和撰枕之间，丝 杠的伸缩驱动摆枕按倾摆机构的几何轨迹倾摆，带动上部车体倾摆。 ( 擞) 审央悬挂装置 摆枕上侧两端为大柔度空气弹簧支承车体，空气弹簧垂向当量静挠度 大予2 0 0 m m ，空气粪簧蠹部设寄节滚魏掇供垂蠢振动瓣尼，空气弹簧霹欲 实现1 1 0m m 的大横向变位，满足车体与摆枕之间横向及纵向变形要求。 裹发调整滴安装在车俸与撰撬之阙可毫效控毒l 载麓变化跨强侧空气弹簧懿亳 度尺寸。摆枕两侧的空气弹簧气塞安装警压阀。摆枕和率体之间安装两个横 向油压减掇器抑巷车体与转向架闼的横肉振动，车体与摆技之间还装秀捩铡 滚扭杆装置，在摆枕上侧与车体之间设有非线性弹性止糖限制举体的横向位 移。横向止挡自由间隙为士4 0 m m ，最大游闻为7 0 m m 。 在构架小横浆端部及车体之闯装有抗蛇行减振器，牵引装置采用单拉 杆方式，拉卡t 两端用弹性橡胶球关节分别与构架和车体拥连【4 4 1 。 3 2 2 摆式客车迨导向径向转向架的铎向机理 如兹鼹述，摆式客车速导自径自转怒架是凌车俸粒轮对之瓣热装一套 杠杆机构形成迫导向装置。车辆通过曲线时，车体相对转向架构架转动，迫 导向机构利用车体相对转向架构絮的转角_ 柬推动轮对趋予曲线的径向位嚣。 匿壹塞遵盔堂璧生塑窒蹩兰丝逆塞篁兰i 夏 妇黧3 - 3 掰暴，这秘追导囱经疯转彝檠靛基本原瑷是：豢车辆邋过兹线 时，车体相对转向架构架转动一定角度 搿，蹬的值与车辆定题( 2 l ) 秘曲线半 径( r ) 有关，可用下式表示： ， s i n 搿= 兰3 ，1 6 ) 矗 要使轮对在曲线上完全处于径向位 爨，轮对需要转动一定麓度1 3 ，转囱粱 的固定轴距( 2 b ) 和曲线半径( r ) 有关， 可惩下式表示； s i n 口：旦( 3 1 7 ) 由于在车体和轮对之间有导向装鬣，图3 - 3 杠杆式迫导向转向架原理 导向装髭将车体相对构架的转角按一定比铡g 传递给埝对，遗使轮对转动一 定角度。要使轮对的转角达到便轮对处于完全径向位黼，即轮对的转角达到 8 ，导向机构的比例系数g 的取值为： 。；s i n _ _ f l ：垒 6 s i n 口l ( 3 ，l8 ) 琵倒系数g 稼为逡导自穰掏匏每淘增盏，它是设诗遭警囱径海转淹黎 的重要参数。在实际设计过程中，考虑到导向机构的间隙和弹性变形，实际 警淘瑶慈应毙璎论篷鞘大沁t 。 3 3 摆式客车动态曲线通过数学模型的建立 3 3 1 模型自由度 戬熬个车辆为研究辩象，建立葵劝；= ；奎；曲线邋过诗算豁菲线性数学模鍪， 模型示意图见图3 - 4 所示。基本结构包括车体、构架、摆枕殿轮对等刚体。 逐包据弹性元 睾及疆藩元 孛等番挂，模型赘叁国疫冕袭3 1 掰示，熬考虑了 2 7 个自由度，其中带有括号的自由度为非独立的自【= | | 度。值得注意的是摆 铙考虑了横移、镧滚嚣个垂出凌。事安上，凌予构絮鞠摆撬之阔出掇铡怒德 已知的作动器相关联，故摆枕的自由膨都是非独立的自由度。在考虑轮对的 翻出度时，轮对除了横移积摇头外，还有绕轮轴中一0 线豹转渤。车辆系统动 态通过曲线时，轮对的转速是变化的，敞轮对的转动可以认为由两部分组成： 旋扰动对车辆的运行有较大的影响。另外 对的横向运动和轮轨接触几何关系决定的， 度。本文考虑的独立自由度共2 1 个。 轮对还有侧滚运动，但它是由轮 因此，轮对侧滚不是独立的自由 自由 度横移 摇头侧滚自旋扰动备注 n t $ 轮对iy i 玉，。i 1 ，4 摆枕j( k )( 中坷)j = l ，2 构架ky nm 中m k = 1 2 车体y 。甲。中。 v x _， 【 l z f i 燕。刘怯“擞 。l 、 j l “ l 。 鼍羚2 。固剃4 纂” 一 l 一 l i 图3 - 4 ( a ) 摆式客车动力学模型主视图 翥 雠v 妒j 删恼 土 玉一蝴b y 尹7 熄 ，k p x j l l 竹 x 1 托凡， _ 七7 匦。，堍，l 蝓阵 p y 1 叫e ke。