（车辆工程专业论文）独立轮迫导向转向架导向机构的研究.pdf

摘要 摘要 经济和社会的发展使得城市人口不断地增加，传统的公共交通系统已经遇 到了运能瓶颈。发展快速，运能大的城市轨道公共交通系统是很有现实意义的。 在世界上很多国家的城市都采用了低地板轻轨交通，其运能大，上下车方便和 线路条件十分灵活等特点已经越来越受到人们的关注。 低地板轻轨车辆同传统的轻轨车辆相比最大的特点是它采用了独立轮对结 构，去掉传统的车轴或阶梯车轴，确保能够实现低地板。而独立轮对在具有其 优点的同时也存在着困扰其发展的难题，由于独立轮对两边车轮的解耦，使得 其不具备传统轮对那样的自导向能力。因此，独立轮对转向架的曲线通过能力 较传统轮对转向架要差。 本文正是根据独立轮对存在着导向能力差的特点，设计了一种l o _ 导向机构 加装在独立轮对转向架上。当整车进入曲线后，前后铰接的车体间会存在一个 夹角，利用该夹角作为激励源，通过迫导向机构使独立轮对朝径向偏转以达到 改善独立轮对转向架曲线通过能力的目的。 本文主要是在s i m p a c k 虚拟仿真环境下，对整车进行动力学仿真分析，所 采用的整车模型为某国产7 0 低地板轻轨车辆。通过对比加装导向机构前后的仿 真分析结果，独立轮对转向架的冲角、轮轨横向力和磨耗指数都相应地减小， 曲线通过性能得到了提高。因此，该导向机构具有一定的工程实用价值。 关键词：低地板轻轨车辆，独立轮对转向架，迫导向机构，s i m p a c k a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n ds o c i e t yc a u s et h eu r b a np o p u l a t i o nt o i n c r e a s eu n c e a s i n g l y , t h et r a d i t i o n a lp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e mc a nn o tm e e tt h ed e m a n d o ft h er e q u i r e dt r a n s i tc a p a c i t y s ot h e r eh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h e l i g h tr a i lt r a n s i tw h i c hh a sb i g g e rt r a n s i tc a p a c i t y n o wm a n yc o u n t r i e sh a da d o p t e d t h el o w f l o o r l i g h tr a i lt r a n s i ti n t h ew o r l d t h el o w f l o o r l i g h tr a i lt r a n s i th a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o nd u et oi t sb i gt r a n s i tc a p a c i t y , c o n v e n i e n c e t og e to na n dm o r ef l e x i b l eo p e r a t i o ne n v i r o n m e n t c o n t r a c tw i t ht h et r a d i t i o n a ll i g h tr a i lt r a n s i t ，t h el o w - f l o o rl i g h tr a i lt r a n s i ta d o p t t h es i n g l ew h e e lt oh a v et h es t r u c t u r eo fl o wf l o o r b e c a u s eo ft h ed e c o u p l i n go fl e f t a n dr i g h tw h e e l ，t h es i n g l ew h e e lh a sn oc a p a c i t yo f s e l f - s t e e r i n g s ot h es i n g l ew h e e l b o g i eh a sw o r s ec a p a c i t yt h a nt r a d i t i o n a lb o g i ew h e np a s s i n gt h ec u r v el i n e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs i n g l ew h e e l ，w ed e v e l o p e daf o r c e d - s t e e r i n g m e c h a n i s mm o u n t e do nt h es i n g l ew h e e lb o g i e w h e nt h ev e h i c l ee n t e rt h ec u r v el i n e ， t h e r eh a saa n g l eb e t w e e nt h eh i n g e dv e h i c l e s ，s ow ec a nu s et h i sa n g l ea sa d r i v i n g s o u r c et of o r c et h es i n g l ew h e e lm o v et or a d i a lp o s i t i o n i nt h i sp a p e r , w em a i n l yu s et h es i m p a c kw h i c hi sa no u t s t a n d i n gs i m u l a t i o n s o f t w a r et os i m u l a t et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e t h ev e h i c l em o d ew eu s e d i sa7 0 l o w - f l o o rl i g h tr a i lt r a n s i tm a d ei no u rc o u n t r y t h r o u g ht h ec o n t r a s to ft h e s i m u l