（车辆工程专业论文）独立轮对耦合转向架动力学性能分析.pdf

摘要 摘要 本论文是围绕独立轮对耦合转向架模型的研制工作展开的，文章结合了前 人在独立轮对上面的研究成果，在此基础上进行研究和改进，从而建立了整车 的独立轮对耦合转向架模型。 在论文中，首先通过对三种独立轮对转向架的比较增加了对这种新型的独 立轮对耦合转向架的认识，为该转向架在有轨电车中的应用提出了依据。随后 分别讨论了独立轮对和独立轮对耦合转向架的理论模型，对其受力分析，建立 独立轮对耦合转向架的模型，此外分析了独立轮对耦合转向架耦合刚度对这种 转向架的影响。 通过对单转向架的分析，建立了具有耦合转向架的整车模型，用 m a t l a b s i m u li n k 进行动力学性能的仿真。通过计算整车的曲线通过性能，发现 装备独立轮对耦合转向架的车辆具有良好的通过性能。 最后，为了实现耦合功能，设计了一套基于扭杆弹簧的耦合机构，通过对 其进行强度计算，校核，使其满足强度要求。 本论文通过使用m a t l a b s i m u l i n k 软件实现了对独立轮对耦合转向架的仿 真计算，对独立轮对在轨道车辆上的应用作了一些有益的工作。+ 关键词：独立轮对，耦合转向架，有轨车辆，曲线通过，扭杆弹簧设计 a b s t r a c t ab s t r a c t 而et h e s i sm a i n l yd e a l sw 砌t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o u p l e db o g i ew i t h i n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l s e t a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h e i n d e p e n d e n t l yr o t a t i n g w h e e l s e tw eh a v eg o t , t h et h e s i ss t u d i e st h em o d e lo f c o u p l e db o g i e 、杭mi n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l s e t f i r s t l y , t h ep a p e rc o m p a r et h r e ek i n d so fb o g i e s 、i t l li n d e p e n d e n t l yr o t a t i n g w h e e l s e t ，a n dl e a r nl o t so fp e r f o r m a n c eo ft h eb o g i ew i t hi r wa f t e rt h ea n a l y s eo f t h e s eb o g i e s t h e nm o d e lt h ei r wa n db o g i e s 、析t hi r w r e s p e c t i v e l y , f i n a l l yd os o m e r e s e a r c ho fc o u p l e ds t i f f n e s sc o e f f i c i e n t m e a n w h i l eam o d e lo fw h o l ev e h i c l ew a sb u i l ti nt h em a t l a b s i m u l i n ka f t e r a n a l y s eo ft h eb o g i e ，w es t u d y i n gt h ec u r v i n gp e r f o r m a n c eo ft h er a i l w a yv e h i c l e e q u i p p e d 、i t l lc o u p l e db o g i e 、析t 1 1i r w f i n a l l y , i no r d e rt or e a l i z et h i sf u n c t i o nw ed e s i g nam e c h a n i s mb a s e do nt o r s i o n b a rs p r i n g i nt h i sp a p e rt h es i m u l a t i o np r o c e d u r e so ft h ed y n a m i cm o d e lw e r eb u i l t 、析t l l m a t l a b s i m u l i n k , i ti sv e r yu s e f u lf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h et r a n l c a r k e yw o r d s ：i r w ，c o u p l e db o g i e ，t r a m c a r ，c u r v i n gp e r f o r m a n c e ，t o r s i o nb a rs p r i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：声么素 。