、，鼢；k p x f k s x ； k s x 图3 - 4 ( b ) 摆式客车动力学模型俯视图 亘壶窒鋈盔兰亟塑窒圭兰焦迨窒 篁垄夏一 图3 - 4 ( c ) 摆式客车动力学模型侧视图 3 3 1 迫导向机构的模拟 如前所述，摆式客车迫导向转向架的径向机构为在车体和轮对间采用杠 杆连接，其示意图如图3 - 5 所示。为了考虑问题的方便，作如下假设：( 1 ) 忽略导向机构本身的质量；( 2 ) 将导向机构的弹性都集中在与轴箱连接的导 向杆上，其它杆件视为刚体；( 3 ) 杠杆机构的所有间隙都集中在与轴箱连接 的杆件的销孔处 体 图3 - 5 杠杆式追导向机构示意图 定义鬈、比、匕( ，= l ，2 ) 为车体、构架和轮对的摇头角：k 。为导向杆 件系统的刚度，x ，为导向机构总的间隙，e 、e 分别表示轮对1 、2 的导 壁塞銮鎏盔兰塑土塑窒垒鲎焦篷塞 篁! 曼驻 与系悬撞横向间距相等) 。 根据图3 - 5 ，枉杆机构本身的增益为： b d b c ”一爿曰一b c + c a 粳据式( 3 - 】8 ) ，理论翁导凌增益为： g ：鱼。监( 3 ，1 9 ) 三 鬈 此时，前导转向架的轮对上的相对位移s 、s ：为： 髓s 恕二鬻g ) 缟d 。t h 二爱 协z 。， 【，2 = 舯一( 1 一一d g 甲。 由此稽对位移产生的作用力为： f = 令实翳导测疫惫：耻k 。( 1 - 畿 e 瑚 则有：f ：。岛，i s , , t x 滓l ，2( 3 _ 2 2 ) 【0吼i x p f 为杆系作用在轮对上的力，依次可推导出在构架及率体上的作用力，由 于车辆系统左右导向杆系所受的力是反对称的，所以作厢在各刚体上黪力实 际上是一对力偶短，鞭据上式可以推导出各圈体所受力偶矩的大小。即： k k ：t d l k t + ( n g ) 一g 誓】， ( 3 彩) 【l2 = 2 k ；2 d 2 卜巴2 + ( 1 一g ) + g 一】 。 k = 2 d 2 l 十g ) k ：，甲。+ 院陵 墨 、，；， 整酬 一 ，f，；， 8 k o 戳南交通大学硕士龌褒宝鲎位论建筻! ! 透 l ：2 d z - g k ；甲。十g k ：h ：一陋( 1 + g ) k ：，一g ( 1 一g ) k ；：k + g 2 ( k ：l + k ：2 ) t ( 3 - 2 5 ) 其中瓦，、：、瓦、t 分期必一、二垃轮对、稳絮帮车体掰受豹等效 力偶矩。对于后转向架，也可以母出类似的公式。这样迫导向径向转向架的 动力学分嫒，与豢嫂转自絮稳眈，魇不弱瓣是纛在轮鼹、擒絮鞠车钵上热上 代寝迫导向机构作用的等效力偶矩。 3 3 。2 车辆系统零部傣受走甏 为了建立摆式客车运动微分方程，酋先必须对车辆系统备部件进行受 力分援，各元 孛润翡相互佟躅力主要秀系霸= 系悬挂静弹簧力秘阻懋力轮 轨间的法向力和蠕滑力等。由于摆枕没有独立自由度，因此下面就分别对第 一袋轮对、翦转彝絮搀絮秘车体受力分聿露，由予在车俸蠢穆架之润设蠢撬蛇 行碱振器，车体和摆枕之间设有抗侧滚扭杆、横向减振器和横向止挡，所以， 根攘车体和构架、摆槐阉的相对运动状态，在擎体积搀絮之润将毒虫摭蛇雩亍 减掇器产生的二系纵向作用力，在车体和摆枕之间有由抗侧滚积杆产生的力 矩及由横向减振器和横向止挡产生的二系横向馋用力。傻为了在图中搂述渍 楚，在图3 8 和3 - 9 中并朱表示出这些力和力矩。而在车辆的振动微分方程 中，应将其加入，以使模型更符合实际j 。 2 b p 鞲l y l m 1 z l f p t y r l + 妇y l 图一鼢 一 位 一 第銎黼”，l 一图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 x 7 g 照1 f p x l l l f p z l l 圈3 - 8 掏架( 位) 受力图 圈3 - 9 车体受力图 图3 7 、图3 8 、鹜3 - 9 说硝： f l x i 、f r x i 第f 轮对左农轮所受蠕滑力在x 轴上的分最( j = 1 4 ) ： 两f 、f r y i 第i 鲶黯左右轮辨受蠛溪力在y 辘上戆分爨( 净l 4 ) ： 砘、见f 第f 轮对左右轮所受蠕滑力在z 轴上的分爨( i = 1 4 ) ： n l x i 、n r x i 第f 轮对左右轮所受法囱力在x 辘土豹分爨( 净l 4 ) ： n l y i 、n r y i 一第f 轮对左右轮所爱法向力在y 轴上的分髓( f = 1 4 ) ： 即一 ， l r ， 牡 一 p r 咻 刚 0 。