（机械设计及理论专业论文）干摩擦作用下货车转向架动力学性能.pdf

摘要 摘要 为了满足铁路货运的重载快捷化发展需求，开发研制了许多新型车辆。在这些货运 车辆中，三大件转向架和构架式转向架仍然是常用的两种主力转向架形式。三大件转向 架采用摇枕悬挂，具有尖顶斜楔摩擦减振方式；而构架式转向架采用轴箱悬挂，具有直 顶斜楔摩擦减振方式，二者均属于变摩擦悬挂。因而斜楔干摩擦作用已经成为影响货车 动力学性能的主要因素之一。 在摇枕悬挂的低频运动中，斜楔摩擦卡滞对重载车辆动力学性能带来非常不利的影 响，因而通常将重载相对摩擦因子控制在0 1 以下。轴箱悬挂设计需要兼顾轮对定位、 轮轨横向力和运行平稳性等多方面性能，因而摩擦减振方式仍然是轴箱悬挂的关键技术 之一。目前轴箱悬挂有如下三种摩擦减振方式：双楔直顶、单楔直顶和l e n o i r 减振器。 l e n o i r 减振器可以有效地提高对轮对纵向定位刚度的贡献，同时，重载弹簧不参与摩擦 减振。双楔直顶的最大优点是在曲线通过时允许轮对横向窜动，进而降低了轮轨横向力， 但是其对轮对纵向刚度贡献相对有限。而单楔直顶则刚好相反，重载曲线通过时轮轨横 向力超标。 本文以某厂提出的新型关节式集装箱平车技术方案作为研究对象。该技术方案具有 如下特点：前后关节车体铰接、走行部2 轴与3 轴转向架混用、利用牵引杆联结构成四 车组单元。由于摇枕与轴箱悬挂混用，2 位3 轴构架式转向架的轴箱悬挂刚度必须满足 空载临界速度1 2 0 k m h 的要求，因而走行部形成了软硬软的悬挂刚度特征。刚柔耦合 动态仿真分析表明：这种刚度形式的走行部在如下三个方面对关节平车动力学性能产生 不利影响：从车辆动态柔性角度出发，2 位构架式转向架不宜采用平面心盘，临界速 度安全裕度很小( 球面心盘1 5 0 k m h ，平面心盘1 3 0 k m h ) ；空载平稳性指标下降( w z 接近4 2 0 ) ，而重载车体中部横向加速度偏大( 0 5 9 ) ，而在降低走行部悬挂刚度的试算 中，平稳性指标得到显著改善：同样，由于端部摇枕悬挂对集装箱车体的侧滚刚度贡 献相对比较小，造成在顺坡段通过时出现承接端旁承失载，并导致连锁式的脉冲旁承载 荷。 本课题研究方法具有如下新颖性：( 1 ) 根据( 准) 静平衡原则，在斜楔受力分析基 础上建立变摩擦悬挂简化模型。( 2 ) 针对关节车体的横向强耦合作用，采用刚柔耦合建 模方法。 关键词：货车转向架；千摩擦；关节平车；刚柔耦合 大连交通大学r 1 ：学硕十学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h eh e a v y 1 0 a da n dt r a n s r a p i dd e v e l o p m e n ti n r a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n ，m a n yn o v e l t y p e v e h i c l e sh a v eb e e n d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d i nt h e s ef r e i g h tv e h i c l e s ，3 - p i e c eb o g i ea n df r a m eb o g i es t i l la r et h et w om a i n b o g i e si nc o m m o nu s e t h eb o l s t e rs u s p e n s i o ni sa d o p t e di n3 - p i e c eb o g i ew i t hs h a r pw e d g e f r i c t i o nd a m p e r ，w h i l ea x l e - b o xs u s p e n s i o ni sa d o p t e di nf r a m eb o g i ew i t hf l a tw e d g ef r i c t i o n d a m p e r ，b o t ho fw h i c ha r eb e l o n gt ov a r i a n tf r i c t i o ns u s p e n s i o n s t h ed r yf r i c t i o no fw e d g e ， t h e r e f o r e h a sb e e nb e c o m eo n eo ft h em a i ni n f l u e n t i a lf a c t o r st of r e i g h tv e h i c l ep e r f o r m a n c e i nt h el o w - f r e q u e n c ym o t i o no fb o l s t e rs u s p e n s i o n ，t h ew e d g ef r i c t i o nj a m m i n gb r i