“年专b 讲e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： ， 学位论文作者签名： 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 妣声五玄 以；a 第1 章绪论 1 1 背景 第1 章绪论 随着道路交通污染的加剧和人类环境保护意识的加强，越来越多的国家和地 区意识到发展城市交通系统的重要性。城市轨道交通之所以受到人们的重视是基 于4 个方面的原因：( 1 ) 随着城市人口的不断增加，城市的边际越来越远，特别 是一些诸如卫星城、经济开发区、旅游娱乐区、生活社区的不断增加，快速、准 时、大运量、高密度、污染小的城市轨道交通越来越受到人们的青睐也是大势所 趋了。( 2 ) 高速的信息交流，人们活动节奏的加快，城市内功能不同地域之间的 人流和物流的频度增加，都要求以城市轨道交通来添补城市不断发展的需求。( 3 ) 城市轨道交通具有较好的可持续发展特征，城市轨道交通完成单位运输量所排放 的污染物以及所消耗能量远低于其它交通方式，同时地下、高架、立交等多种型 式的城市轨道交通系统，更有利于城市交通的规划和城市土地利用。( 4 ) 城市轨 道交通能提供更安全、更舒适、更方便的乘车条件。许多城市的轨道交通系统充 分实现了与城市建设的完美融合。成为现代化城市亮丽的风景线。 目前，城市轨道交通的发展趋势是：一方面，拥有城市轨道交通的城市都是 一个国家的政治、文化、经济中心，这些城市都具有良好的市场需求，也都需要 发展城市轨道交通系统来调整城市交通结构，减少交通污染，提高旅行速度，以 保证实现城市轨道交通系统的经济合理性。另一方面，城市轨道交通系统的建设 和发展，也充分体现城市经济的可持续发展性，实现了城市交通快捷、方便、安 全、经济、环保的需求，取得了整个城市布局和运转的最佳经济效益、社会效益、 环境效益。城市轨道交通按运量分主要有两种：( 1 ) 地铁交通系统，一般适用于 大中城市，道路交通必须发达，地势比较平坦，且具有隧道可开挖地质条件，很 好的财政实力。( 2 ) 轻轨交通系统，一般适用于中小城市及大中城市的市郊，路 经条件适应性强，造价偏低，可利用原有有轨电车、市郊列车线路进行改建。轻 轨交通系统又分单轨交通系统和轮轨交通系统。单轨交通系统以其自身的特殊适 应性成为中小城市、海滨城市和山城轨道交通首选型式之一。具备对复杂起伏的 地形有较强的适应性，土地占用量小，运输量适中，造价适中是单轨城市轨道交 通的发展优势。 世界上，机动化水平较高的城市大多有比较成熟与完整的轨道交通系统，有 些城市的轨道交通运量占城市公交运量的50 以上，有的高达70 。以下是 世界主要大城市轨道交通发展状况： 同济大学硕士学位论文 东京：东京拥有轨道交通线路近2000 公里，是世界大城市中线路最长的。 运量也很大，年运量在l00 亿入次以上。市郊铁路列车最小运行间隔为2 分钟， 最大编组为l5 节，每小时每方向运输能力多达l0 万人。近20 多年，新建地 铁近l40 公里，总里程达230 公里。东京有7 家私营铁路公司，分布在郊区， 服务比国有铁路好，价格便宜。 伦敦：伦敦早已实现了客运以轨道交通为主的目标。地铁共有9 条线路，总 长408 公里，其中l67 公里在地下。运行间隔为2 25 分钟，郊区为10 分钟，最大编组为8 节。市郊铁路共有650 公里，550 个车站。市中心有1 5 个终点站，线路呈放射状布置。有的线路直通距市中心4o 公里以上的新城。 巴黎：巴黎的轨道交通工具包括地铁、轻轨铁路和市郊铁路。轨道交通承担 巴黎公共交通70 的运量，市内和郊区汽车承担3o 。巴黎有地铁i5 条， l99 公里，是内城公共交通的骨干，乘客徒步5 分钟就可到达地铁站，列车最 小运行间隔95 秒。市郊铁路有l6 条，长760 公里。 纽约：纽约市公共交通占总交通量的53 ，到内城的客运80 采用大容 量交通工具，主要有地铁、市郊铁路和公共汽车。市区铁路线共有27 条，长4 43 公里，所有的车站通宵服务。 莫斯科：莫斯科拥有一个跨及全市的立体交叉地铁网，总长243 公里，l 40 多个车站，由一条环线和8 条放射线组成。每天运营20 个小时，高峰时列 车间隔为75 秒，时速4l 公里，日运量高达800 多万人次，居世界之首。客 运密度为每公里l4 00 多万人，高于伦敦、纽约、巴黎。 中国已建成通车的轨道交通线路总长四百一十九点八五公里。目前中国有二 十多个城市正在建设或规划建设地铁等轨道交通项目，初步统计近期规划建设五 十五条线路，约一千五百公里长，总投资达到五千亿元人民币。而目前在建线路 总长则超过三百四十公里。 