0 | | 膨 ￥蛆 一 一风 嚣瘴交通大学硕士研究生学位论文第2 9 凝 n l z i 、n r z i 一第i 轮对左右轮所受法向力在z 轴上的分量( i = 1 4 ) ； f p x t i 、f p x r i 一一系悬挂左右纵向力( i = l 4 ) ； f p y l i 、f p y r i 一一系懋挂左右横囱力( i = 1 4 ) ： f p z l i 、f p z r i 一一系悬挂左布垂向力( f _ l 4 ) ： f s x l i 、f s x r i 一二系惑挂左囊缀淘力( i = 1 2 ) ： f s y l i 、风w i 二系悬挂左右横向力( i = 1 2 ) ； f s z t i 、f s z r i 一二系悬挂炭蠢垂宾力( i = l 2 ) ； a 一左右接触点距离之半。 3 。3 。3 车壤系统部件之阉豹悬挂力 ( 一) 一系悬接作用力 ( 1 ) 一系戆挂缀翻力 f p x l l * 一k p x b p + ，h i 一”i _ ，一c p x4 母p + f 沙一蛾1 ， f p x t 2 = 一k p x 女b p f y 一致l ? 一c p x $ b p 4 f 妒，2 一呶l 歹 f p x l 3 = 一k p x * b p 4 l 妒，；一审t 2 ) 一c p x 4 b p l 审w l 一审? t j f p x l 4 = 一k p x b p 矽。4 一审i 2 j c p x b p 4 移。一母| 2 f p x r i = 一f p x l i ( i = l 4 ) ( 2 ) 一系悬挂横向力 f p y l l = 一k p y y 一只i + e 。办l b + g , l ，一c p y p 一只l + h 。办i b + 蛾1 ， f p y l 2 篇一k 础 y ，l y q 珏t 童 + b 4 矽 j c p y p ，2 一争 鞋囊n b 毒争n ； f p y l 3 = 一k p y y 3 一只2 + q 。破2 一b + 2 _ ，一c p y i , 。3 一只2 + q 。旃2 一b + 竹2 _ 7 f p y l 4 篇一k p y y ? 4 一y t h 。i 七b 申嚏】一c 秽 多。4 一噎h 哩8 每审| 1 1 f 砂1 = f p y l l ( 3 ) 一系懋莛垂囊力 f p z l l = - k p z fz q + b p 4 垂，j c p z f t l + b p 每 f p z r l = - k p z * z n b p 4 嚷l j c p z _ f n 鼯矗l f p z l 2 篇一x p z f z 晓+ 器p 多t 1 - c p z 幸f 乏哩+ 印毒。l ； f p z r 2 = 一k p z _ f zr 2 一b p 4 毋| 1 - c p z 女f * 2 一b p4 每_ j 嚣赢交通大学硕士研究生鐾焦论塞簦垫邈 f p z l 3 = 一k p z ez ? 3 + b p 币1 1 1 一c p z l | j + b p 圣l l 】 f p z r 3 ：一k p z * z r 3 一b p s 孛 一c 笛t t ，；一8 9 4 f p z l 4 一一k p z z l + 弘p 4 孛t 1 一c p z 4 【t | + b p 毒口3 f p z r 4 = 一k p z lz f 4 一b p + 牵t 1 一c p z l i _ 4 一b p 巾t 】 ( 二) 二