（车辆工程专业论文）门架式独立旋转单轮组径向动力转向架研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 于两斐 城市轨道交通凭借其运输能力大、高速准时、节约能源和空间、高安全性 和环保性能受到了世界各大城市的青睐。构筑以轨道交通系统( 地铁、轻轨、 高架独轨交通等) 为骨干的现代化综合交通体系将是解决城市发展面临的交通 问题的基本途径。 城市轨道交通车辆作为城市轨道交通体系的直接运输工具，其必须符合各 城市相应的特殊环境。而转向架是车辆系统的主要组成部分之一，它传递各种 载荷，并利用轮轨间的黏着保持牵引力的产生。转向架结构性能的好坏，直接 影响车辆的牵引性能、运行品质、轮轨的磨耗和列车的安全。 门架式径向动力转向架由一个非常规铁道车辆轮组、构架、驱动装置、基 础制动装置和悬挂元件等构成。与常规转向架不同的是一台转向架是由一左右 可以独立旋转轮组组成，并通过车体底部的一系列杠杆机构来调节前后转向架 轮组摇头角度使其具有更好的曲线通过性能。 本文通过论证城市轨道交通转向架的发展及运用现状，结合现代城市轨道 交通车辆技术和高速动车组技术，设计了门架式径向动力转向架方案。仔细分 析了门架式径向动力转向架在直线运行工况以及曲线通过工况稳定性，初步摸 清了径向调节机构的形式，并且得出了合理的结构参数。 运用铁道机车车辆动力学理论，本文建立了门架式径向动力转向架车组的 动力学数学模型，并且运用s i m p a c k 软件建立车组模型，进行了动力学计算， 得到了合理的悬挂参数以及径向调节装置结构参数。应用优化后的参数对车组 性能进行了预测分析，得出了以下结论： l 消除蛇行运动，使车辆不再具有蛇行临界速度这一问题。常规轮对结构 不可避免的存在轮对横向运动与摇头的耦合运动，我们称之为蛇行运动。而独 立轮对左右车轮相互解耦，从根本上消除了产生蛇行运动的根源，因此具有很 高的临界速度。 2 门架式动力转向架其曲线通过性能非常好。其稳态下的各项性能指标均 大大优于常规两轴转向架，并且能够在半径小于1 0 0 m 的曲线上实现迫导向。 和常规两轴转向架一样，门架式动力转向架曲线通过与横向稳定性之间也存在 着矛盾，表现为有关横向稳定性的悬挂参数调整时，转向架在曲线上达到稳态 的过程不样。 3 门架式转向架的平稳性比较差，这主要是由于其所受激扰比常规两轴转 向架大，构架承受轮对的全部激扰会传递给车体，而两轴转向架只传递一半， 同时可能利用另一轮对相互抵消得更小。 总的来说，门架式转向架在城市轨道交通线路上的横向稳定性和平稳性均 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 t 页 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼! i i i 一, 曼 符合相关规定，其良好的曲线通过性能更是适合曲线多且半径小的城市轨道交 通线路，而超低的地板高度特别适合乘客上下车，是一种很有发展前景的新型 转向架。 关键字：门架式径向转向架；独立旋转轮对；单轮组；结构设计；动力学分析 西南交通大学硕士研究生学位论文 第t i t 页 a b s t r a c t t h eu r b a nm a s st r a n s i ts y s t e mh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g h e f f i c i e n c yo ft r a n s p o r t a t i o n ，h i g h s p e e d ，p u n c t u a l i t y ，e c o n o m i z i n ge n e r g ya n d s p a c e ，h i g hs e c u r i t ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，s oi th a sg a i n e df a v o ro fm a n y c i t i e so ft h ew o r l d t os o l v et h et r a f f i cp r o b l e m si nd e v e l o p i n gc i t i e s ，t h eb a s i cw a y i st oe s t a b l i s ham o d e r ni n t e g r a t e dt r a f f i cs y s t e mb a s e do nt h er a i l w a yt r a s i ts u c ha s m e t r o ，l i g h tr a i l w a y ，m o n o r a i lt r a n s i te t c a st h ed i r e c tt r a n s p o r tt o o l si nt h eu r b a nm a s st r a n s i ts y s t e m ，v e h i c l e sh a v et o f i ti n t ot h ee n v i r o n m e n to fe a c hc i t y a n