建设部官员表示，当前中国地铁建设处于高速发展时期，三至四年就要建成 一条二十公里的线路。中国正处于城镇化进程快速发展时期，城市人口快速增长， 交通压力曰趋加大，一些特大型城市交通拥挤、堵塞的矛盾非常突出。发展地铁 等城市轨道交通对缓解特大型城市公共交通压力，促进城市经济和社会健康发展 具有重要作用。 1 2 独立轮对发展概况 传统的刚性轮对在高速的时候产生蛇行失稳，并且磨耗严重，而产生蛇行的 主要原因是由于传统锥形踏面的轮对横向运动和摇头运动的耦合所产生的，因此 2 第l 章绪论 人们试图将其两个轮对解耦，使得两个轮对独立转动，这就是我们熟知的独立轮 对( i r w ) 。 独立轮对的应用能够消除蛇行运动失稳现象，使的车辆能够在更高的速度行 使。虽然有些优点，但是并不尽如人意，早期的实验研究发现，装备有独立轮对 的车辆在曲线和直线上的横向振动减小了6 0 一8 0 ，蛇行运动消除，但是有轮缘 贴靠钢轨的现象发生，与传统轮对相比磨耗没有明显的降低，并且出现了爬轨现 象。这是由于与传统刚性轮对相比，独立轮对只有重力回复力作为轮对的导向力， 因此，即使很小的横向力都可以使轮对持续贴靠钢轨容易引起脱轨，由此可以看 出独立轮对不具备导向能力。 为了有效的提高独立轮对的导向能力，早期研究人员采用了以下的一些办 法： 1 ) 使用磨耗型踏面。传统的锥形踏面的锥度一般为1 2 0 或者1 4 0 ，但是传统 轮对在曲线通过轮缘导向时远远不能满足要求，并且轮缘和钢轨磨耗都很 大。在使用磨耗型踏面以后，研究发现，重力回复力随着轮对横移量的变化 而不断增大了，这种非线性的高锥度的外形应用在独立轮对上以后有利于重 力回复力提供必要的是轮对回复中心的能力。 2 ) 使用部分耦合轮对。其主要的形式有阻尼耦合轮对和磁性耦合轮对，主要目 的都是为了提高临界速度，减小车辆在直线和曲线通过时的横向力，降低磨 耗。 通过上述介绍，可以看到独立轮对的主要问题在于导向能力。因此，如何提 高独立轮对的导向能力将是研究的重点，如轮对外型的改变从而提高自动对中能 力，或者改变悬挂结构形式，提高横向稳定性。 世界上在铁道机车车辆中采用独立轮对的第一个专利是瑞士人，c h a r l e sd e b a n g 于1 9 0 3 年申报，其基本原理就是将两车轮通过轴承安装在车轴上，使车轮 能相对车轴转动。1 9 0 7 年，奥地利人a l o i sm a r i al e i n w a t h e r 发明了无共同车 轴的独立旋转车轮，即左右两车轮在空间坐标内无任何相互约束。1 9 1 3 年，加 拿大人b a g s t e rr o a d ss e a b r o o k 提出了用套筒连轴器将左右两车轮连接的专利， 其基本原理是使两车轮能相对连轴器转动。最早的拖动式独立车轮轮对出现在上 世纪4 0 年代，用在t a l g o 型试验车上，如图1 1 其特点是每节车厢的后端支 撑在2 个独立车轮组成轮对的支座上，前端铰接支撑在前车辆的尾部横梁的中 央，车厢形成三点支撑，每一位独立车轮轮对均以拖动的形式前进。 在有轨交通的历史上，第一次采用独立旋转车轮的是美国亚利桑那州的一家 车辆厂，于1 9 1 6 年为该州拥有2 万多居民的图森市制造的城市轻轨车，其目的 主要是使车辆的地板能低于4 0 0 m m ，以便于乘客上下车。这种2 轴内燃轻轨车第 3 一批共生产了4 辆。2 年后，该厂又生产了2 0 辆提供给n e wb i r n e y 市的公交公 司。然而，由于该车的轮缘在直线上经常贴靠钢轨，车轮踏面和轮缘磨耗远高于 图1 1t a l g o 型试验车示意图 同类型采用整体轮对的车辆，且多次发生脱轨事故。因此，使用该车的两城市几 乎同时中断了对其的使用。进入2 0 世纪3 0 年代，德国埃森有轨电车公司出于同 样目的，制造了1 辆采用独立旋转车轮的轻轨电车样车。该样车的命运同美国的 一样，由于二战的影响，试验不得不经常被迫中断，加之缺少零配件和必要的维 修工作，在8 年的时间里，该车运行不到1 2 0 0 0 k m ，并在1 9 4 2 年的一次空袭中 被炸毁。此后，瑞士的b l s 铁路公司同一家铁道车辆厂合作，开发了一列采用独 立旋转车轮的轻轨电动车组。该电动车组由2 辆完全相同的车组成，中间采用了 铰接式转向架。在运用中发现，该车轮缘磨耗十分严重。并多次发生脱轨事故。 鉴于当时的技术条件和试验水平，在没有任何结论的情况下，该电动车组不得不 在1 9 4 4 年将独立旋转车轮更换成整体轮对。应该指出的是，当时的轮轨粘着理 论还不足以来解释其原因。直到1 9 6 7 年荷兰现代轮轨粘着理论的开拓人 j j k a i k e r 的博士论文发表后，人们才真正对蠕滑之间的相互作用有了认识。 到上世纪8 0 年代，高速列车在欧洲的出现和城市轨道交通的飞速发展，使 人们再次对独立轮对产生新的兴趣，西欧一些国家和日本等逐渐重视对独立旋转 车轮的研究。众所周知，高速列车要解决的一个关键问题，就是如何提高轮对在 直线上的抗蛇行性能。由于采用传统轮对的转向架一直受蛇行稳定性和曲线通过 性能相互矛盾的困扰，而独立旋转车轮转向架在理论上不存在纵向蠕滑力，不会 产生蛇行运动，因此采用独立旋转车轮转向架可以大大提高临界速度。