n g s t h es e v e r ed i s a d v a n t a g ei n f l u e n c et ot h ep e r f o r m a n c eo fl a d e nv e h i c l e ，s ot h er e l a t i v ef r i c t i o n f a c t o ri su s u a l l yc o n t r o l l e du n d e r0 1 a n dt h ed e s i g no fa x l e b o xs u s p e n s i o nt a k e sa c c o u n to f w h e e l s e tl o c a t i n g ，w h e e l r a i ll a t e r a lf o r c ea n dt r a v e ls t a b i l i t y ，e t c ，t h ef r i c t i o nd a m p e rm e t h o d i s ，t h e r e f o r e o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yi na x l e - b o xs u s p e n s i o n s of a rt h e r ea r et h et h r e e f o l l o w i n g f r i c t i o n d a m p e rm e t h o d s w i t ha x l e b o x s u s p e n s i o n ：d o u b l e w e d g ed a m p e r m o n o - w e d g ed a m p e ra n dl e n o i rd a m p e r l e n o i rd a m p e rc a nb ea b l et oi n c r e a s et h e c o n t r i b u t i o nt ot h el o n g i t u d i n a ls t i f f n e s si nw h e e l s e tl o c a t i n g ；m e a n w h i l et h el a d e ns p r i n g sd o n o tt a k ep a r ti nt h ef r i c t i o nd a m p i n g 1 1 1 eb i g g e s tm e r i to fd o u b l e - w e d g ed a m p e ri st h e a l l o w a n c eo fl a t e r a li u m p i n go fw h e e l s e ti nc u r v en e g o t i a t i o n ，a n dt h ew h e e l - r a i ll a t e r a lf o r c e i sf u r t h e rd e c r e a s e d b u ti t sc o n t r i b u t i o nt ot h el o n g i t u d i n a ls t i f f n e s si nw h e e l s e tl o c a t i n gi s v e r yl i m i t e d c o n t r a s t i n g l y ，m o n o - w e d g ed a m p e rc a u s e st og ob e y o n dt h el a d e ns t a n d a r dl i m i t o fw h e e l r a i ll a t e r a lf o r c ei ni nc h i v en e g o t i a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h et e c h n i c a lp r o j e c to fn e w - t y p ea r t i c u l a t e dc o n t a i n e rf l a t c a rp r o p o s e db ya v e h i c l em a n u f a c t o r yi st a k e na si n v e s t i g a t e ds u b j e c t t h et e c h n i c a lp r o j e c th a st h ef o l l o w i n g f e a t u r e s ：t h ef o r ea n dr e a rf l a t c a ra r t i c u l a t e d t h er u n n i n gg e a r 、析t h2 - a x l ea n d3 - a x l eb o g i e m i x t u r e ，4 - v e h i c l eu n i tc o n s t