（机械工程专业论文）无摇枕转向架结构的优化研究.pdf

摘要 转向架是列车的关键部件之一，其性能直接影响到列车运行的安全 性、可靠性和舒适性。为了实现我国铁路客运装备跨越式发展的要求，必 须研制开发新型的高速列车转向架。 无摇枕客车转向架具有结构简单、安全可靠、检修维护方便的特点， 已被国外铁路发达国家在高速列车上广泛采用，国内铁路客车制造厂也进 行了无摇枕台客车转向架的研制和装车。本文在机车车辆动力学理论研究 的指导下，在南京浦镇车辆厂研制的p w 2 0 0 型无摇枕转向架的结构基础 上，利用s i m p a c k 多体系统动力学软件，建立了提速客车p w 2 0 0 型无 摇枕转向架的车辆系统非线性模型，通过车辆系统横向和垂向动力学计 算，研究了车辆系统的蛇行稳定性、运行平稳性以及曲线通过能力，分析 了转向架结构悬挂和悬挂参数对车辆系统临界速度、运行安全性和旅客乘 坐舒适性等的影响情况；同时分析了在减振元件失效情况下系统的动力学 性能，研究其安全性指标的变化情况，为车辆的实际运用提供理论指导。 研究结果表明，通过对p w 2 0 0 型无摇枕转向架的结构和悬挂参数进 行优选，确定其合理的匹配范围，将使p w 2 0 0 型无摇枕转向架具有优良 的动力学性能，也可对其它无摇枕转向架有一定的理论指导作用。 关键词：客车转向架参数研究 o p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r e s u s p e n s i o np a r a m e t e r so fb o g i e a b s t r a c t a so n eo ft h ec r i t i c a l p a r t so ft h ep a s s e n g e rt r a i n ，b o g i e o f p a s s e n g e rc a rh a sg r e a te f f e c t o nt h e s e c u r i t y ，r e l i a b i l i t ya n d c o m f o r to ft h er u n n i n gt r a i n t oa c h i e v et h er e q u i r e m e n to ft h e g r e a t - l e a p - f o r w a r dd e v e l o p m e n to f t h er m l w a y p a s s e n g e r t r a f f i c e q u i p m e n t si n o u rc o u n t r y , i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pn e wt y p e b o g i eo fi n c r e a s i n gs p e e dp a s s e n g e r c a r b o l s t e r l e s st r u c ko fp a s s e n g e rc a rh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ： s i m p l i f i e ds t r u c t u r e ，s a f e t y a n dr e l i a b i l i t y , c o n v e n i e n c ef o r e x a m i n a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，s oi th a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yo n t h eh i g hs p e e dt r a i ni nf o r e i g nc o u n t r i e sw i t hd e v e l o p e dr a i l w a y i nc h i n a ，b o l s t e r l e s sb o g i eo fp a s s e n g e rc a rw a sa l s om a n u f a c t u r e d a n du s e db yt h er a i l w a yp a s s e n g e rc a rm a n u f a c t u r i n gw o r k s i n t h i sp a p e r , d i r e c t e db yt h ed y n a m i ct h e o r yo fr o l l i n gs t o c k ，b a s e d o nt h eb o l s t e r l e s sb o g i ep w 2 0 0d e v e l o p e db yt h en a n j i n gp u z h e n r o l l i n gs t o c kw o r k s ，t h en o n l i n e a rm o d e lo f c a rs y s t e ma b o u tt h e b o l s t e r l e