倡导再次 对独立旋转车轮进行研究的主要开拓者，是德国亚琛工业技术大学机械系机车车 辆研究所的f r e d e r i c h 教授。2 0 世纪8 0 年代末，f r e d e r i c h 教授首先研制开发 出了公共轴的独立旋转车轮转向架j 并在德国慕尼黑的滚振试验台上进行了试 验，其最高试验速度达到5 0 5 k m h ，随后又装车进行了线路动力学试验。在此试 验基础上，德国d u e w a g 公司和删公司研制出了用于德国高速列车i c e 的独立 旋转车轮转向架，并装车进行了线路动力学试验。其中m a n 公司的转向架除采用 4 第1 章绪论 了独立旋转车轮外，还出于降低质量的目的在世界上首次采用了玻璃钢构架。此 后，日本、意大利、瑞士、芬兰等先后研制出了采用独立轮对的高速转向架，并 进行了线路试验。 1 3 独立轮对在城市轨道车辆发展概况 1 9 7 8 年，国际公共交通联合会( u i t p ) 在比利时布鲁塞尔召开的会议上，将 在有轨电车的基础上发展而成的中等运量的城市轨道交通方式定义为“l i g h t r a i lt r a n s i t 一，其中文意思为“轻轨铁路一，亦称搿轻轨交通系统一。在轻轨 铁路上运行的车辆就称为“轻轨车辆一。轻轨车辆的发展大致经历了高地板、中 地板和低地板3 个阶段。第一代是部分低地板轻轨车辆，主要是2 0 世纪8 0 年代 后期，比利时b n 公司制造的供阿姆斯特丹用的轻轨车辆，低地板部分地板面距 轨面高度为2 7 7 m m ，但低地板部分占车长的比例仅为1 3 5 。第二代低地板轻轨 车辆低地板部分面积较大，但是要到达转向架或车轴上面的高地板仍需台阶。 1 9 8 9 年，由当时英、法合营的g e c 阿尔斯通公司生产的轻轨车辆便属于这种类 型，其低地板部分地板面距轨面为3 4 5 m m ，低地板占车长的比例为6 3 以上。而 当时瑞士的v e m y 公司为伯尔尼生产的一种地板面高3 5 0 r a m 的轻轨车辆，低地板 占车长的比例为7 2 。第三代低地板轻轨车辆为全低地板式。地板面距轨面通 常仅为3 5 0 m m ，意大利b r e d a 公司为法国里尔生产的v l c 型米轨轻轨车辆、德国 m a n 公司为不来梅制造的g t 6 n 型轻轨车辆、西门子公司研制的c o m b i n o 模块组 合式轻轨车辆，都是这类全低地板轻轨车辆，沿运行长度方向的低地板通道是连 续的。 低地板轻轨车辆是当今的发展趋势，新一代低地板轻轨车辆中采用的新技术 涉及面极为广泛。为减少轮轨磨耗、降低噪声污染和实现整车低地板结构，国外 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，逐渐在轻轨车辆上以独立旋转车轮代替传统轮对。 早期设计的低地板轻轨车辆是传统轮对转向架、分段式低地板。其转向架的走行 及驱动机构仍是常规的，转向架上面必须是高地板，在2 台转向架之间做成一段 低地板，并设置台阶至高地板。随后，为了更好的降低地板面高度，取消了车轴 而采用独立轮对，因此明显的降低了地板面高度，独立轮对所具有的横向性能稳 定、磨耗小、噪声低、质量轻、已经容易降低车体地板面高度等优点，成为了轻 轨车辆走行部结构设计追求的目标。受中间非动力转向架采用独立旋转车轮的启 发，动力转向架也采用独立旋转车轮，取消车轴，则动力转向架上方的通道部分 也可做成低地板，从而实现了1 0 0 的低地板 5 同济大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 本论文的中心任务是建立独立轮对耦合转向架的整车模型，并利用其计算整 车的直线复位和曲线通过性能。本文以有轨电车为研究对象，采用s i m u l i n k 功 能对该两节编组的列车动力学建模，预测动力学性能，在此基础上分析了耦合刚 度对整车的影响，并设计了耦合机构。 6 羔! 皇鍪皇笙翌塑鱼茎塑垫塑垫垄堂生簦墼兰堡型 _ - _ - - - _ - - - _ - i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一一 第2 章独立轮对耦合转向架的动力学计算数学模型 2 1 独立单轮对模型分析 独立轮对是整个车辆中很重要的部件，它决定了轮轨间接触力。有了其运动 方程式，才能推导转向架和整车数学模型。本章首先详细推导一下独立轮对的运 动方程。 2 1 1 轮轨系统各坐标系的定义 各坐标系的如图2 1 所示，共有4 个笛卡儿坐 标系，其定义分别如下： ( 1 ) 绝对坐标系 工，y ，z ，固结在轨道中心 线对称线上，不随轮对 的运动而变化： ( 2 ) 惯性坐标系 x ，y ，z7 ，其原点仍然在 轨道中心线上，相对于 绝对坐标系以常速度v 前进： 绝对坐标系 图2 1轮轨系统坐标系的定义 ( 3 )中间坐标系x - ，y ，通过绕z 。轴旋转y 角后得到； ( 4 ) 体坐标系 工，y 。，其原点在轮对 的质心。 