r u c t e db yt r a c t i o nr o d b e c a u s eo f t h em i x e da x l e - b o xs u s p e n s i o n a n db o l s t e rs u s p e n s i o n t h es t i f f n e s so ft h ea x l e b o xs u s p e n s i o n si nt h es e c o n d3 a x l ef r a m e b o g i em u s tb ei n c r e a s e di no r d e rt os a t i s f yt h ec r i t i c a lv e l o c i t yr e q u i r e m e n to f12 0 k m h , i n r e s u l tt h a tt h er u n n i n gg e a ri sf o r m e dt h es o r h a r d s o f ts u s p e n s i o ns t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i c i t i ss h o w ni nr i g i d - f l e xc o u p l i n gd y n a m i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i st h a tt h er u n n i n gg e a rw i t ht h i s s t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i ch a st h et h r e ef o l l o w i n gd i s a d v a n t a g ei n f l u e n c e st ot h ea r t i c u l a t e d f l a t c a r ：f i r s t l y ，f r o mt h ev i e w p o i n to fv e h i c l ef l e x i b i l i t y ，t h es e c o n df r a m eb o g i ei sn o tf i tt ob e a d o p t e dt h ep l a n ec e n t e rb o w l ，s i n c et h es m a l lm a r g i no fc r i t i c a lv e l o c i t y ( s p h e r ec e n t e rb o w l ， 15 0 k m h ；w h i l s tp l a n ec e n t e rb o w l ，l3 0k m h ) s e c o n d l y ，t a r ec o m f o r ti n d e xd e c r e a s e d ( w z a p p r o a c h e dt o4 2 0 ) a tt h es a m et i m et h el a t e r a la c c e l e r a t i o ni so nh i g hs i d e ( _ o 5 9 ) i nt h e m i d d l el a d e nv e h i c l e i nt h et r i a lc a l c u l a t i o no fr u n n i n gg e a rs u s p e n s i o ns t i f f n e s sd e c r e a s e 。t h e i l 摘要 c o m f o r ti n d e xh a ss h o w nt ob ei m p r o v e dr e m a r k a b l y f i n a l l y ，s i n c et h er e l a t i v es m a l l c o n t r i b u t i o no ft h ee n db o l s t e rs u s p e n s i o n st ot h ec o n t a i n e rf l a t c a r sr o l l i n gs t i f f n e s s ，t h e l o s t l o a do ft h es i d eb e a r i n go nt h ec a r r y - o ns i d eo ft h ea r t i c u l a t o ri sc a u s e dt ob ea p p e a r e d ， a n dr e s u ki nt h ei m p u l s es i d e b e a r i n gf o r c e sa r ep r e s e n t e ds u c c e s s i v e l y t h e r ea r et h ef o l l o w i n gn o