dt h eb o g i ei so n eo ft h em a j o rc o m p o n e n t s o fav e h i c l e ，i tt r a n s f e re v e r yk i n do ff o r c e s ，a n dp r o d u c et r a c t i v ef o r c eu s i n g a d h e s i o nf o r c eb e t w e e nw h e e la n dr a i l t h ep e r f o r m a n c ec r i t e r i ao fab o g i e d e t e r m i n ed i r e c t l yt h et r a c t i v ee f f o r t ，r u n n i n gq u a l i t y ，w h e e l - r a i lw e a ri n d i c e sa n d s e c u r i t yo ft h et r a i n t h ep o r t a lr a d i c a ld r i v i n gb o g i ei sc o m p o s e do fs p e c i a lw h e e l s e t s ，f r a m e ， d r i v i n gm e c h a n i s m ，b a s i cb r a k er i g g i n ga n ds u s p e n s i o nc o m p o n e n t s t h em a j o r d i f f e r e n c eb e t w e e np o r t a lr a d i c a ld r i v i n gb o g i ea n dg e n e r a lt w o - a x l e sb o g i ei st h a t p o r t a lr a d i c a ld r i v i n gb o g i eh a so n l yt w ow h e e l s e t s ，a n dr e g u l a t et h es h a k ea n g l eo f t h ea p p r o a c h i n gw h e e l s e t s ，t h r o u g has e r i e so fl e v e r su n d e rt h ec a rf l o o r t h i st h e s i si st oi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u so fs i n g l e a x l eb o g i ea t f i r s t t h e nd e s i g nas c h e m eo fp o r t a lr a d i c a ld r i v i n gb o g i e ，u s i n gm o d e r n t e c h n o l o g yo fu r b a nm a s st r a f f i ca n dh i g h s p e e dm o t o rt r a i nu n i t a f t e ra n a l y z i n g t h ec a r ss t a b i l i t yi ns t r a i g h tl i n ea n dc u r v ep a s sl i n ec o n d i t i o n s ，w eh a v ep r i m a r i l y f o u n do u tt h ed e s i g n i n gr u l e so fr a d i c a lr e g u l a t ec o m p o n e n t s ，a n dg o ti t sr e a s o n a b l e d e s i g n i n gp a r a m e t e r s v i at h e o r i e so fr a i lv e h i c l ed y n a m i c s ? w eb u i l dam a t h e m a t i c a lm o d e lo fp o r t a l r a d i c a ld r i v i n gb o g i e ，a n db u i l dat r a i nu n i tm o d e li nt h es i m p a c ks o f t w a r e ，t h e n e x e c u t ed y n a m i cc a l c u l a t i n g ，g e tr e a s o n a b l es u s p e n s i o np a r a m e t e r sa n dp a r a m e t e r s o fr a d i c a lr e g u l a t ec o m p o n e n t w i t ht h ep a r a m e t e r s ，w eh a v ep r e d i c t e