如果要求解轮轨几何 。 、 关系，还需两个坐标系 、 x r l ，y t ，z n 帮x 曩，y 景，z 毋。分 别固结于左右钢轨的质心 上，并随钢轨的运动而变 化，反映了钢轨轨底坡变 换关系。 左轮 一 、_ f ， - l 一广 白t _屹 声 0 一芝。 i 7 图2 2 接触平面坐标系 同济大学硕士学位论文 此外，还要用到另外两个坐标系q 。，气，岛。和气，p ：，分别固结于轮轨的左 右接触斑上，并随轮对一起运动，如图2 2 所示。其中瓯和瓯指左右轮的接触角， 和指左右轮的滚动圆半径。 2 1 2 各坐标系之间的变换关系 = | 0 c o s t s i l l 附i cos沙毫：|： s m y c o s c o s 弘, s m c o s j c i , = 墨二曼交心 澍feelr1 = 隧0 - 觥s i - n 6 rjj 刚壹 0 c o s 九 - s m 痧o o c o s 九 s m o sin瑚谚ocos k h _ ， 九儿j ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 钏 汜7 ， 式中f ，工k ，i ，_ ，k ，f 。，j f 。，k 。和f 。，_ ，一，七。为相应坐标系的矢基，办为钢轨的标准轨 底坡。 3 、l，j p 广p ，cl，1，j 谚多 0 璺 s c 、lrj r ，护 ，【 1j 0 o l 、，i、r，j ，广驴 ，j、，l1，j 西 0 g 兮 s c 誓哪叫 螂唧哦 c g s = p p 扣 第2 章独立轮对耦合转向架的动力学计算数学模型 2 2 独立单轮对曲线通过运动方程 本节将导出独立单轮对在半径不断变化的曲线上的运动方程。轮对通过悬挂 系统与构架相连，以等速v 沿轨道上前进。外轨相对于内轨有超高。独立轮对设 定为4 个自由度，分别为轮对的横移、摇头以及每个车轮的自旋扰动。轮对假定 为刚体，并且有很好的轨道跟随性。 2 3 1 独立轮对运动方程 如图2 3 所示，两个移动坐 标系，其中一个为轨道参考坐标 系i t j 丁和k t 沿着轨道中心线移 动，i t 轴与轨道中心线一致，k t 轴垂直于轨道平面；另一个坐标 系i w ，j w 和k w 固接于轮对重心， i w 轴设定沿轨道中心线，k w 轴垂 直于i 州w 平面。假设为小侧滚角 和小摇头角，则两套坐标系之间 的变换由式( 2 3 ) 得： f ，1r1 。 = | - y l k ”| 0 轮对的惯性加速度为： 曲线中心 图2 3 曲线上坐标系统定义 ( 2 8 ) = 吁+ 西凡+ 嘶x ( c o r 凡) + 2 嘶屯+ 也 ( 2 9 ) o ) t = 丸i r - ( v r ) d , d r 一( v r ) k r 其中 a t = 一( y 2 r ) j r + 【口丸+ ( 矿2 r ) 丸】磅 ( 2 1 0 ) 凡= 蚺+ 蚺+ o + ，o ) b 各参数的意义为：嘶为轨道参考坐标的角速度，丸y o t 匿高角，r 为曲线的半 径，a 为轨距之半，r o 为轮对的名义滚动圆半径，a t 为轨道参考坐标的惯性加速度， 为轮对重心的位移矢量，x ，y 和z 为轮对重心的位移量。 将式( 2 9 ) 代入式( 2 1 0 ) 可以得到： a w = 舅夸+ 陟一( y 2 r ) 一屯 j r + 【三+ 口屯+ ( y 2 只) 丸】呼 ( 2 1 1 ) 独立轮对的角速度为： 彩，= 丸0 一( y ，r ) k + 痧，+ 【q + ( 尻+ 屏) 2 】_ ，。+ 游。 ( 2 1 2 ) 9 r ，妒 ，；、【r_，j 0 z r l y 。叫 同济大学硕士学位论文 各参数的意义为：尻为左轮绕y 轴名义角速度q 的扰动角位移，风为右轮 绕少轴名义角速度q 的扰动角位移。 当假设小角度时，( 2 9 ) 可以简化为： 国w = 缈孵0 + 缈删l + 彩眦k ( 2 1 3 ) 其中国蚍= 丸+ ，彩聊= q + ( 皮+ 反) ，2 ，和彩孵= 一( y r ) + 妒。独立轮对 在体坐标系中的角动量为： h = l 一试+ l 哆j - + i o w 3 式中硪轨间摩擦系数： 足一纵向和横向合成蠕滑力： 昂= c 2 + c 2 ( 2 3 4 并定义缩减因子： 占= 垡 ( 2 3 5 ) 磊 则在接触斑坐标系下的蠕滑力矩为： fc = s et j c = 占e ( 2 3 6 ) im ：芝f 、 用式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 进行接触坐标与体坐标之间的变换。