v e l t i e si nt h i sp a p e r si n v e s t i g a t i o n ：f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h e ( q u a s i ) e q u i l i b r i u mp r i n c i p a l ，t h es i m p l em o d e lo fv a r i a n tf r i c t i o ns u s p e n s i o ni se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ei n t e r a c t i o na n a l y s i so fw e d g e s e c o n d l y ，f o rt h es t r o n gl a t e r a lc o u p l i n go ft h e a r t i c u l a t e df l a t c a r ，t h em o d e l i n gm y t h o l o g yo fr i g i d f l e xc o u p l i n gs y s t e mi sa d o p t e d k e yw o r d s ：f r e i g h tb o g i e ；d r yf r i c t i o n ；a r t i c u l a t e dc o n t a i n e rf l a t c a r ；r i g i d f l e xc o u p l i n g 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者鲐耆玉希 日期：2 朋矿年p 月f 矿日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者张啬三碍 日期：一矿年1 9 - 月g 日 导师签名： 司厕节 e l 期：夕吖年，月f p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：赫铂欹遁聋函鳝备茼i 舭酮 电话：j3 牛7r7 矿了p 耳7 通讯地址：大迄媳大学幻3 甘 邮编：j ，多d 驴 电子信箱：臼d f 哟j 7 乃钙秒j 厶细m 绪论 绪论 一课题研究背景及意义 随着各国铁路货物列车在重量和运行速度的不断提高，货车转向架也在朝着增加转 向架承载能力和提高运行速度的方向不断向前发展。世界各国货车转向架的发展主要沿 着两条不同的途径：在美国、前苏联，货车转向架习惯上沿用三大件式，采用第二系悬 挂( 摇枕悬挂) ；西欧等许多国家的货车转向架则沿用刚性构架转向架形式，采用第一 系悬挂( 轴箱悬挂) ，二者均属于变摩擦悬挂【l 】。这两类转向架各有利弊，因此各国货 车转向架的发展并不局限于此，而都是在自己原有的基础上不断改进现有主型转向架和 大力研制新型转向架，以适应增加载重、提高速度的要求。 我国铁路提速、重载的快速发展为机车车辆工业的发展提供了广阔的市场空间。铁 路的发展以技术装备为重要支撑，而机车车辆是铁路技术装备的关键，转向架又是机 车车辆的核心。因此，开发研制出满足提速、重载要求的转向架是实现铁路提速和重 载运输的前提。 二转向架现有研究现状及问题1 6 j 一般转向架的组成可以分为以下几个部分： ( 1 ) 轮对轴箱装置：轮对沿着钢轨滚动，除传递车辆重量外，还传递轮对之间的各 种作用力，其中包括牵引力和制动力。轴箱与轴承装置是联系构架( 或侧架) 和轮对的 活动关节，使轮对的滚动转化为车体沿钢轨的平动。 ( 2 ) 弹性悬挂装置：为减少线路的不平顺和轮对运动对车体的各种动态影响( 如垂 向振动，横向振动等) ，转向架在轮对与构架( 侧架) 之间或构架( 侧架) 与车体( 摇 枕) 之间，设有弹性悬挂装置。前者称为轴箱悬挂装置，( 又称第一系悬挂) ，后者称 为摇枕( 中央) 悬挂装置( 又称第二系悬挂) 。目前，我国大多数货车转向架只设有摇 枕悬挂装置。弹性悬挂装置包括弹簧装置，减振装置和定位装置等。 ( 3 ) 构架或侧架：构架( 侧架) 是转向架的基础，它把转向架各零、部件组成一个 整体。所以它不仅仅承受、传递各作用力及载荷，而且它的结构、形状和尺寸大小都应 满足各零、部件的结构、形状及组装的要求。 ( 4 ) 基础制动装置：为使运行中的车辆能在规定的距离范围内停车，必须安装制动 装置，其作用是传递和放大制动缸的制动力，使闸瓦与轮对之间产生的转向架的内摩擦 力转换为轮轨之间的外摩擦力( i i p i n 动力) ，从而使车辆承受前进方向的阻力，产生制 动效果。 尘兰兰些：l ：! 墨：! 耋丝兰 ( 5 ) 转向架支承车体的装置：转向架支承午体的方式( 又可称为转向架的承载方式) 不问，使得转向架车体相联结部分的结构及形势也各有所异但都应满足两个基本要 求：安全可靠的支承车体，承载并传递各作用力( 如垂向力、振动力等) ：为使车辆顺 利通过曲线，车体与转向架之间应能绕小变的旋转中心相对转动。 