dt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft r a i nu n i t ，a n dc o m et ot h ec o n c l u s i o n sf o l l o w i n g ： 1e l i m i n a t et h eh u n t i n gm o v m e n ta n dt h ec a rd o e s n th a st h eh u n t i n g m o v m e n tc r i t i c a lv e l o c i t y c o m m o nb o g i eh a sc o u p l em o v m e n t so fl a t e r a lm o v m e n t a n ds h a k i n gi n e v i t a b l yo fw h e e l s e t s ，c a l l e dh u n t i n gm o v m e n t b u tt h el e f ta n dr i g h t w h e e l so ft h ei n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gt r u c ka r en o ti nc o u p l e ，s oi tc a n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 f u n d a m e n t a l l ye l i m i n a t et h eh u n t i n gm o v m e n ta n dg e th i g h l yc r i t i c a ls p e e d 2t h ep o r t a lr a d i c a ld r i v i n gb o g i e sp e r f o r m a n c ec r i t e r i ao fc u r v ep a s s i n gi s e x c e l l e n t ，i t se v e r yc r i t e r i ai ns t e a d y s t a t el ss u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a lt w o - a x l e b o g i e ，a n di tc a nb eg u i d e db yr a d i c a l r e g u l a t ec o m p o n e n t so nt h ec u r v e sw h i c h r a d i u si ss m a l l e rt h a n12 0 m t h es a m ea sg e n e r a lt w o a x l eb o g i e ，p o r t a lr a d i c a l d r i v i n gb o g i e sp e r f o r m a n c ei nh u n t i n gs t a b i l i t y a n dc u r v ep a s s i n gi sa l s oi n c o n f l i c t i n g ，w h e nt h ep a r a m e t e r sa r ei nf a v o ro fh u n t i n gp e r f o r m a n c e ，t h e s t e a d y s t a t eo fc u r v ep a s s i n gn e e dl o n g e rt i m e ，b u ta l lt h ef i n a ls t a t e so fc u r v e p a s s i n ga r et h es a m e 3b e c a u s ep o r t a lr a d i c a ld r i v i n gb o g i ep a s s e sa l le x c i t a t i o n so fr a i lt oc a r b o d y ，t w o a x l eb o g i et r a n s f e ro n l yh a l f , t h ed i s t u r b a n c e si nc a rb o d yu s i n gp o r t a l r a d i c a ld r i v i n gb o g i ei sm o r e ，s ot h es i n g l e a x l eb o g i e ss m o o t h n e s si sn o tg o o d i nt o t a l ，t h es m o o t h n e s sa n dl a t e r a ls t a b i l i t yo nt h eu r b a nm a s st r a f f i cr a i l so f p o r t a lr a d i c a ld r i v i n gb o g i eh a v em e tt h eq u a l i f i c a t i o n so fi n t e r r e l a t