在轨道参考坐 标中，可以得到简化的蠕滑力和蠕滑力矩如下： 左轮 兄= f 5 一c o s ( 呒+ ) y ，乃= e l 5 c ，+ m s ( 8 + + ) ， 声乙= ，s i n ( 8 , + ) ，m 厶= 肘乞s i n ( 8 + ) y ， ( 2 3 7 ) m 跏= 膨乞s i n ( 8 , + 妒) ，m 厶= - - m i , c o s ( 8 , + ) 右轮 氏= 辰一c o s ( s r 一矽) = 珞沙+ c o s ( s r 一妒) ， ，k = 一，岛s i n ( s r 一声) ，m 殷= - m s i n ( 8 r 一妒) y ， ( 2 3 8 ) 矿砂= s i n ( s r 一) ，m r , = 矿之c o s ( 靠一) 其中e r r ，e l ，表示在接触平面内蠕滑力的第f 个分量，吮，耽，表示接触平面 内蠕滑力矩的第f 个分量。 1 3 同济大学硕士学位论文 左轮 右轮 曲线通过时蠕滑率公式 兑= ( i i v ) v ( i + a i r r , l r o ) 一屹皮- ( a - a 工) 矿一谚k 缈】 免= ( 1 y ) 【 一吼) + ( 吃乎- a l ) 一少纠c o s ( 屯+ 声) ( 2 3 9 ) + 【( 三一岔吐) d - ( a - - 工) 妒一屯】s 眦皖+ ) 考幺= o v ) ( 矿- v g ) c o s ( 8 , + ) 一( q + 反) s i n 无】 参二= 0 v ) v ( - e r - r r 0 ) - r r , a , , + ( 口+ r ) 沙一西咋露y 】 = ( 1 n 渺一) + 乎一厶矗) 一脚】c o s ( 蟊一妒)( 2 4 0 ) 一【g 一) 一( 口+ 异) 矽一噍】s i i l ( 皖- 妒) ) 参k = 0 1 v ) ( 沙- v r ) c o s ( s , + ) 一( q + 像) s i n 磊】 2 3 独立轮对耦合转向架耦合刚度的选择 下面通过耦合转向架的数学模型建立解析方程和稳态解，从而获得系统的主 要特征。如图2 5 所示为一个前后2 个耦合的独立轮对轮对单轴转向架示意图， 轮对通过轴箱与构架相连，构架通过二系悬挂与车体相连，前后构架之间设有横 向剪切刚度和回转角刚度。 图2 5 独立轮对耦合转向架示意图 由于一系悬挂的纵向刚度远大于二系悬挂的纵向刚度，因此，可以在稳态分 析时将模型简化，即将构架看作和轮对一体的独立轮对构架组合刚体，计算时只 考虑该轮对构架组合体的摇头和横移自由度就可以了 1 4 一一一 笙! 童垄皇笙翌塑全茎蜜鏊箜垫垄堂盐簦墼兰堡型 - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ - _ - _ _ - - _ 一。一 图2 6 曲线位置分析模型 对轮轨构架组合体进行受力分析，作用在上面的横向力有：轮轨横向力和 ：、二系悬挂横向作用力厶。和：、相互耦合横向作用力& ；作用在上面的 回转力矩有：轮轨回转作用力矩m 砷。和m 2 、：系悬挂回转作用力矩m 丛。和m 甜2 、 相互耦合回转作用力矩也，耦合刚度为k ，耦合剪切刚度t 由于独立轮对 纵向蠕滑力为0 ，所以可以列出构架在曲线上稳态时的平衡方程： = 一k 。y ，l + 2 厶y ，l ，- l = 一k 。y ，2 + 2 厶y ，2 m 埘l = - a l y ，l + a l y 。= 0 m 捌22 一帆2 + a j y 。= 0 ( 2 4 1 ) m 翟i = - 2 k 。, d 2 ( y 。l + ) m 嚣2 = - 2 k 。, d 2 ( y 。2 一夕) & = 足y 帆2 + 2 口一儿l + 虮i 口) m 譬= j 0 ( 2 口一i + y 。2 ) 式中，k = w e t , ：口l = 0 ：y 。- , o b 触；石l 、厶分别是纵向和横向线性化 的k a l k e r 蠕滑系数； f ，卅和y 。2 分别是前后轮对的冲角；w 为轴重；占为接触角 参数；五为踏面的等效斜度，b 为左右轮轨接触点间距之半：为名义滚动圆半径； r 为圆曲线半径，因此对于此组合体可简化为以下平衡方程： 1 5 ，+ ，- l + ，= o ，_ 2 + ，2 一，= o m 嘲七m 哦一f 雌a 七m 饕= q 肘砷2 + m 墨2 + & a m 嚣= o 将各项解析式代入，并整理得： k 。- 2 f = k 。+ 2 孟02 厶一2 a x , 0 2 磁d 2 - 2 a k j ，2 k 口d 2 + 2 a 2 k y 圳2 yw，2：jf 一4 k 曩d ：0 + 4 k f 口 疋一2 厶 一疋一2 r ,2 一2 a x , 0 2 如d 2 2 a k y一2 也d 2 + 2 a 2 k ， 式中，d 为二系悬挂跨距之半，口和分别为 口= a | r= l r 定义转向架的径向调节系数： ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) p ：圣堡! 墨二吆= 丝2 2 ( 2 4 4 ) 2 a r 调节系数p 为l ，当展开不足时，径向调节系数p 小于1 ，当展开过渡时，径向调 夕2三堡丝铲=一三(至k至w至-至k蜀=d2la) c 2 4 5 ， 疋+ 2 k ， 4 欲使转向架处于完全径向状态，令p 为1 ，则根据上式得： 一( k 7 忙i - 弋k - , , d 2 一l a ) = o ( 2 4 6 ) 箍删2 u “一 k 坼= k = d 2 三口 ( 2 4 7 ) 由此可见，轮对间的耦合剪切刚度k y 和回转角刚度k 嵋对径向调节系数p 有 1 6 第2 章独立轮对耦合转向架的动力学计算数学模型 较大影响，但是当k = 尺。