转向架的承载方式可以分为心盘集中承载、非心盘承载和，1 5 盘部分承载三种。 日前我国主要应用的三种转向架 ( 1 ) 交叉支撑式的j 大件转向架【7 1 = 大件转向架是目前应用最广泛的货车转向架，如图l 所示。这种转向架结构简单， 坚固，检修方便，为了提高三大件转向架的运行速度。在侧架问安装弹性交叉拉丰t ，改 造后的转向架的动力学性能较好，降低了轮轨磨耗和车辆的维修费。 幽1 三大件转向絮 f i git h r e e p i e c eb o g i e ( 2 1 h 型构架式转向架 h 型构架式转向架的构架为h 型整体焊接结构。如图2 所示，由枕粱、横梁和侧粱 组成。h 型构架式转向架采用一系轴箱弹簧悬挂转向架的簧下部分仅为轮对和轴箱， 故每个车轮处的簧下质量比一般中央悬挂的两轴转向架小从而使车辆和线路之删的动 作用力减小，并且该转向架不存在抗菱刚度小的问题，具有良好的横向运动稳定性，适 用于高速运行的需要。 f 3 ) y 2 5 型转向架 y 2 5 转向架是构架式转向架的一种，如图3 所示，区别在于它采用利诺尔减振器m 】： 利诺尔减振器是一种新型的摩擦减振器，它由导框、弹簧帽、弹簧、吊环、吊环销、顶 子和磨耗板等零部件组成。利诺尔减振器对垂直和横向振动都有衰减作用，它的性能稳 定摩擦力受外界气候条件及磨耗状态的影响较小，磨耗平面易于修复。由于轴箱与构 架b j 纵向无间隙增加了轮对的纵向定位刚度，提高了运行平稳性。 目2 三轴h 转向架 f i 9 2 t h r e e - a x l e hb o g i e 絮鬻趸爨 嚼纂蓊：7 幽3 y 2 5 转向架 f i g3 y 2 5b o g i e 大连交通大学t 学硕十学位论文 针对动力学仿真易出现的车辆蛇形失稳、垂向振动加速度超标、车体扭曲等问题， 由于转向架作为车辆的行走部件，对运行性能的影响非常大，所以一般将其作为优化车 辆动力学性能的主要考虑因素。目前转向架的优化主要围绕以下几个方面： ( 1 ) 转向架的抗菱刚度。交叉支撑转向架的抗菱刚度主要取决于交叉支撑装置的技 术状念以及斜楔与摇枕、侧架之间的组装配合情况。若抗菱刚度过低，则导致车辆临界 速度下降，运行平稳性变差。 ( 2 ) 转向架的回转阻力矩。交叉支撑转向架的回转阻力矩等于常接触弹性旁承的摩 擦力矩和心盘摩擦力矩之和。稳定而适当的回转阻力矩能抑制车体与转向架的摇头运 动，从而提高车辆的运行平稳性和临界速度。 ( 3 ) 转向架的正位状态及其他参数。转向架的正位状态用4 个导框中心所构成的2 个对角线长度之差来衡量。差值小则转向架正位状态好，可防止其出现菱形变形和轮缘 偏磨，提高运行平稳性和脱轨稳定性。减振装置的相对摩擦因数和两级刚度弹簧自由高 差对运行平稳性也有较大影响。 三新型关节式集装箱平车研究方案及可行性 关节式集装箱平车是一种靠关节连接器连接、关节处共用转向架的新型集装箱运输 车辆。由于这种车型在装载国际标准0 s o ) 集装箱( 2 0 f t 、4 0 f t ) 时，具有充分利用车辆轴 重、节省所用转向架数量、缩短车辆长度等优点，因而受到世界各国的普遍重视。许多 国家已投入使用关节式集装箱平车，运用比较成熟，取得了较好的经济效益。我国现有 的两种集装箱专用平车( x 6 a 、x 6 b ) ，以装载国内铁标1 0 t 集装箱为主，国际标准集装箱 为辅。当装载铁标箱时，其轴载荷基本上达到轴重；而装载国际箱时，轴载荷远小于轴 重。而某厂为铁道部华铁置业公司制造的3 t e u 集装箱平车，当装载3 个2 0 f l 国际集装 箱时，其轴载荷又超过轴重，只得限制集装箱装载量。目前，我国还没有一种适合运载 国际箱的特别经济的专用车辆。 某厂提出了具有如下构造特点的关节式集装箱平车技术方案：走行部2 轴和3 轴转 向架混用；两箱短车体；牵引杆联结构成四车组单元。结合这一技术方案，本课题开展 了如下主要研究： ( 1 ) 为了满足关节平车曲线通过性能要求，对比优化旁承行程设计方案； ( 2 ) 以构架平面与球面心盘支承方式，进行关节平车临界速度对比分析； ( 3 ) 针对关节平车的横向强耦合作用，提出走行部悬挂改进意见以满足平稳性要求。 走行部软悬挂技术策略得到了成功应用的案例有很多，如三大件转向架关节平车利 用摇枕悬挂实现其走行部的软悬挂( 王勇、曾京等人) ；y 2 5 转向架关节平车利用雷诺 尔减振器，稳定有效地增强了轮对纵向定位刚度，进而使轴箱刚度得以降低。而本课题 4 绪论 用的3 轴构架式转向架和y 2 5 转向架的悬挂减振性能相近，滞回线基本相同( 参照图4 ) ， 为我们提供了理论上的依据。综合上述几点，该方案有其可行性。 u | 晴噜 图4 轴箱悬挂与l e n n i o r 悬挂对比 f i g 4a x l es u s p e n s i o nc o n t r a s tt ol e n n i o rs u s p e n s i o n 人连交通大学t 学硕十学何论文 第一章货车转向架动力学 货车转向架动力学性能研究有三大指标：运动稳定性、运动平稳性和曲线通过能力， 这是评价高速车辆性能的关键。