s sb o g i eo fi n c r e a s i n gs p e e dc a r si sm a d eb yu s i n ga m u l t i b o a ys i m u l a t i o n s o f t w a r es i m p a c k b yt h e l a t e r a la n d v e r t i c a ld y n a m i cc a l c u l a t i o no f t h ec a rs y s t e m ，t h eh u n t i n gs t a b i l i t y , c o m f o r t a b i l i t ya n dn e g o t i a b i l i t ya r er e s e a r c h e d t h ec i r c u m s t a n c e s t h a tt h es t r u c t u r ea n ds u s p e n s i o np a r a m e t e r so fb o g i ei n f l u e n c e o nt h ec r i t i c a ls p e e do fc a rs y s t e m ，r u n n i n gs a f e t ya n dp a s s e n g e r r i d i n g c o m f o r tw e r ea n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，w h e nt h e d a m p i n g o r g a nw a si n v a l i d ，d y n a m i cp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d a n dt h ec h a n g e so fs e c u r i t yi n d e x w e r er e s e a r c h e d t h e s e r e s e a r c h e sa n da n a l y s i s e sp r o v i d et h e o r yg u i d a n c ef o rt h ep r a c t i c a l u s eo f c a r s t h er e s u l t so ft h er e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt h eb o l s t e r l e s sb o g i e p w 2 0 0w i l lh a v ee x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a n c eb yo p t i m i z i n gi t s s t r u c t u r ea n ds u s p e n s i o np a r a m e t e r sa n dm a k i n gs u r et h er a t i o n a l m a t c h i n g s c o p e k e y w o r d s ：p a s s e n g e rc a r ；b o g i e ；p a r a m e t e r ；r e s e a r c h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论丈的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者签名：f 勿垢 即7 年g 月j 日 指导教师签名：7 蚤铝勇 抑7 6 目乡b 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明j ) i 用的内容以外，本论 文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在本文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：厂勿砂吾 日期：州年万月厂日 第一章概论 第一章概论 1 1 无摇枕转向架研究背景及意义 转向架是列车的走行部分，它的作用是支承车体、保证列车在运行的条件下、车体 能可靠地坐落在转向架上使车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动，它的性能 直接影响到列车运行的品质和速度。自1 9 9 8 年京广线首次成功地进行正线2 0 0 k m h 旅 客歹f j 车综合性能试验，最高试验速度达到了2 4 0 k m h ，标志着我国铁路已具有迸行提速 的技术装备水平，到2 0 0 7 年我国将进行第六次提速，提速已取得了良好的经济效益和 社会效益。无论在国内还是国外，无不对机车车辆动力学问题给予高度的重视。多年来， 世界各国研制了多种实用可靠的转向架，比如德国i c e 高速列车转向架、法国t g v 列 车的y 2 3 系列转向架、日本新干线的系列转向架、瑞典的x 2 0 0 0 摆式客车转向架、瑞 士s i g 径向转向架等，都研究了动力学问剐1 钔。 