d 2 i f f a 的最佳值时，不论k y 为何值，径向调节系数户总 是为i ，当k 弦的值小于该最佳值时，径向调节系数p 随着k y 的增大而增大，当k 的值大于该最佳值时，径向调节系数尸随着巧的增大而减小。因此选取最佳的耦 合回转角刚度k 弦和合适的耦合横向剪切刚度巧对转向架的曲线通过性能都很重 要。 2 4 小结 本章从理论上讨论了独立轮对的曲线通过模型，建立了独立轮对的模型，对 独立轮对的机理有了更深入的了解，并且讨论了独立轮对耦合转向架耦合刚度对 曲线通过的影响。 1 7 第3 章独立轮对耦合转向架的概念及原理 3 1 独立轮对耦合转向架概念的提出 传统的转向架轮对都是由2 个轮子固定压装在1 根车轴上( 轮与轴为过盈配 合) ，这种结构带来了许多问题：为了保证车辆顺利通过曲线，车辆踏面上滚动 圆半径是由外向内递增的，从而造成了车辆在直线运行时产生蛇行运动( 横向振 动) ；在曲线运行时，由于轮对上2 个车轮同步转动，在p 芍# l - 轨上行走的距离不 相等，仅靠车轮上不同半径的滚动圆不能完全弥补，因此在轮轨之间产生了很大 的滑动和摩擦，加剧了轮轨之间的磨损和噪声，曲线通过性能不良。为了解决上 述问题，曾经尝试将左右车轮解耦，使它们能分别独立地旋转，这种轮轴之间具 有相对运动的轮对称为独立旋转轮对( i r w ) ，简称独立轮对，装有独立轮对的转 向架就是独立轮转向架。独立轮对转向架具有横向稳定性好，易实现低地板等传 统轮对所不具有的优点，这些优点正是当今轻轨车辆走行部结构设计所追求的目 标。因此，其在轻轨车辆上具有广阔的应用前景。 但是由于独立轮对缺乏对导向其重要作用的纵向蠕滑力，所以其直线复位性 能和啦线转向能力比较差，进而导致了车轮磨耗严重、寿命短，甚至引发脱轨安 全事故。为了解决传统轮对转向架和独立车轮转向架之间的矛盾，我们提出了一 种介于独立车轮两轴转向架和独立车轮单轴转向架之间而结构又并不复杂的新 型转向架方案一独立车轮耦合转向架。 3 2 独立轮对耦合转向架结构介绍 独立轮对耦合转向架的构架采用内置式结构，每个独立轮对上有一个构架， 每个构架主要有两个横梁和两个侧梁组成，形状呈“井打字，如图3 1 所示。侧 梁外形呈鱼腹型，为整体封闭箱型结构，它由上、下盖板和内外立板组焊而成， 两个侧粱焊接在靠车轮内侧，横梁内侧与侧梁相连。在横梁的内侧设置横向减振 器座，整个构架之间即横梁的外侧设置纵向减振器座。 独立轮对装置采用轮转轴不转结构，它主要由轴箱轴桥、圆锥轴承、弹性车 轮和制动轮箍组成见图3 2 。轴箱轴桥呈凹形，由车轴、轴箱体和轴桥组成，轴 箱体与端部轴桥采用整体锻造结构，而中部轴桥采用钢板焊接结构，车轴与轴箱 体采用过盈配合压装，轴箱轴桥待组装后整体加工，以保证车轴的同轴度。弹性 车轮采用整体橡胶压剪结构，车轮外径o6 6 0 衄，主要包括内轮箍、外轮箍、橡 1 8 第3 章独立轮对耦台转向架的概念及原理 胶圈和压紧环。弹性车轮的内轮毂与圆锥轴承的外圈固接，而圆锥轴承的内圈则 与车轴固接。制动轮箍通过螺栓连接在车轮的内轮箍上制动盘则安装在制动轮 箍的轮轴上。 移盎 圈3l 独立轮对耦台转向架构架零件圆 圈32 独立轮对设计圈 如图33 所示t 独立轮对耦台转向架是将两个独立车轮单轴转向架之间用刚 度合适的弹性元件连接起来，使之既不同于独立轮对单轴转向架，也别于独立轮 对两轴转向架。 鹭33 独立轮对耦台转向架简留 在整车布置中，如图34 所示独立轮对耦台转向架位于前后车体的相邻端， 这样的结构布置方式使得转向架既摒弃了传统轮对的缺点保持了独立轮对的优 良的特性，又克服了独立轮对曲线通过能力差和直线复位能力差的弱点，达到了 一个较为理想的状态。 同济大学硕士学位论文 图3 4 独立轮对耦合转向架在整车中布置示意图 3 3 独立车轮耦合转向架曲线通过性能分析 在此之前，我们先比较一下独立轮对单轴转向架和传统轮对单轴转向架的曲 线通过性能。对于自由刚性轮对，如图3 5 所示。根据力的平衡方程，我们可以 获得以下两个方程： 历a 等多一2 厶+ 了w s y = e ( 3 1 ) ，孑+ 学多+ 半沪务丝 2 ， 图3 5 自由刚性单轮对 图3 6 自由独立单轮对 在稳态的时可以把上述方程简化为： 一2 厶y + 警y = 6 ( 3 3 ) 2 f lz b 2 r o 一豢= 也 ( 3 4 ) 九k 令纯滚线与轨道中心线之间的距离大小为y 一_ 石r o b ，疋= 警，7 ：= 2 厶， 隧d 第3 章独立轮对耦合转向架的概念及原理 r h ：2 f , , b 2 。 因此可以得到： y = 鲁+ y 。= 去即y 2 j n o ) t ( 3 5 ) = 。+ 2 ：i 朋：+ k j a ， ，7 t 通过上述分析可以看到，在没有外力的情况下，轮对中心将处于线路的纯滚 线上，此时纵向蠕滑力为零。