e ds t a n d a r d ， a n di ti sv e r ys u i t a b l ef o ru r b a nm a s st r a f f i cl i n e sw h i c hh a v em a n yc u r v e sa n d m o s to fw h ic hh a v es m a l lr a d i u sb e c a u s eo fi t sp r e d o m i n a n tp e r f o r m a n c ei nc u r v e p a s s i n g o w nt ot h es u p e rl o wf l o o r ，i ti sc o n v e n i e n tf o rp e o p l et og e to na n d o f f i t i san e w b o g i ea tt h eg l o r i o u sp r o s p e c t k e yw o r d s ：p o r t a lr a d i c a ld r i v i n gb o g i e ；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 i n g l e a x l e t r u c k ；s t r u c t u r es c h e m ed e s i g n ；d y n a m i ca n a l y s i s 西南交通大学 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文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本 1 2 ( 请在以上方框内打”n ”) 用本授权书； 学位论文作者虢咖支拙 日期：wf o 、生。 指捌币繇孙啥积 日期： 2 0fo 岁1 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 在国内首次详细对门架式转向架结构进行了方案设计。 2 将迫导向径向调节转向架技术、独立旋转车轮技术和单轮组转向架技术等三 项现代铁路车辆转向架领先技术结合在一起进行研究，建立完整的车组动力学模型， 并据此模型对该转向架的悬挂参数等进行了优化分析。 3 应用有限元方法，分析了门架式独立径向动力转向架主要部件一构架在各种 工况下的静强度，并且对其模态进行分析。结果表明，该构架在各种工况下的静强 度满足设计要求，其构架刚度设计合理。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确 说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 曲泛胁 日期： 汐矽上汐 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文选题背景 第一章绪论弟一早珀下匕 随着城市经济的迅速发展和科技的进步，城市的规模不断扩大。城市范围 内的大量人员流动，要求配置便捷、可达性强的客运交通工具，以便人们高效 地到达出行目的地。世界上许多城市的发展经验告诉我们，构筑以轨道交通系 统( 地铁、轻轨、高架独轨交通等) 为骨干的现代化综合交通体系将是解决城 市发展面临的交通问题的基本途径。 城市轨道交通源于18 3 2 年美国纽约的第一条路面轨道马车的运行，之后 在1 8 6 3 年，英国伦敦建成世界第一条由蒸汽牵引的地铁，后来改为电力牵引。 到目前，城市轨道交通凭借其运输能力大、高速准时、节约能源和空间、高安 全性和环保性能受到了世界各大城市的青睐，并同时为城市建设和发展做出了 巨大贡献。 城市轨道交通运输能力大、高速准时、节省空间、节约能源、减少大气污 染和很高的安全性能。从2 0 世纪5 0 年代开始，世界范围内的城市地铁有了迅 速发展。其主要原因一是在战后以和平发展为主流的年代里，亚洲、拉丁美洲、 东欧的城市化进程加快，数百万人口的城市不断增加；二是发达国家中的小汽 车激增与城市街道有限通行能力之间的矛盾日益突出，空气污染严重，使这些 城市都面临着如何在较长的距离内，以最有效而快速的方式来输送大量乘客的 问题。实践证明，只有通过建造城市轨道交通系统，才能解决这一难题。据统 计，目前世界上已有5 0 多个国家和地区的1 4 2 座城市建造了地铁，累计地铁 线路总长度为5 2 6 3 9 k m ，年客运总量约为2 3 0 亿人次。 城市轨道交通系统根据其运量、线路架设方式、隔离程度和轮轨材料可以 分为地铁、有轨电车、轻轨、单轨、a g t 和城市快速铁路系统。其中的轻轨交 通，是在2 0 世纪6 0 7 0 年代在有轨电车的基础上经改造而发展起来的。主要 采用了可控硅斩波调速技术、橡胶弹性车轮、铰接式车体、轻量化车体、车辆 组合制动、新型转向架和高架线路降噪等新技术。轻轨交通系统在速度、能耗、 噪声、振动、爬坡能力、制动能力、运载能力和车身重量等方面均明显优于原 来的有轨电车，并产生了质的变化，而且在造价、工期和灵活性方面也优于地 铁。它以一种崭新的姿态活跃在城市交通舞台上，在轨道交通大家庭中形成了 一个新的系统。