目前我国使用的转向架主要有戚墅堰杌车车辆厂的d f l l 型转向架、大连机车厂的 d f 4 d 型转向架、大同机车厂的s s 7 d 型转向架、株洲电力机车厂的s s $ 、s s 9 型转向 架等机车转向架；南京浦镇车辆厂的2 0 9 h s 型转向架、长春客车厂的c w - 2 型转向架 以及四方机车车辆厂的2 0 6 k p 型转向架等客车转向架。这些客车转向架基本采用有摇 枕、有摇动台的结构型式，经过多年的运营考核，总体来说各项性能指标均比较好，基 本能满足安全运行的要求，但其结构复杂，易损易耗的零部件较多，在运用、维护中暴 露了不少问题。有的还影响了车辆的正常运用。而日本、欧洲等铁路发达的国家，其客 车转向架主要采用无摇枕全空气弹簧悬挂的结构型式，具有结构简单、安全可靠又便于 维护的特点【2 】。 随着铁路大提速的要求，国内也在加紧无摇枕客车转向架的研制工作，主要有长春 客车厂研制的c w - 2 0 0 型无摇枕转向架，四方机车车辆厂的s w - 2 2 0 型无摇枕转向架和 南京浦镇车辆厂研制的p w 2 0 0 型无摇枕转向架。在研制开发过程中，需要确定基本的 设计方案，合理选择其悬挂参数和结构参数，使其在线路上运行时具有稳定的运行特性 和良好的动力学性能。 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 研究现状及发展 1 2 1 国外无摇枕转向架的现状 日本、法国、德国等铁路发达国家通过多年的研究，开发了各具特色的高速列车， 如德国i c e 列车、法国的t g v 列车以及日本新干线的3 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系等高速 列车、瑞典的x 2 0 0 0 摆式列车等，都成功运用了无摇枕转向架。 图1 - 1a m 9 6 型转向架 目前，在我国投入运用的a m 9 6 型转向架( 如图1 - 1 ) 是加拿大庞巴迪公司在法国 的a n f 子公司研制的，在比利时国家铁路( s n c b ) 经过了2 0 多年的运营考验，主要 装备在国际城间快车上，目前在比利时国家铁路( s n c b ) 共有8 0 0 多台同系列转向架 在使用中。为了使该型转向架更好地适应中国铁路，2 0 0 0 年7 月，由a n f 公司提供 的原型转向架安装于一辆经改造的2 5 k 型软座车上，分别在北京铁道科学研究院东郊 环行基地和上海铁路局沪宁线上进行了安全评估试验和性能试验，在此基础上，对原 型转向架的部分参数进行了进一步优化。 2 0 0 2 年6 月，首辆在法国组装的软座车在北京铁道科学研究院东郊环行基地及京 承，京秦线上分别进行了安全评估试验、动力学性能试验，对a m 9 6 型转向架的横向 力、垂向及横向舒适度等指标进行测试，测试结果表明，各项指标均满足合同要求。 1 2 2 国内无摇枕转向架的研制及发展 国内无摇枕转向架主要有长春客车厂研制的c w - 2 0 0 型无摇枕转向架，四方机车车 辆厂的s w - 2 2 0 型无摇枕转向架和南京浦镇车辆厂研制的p w 2 0 0 型无摇枕转向架，为 2 第一章概论 我国铁路的第五次大提速作出了积极的贡献。国内自行研制的动力分散的“先锋”号电 动车组和动力集中的“中华之星”号电动车组，均采用无摇枕结构的转向架。其中“先 锋”号电动车组在2 0 0 2 年9 月l o 日在秦沈客运专线创造了2 9 2 k m h 的当时中国铁路第 一速，随后“中华之星”电动车组又以3 2 1 k m h 的速度刷新了这一纪录。标志着我国无 摇枕转向架的研究已取得了阶段性成果【l 】。 p w 2 0 0 型无摇枕转向架是在2 0 0 k m h 动力分散式电动车组拖车转向架基础上演变 发展而来的。南京浦镇车辆厂作为该电动车组的主要设计制造单位，从1 9 9 7 年开始， 参加了2 0 0 k m h 动力分散式电动车组动、拖车转向架的技术设计和施工设计，并于1 9 9 9 年完成了首辆份转向架的试制，顺利通过了西南交通大学牵引动力实验室的滚振动试 验，最高试验速度3 5 0 鼬n h 。2 0 0 0 年完成了2 0 0 k m h 电动车组动、拖车转向架的制 作，并装于“先锋号”动车组上，先后创下了广深线2 4 9 6 k m h 的既有线最高试验速度 和秦沈客运专线2 9 2 6 k m h 试验速度。在这些试验中，动、拖车转向架均表现出良好的 动力学性能。 在此基础上，工厂瞄准了无摇枕转向架的发展前景，在铁道科学研究院等单位的协 助下，研制开发用于干线铁路客车的p w 2 0 0 型无摇枕转向架( 如图1 - 2 ) 。 图1 - 2p w 2 0 0 型无摇枕型转向架 1 3 论文主要研究内容 本文在动力学理论研究的指导下，在浦镇车辆厂研制的p w 2 0 0 型无摇枕转向架的 基础上，根据实际应用条件( 运行速度、线路半径、超高以及线路不平顺等) ，综合考 虑车辆各方面的动力学性能，优化该转向架的结构参数和悬挂参数，并对转向架减振元 3 扛苏大学工程硕上学位论文 件出现故障状况下的运行安全性进行研究，提出运用中的故障对策，具有很强的现实意 义。