现阶段关于铁道车辆的动力学性能分析主要集中在转向 架的性能研究上。转向架是铁道车辆最基本的部件，是保证车辆运行稳定和安全的首要 研究对象。因此要获得更高的运行速度，必须对转向架的横向动力学性能进行分析。本 章就是介绍转向架的动力学理论及影响其性能的各种非线性因素和解决方案。 1 1 转向架的蛇形运动 铁道车辆的横向动力学主要由转向架的特性所决定，线路对横向振动系统的激扰， 主要由车辆转向架的蛇形运动所引起的。铁道车辆在直线轨道上运行时的内在特征就是 要发生自激振动，称为蛇形运动。蛇形运动引起过度的磨耗、线路的损坏和疲劳破坏。 运行速度越高，振动越剧烈，一方面引起车辆的横向振动1 9 j ，另一方面引起车辆倾覆和 脱轨的危险。 通常可以观察到两种模式的蛇形运动【l0 1 ，即车体蛇形运动和转向架蛇形运动。车体 蛇形运动称为一次蛇形，是在有限的速度范围内发生的，是车体与转向架紧密地耦合运 动，表现为剧烈的车体横向和摇头振动。在车体运动中具有足够的减振阻尼便可消除一 次蛇形。转向架蛇形运动称为二次蛇形，在超过一定的临界速度时发生，其特征是转向 架相对于车体作剧烈的振动，蛇形运动一旦开始，则随着速度的提高而更加恶化。 因为蛇形运动为极限环型的非线性现象，在运动的动力学方程中出现的某些非线性 因素会严重影响转向架的蛇形临界速度【1 1 1 。像车轮踏面形状、非线性悬挂参数及转向架 结构等都会影响转向架的二次蛇形运动。 本文研究两种转向架，第一种是三大件式转向架，如图1 所示。三大件转向架是目 前应用最广泛的货车转向架，这种转向架结构简单，坚固，检修方便。三大件转向架采 用摇枕悬挂，尖顶摩擦斜楔，在车辆运行时，交叉拉杆有效地阻止两侧架的菱形错位， 即阻止两侧架之间作相对的纵向错动。 第二种转向架是三轴h 型焊接构架转向架，如图2 所示，采用轴箱悬挂，直顶摩擦 斜楔，三轴转向架没有菱形错位问题，运行平稳性强于三大件转向架。这是三轴转向架 首次作为通用转向架用于关节式平车，但是此前有y 2 5 转向架曾作为通用转向架使用经 验。如图4 所示，由于直顶式斜楔的楔形角( 2 3 0 ) 与雷诺尔连杆的倾角比较接近，因而两 者的变摩擦悬挂特性非常接近，如相对摩擦因子等，所以依据y 2 5 转向架作为通用转向 架使用的成功经验，我们大胆的尝试了将3 轴转向架作为通用转向架使用。 6 一，。竺冀警车现在基本都是靠轮对沿着轨道运行的，轮轨接触几何关系及轮轨之间的相 三竺! 翌荨运行的性能有重要影响2 1 。轮轨接触几何关系的重要性在于它是车辆i i 、二，j u - - 竺尊量誓之粤的连接纽带，其计算精度直接影响车辆动力学或车辆轨道耦合动力学仿 苎! 篓果的可靠性。车辆系统的线性化动力学分析中，常常采用“等效锥度，、。2 善 效轮竺篓譬聋詈数、“侧滚角系数等参数使轮轨接触关系线性化f 1 3 】。但是当锥形嘉 4 j - t - 出i i i 现较大的横移时，轮缘就可能接近或贴靠在钢轨上，呈现出明显的非线性吴篡： 厂 - 1 一i ， i 、 1 r z 6 r |l 广一 j 一 二娶 6 上 吃 ， 掣岁 u1 图i i 轮轨接触几何关系 f i g 1 1r o u n d r a i lc o n t a c t sg e o m e t r i c a lr e l a t i o n 王。! 蛩至氅掌上运行时，轮对相对于轨道作横向运动和侧滚运动，在不同的横向位移 竺竺篓譬警篓件下，左右轮轨之间的接触点位置不同，轮轨之间的接触参数葛葙递萎篡 而这些参数在研究机车车辆运行动力学时是必不可少的。轮轨接触几何参数葛磊一。 ( 1 ) 左右轮接触角，即轮轨接触面与轮对中心线的夹角6 和6 r ( 6 ： o 和6 。 0 f ( 多) f o ，夕= 0 = 一f o ，乡 第四章新型关节式集装箱平车的组装模型 4 22 动态千摩擦模型 根据干摩擦试验规律( 图4 1 l a ) ，建立基于相对速度和加速度的动态干摩擦模型( 图 4 1l b ) ，其中，v k 为线性摩擦蠕滑区域。v m 为最大摩擦系数之间过渡区域，v d 为 摩擦系数变化区域；a c 为加速度过渡区域，当加速度与速度同向时摩擦系数出现增 量，否则无增量。 根据摇枕悬挂的特点，动态干摩擦模型考虑了如下摩擦系数动态变化； ( 1 ) 当相对加速度与相对速度方向相同时( 即相对加速度方向与摩擦力方向相反) ， 粘- 滑过渡摩擦系数有增量； 市i蕊：。 二弋引。? ；溯雠镰 ”二i 牾，。垄霉缫i 奎 ( 2 ) 而当相对加速度与相对速度方向相反时( 即相对加速度方向与摩擦力方向相 同) 粘一滑过渡摩擦系数则无增量； ( 3 ) 在低频谐振或者相对加速度比较小时，( 加速，减速) 粘- 滑过渡摩擦系数均有增 量，这一增量越大，粘- 滑振动越明显。 4 23 斜楔摩擦系数稳定性 摩擦系数稳定性是变摩擦悬挂特性研究的另一个难点。图41 2 是对如下摩擦副材料 的试验结果：下试样( 对应磨耗板材料) 为t i o 钢，上试样( 对应斜楔材料) 分别为 a d i 球铁、奥贝扶铸铁和高分子材料，其组成的摩擦副分别表示为t 1 0 a d i 、t 1 0 h 、t 1 0 口。