在1 9 7 8 年公共交通国际联会上被命名为轻轨交通l r t ( l ig h t r a i1t r a n s it ) ，其所采用的车辆被称为轻轨车辆一l r v ( l ig h tr a i1v e h ic 1e ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 轻轨交通诞生后，刚好填补了轨道交通单向小时客运能力1 4 万人次的空缺， 整体上完善了轨道交通系统，因此，l r t 在世界各地得到了迅速发展。 转向架位于车辆的最下部，车体与轨道之间。它牵引和引导车辆沿着轨道 行驶，并承受来自车体及线路的各种载荷，同时缓和其动力作用，它是保证车 辆运行品质的关键部件。 门架式径向转向架相对于常规的两轴转向架而言，属于非常规转向架。门 架式径向转向架在减低车辆自重、缓和轮轨系统动作用力、减少运行噪声和改 善曲线通过性能方面具有先天优势，尤其是在降低车体地板高度方面有着先天 的优势。由于u 字型结构的地板轴，使其车体地板高度最低可以达到1 0 0 多毫 米。其在部分国家或地区的成功运用为新型转向架及车辆配置模式的研究和开 发提供了有益的启示。由于采用门架式转向架在降低重量和能源利用率方面具 有广阔的前景，该技术近来受到业界的广泛关注，已被u i c 确定为关于铁路提 高能效的中长期发展战略的研究课题之一心】。 近年来，我国许多城市为适应快速的经济发展，相继建设和发展城市快速 轨道交通。城市轨道车辆起动、制动频繁，载客量大，通常运行在曲线半径小 而且多的线路上，轮轨间的磨耗严重，同时对噪声水平也有着严格的限制，这 些特点，通过对单轴转向架的研制均可以得到很好的解决。 1 2 几种非常规转向架概述 转向架是车辆最重要的组成部件之一。其结构是否合理直接影响车辆的运 行品质、动力性能和行车安全。城轨车辆转向架可分为动力转向架和非动力转 向架，转向架由轮对、轴箱、一、二系悬挂装置、构架、驱动装置( 动力转向 架) 和基础制动装置组成。常规转向架( 如图卜1 所示) 由构架通过一系悬挂 安装在两个轮对上，再在构架上安装驱动装置、制动装置、牵引装置等设备， 整个转向架通过二系悬挂和牵引装置等与车体相连，传递各个方向的力。 随着城市的发展和科技的进步，需要解决在不同道路上运行的特殊情况， 于是各种非常规转向架也应运而生! 目前，比较典型的非常规转向架包括独立 轮转向架、单轮对转向架以及适合大坡度的单轨跨骑式转向架。 至童圣塑奎兰至圭塑至耋耋篁尘圣圣：至 1 2 1 单轮对转向架 幽1 一】城轨车辆转向架示愈幽 图1 2 单轮对转向架示意图 相对常规转向架单轮对转向架是指整个转向架中，只包含一个轮对( 或 轮组) 的特殊转向架( 如图1 2 ) ，为区别于独立旋转车轮转向架，通常所谓 的单轮对转向架突出轮对( 或轮组) 的概念，而独立旋转车轮没有轮对的概念， 在这里称之为轮组。本论文的所述的转向架结构就是独立旋转轮组结构。 按照u i c 的研究报告，在常规电动车组整车结构中，转向架质量约占车组 总重的1 3 。车组采用铰接连接方式，可使车组的总重降低3 1 0 ，如果在此 基础上采用单轮对的铰接式转向架( 图卜3 ) ，可使车组总重减少7 l4 ”1 。 可见，单轮对转向架在降低车辆自重、节约能源方面有着重要的优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 爱，广- r ，1 广，r - 、车辆数( 包螽动力车) 。n 蚕一魍日目耳嗣a 露淼掣制一。 零 晶禺同目同日蕊篙勒巾l 一 v 一， i 善一 墓l蕃一taizo x x lm o d e l 一裂管擗x 一 薹_ 1m 如。 警旧i ，口固写芦嗣臣夸獭( 包躺。n 喇 憎埘 姒鸭一 茹：并川础 l 番l 一目 ：三； ；习 ：；习口目印；： 动力轴。非动力轴 图1 3 运用单轴转向架的减重效果 如图卜3 所示，应用单轴转向架的城市轻轨车辆，随着轴数的成倍减少， 将大大减少轮轨接触点数。对车辆系统而言轮轨接触点就是外界激扰的输入点， 减少轮轨接触点数量意味着减少振动的输入，同时降低轮轨间的动态耦合及对 轨道的破坏 3 ，相应的噪声源的减少也将提高车辆运行环境。同时，单轴转 向架由于减少了轮对，其簧下死重量将大大降低，也相应地提高了其动力学性 能引。 单轴转向架在曲线通过能力上有着其先天的优势，很容易实现在曲线上的 径向调节。在曲线半径小而且多的城市轻轨交通系统中，将大大降低轮轨磨耗 聆3 ，减少车辆运行的噪音，提高乘坐舒适性和安全性。 在日常的运营维护中，轮对的维护工作量占绝大部分。而使用单轴转向架， 无疑使得转向架结构更加简单，维护更加方便。 单轴转向架由于其在轻轨系统中的诸多优势，逐渐得到各国城轨车辆工作 者的重视，开发和设计了各种样车和产品投入了商业运营，其中比较成功的有 丹麦哥本哈根s t o g 电动车组、德国l i r e x 内燃动车组和奥地利i n t e g r a l 内 燃动车组等3 。 丹麦国家铁路( d s b ) 的哥本哈根市郊轻轨车组s - t o g 最早应用单轴转向 架。