具体思路是： 一是建立p w 2 0 0 车辆系统动力学模型。本文首先以p w 2 0 0 型无摇枕转向架和2 5 1 型软卧车为基础，构建无摇枕转向架的分析模型；利用s i m p a c k 多体系统动力学软件， 建立p w 2 0 0 无摇枕转向架车辆系统非线性模型； 二是进行动力学计算及参数优选。通过车辆系统横向和垂向动力学计算，研究车辆 系统的蛇行稳定性、运行平稳性以及曲线通过能力，分析转向架悬挂参数和结构参数对 车辆系统临界速度、运行安全性和旅客乘坐舒适性等的影响情况；本文探讨的结构参数 包括一系垂向阻尼器横向间距、二系空簧横向间距、抗蛇行减振器横向间距和横向减振 器安装高度等参数；悬挂参数包括轴箱转臂纵向定位刚度、轴箱转臂横向定位刚度、抗 蛇行阻尼器阻尼特性、一系垂向阻尼器阻尼特性、二系横向阻尼器阻尼特性、二系垂向 阻尼特性、车体与构架之间的牵引装置纵向刚度，二系纵向刚度、二系垂向刚度和横 向挡特性等参数。通过对转向架结构和悬挂参数进行优选并确定其合理的匹配范围，使 其具有较优的动力学性能。 三是分析故障状态对车辆系统动力学性能影响本文还专门考虑了在减振元件故障 状况下的动力学性能，为无摇枕转向架的实际运用进行必要的探讨。即分析减振元件失 效情况下系统的动力学性能。 鉴于此，本论文的构成如下：第一章概论，主要阐述论文研究背景和国内外现状； 第二章介绍无摇枕转向架的结构和参数；第三章建立系统车辆动力学模型；第四章车辆 动力学性能的优化分析；第五章车辆动力学性能优化预测；第六章对故障状态下的动力 学性能进行预测；第七章结论；本文的最后部分是参考文献和结束语 江苏大学工程硕士学位论文 第二章无摇枕台转向架结构及参数 2 1无摇枕台转向架的基本结构 无摇枕台转向架结构以p w 2 0 0 型客车转向架为例进行介绍分析，它主要有焊接构架 装置、转臂式轮对轴箱定位装置、无摇枕台全空簧支重的中央悬挂装置、盘形制动装置 等组成，如图2 - 1 所示。 卜构絮装置 2 一中央悬挂装置3 一盘形制动装置一轴箱定位装置5 一轮对 围2 - ip w 2 8 0 型无摇枕型转阿架 2 1 1 构架装置 构架采用焊接结构，如图2 - 2 所示。主要由两根中部下凹的侧梁、两根横梁及两根 辅助梁组成。两侧梁中心距为2 0 0 0 m ，两横梁中心距为1 0 0 0 m m ，两辅助梁中心线间距 为8 4 0 m 。侧梁主要由上盖板、下盖板、立板等拼焊而成，材质为q 3 4 5 一b ，其外侧焊缝 需经探伤检查，侧梁内腔作为空气弹簧的附加气室。横粱采用q 3 4 5 - b 材质的高精度级 无缝钢管制造，外径为o1 8 0 m ，壁厚1 2 咖，外表面需经探伤检查，既保证了强度，又 减少了焊缝和焊接工作量。侧梁上焊有抗蛇行减振器座、垂向减振器座和横向减振器座 等，横梁上焊有制动吊座、抗侧滚扭杆座及牵引拉杆座等，纵向辅助梁不仅增强构架的 整体刚性，还为横向缓冲器提供了作用面。 6 第二章p w 2 0 0 型转向架结构及参教 2 1 2 轮对轴箱定位装置 轮对轴箱定位装置主要 由轮对轴箱装置、转臂、夹紧 箍、橡胶节点、钢弹簧及垂向 减振器等组成。采用无磨耗橡 胶节点转臂式定位结构，轮 对轴箱装置的纵、横向定位 刚度主要由橡胶节点来 提供，通过动力学计算和正线 试验，取得了合适的定位刚度 值，一系垂向刚度主要由轴箱 顶部的钢弹簧提供，其垂向刚 度值根据车种不同略有调整。 l 构架；2 一定位臂座；3 闸瓦托吊座；蛐形制动单元吊座l 5 一闸瓦制动缸安装座；6 牵引拉杆座；7 - 书响油压减振器座l 车轴采用统型的r d 3 a 1 8 横向挡及扭杆座；9 手制动转臂座 型车轴，轴颈中心距为2 0 0 0 m m ，采用了k k d 型全加工车轮，l m 磨耗型踏面，车轮与车轴 的压装采用突悬结 构。转臂与轴箱结 构采用了带定位台 肩的筒形轴箱体， 轴箱体上部安装定 位转臂，下部安装 夹紧箍，定位转臂 与夹紧箍配对加 工，并与轴箱体选 取了合适的配合公 l 轮对l2 轴箱休；3 一定位转臂# 4 夹进紧箍及弹性定位套；5 轴箱油压减振器； 洲承；侧箱弹簧；8 缓冲橡胶垫l 卜上夹板ll o 下夹板 图2 - 3转向架轮对轴箱弹簧装置 差，大大改善了原提速车转向架的定位转臂和连接螺栓的受力状况。 2 1 3中央悬挂装置 7 江苏大学工程硕士学位论文 中央悬挂装置主要由空气弹簧、连接模板、中心牵引销、双牵引拉杆装置、抗侧滚 扭杆、减振器、横向缓冲器、高度调整阀和差压阀等组成采用无摇枕台全空气弹簧支重 不仅简化了悬挂结构，减 轻了重量，还提高了安全 性和可靠性，并减少了运 用中的检修工作量。 车体重量通过四个高 柔度的空气弹簧直接作用 在构架侧梁上，空气弹簧 暂由日本生产，横向变位 可达1 l o r e ，垂直方向最 大拉伸量为4 0 r m ，压缩量 为3 0 n a n ，并由内置的节流 阀起到垂直凋i 振器的作i 插枕：2 空气弹簧；3 横向档；4 牵引套；5 牵引中心销；虾旁承； 用。车体与转向架间对称僦= 僦篙，= 嚣 的装有两个横向减振器和 图2 _ 4 转向架弹簧装置 横向缓冲器，以改善车体 的横向振动性能，横向缓冲器的自由间隙为3 0 + 2 m m 。 