但当轮对有横向力作用而无约束力矩作用时，在蠕 滑力容许的范围内，轮对会自动调整摇头偏角产生相应的横向蠕滑力来平衡施加 在轮对上的这一横向力。计算机仿真的结果也证明了这一点，轮对以6 0 k m h 的速 度通过半径为3 0 0 米的曲线。 图3 7 横向力作用下自由独立单轮对的横移量 在该仿真中，轮对进入缓和曲线的时候加上横向外力f ，f 值的大小线性 增加，在轮对出缓和曲线时外力只达到最大值，并且恒定保持不变，这里计算 了当，l ，为5 0 0 0 n ，1 0 0 0 0 n ，1 5 0 0 0 n ，2 0 0 0 0 n ，2 5 0 0 0 n 和0 n 的情况。如图3 7 所 示，轮对在圆曲线上的横移量的稳定值基本不变但是横向力凡增大到超过轮 轨间粘着极限时，便会发生轮缘贴靠钢轨的现象。 对于自由独立单轮对，如图3 6 所示，根据力的平衡方程，可以获得以下两 个方程： 肌a 等多一2 厶y + 了w e y = e ( 3 6 ) il ，= m ： 稳态时的情况是： 一2 厶y + 了w c 少= 2 1 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 旦堕奎兰堡主堂垡笙奎 ： 一_ 一一 m = 0 ( 3 9 ) 令纯滚线与轨道中心线之间的距离大小为足。= 华，7 ：2 2 。 因此可以得到：y = f y f + r h g j 由于k ，为常数，所以横向力不能超过最大轮对横移量时能提供的接触反力， 既：e 疋 由于独立轮对没有纵向蠕滑力，轮轨f - - j 也就不能产生蠕滑回转力矩，如图 3 8 所示，没有外力的自由独立轮对在通过曲线很快就爬轨了，轮对的重力复原 力是唯一能够使轮对回到轨道中心线上来的力。 1 圆窿鳖皓 l ； 广1 。，、 ； r l ：麓惑g抛： ? 。、aj 图3 8 曲线通过时自由独立单轮对的横移量图3 9 有约束的独立轮对 通过以上分析可知传统刚性轮对具有较强的自导向能力，而独立轮对无自导 向能力。 在此基础上来讨论有约束的独立单轮对曲线通过性能，如图3 9 所示。这里 可以发现独立轮对单轴转向架比自由独立单轮对多了一纵向约束，使其基本上处 于径向位置，图如3 1 l 所示，通过曲线时候的横向位移为y = 凡k 。 在用计算机进行仿真的时候施加横向外力5 0 0 0 n ，1 0 0 0 0 n ，1 5 0 0 0 n ，2 0 0 0 0 n ， 2 5 0 0 0 n ，如图3 1 1 所示，可以看到轮对的横移量随着力的增加，偏移不断增大， 轮对的横移量还是受n ； i - 力r 的影响，这在所难免。 第3 章独立轮对耦合转向架的概念及原理 图3 1 0 有约束独立轮对单轴转向架横移量 1 一卜。一一i 一一，一一一一一。一，+ 一一r 。一一- 一 ； ； 图3 1 1 有约束独立轮对单轴转向架摇头角 通过上述分析可知，自由刚性轮对在通过曲线时，轮对中心处于纯滚线上， 轮对的摇头角为稍大于o 的正值，大小与轮对重力刚度等参数有关，当轮对上作 用横向力时，刚性轮对能够自动调整位置来平衡外力。独立轮对的横移量完全取 决于作用在轮对上的横向力和轮对冲角，轮轨间不能产生蠕滑回转力矩。 对独立轮对耦合转向架进行分析，独立轮对耦合转向架是在独立轮对单轴转 向架的基础上添加了耦合机构，其动力学模型如图3 3 所示。此模型实际上是独 立轮对两轴转向架和两个独立轮对单轴转向架的中间过渡形式，通过计算机仿真 后结果如图3 1 2 所示。可以看到在曲线通过时，只要选择合适的耦合刚度，前 后两轮对在圆曲线能基本处于径向位置。仿真工况为圆曲线半径5 0 米，超高角 为0 ，缓和曲线长度为2 0 米，运行速度为l o k m h 。 同济大学硕士学位论文 芎 蓊 迢 萎 辩 量 警 爱 冀 釜 帐 荟 笛 牮 之 图3 1 2 独立轮对耦合转向架曲线通过仿真结果 在上述分析的基础上，将独立轮对耦合转向架进行扩展，分析以下两种转向 架。在进行计算机仿真时将其耦合刚度设置成无穷大和刚度设置成零，变成了下 面两种独立轮对转向架。如图3 1 3 和图3 1 4 所示。 k 图3 1 3 独立轮对单轴转向架简图 图3 1 4 独立轮对两轴转向架简图 图3 1 5 独立轮对单轴转向架曲线通过仿真结果 t i m e ( s ) 图3 1 6 独立轮对两轴转向架曲线通过仿真结果 lp|j)援定莨 言一簿掣足墨莨辞 焱帐荟毯算芷 强帐嚣毯g畚 (pej)蜓炙备 邑搀趔辽冬霞冀 2j；f帐1i：笛辞它疑懈荟笛辞畚 同济大学硕士学位论文 独立轮对单轴转向架的仿真结果如图3 1 5 ，独立轮对两轴转向架的仿真结 果如图3 1 6 ，由上图可以看出，独立轮对两轴转向架在过曲线时前后轮对在曲 线上展开不足，而两个独立轮对单轴转向架的形式在曲线上是展开过渡，而独立 轮对耦合转向架只要中间耦合刚度合适，便可以使前后两个轮对都处于径向位 置，因此避免了前后轮对中一个形成负冲角，另一个形成正冲角而导致其中一个 轮对脱轨牵连到另一个