其早期车组为两节编组，采用了f f r e d e r ic h 教授和当时的l h b 公司联 合设计的k e r f ( 德语：k u r v e n g e s t e u e r t e se i n z e l - r a d s a t z - f a h r w e r k ，迫导 向单轴转向架) 动力单轴转向架。 至童耋堡奎兰至耋些墼兰茎堡尘圣量i 要 p 呵呵 图i 4 运用单轴转向架午辆外韶激扰的减少 k e r f 转向架采用迫导向原理实现轮对径向调节，在相邻车与转向架之间 安装了相应的纵同液压连杆结构( 如图卜5 以及图l _ 6 所示) 来进行轮对的径 向调节。在通过曲线线路时，车体之间的转角通过三个液压油缸和连杆结构配 合，实现能量转换迫使转向架带动轮对趋向径向位置。并采用低位牵引拉杆， 该拉杆弯曲刚度较小，使得牵引特性更佳。配合抗点头平衡拉杆，该转向架运 营速度达到1 6 0 k m h ，轴重为l3 1 9 t 。 图1 5k e r f 转向絮的径向调节原理 琴一 军丛两 至至圣塑奎耋堡圭堑圣圭耋篁堡塞圣! 至 圈1 6 丹麦哥本哈根使爿j 的k e r f 转向架 德国l i r e x 内燃动车组分为a 、b 和m 车型。如图l 一7 所示，三种车型均 有一个转向架带动力可灵活搭配实现三辆、六辆和九辆编组。l i r e x 是继 st o g 之后，由l h b 公司按照模块化设计方法开发的又一个采用单轴转向架的 内燃动车组。该动车组用于德国联邦铁路的城问快运，车辆构造速度达到 1 6 0 k m h 后来采用电力牵引的车辆构造速度更是达到了1 6 0 k m h 2 0 0 k m h 。 l i r p x 动车组装用的转向架与k e r f 型单轴转向架类似，仅局部有所差异， 如图卜8 所示。转向架具有较软的一系悬挂刚度，以消除特定频率的振动向车 体的传递，改善运行品质并减少轮轨磨耗和冲击。车体与转向架间设有主动装 置，以保证转向架具有良好的对中性和径向调节性能。 至霎圣塑奎兰至圭至圣兰兰堡兰塞里：至 基车m 奠车 僮囱 8 型车 图1 7 德国l i r e x 内燃动车组模块及编组 圈1 - 8 德国l i r e x 单轴转向架 奥地利奥地利开发研制的i n t e g r a l 型动车组包括内燃牵引液力传动、内燃 牵引电传动及电力牵引三种模式，车体有单层和双层。动车组包括三个短车和 两个长车，长车不带转向架，短车带转向架。对于带转向架的短车可以看成 是一个两轴的转向架，这也是在尽可能的情况下减小了转向架轴距，一定程度 上提高其曲线通过性能。除此之外，单轴转向架还装用了主动径向控制系统， 安装了四个空气弹簧和两根牵引拉杆使得车辆在结构稳定性、牵引性能上有 了很大的改进，如图l - 9 所示。 4 辆为编组的挪威国铁b d 7 2 型电动车组采用了耦合式的单轮对转向架 ( f e b a ) t 8 i ，具有非常良好的曲线通过性能和运行稳定性，且易于解编，更加灵 活。列车将位于车体端部的两个单轴转向架通过横向杆形成非常规铰接转向 架，通过合理的耦合横向剪切刚度和弯曲刚度匹配，改善转向架的曲线通过性 能的同时提高了车辆的运行稳定性。 日本以东京大学须田教授为首的研究人员对单轴转向架进行了一系列的 理论研究和试验，对单轴转向架的稳定性、曲线通过性能及对轨道不平顺的响 应进行了重点研究。计算表明，该单轴转向架在曲线半径低于4 0 0 m 的线路上 里塑圣塑查兰至圭至窒兰兰堡耋圣里! 至 i 鲺1 9i n t e g r a l 型动车组及其转向架 才出现了轮轨横向作用力，蛇行临界速度达到2 0 0 k m h 以上。在连接东京中心 与千叶的北总一k o d a n 市郊线路的直线段，以1 0 0k m h 的速度进行了线路试 验，车体横向摆动比预料的要稍高一点，但主动转向架没有明显的振动。存半 径为1 4 0 m 的曲线高轨上表明，单轴转向架轮轨横向作用力低于普通转向架。 并且研究人员还收集了干、湿轨道情况下的数据 9 】。 圈1 1 0 耦台式的f e b a 单轴转向架 堑霍圣塑奎兰至圭至圣兰耋篁堡圣里! 圣 图l 一】1 日奉试验单轴转向架 单轴转向架由于只有一个轮对，转向架在结构上是不稳定的，必须在车体 与转向架构架间设置约束，这种约束功能和纵向牵引功能应由不同的机构来分 别实现，以使点头振动和纵向牵引的解耦，一旦设计不当极易导致动力学性能 和舒适性的恶化【】。同时，单轴转向架车辆由于轴数的减少，轴重必然增大， 对轨道激扰的响应也不如常规转向架，其振幅必然也将增大。 l 2 2 单轨跨骑式转向架 跨骑式转向架是在单轨交通系统中使用频繁、技术成熟的车辆转向架。图 卜1 2 为我国重庆市轻轨2 号线( 校新线) 的跨座式单轨交通车辆系统，整个 列车跨骑于轨道粱上行驶，车辆上部乘坐乘客的厢体与一般轨道车辆构造基本 相同，其主要特点是走行系统的不同。跨骑式转向架主要由构架、弹簧、走行 轮、导向轮和稳定轮等部分组成，走行轮、导向轮和稳定轮均由橡胶充气轮胎 构成。传统钢轮钢轨转向架轮对具有锥形踏面，能够自动完成曲线导向功能。 面单轨转向架采用独立设置的导向轮，利用导向轮与单轨之l q 在曲线上的横向 作用力使列车通过曲线。单轨本身的不稳定性使得车辆在受到定横向激扰后 很容易发生侧滚、翻车，为此在转向架两侧设置了防止横向失稳的装置稳定 轮，稳定轮安装于转向架中央处的最下端，使得车辆在横截面上肯一个反作用 力矩，保证车辆的安全运行。