该悬挂装置具有以下结构特点： 1 采用“z ”型双牵弓j 拉杆结构，牵引拉杆两端均为弹性球节点，中甸通过锥形橡 胶套与中心牵引销的锥面相配合，落车后由下部的紧固螺钉将双牵引拉杆和中心牵引销 紧固。该牵引装置在提供合适的纵向刚度的同时，具有较小的横向和垂向刚度，能可靠 的传递纵向力，并方便起落车工作。 2 采用上、下联接功能模板，该模板安装于空气弹簧与车体之间，通过两个圆销与 车体实现定位，左、右模板相互独立，将抗侧滚扭杆、高度阀等件直接安装在连接模板 上，而不用安装到车体上，大大减少了起落车时的拆装工作量。 3 采用了新型抗侧滚扭杆装置，连杆装置与扭臂的联接方式为叉接式，改善了关节 轴承的受力状况，方便了安装和维护；扭杆与扭臂之间取消了花键联接结构而改用过盈 压装配合，不仅简化了结构，还提高了扭杆的疲劳强度；扭杆安装座内取消了关节轴承， 8 第二章p w 2 0 0 型转向架结构及参数 并增加了掾胶层缓冲。 4 由构架辅助梁的下部外凸部分与车体端的横向减振器座上部外凸部分组成了空 簧防过充限位挡，该处自由间隙位4 5 啪，正常运用条件下该处不会发生作用。还安装了 牵引拉杆安全吊、扭杆安全吊以进一步提高转向架运行的安全性。 2 1 4 基础制动装置 基础制动装置采用每轴两套盘形制动单元，每个盘形制动单元由制动缸、制动杠杆、 杠杆吊座、闸片托装置和闸片托吊等零部件组成，以三点悬挂在构架横梁的制动吊座上。 综上所述，无摇枕转向架具有下列主要特点： 1 、采用了上、下体联结模板，将抗侧滚扭杆、高度阀等安装在联结模板上， 能大大减少起、落车时的装拆工作量。 2 、采用了扭臂与连杆叉接式联结，扭杆两端弹性支承，大大提高了抗侧滚扭 杆的整体可靠性，并且便于抗侧滚扭杆的安装和维护。 3 、采用了“z ”型双牵引拉杆结构，能可靠地传递牵引力和制动力，在保证 合适的纵向刚度前提下，尽可能的减小了垂向和横向刚度，较好的适应了 车体和转向架间的相对运动。 4 、增设了空气弹簧过充限位止挡，扭杆及牵引拉杆安全吊等结构以进一步提 高转向架的运行安全性。 5 、结构简单、安全可靠，便于制造、维修。 2 2 车辆系统的基本参数 车体( 2 5 t 型软卧车) 动力学性能参数和p w 2 0 0 型转向架的主要参数见表2 - 1 。表 2 - 2 列出了转向架的横向止挡特性。 表2 1车辆系统参数 主 参数名称( 2 5 t 型软卧车)参数值 单位 辆车体质量3 8 4 ( 不含转向架) t 惯 构架质量 1 7 0 0 l ( g 性 轮对质量( 簧下) 1 7 5 0 轴 k g 参 车体侧滚转动惯量9 6 ，0 0 0k g m 2 9 江苏大学工程硕士学位论文 数车体点头转动惯量2 ，8 6 0 ，0 0 0 l c g m 2 车体摇头转动惯量2 ，8 6 0 ，0 0 0 l 【g m 2 构架侧滚转动惯量l ，5 0 0 k g m 2 构架点头转动惯量1 ，6 0 0k g m 2 构架摇头转动惯量l ，6 0 0 k g m 2 轮对侧滚转动惯量1 ，0 1 0 l ( g 矗 轮对点头转动惯量 1 4 0 k g m 2 轮对摇头转动惯量1 。0 1 0 j ( g m 2 车辆定距1 8 ，0 0 0 m m 固定轴距 2 ，5 0 0 m m 车体重心距轨面高度 1 , 6 0 0 m m 构架重心距轨面高度 6 0 0m m 轴箱悬挂横向间距2 ，0 0 0 m m 主 轴箱悬挂纵向间距2 。5 0 0 m m 辆 二系悬挂横向间距2 0 0 0 m m 结 抗蛇行减振器横向跨距 2 8 0 0m m 构 抗蛇行减振器距轨面高度 5 8 0m m 参 横向减振器距轨面高度 4 7 0m m 数 横向止挡距轨面高度 7 0 5m m 横向止挡间隙 3 5m m 车轮滚动圆直径 9 1 5m m 滚动圆横向跨距1 ，4 9 3 m m 构架重心与空簧下面距离 1 3 2m m 抗蛇行减振器阻尼( 每侧) 1 2 ，o 0 4k n s m 悬横向止挡特性如下表 m n m 挂牵引装置纵向刚度1 3 6m n m 参 牵引装置横向刚度 3 0 i c n m 数 牵引装置垂向刚度 1 0 k n m 节点转臂长度 4 2 0 m m 第二章p w 2 型转向架结构_ 瑟参数 表2 _ 2横向止挡特性 l ；注迥型 l23 4 f ( k n )0 1 02 05 0 s ( m r a )3 55 06 0 6 5 l c ( m w 呻 0 06 70816 7 江苏大学工程硕士学位论文 第三章建立系统动力学模型 3 1 轮对系统模型 3 1 1 国内轮轨关系研究部分成果简介 国内科研院校对轮轨接触几何学、轮轨接触机理、机车车辆非线性稳 定性理论、机车车辆垂向和横向响应、机车车辆动态曲线通过等轮轨关系 领域的内容进行了长期地、深入地研究。 动力学分析的敏感波长组合不平顺方法，是一种动力学分析的操作方 法，对于每种被研究的机车车辆，在高低、方向、水平偏差等不平顺的单 独作用下，分析其轮轨力、脱轨系数、振动加速度等动力学性能指标随不 平顺波长的变化情况，确定各种不平顺的敏感波长，然后对敏感波长的不 平顺进行组合，研究在组合不平顺作用下机车车辆的动力学行为。该方法 在国产机车车辆进行环形线等重要提速试验时得到成功运用，现已被广泛 运用于研制新型机车车辆时的参数选择。 