为了对比，还采用4 5 # 钢为下试样和a d i 球铁为上试样进行配副，记为4 5 # 厂r 1 0 。 人迮交通大学l 。学硕f ：学俺论文 摩擦热和表面磨耗是影响摩擦系数稳定性的曲个主要冈索。对于传统的摩擦副材料，其 摩擦系数很难控制，但是，对于基丁高分子材料的组合斜楔，其摩擦系数低而且也比较 稳定。 0 1 2 02 4 03 6 0 4 8 06 0 0 ，h 幽41 2 几种摩擦副的摩擦系数随时问变化的关系曲线 f i 9 41 2 c h a n g e - t i m er e l a t i o n s h i pc u f v o f t h ec o e f f i c i e n t o f f r i c t i o n 在集装箱平车线路动力学试验中，这种组合斜楔也得到采用车辆平稳性也有所改 善，但屉，仍然存在垂向振动加速度偏大现象。闳此，下面的变摩擦悬挂是针对这种组 合斜楔米建立的，以保证斜楔摩擦系数的稳定性。 424 变摩擦减振( 垂向和横向) 在加载减载过程中，主摩擦面正上k 力具有如下关系式( 见图41 3 ) ： 蔼蔼 习芝 幽4 1 3 斜楔受力分析 f i 9 4 1 3f o r ea n a l y s i so f t h e w e d g e o 8 6 ； 2 0 4 lu30e15-o 第四章新型关节式集装箱平车的纲装模型 尺： ! 王坠2 燮 p ( 1 + “1 “2 ) 留q 干( ”l p 2 ) ( 反向自锁) ( 4 3 ) 利用s i g n 函数，可以改写为： r ： i 二! 婴丝坠2 垡 d ( 1 + “l 2 ) 氇q s 辔咒( v ) ( 肛1 一p 2 ) 一( 反向自锁)( 4 4 ) 其中，v 是摇枕相对侧架的沉浮速度，阈值v k = - a ：( 0 0 0 1 0 1 ) m s 。 在垂向和横向的摩擦减振中，通过受力分析可以得到主摩擦面法向力，然后，利用 动态干摩擦模型定义平面摩擦力。在垂向上，变摩擦减振力实质上就是作用在簧上和簧 下质量之间的一对作用力和反作用力。 4 2 5 相对摩擦因子 变摩擦悬挂特性是指悬挂刚度在受压和回弹时因摩擦力而产生的变化。根据 g b 5 5 9 9 定义，在一个加载和减载循环中摩擦力所做的功( 迟滞回线面积) 与悬挂弹性 力所做的总功( 加载和减载曲线下的面积之和) 的比值，称为相对摩擦因子。根据试验 数据规律，亦应分为静态和动态相对摩擦因子。 利用变摩擦悬挂简化模型，绘制重载车况下的静态加载减载曲线( 图4 1 4 a ) ，可 以看到：为了提高变摩擦悬挂的线性程度和降低相对摩擦因子，应当加宽蠕滑区域v k 并减小主副摩擦面的摩擦系数。在动态加载减载情况下( 图4 1 4 b ) ，动态摩擦因子有 所增大，而且频率越高，其增大幅度越大。这一点与试验数据规律相符合。 弹簧臻窿唧秽弹簧挠憋呷常p ( a ) 摩擦副与静态相对摩擦系数关系( b ) 加载频率与动态相对摩擦系数关系 图4 1 4 加载减载曲线与相对摩擦系数 f i g 4 14u p l o a d i n g - d e l o a d i n gc u r v ea n dr e l a t i v ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t 查些銮翌尘：! 兰竺兰! ! 鲨三 静态相对摩擦因子的确定应当权衡车体刚度和车况，以保证运行平稳性。从减振角 度摩擦副材料选用应当考虑：( ”变摩擦悬挂特性的线性程度：f 2 1 动态相对摩擦因 予的增大。因此，首先，应当注意摩擦副材料的蠕滑区域是否宽展直接决定变摩擦悬挂 的线性程度：其次，根据动态相对摩擦因子概念，若主摩擦面摩擦系数比较大，往车辆 低速运行时存在斜楔“忙滞”的可能性( 即出现粘- 滑振动) ，因而剐度较低的集装箱 车体通常会产生高频的垂向弹性振动：最后，车体阶垂向弯曲模态振动必然反映到摇 枕纵向运动，因而也需要降低副摩擦面摩擦系数，避免摩擦激振的形成。 426 斜楔纵向摩擦力 纵向摩擦力存摇枕悬挂中起到非常重要作用，如旁承摩擦所形成的回转阻力矩、车 体阶垂向弯曲模志振动和小半径曲线通过等。由于摇枕相对侧架的纵向位移非常小 f 2 - 3 r a m ) ，模型中忽略了幽斜楔乖i 甸j r l 对位移所产生的减振弹簧力变化。 当摇枕相对侧架产生纵向相对运动趋势，见图41 5 ，前后两端主摩擦面法向力： r ：坐塑生一0 ( 1 一) t g c c 一( + ) 刮( 6 口端，白锁) ( 45 ) 尼：j 兰坐生一0 ( 1 ) + ( + p 2 ) 一( 后端)f 46 1 摇枕在前端，后端主摩擦面的法向力下达到平衡状态，即曲2 胄一一马。若副摩擦面摩擦 系数过大，则a r 会出现幅值较大的交变调整特别是在车体一阶垂向弯曲模态振动和 纵向冲击时这将直接影响车辆纵向平稳性。 