由于橡胶轮胎和混凝土轨道之州黏着系数很大， 其爬坡能力可达6 ”“1 。 至里圣堡奎兰堡圭塑至兰耋堡篁塞兰! ! 至 幽1 12 重厌跨犄式转同槊车辆 1 2 3 低地板独立旋转车轮单轮组转向架 小同于大铁路干线交通，城市轨道交通中有诸多的不同之处。第一点，在 城市之中，首先由于建筑物的影响，其曲线半径要比大干线曲线半径小的多 最小的地方甚至只有几十米的曲线半径，这就要求城市轨道交通要有优良的曲 线通过能力，在这方面，单轴转向架具有先天的优势。第二点，较高的乘客运 输能力。这就要求乘客在上下车方面要非常方便，在这方面，低地板车辆表现 良好! 其地板高度最低可以做到只有10 0 多毫米，这就为城市的老、弱、病、 娥、孕等上下车辆提供了极大的方便，例如以下图1 15 所示。第三点，在城 市轨道交通中，为了尽可能不影响其他城市车辆的运行，应该尽可能的减小辅 助建筑物以减小对其他车辆的影响。维也纳的百分百低地板车辆根本就不需要 其他辅助的建筑物，只需要个很小的台阶就可以让乘客方便地进出车辆。 传统的铁道机车车辆包括城轨车辆的轮对，都是将两个车轮固定压装在同 根车轴上，其左右车轮以相同的转速旋转。由于轮对上两个车轮的同步转动， 再加上车轮踏面具有定的锥度车辆在直线轨道上运行时，轮对不可避免地 产生蛇行运动；而在曲线上运行时，轮对在内外轨上行走的距离不相等，仅靠 车轮不同的滚动圆半径小能完全弥补，故在轮轨间将产生较大的滑动，从而加 剧了轮轨之间的磨耗和噪声。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 为解决上述问题，将左右车轮解耦，使其能够分别独立旋转，这种左右车 轮可以相互各自独立地旋转的转向架形式称为独立旋转车轮转向架( 图1 13 ) 。 由于同一轴上的两个车轮相互解耦，从而可以实现两个车轮以不同转速旋转仍 然能保证左右车轮线速度相同，即不需要强制两个车轮同速旋转，因而独立车 轮转向架中轮轨间的纵向蠕滑力非常小，几乎接近于零，这样独立轮就不会产 生蛇行问题了。 。 低地板车辆有一显著的特点就是在左右两轮组之间没有公共的轴，这就可 以使车辆尽可能的降低地板高度，同时也就可以使整车车辆完全贯通，成为百 分百低地板车辆，如图1 1 4 所示。该图所显示的车辆结构也是本文所要论述 的门架式转向架的车组模型。 独立旋转车轮转向架与单轴转向架的主要不同之处在于其每个车轮可以 独立旋转。独立旋转车轮可以安装在一根轴上，也可以像汽车一样左右独立安 装。对于一般安装在一根轴上的情况，可以是单轴，也可以是两根轴或者更多。 总的来说，独立旋转车轮转向架非常灵活，应用也比较广泛，在城轨车辆和干 线车辆中均可以合理使用。 但任何事物都是有其两面性，独立旋转轮对在解决传统轮对蛇行问题的同 时也丧失了自身的自动对中功能。其具体表现为： 1 直线运行时，一旦受到轨道激励而偏离轨道中心线，轮组基本无法自 动复位，导致轮缘始终接触轨道而有脱轨危险。一般情况下这时主要依靠轮组 的锥度产生的重力分力来实现对中，而重力回复力矩又与轮组踏面锥度以及轮 轨间摩擦系数有关，。因此轮轨间踏面等效锥度以及轮轨间摩擦系数对于独立轮 组转向架的对中功能十分重要，为了获得较好的独立轮组转向架自动对中功能 需要专门设置特殊的装置来实现。 2 曲线运行时由于没有导向力的作用，主要依靠轮缘导向。通过实际运 用发现，独立旋转轮组转向架一般轮缘磨耗相当严重，究其原因就是因为独立 旋转轮组转向架直线上没有对中功能，曲线上没有导向功能而导致轮缘过度接 触钢轨。但是如果通过利用径向调节装置来对前后相邻轮组的摇头角度进行适 当的调节则可以得到比较理想的曲线通过性能。 独立车轮转向架在提高车辆横向稳定性，降低地板面高度，降低轮轨噪音 等方面都有着其先天的优势，同时由于其两个车轮的相互解耦，独立车轮还可 应用于变轨距车辆转向架方面，得到了很好的效果】。独立轮组示意图，如图 1 13 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 厂 i l 】 f ) c 的条件下，对应拐臂的某一位置，轮组以及其两端的拉杆有构成 了一个平行四连杆机构，可独自横动。 分析动车径向转向架杠杆系统的运动原理以后可以得出以下结论：( 1 ) 轮 组不能纵向移动；( 2 ) 前后轮组的摇头角度大小相等、方向相反：( 3 ) 前后轮 组可以相互独立横动。 3 杠杆系统的力学特性 对图2 1 1 结构进行分析，在这里假定各杠杆均完全刚性，各关节处均不 存在弹性以及阻尼，且暂不计横向力。其分析简图可见简图2 - 1 2 。图中， m 1 ，m 2 ，五，t 2 为作用在左右轮组上的外力矩以及外力。轮周牵引力最后可以归 纳为这些力和力矩，五l ，五2 ，疋1 ，足2 分别为径向调节拉杆的纵向力，各轮轨间接 触点的横向蠕滑力由各自的一系悬挂力平衡，此处不再单独分析。 