机车车辆非线性横向运动稳定性理论是基于非线性理论，采用数值交 叉方法，进行机车车辆横向稳定性问题的研究。该研究考虑了轮轨接触几 何学非线性、弹性饱和非线性、悬挂刚度和阻尼非线性以及电机转矩等的 影响，引入了分析机车车辆横向稳定性的一组判别原则，采用亚临界h o p f 分叉速度和脱轨速度描绘出机车车辆横向稳定性的完整图像。在该研究 中，提出了亚临界h o p f 分叉速度对机车车辆实际运用的重要意义，并开 发了相关的n l s a 分析程序。在国内多种提速机车车辆和动车组的设计以 及多次重要的提速试验的预分析中，该研究成果均得到了应用1 。 提速与高速条件下轮轨滚动接触理论的研究，考虑到在速度较高时轮 第三章系统动力学模型 轨粘着系数随机车车辆运行速度的提高而降低等基本事实，在滚动接触准 静态理论的基础上，引入了函数型磨擦系数，重点研究了速度对摩擦系数 的影响，改进并发展了k a l k e r 的滚动接触理论，建立了函数型摩擦定律 下的轮轨滚动接触理论，克服了基于c o u l o m b 摩擦定律的轮轨滚动接触理 论在速度较高时误差较大的问题，为提速和高速机车车辆的动力学分析提 供了依据。该研究成果被国家自然基金委组织的验收专家组评价为处于国 际领先水平，并在国内提速机车车辆和动车组设计中得到应用。 磨耗型踏面理论研究，采用三次样条函数法确定轮轨几何关系，在确 保曲线通过性能的前提下，研究决定踏面外形的有关参数对机车车辆运动 稳定性和轮轨接触应力的影响。经研究提出，提速与高速机车车辆采用经 过优化的磨耗型踏面后，既可以降低轮轨磨耗，又可以实现满意的运动稳 定性临界速度，但踏面外形的优化应与机车车辆的悬挂参数、结构参数相 结合。在国内提速机车车辆和动车组设计中，该研究成果多次得到应用。 3 t 2 轮对坐标系统及变换关系 为了准确描述轮轨系统的运动轨迹、把握其运动特征，这里给出了轮 轨系统特有的几组坐标系统及其变换关系5 1 。 对于任意的刚性构件，如果能 够在三维空间内自由运动，那么它 们都具有六个自由度。为了方便， 这里选用如图3 1 所示的笛卡尔坐 u 标系统来表示车辆系统各部件的 1 运动关系，即三个定义在物体的重 心上坐标纵向( 善) 、横向( y ) l ， u r r )z r z 图3 - 1 笛卡尔坐标系 x 江苏大学工程硕士学位论文 和垂向( 工) ，以及物体分别绕上述三个坐标轴作旋转运动的转动坐标一 侧滚( 占) 、点头( ) 和摇头( 缈) 。本论文规定物体在纵、横向和垂 向上的运动正方向均如图3 - l 所示，三个转动方向的正向在三个平行移动 坐标基础上按右手定则确定。 图3 2 标明了轮轨系统的四组笛卡尔坐标系，下面对它们作简要说明。 o - - x y z ：轨道中心坐标系，原点在轨道中心线上以等速v 相对于固定 的惯性参考系平移，矢基( 单位矢量) 为；= f ，j ，乏j 。 o - - x l y 。：。： 轮对平移坐标系，它相对于轨道中心有纵、横向和垂向三个 平行位移m ) 、y ( f ) 和z ( f ) ，矢基为；。= 扩。，z ，乏j ，且有 e l = p 。 口一x 2 y z z 2 ：固结在轮对质心上，并随轮对一起运动的轮对中心坐标系之 一，表示轮对相对于轨道的摇头运动“ ) ，矢基为 ；：= i z ，j ：，i ：j 。 o - - x 3 y ，屯：固结在轮对质心上、并随轮对一起运动的轮对中心坐标系之 1 4 第三章系统动力学模型 二，表示轮对相对于轨道的侧滚运动e ( o ，矢基为 邑：i 。，j ，乏，j 。 参照图3 - 2 ，各坐标系之间有如下变换关系： 阱 c o s f 警旧0 i h ：l = 0 罐 $ 1 1 1 l 矿 c o s o c o s 一s i n o c o s ￥ 图3 - 3 显示了右轮与右轨接触时的轮 轨关系。o l 轴为车轮前进方向，它与o x 轴 相重合：0 2 轴在轮轨接触平面内，与车轴 方向有一摇头角i f ，且在弦平面内，与缈轴 间的夹角即为接触角6 ；0 3 轴为接触椭圆 的法向。实际上，只要将0 一x y z 坐标系绕o x 轴转动一接触角占，即成为0 1 2 3 坐标系 统，0 1 2 3 坐标系统就是通常所说的接触 点坐标系统。 o i e 1 ，p 2 p 3 ，：固结在轮轨的左接触斑 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 图3 - 3 轮轨接触椭圆上的两个坐标 1，j 口口o暑 鬈哗卸 。一 ，1 江苏大学工程硕士学位论文 上，并随轮对一起运动的坐标系。其单位矢量用 ；严钆；甜，刮表示。 0 ，一巳，e ：，e 。：固结在轮轨的右接触斑上，并随轮对一起运动的坐标系。 其单位矢量用；，= e ；：，；，j 表示。 