7 ：二二了* # 目自* 4 自* * 幽41 5 斜楔纵向摩擦作, t lj f i g41 5p o r t r a i t f r i c t i o n f i m e l i o no f t h e w e d g e 第四章新型关节式集装箱平车的组装模型 三大件转向架模型中，交叉杆、承载鞍和心盘旁承等非线性环节的处理，请参见集装 箱平车刚柔耦合动力学性能分析。 4 3 三轴构架式转向架 3 轴构架式转向架如图4 3 所示，基本结构主要由轮对、轴箱、构架及弹簧装置、 减振装置、旁承及制动装置等组成。 4 3 1 三轴构架式转向架的特点 3 轴构架式转向架具有如下两个构造特点： ( 1 ) l 、3 轴具有直顶式斜楔摩擦减振，2 轴轴箱两侧装有磨耗板，同时，承载鞍与 轴箱之间为平面接触，曲线通过时产生横向窜动。 垂向的摩擦减振和横向的承载鞍摩擦蠕动是三轴转向架的两个动力学特剧川。对于 直顶式斜楔，尽管其主摩擦面的法向力是由弹簧预载所确定的，但由于轴箱运动的复杂 性，如点头，因而对轮对纵向定位刚度的贡献是非常有限的。但是，由于1 、3 轴之间 的轴距比较大，有助于提高转向架的临界速度。而对于构架蛇行模态振动的稳定性来讲， 承载鞍横向摩擦蠕动会起到有益的缓解作用。 ( 2 ) 车轮踏面轮廓为l m ，其中，2 轴轮缘削薄9 m m ，相当于l 、3 轴轮背距1 3 5 3 m m ( 名义滚动圆跨距1 4 9 3 m m ) ，而2 轴轮背距1 3 3 5 m m ( 名义滚动圆跨距1 4 7 5 m m ) 。 与钢轨6 0 k g m 的轮轨匹配分析( 见图4 1 6 ) 可见，当轮缘减薄9 m m 后等效锥度平坦变 化区域拓宽，而滚动圆半径差对轮对横向窜动形成了必要的限制( 1 2 1 3 ) m m ；当轮缘减 薄9 m m 后轮对不具有合理的重力刚度，自复位能力比较差。 咕矗i 1 卜 ( a ) 轮缘减薄与等蓑耀蔑；豫曲线( b ) 轮缘减薄9 m m 时的滚动圆半径差变化曲线 ( a ) 轮缘减薄与等效锥度关系曲线 ( b ) 轮缘减溥时的滚动圆半往差燹化曲线 图4 1 6 三轴轮轨匹配分析 f i g 4 16m a t c h i n ga n a l y s i so f t h et r i a x i a lw h e e l t r a c k 大连交通大学t 学硕十学位论文 以垂向斜楔摩擦减振力为例来分析，如图4 1 7 所示。在主副摩擦面动摩擦系数相同 情况下，主摩擦面法向力： f k = n 础寄， k = i , o 咖载龌 ( 4 7 ) f k 2 n p k 等，k = i , o ( 减载勰 ( 4 8 ) 其中，e ，肚，k = z ，0 为内外侧主摩擦面法向力和轴箱弹簧力。令： 一。v n n 叫，川：j 苫v 需著 【一1 v 。，+ o 1 ( 4 9 ) 其中，屹，为簧上质量和簧下质量之间的相对蠕滑速度( 州s ) 。利用上述阶越函数切 换摩擦力公式中的正负号变化，则主摩擦面法向力可以改写为： e 一吆印等产， ，v 图4 17 直顶式斜楔受力分析 f i g 4 1 7f o r c ea n a l y s i so f t h ed i r e c t l y - p u s h e dw e d g e 在纵向上，轴箱有士2 m m 间隙，为此，根据轴箱相对构架的相对位移缸施加非线性 约束力最( 敏) ，这样，主摩擦面法向力可以改写为： e 一# t u s t c p 箐堋蛳k = i , o ( 4 1 1 ) 其中，a x 2 m m ，只( 缸) = 按照结构刚度计算弹性 约束力。 利用下节的连续干摩擦模型，计算主摩擦面的垂向和横向摩擦力。 4 3 3 连续摩擦计算模型 为了解决摩擦力不连续所带来的仿真计算问题， f f = 一 通常采用以下计算公式： ( 4 1 2 ) 这里，v 为接触面相对运动速度，n 为接触面上法向力，九为摩擦蠕滑系数，一般 取3 x 1 0 6n s m ( n s 。) 。由图4 1 8 对比可见，连续干摩擦模型实际上是经典摩擦理论的一 种简化，即将静摩擦和动摩擦间以连续方式过渡，在不改变摩擦功耗性能的前提下简化 计算，提高积分迭代过程的稳定性。 董 重 v e l o c i t y ( n l e t b r t r s e c ) 图4 1 8 连续干摩擦计算模型 f i g 4 18c o n s e c u t i v ed r yf r i c t i o nc o m p u t a t i o n a lm o d e l 对于平面摩擦，可以计算x y 摩擦力分力： f x = 一( v x 九) s q r t ( 1 + ( ( v m 九) ( l n ) ) 木木2 ) ( 4 1 3 ) ：鎏! 丝垡尘里型! ! ! f y 。( v y ) , ) s q r t ( 1 十( ( v m v ( 州) ) 料2 )( 41 4 ) 这里，v x 、v y 和v m 是x - y 、r 面的x y - 相对速度分量和台成速度。 对干球面摩擦，其摩擦力矩： t x 2 一( w x k ) s q r t ( + ( ( w m ) ，【n ) ) 2 )( 4j 5 ) t y - 一( w y m $ q r