2 a c x q o a ! c x q ，a 图2 一1 2 径向调节转向架主要部件受力简图 前后轮组的平衡方程分别为： 局1 一f 1 2 一五= 0 ( 2 5 ) f 1 l j + 局z j + 2 c j 即z m i = 0 ( 2 - 6 ) 疋1 一f 2 2 一疋= 0 ( 2 7 ) 疋l + f 2 2 + 2 c j p a z + m s = 0 ( 2 - 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 左右拐臂的平衡方程分别为： 五l f 2 1 一v l = 0 ( 2 - 9 ) 局l c + 疋i c = 0 ( 2 - 10 ) 局2 一f 2 ：+ f 2 = 0 ( 2 - 11 ) 局2 c + 足2 c = 0 ( 2 12 ) 由以上诸方程可以解得： 9 ：m 1 - 了m 2 ( 2 - 1 23 )9 = 下(3) 4 c x a 局l _ 盟婴4 - 当型型 ( 2 - 1 4 ) “ 44 ， e ，：一盟掣+ ( m 1 + m 2 ) ( 2 1 5 ) “ 4a j b 1 - 一盟型一( m 1 + m 2 ) ( 2 1 5 ) 44 j f 2 ，：! 互二型一( m i + m 2 ) ( 2 16 ) 一44 j e ：盟型+ ( m l + m 2 ) ( 2 1 7 ) 22 ， r ：盟二型一( m 1 + m 2 )( 2 - 18 ) j 2j 2 j 分析以上诸方程，可以得出以下结论： 1 径向调节杠杆系统起到了使牵引与导向功能相分离的作用，轮对定位装 置的变形量只与导向力矩有关，而与径向调节杠杆内部的力无关。轮轴牵引力 通过拐臂座传递到转向架构架上。 2 通过杠杆系统，前后轮组的摇头力矩均衡作用于两个轮组上 3 杠杆受力仅仅与牵引力有关，当前后轮对的轮周牵引力相等时，左侧 与车体的连接杆是不受力的。 2 6 本章小结 本章通过对转向架各部件的分析，对比城市轨道交通车辆和高速动车组转 向架的零部件的各种现有的技术，确定了门架式径向调节动力转向架。分析了 其轴箱结构以及其径向调节装置作用原理，通过利用s o l i d w o r k s 三维软件建 立了门架式径向调节转向架如图2 1 所示，确定了各零部件的具体尺寸，并对 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 结构进行了一定的修改，以适应独立轮组转向架的运行模式如图。最后获得了 整体结果比较理想的独立轮组动力转向架。与此同时，也确定了其质量、尺寸 以及结构参数，列表如表2 1 所述。 表2 1 门架式径向调节动力转向架 设计速度( k m h ) 10 0 运行速度( k m h ) 6 0 8 0 轨距( m m )14 3 5 轴重( t )12 1 车轮形式及轮径( m m )整体辗钢车轮6 6 0 车轮踏面s 1 0 0 2 磨耗型踏面 一系悬挂方式螺旋钢弹簧 一系悬挂横向跨距( m m ) 14 5 0 一系悬挂纵向跨距( m m ) 1 3 0 0 二系悬挂方式( 螺旋钢弹簧) 2 二系悬挂横向跨距( m m ) 2 2 0 0 转向架牵引方式单牵引拉杆形式 转向架制动方式单元式轮盘制动 径向调节方式 迫导向 转向架自重( k g ) 2 5 0 0 驱动电机悬挂方式轴两侧垂直布置 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 第三章门架式径向转向架动力学模型 3 1 门架式径向转向架动力学模型简介 城轨车辆是一个复杂的多体、多自由度系统，除车体和转向架及转向架和 各组成部件之间的相互动力作用外，还存在着车辆系统与线路轨道系统间( 即 轮轨之间) 的相互动力作用。如对其中所有的动力学特性都进行研究，不但会 给分析计算带来极大困难，而且也没有必要，故在实际分析计算中，可以根据 影响动力学性能的主要因素和实际需要，对具体的实物进行适当的简化，并做 出相应的假设，这些假设包括： 轮对、构架和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性元件要大很多，均可视 为刚体，在这里就不再考虑其弹性变形； 不考虑轨道的弹性变形，即认为轨道是刚性的； 在轮轨相互作用过程中，轮轨之间始终保持接触状态，即不产生跳轨现象。 另外，本文主要对门架式转向架进行设计研究，而门架式转向架是一个不 稳定机构，必须和车体相连接才能成为稳定结构。故在必要的情况下，采用了 一车两个转向架或者两车共用一转向架的动力学模型，没有在列车车组上进行 过多的讨论。 如图3 1 所示单轴转向架的动力学模型，安装单轴转向架的车辆各部件( 车 体、构架和轮组) 各有6 个自由度，分别是沉浮、点头、伸缩、摇头、侧滚和 横移。由于伸缩振动对车辆影响很小，一般可以将其忽略不计。对于轮组来说， 由于假设轮组始终和钢轨接触无跳动，所以轮组无沉浮和侧滚自由度。但轮组 在自转过程中会产生自旋振动，故轮组需添加自旋自由度。模型自由度共计 13 个，列表如下( 表3 1 ) ： 车辆系统是一个具有明显的非线性特征的系统，因而，其动力学模型必须 考虑以下的非线性因素： 1 轮轨接触非线性，车轮踏面采用s 10 0 2 ，钢轨为u i c 6 0 ； 2 轮轨蠕滑非线性，计算中按k a l l k e r 的简化理论确定轮轨间的蠕滑力和 蠕滑力矩； 3 悬挂非线性，车辆系统中存在大量的弹性元件和减振元件，悬挂参数具 有明显的非线性特征。 至塑耋塑奎兰堡圭竺垂三兰堡堡圣墼：! 至 r ! ! i 兰! = 三= 一 # 镕c s z