参见图3 - 3 ，轮对中心坐标系与左、右接触点坐标系之间的变换关系 为( 4 、4 分别是轮对左、右侧轮轨接触角) ： f l ， 一 e 2 r 9 3 r r1o = l 0 c o s 8 ， 1 0 s i n s , 州 lo 0 c o s 8 | 0 一s i n 6 | ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 将上述两式分别代入式( 3 3 ) 中，可以得到轨道中心坐标系与接触 点坐标间的变换关系如式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 所示： e l f ， p 打 ， e 3 r e l l 口2 ， p 却 = 【二盟 c o 二s t 篡, 孑 s i n5 f c o s ( 8 , 一们c o s y s i n ( 8 , 一们c o s , s i n e c o s ( 磊+ 印c o s y 一s i n ( 4 + d c o s 0 1 一s i n ( 8 , 一力j c o s ( 8 , - o ) j 0 s i n ( 西+ 口)l c o s ( 4 + 回j ： l 一 _ ， 七 - 。 f _ j | ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 由于以上各变换矩阵均是单位正交矩阵，因而其逆阵等于它们的转置矩 阵，即有p r = 盯，t 为矩阵转置符号。 。_儿_乜：b t | 几_ 眈 缈唧蠢 ，1 第三章系统动力学模型 利用上述关系式，可以推导出车轮在轨道中心坐标系下，所受悬挂力 以及轮轨力大小情况。 3 1 3 轮对模型与动力学方程 轮对模型如图3 - 4 所示。图中，、和、分 别为左右车轮受到的轴箱悬挂力；巳、凡、乃和b 、易、巴分别是 车轮受到的轮轨力。与传统刚性轮对所受轮轨力相比，这些轮轨力应不包 含纵向蠕滑率的影响。另外，图中未标出轮对所受的蠕滑力矩和重力1 2 1 。 图3 - 4 轮对模型 。 横向运动： m 事= f d + f f + f 州+ f v + m 。g 够d 一8 0 0 。趵 垂向运动： m 芝- = f 吐+ f 口+ f 口吐+ f 啤一m 。g 侧滚运动 1 7 ( 3 9 ) 江苏大学工程硕士学位论文 ，。( 皖+ 瓦) = ，。( q + 声，) ( 妒，一叫r ，) + 巧一乃巧+ ( f 一f j ) d ，+ ，( r ，一以) + ，_ ( r t + p ，) + ( 3 _ 1 0 ) 姬口，i f w 。+ m d + m 。 七p 。一y ，t 上t l , , l j = 一( q + 危) ( 氏+ 屯) + ( 一) 以+ ( ，0 一，0 ) d p 妒，+ ( 巳一，二r ) + ( 3 1 1 ) t f h y l f ，1 v ，+ md + m ， 轮对扰动：j 。多，= 一乃马一巳彤+ m f + m 尸 ( 3 t 2 ) 方程( 3 8 ) ( 3 1 2 ) 中符号说明： g 一重力加速度； r ，一雠线半径； q 一车轮名义滚动角速度； y 一车辆速度； 吼一轨道欠超高角； 吒一曲线超高角； 乱一轮对侧滚角； 凡一车轮扰动角： 少，一轮对摇头角； ，l ，一轮对质量； 1 8 第三章系统动力学模型 r ，、毋一左右车轮滚动圆半径； 巧、一左右轮轨接触点到一系悬挂点横向距离； j 。一一系悬挂横向距离之半； j 。、，。、，。一轮对绕x 、y 、：轴转动惯量。 3 2 模型中的非线性环节 本文主要是用s i m p a c k 程序对p w 2 0 0 型无摇枕转向架进行动力学性能 仿真分析，因此，首先要在深入了解p w 2 0 0 型无摇枕转向架的基本构成、 轮轨接触非线性、轮轨几何非线性以及悬挂参数的非线性的基础上来建立 动车的动力学计算模型唧。 3 2 1 轮轨接触非线性 滚动接触问题因边界条件的不确定性而十分复杂，因而，在滚动接 触问题的理论研究中，为了便于求解，人们一般在整个接触区上，即无论 是粘着区还是滑动区，都采用一个摩擦系数。k e l k e r 和p i o t r o w s k i 在接 触区的粘着区和滑动区分别采用静摩擦系数和动摩擦系数的方法，对简化 理论进行了改进“。在此之后又用同样的方法对精确理论进行了改进。其 中动摩擦系数取为小于静摩擦系数的常量。因此，现有的滚动接触理论包 括单一摩擦系数和双摩擦系数两种。 在单一摩擦系数滚动接触理论中，摩擦模型为推广了的c o u l o m b 摩擦 模型，即在接触区上的切向应力满足如下的关系式 l p ，j gjs ， = o p ，：_ gs ，ls ，i ，i s 。l s o ( 3 - 1 3 ) 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 其中g = 工。x p , ，工。是静摩擦系数，为在整个接触区适用的常数， s 、为轮轨问相对滑动速度的切向分量，p l 为法向应力。 k a l k e r 和p i o t r o w s k i 在改进三维非线性理论的过程中，认为在相对 滑动为0 的粘着区摩擦力受静摩擦系数的控制，在相对滑动不为0 的滑动 区摩擦力受动摩擦系数的控制，这样摩擦模型( 3 - 1 3 ) 成为 f p ， ，。p z ，ls ，l - o ( 粘着区) p ，= 。p ls 。ls ，l ， s 。l o ( 滑动区)( 3 1 4 ) 式中， 。是动摩擦系数。摩擦系数是随载荷、速度变化的。 由于滚动接触问题的复杂性，在理论研究中，摩擦定律长期以来都是 应用c o u l o m b 定律： t = ，n( 3 1 5 ) 式中，t 为摩擦力，n 为法向载荷，为常数摩擦系数，可以是 。，也 可以是，k 。 实际上，随着有关摩擦知识的积累，人们很早就明白对于一定的材料 副，摩擦系数的大小取决于许多因素，如表面粗糙度、表面尺寸和形状、 表面膜的状态、相对滑动速度等。从上世纪中叶起，由于铁路运输的发展， 铁路行业就开始对动摩擦发生了很大的兴趣。人们为了弄清介质之间的摩 擦系数与压力和相对滑动速度之间的关系，做了大量的试验研究，而且取 得了丰硕的成果。 b o c h e t 根据p o i r e e 州在里昂铁路上使车辆沿着钢轨滑动而作的车辆 制动试验( 试验时轮轨滑动速度高达2 2 o m s ) 的试验数据得出如下的经 验公式 凡2 高南 ( 3 - 1 6 ) 第三章系统动力学模型 式中v l 为滑动速度，单位m s 。 3 2 2 轮轨几何关系的非线性 自从2 0 世纪三十年代h e u a m n n 提出摩耗型车轮踏面以来，世界各国 的铁路研究人员已经开发了多种磨耗型车轮踏面形状和轨道外形。对于高 速铁路，采用磨耗型踏面车轮，经过对踏面有关参数的适当优化，也可以 达到运动稳定性的要求。 轮轨接触几何参数认为是轮对横移量的非线性函数，其参变量包括 车轮滚动圆半径、车轮横断面曲率半径、接触角、轮对侧滚角，轨头横断 面曲率半径等，由于车轮踏面和钢轨轨头外形可以是任意的，轮轨接触几 何参数很难直接表示为轮对横移量的显示函数形式嘲。因此，轮轨接触几 何参数可表示为轮对横移量的数表，而中间值则采用样条函数插值来计 算。l 【l ( d 新轮轮径为9 1 5 m m ，标准轮轨踏面，车轮外型采用国内l m 型踏面， 钢轨采用我国主型的6 0 k g m 钢轨。它们之间的匹配关系如图3 5 所示 l o 腻m_ j t ( a ) 轮轨接触点变化( b ) 轮对质心位置变化 图3 - 5 轮轨接触几何关系 2 i 江苏丈学工程硕士学位论文 3 2 3 悬挂参数的非线性 在机车车辆动力学分析中，对悬挂参数而言，如果只考虑线性的情况 就会同实际刚度、阻尼特性产生较大的误差，因此，在我们的模型建立过 程中就必须考虑非线性的情况，客车悬挂系统的非线性特性主要体现在横 向止挡、空气弹簧、抗蛇行减振器等非线性元件上。典型的非线性阻尼器 的阻尼特性如图3 - 6 所示。它是一条连续的、非线性、过原点的曲线。速 度较小时，阻尼特性接近线性，当相对运动达到一定的速度( v 。) 以后， 阻尼力的值就呈非线性乃至饱和9 1 。 力 屯 f l ； v 1v 。 i 图3 - 6阻尼特性的非线性 对于横向止挡受力特性，这里设置如图3 7 所示的止挡非线性横向 刚度与横向作用力特性。图中，为止挡自由间隙a ，为弹性间隙。 3 3 车辆系统模型 为了研究p w 2 0 0 无摇枕转向架车辆系统动力学性能，以及系统对轨 道不平顺激扰的振动响应，利用s l m a p c k 动力学软件建立了包含一个车 体和两个转向架的基本车辆系统动力学模型。 转向架由轴箱悬挂和中央悬挂两部分组成。轴箱悬挂包括垂向、横向 和纵向三个方向的刚度以及垂向阻尼，并且考虑每轴箱两组弹簧纵向和垂 第三章系统动力学模型 向距离差异。中央悬挂包括垂向、横向和纵向三个方向的刚度和阻尼。另 外，模型还包含有横向止挡和抗侧滚扭杆。 k 。 k ， k o o y a fr ( a ) 止挡横向刚度特性 r f y一一一一一一一，i fo y 0 a fi r ( b ) 止挡横向作用力特性 图3 - 7 止挡横向剐度特性 在车辆模型中考虑了3 4 个自由度，其中包括：车体的垂向、横向、 纵向、点头、侧滚和摇头6 个方向自由度，每个构架的垂向、横向、纵向、 点头、侧滚和摇头6 个方向自由度，以及四个轮对的纵向、垂向、横移、 侧滚、颤动和摇头6 个自由度，其中，轮对的垂向和侧滚自由度不独立， 它们是轮对横移和摇头的函划1 1 。在s i m p a c k 界面中，车辆系统动力学 模型如图3 8 所示。 3 4 线路工况及轨道不平顺 3 4 1 轨道不平顺简介 由于轨道是一种支承在均质性很差的道碴、路基上的特殊工程结构 物，在列车载荷作用下，不可避免地将出现不均匀残余变形，因此，实际 的轨道是不可能完全平顺的。轨道不平顺是指支承引导车轮运行的轨道接 触面在相同轮载作用下沿轨道延长方向与理论平顺轨面的偏差。轨道不平 缸苏大学t 程硕士学位论文 图3 - 8 车辆动力学模型( s i m p a c k 界面) 顺包括无载状态时己显示出来的轨道不平顺( 轨面磨耗不均、几何变形、 接头低踏等) 和受载才显现的不平顺( 也称为动力不平顺，由于垫层、轨 枕、道床路基弹性不均、部件间隙不等、空吊和扣件失效等造成) 。理论 分析和现场试验研究都表明，轨道不平顺是轮轨系统产生振动的主要根 源，是引起车辆振动，影响行车舒适安全运行的重要因素，也是轨道动力 效应和轨道损伤失效的控制因素。理想状态完全平顺的轨道，轮轨系统由 速度引起的动力效应是很小的“。 轨道不平顺是研究轨道振动和损伤失效、机车车辆结构参数优化的首 要条件，要弄清轨道不平顺的作用原理，就必须详细了解孰道不平顺，轨 道不平顺种类很多，大致可分为以下几类： 垂向轨道不平顺。它包括高低不平顺、水平偏差不平顺、扭曲不平顺 和轨面不平顺。高低不平顺是指锅轨顶面在相同轮载作用下沿延长方向的 凹凸不平。轮载作