m i o nr e s u l t s ，w ef o u n dt h i s f o r c e d s t e e r i n gm e c h a n i s ma c t u a l l ye n h a n c et h e v e h i c l ec a p a c i t yo fc u r v ep a s s i n g s ot h i sm e c h a n i s mc a nm e e tt h ed e m a n do f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：l o w - f l o o rl i g h tr a i lt r a n s i t ，s i n g l ew h e e lb o g i e ，f o r c e d - s t e e r i n g m e c h a n i s m ，s i m p a c k n 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e i j 届i j 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：们巧天 砌7 年弓月罗日 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。 学位论文作者签名：吲a 谚天 妒7 年多月f7 日 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 第1 章绪论 随着科学技术和城市化的发展，世界各国城市人口规模不断扩大，汽车数 量剧增，尤其是私人汽车数量的不断增长，导致城市交通拥挤，汽车尾声和噪 声的污染加剧。因此，优先发展公共交通系统才是从根本上改善城市交通状况 的有效途径。目前，许多国家都投入了大量的人力，物力积极研究寻找一种最 佳的城市交通系统。城市公共交通系统是城市生产和生活所必需的生活公共基 础设施，在经济大发展、交通需求大幅度增加的情况下，尤其在目前我国城市 土地非常紧张、资金短缺的情况下，如何适应大客流量需求，发展城市快速交 通具有非常重要的现实意义。上世纪7 0 年代国外的一些城市在经受能源危机、 环境污染和交通拥挤的困扰后，开始重新认识有轨电车的优势。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 tr a i lt r a n s i t ”，其 中文意思为“轻轨交通系统”。在轻轨线路上运行的车辆就称为“轻轨车辆”。 近年来，在一些发达国家，普通客车正在被轻便、快捷的轻轨车所取代，轻轨 列车正在逐步成为轨道客运的主要工具。虽然地铁也是一种较理想的交通工具， 运能大，有独立的运行轨道，但建设投资过大，不适合国内的大多数地区。轻 轨车辆作为介于地铁和公共交通之间的中等运能的交通工具，由于其造价低、 污染少，十分适合国内的一些大中型城市，可以作为公共交通的有益补充。轻 轨交通系统具有运量大、速度快、乘坐舒适、灵活性高等特点，已经逐步成为 城市快速轨道交通的重要组成部分，而轻轨车辆作为载运工具在轻轨交通系统 中也起着关键的作用，它对承运能力、环境污染、乘坐舒适度、安全性能等诸 多方面有重要影响。轻轨车辆作为一种轻便快捷、绿色环保、成本低廉的交通 工具，不失为一种解决城市交通拥挤较为理想的选择。 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。高地板轻 轨车辆的地板面距轨面高度一般在9 7 0 m m 左右，最为突出的缺点是不便于一些 特殊人群的上下车，尤其是对老人、儿童以及残障患者，从而增加了站停时间， 第l 章绪论 减少了单位时间的客流量。随着科学技术的发展和轻轨车辆制造工艺的提高， 出现了一种车内地板面距轨面高度为4 0 0 6 3 0 m m 的中地板轻轨车辆。由于轻轨 车辆投入运营数量的不断增加和高地板和中地板轻轨车辆在客运方面给乘客带 来的不便，以及欧美一些国家残疾人组织强烈的呼吁，在这种背景下诞生了与 站台高度一致，方便乘客上下车的低地板轻轨车辆。低地板轻轨车辆通常是指 地板面距轨面高度小，一般在3 5 0 - 4 0 0 m m 以下的车辆。这种车辆的入口地板面 高度很低，这使得上下车变得十分方便。低地板轻轨车辆不需要设置高站台， 轨道可以铺设在路面上，或利用原来的有轨电车轨道，车辆可以通过半径为 2 0 一5 0 米左右的曲线，适宜于城市地面路况，这明显地降低了线路的建设投入。 一般低地板轻轨车辆的列车编组2 3 节，总长度2 0 - 3 5 米左右，具有中等运能， 并且可以根据客流灵活编组，适宜与其它车辆混运。我国的一些城市如大连、 长春也选用了低地板轻轨车辆。低地板轻轨车辆乘坐舒适，运量大且速度高， 车辆本身的功能和设计也是全新的，体现了人性化、大众化、绿色交通的新城 市交通理念。低地板轻轨车辆是在有轨电车的基础上发展起来的，它是今后城 市轨道交通的主要发展模式之一。 1 2 低地板轻轨车辆简介 1 9 8 4 年，德国s i e m e n s ( 西门子) 公司的子公司d u e w a g 公司为日内瓦制造的 低地板车揭开了低地板车发展的序幕。1 9 8 6 年，法国车辆制造厂商为南特市第 二条轻轨线路制造的3 节编组的轻轨车辆，由3 节铰接车体组成，两端是8 7 0 r a m 的高地板面动车，中间为3 5 0 r a m 的低地板面拖车，也就是由一辆低地板拖车插 编在两辆传统的高地板动车中间，固定编组成一列轻轨车辆。这样，残疾人和 幼儿便可坐在轮椅或小车上从站台直接进入车内。这种结构的车辆问世后，很 受用户和乘客的欢迎，这也标志着轻轨车辆由高、中地板向低地板迈开了关键 一步。目前低地板轻轨车辆基本由s i e m e n s 、a 1 s t o m 、b o m b a r d i e r 三家为首的 公司占据市场的人部分份额，他们完全拥有低地板轻轨车辆的专有技术。其中 轻最化铝合金浮动铰接模块化车体、独立轮动力转向架、微型架控式全液压基 础制动为低地板轻轨车辆关键核心技术的标志。 按照技术的复杂程度而并非按车辆的年代先后来划分，现在世界上已经出 现了三代低地板轻轨车辆： 2 第l 章绪论 1 第一代低地板轻轨车辆采用的是常规轮对转向架，分段式低地板。该车 的中问部分有一个低地板进口，低地板大约占车长的1 0 - 1 5 。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，只有在两台转向架之间做 成一段低地板，并设置台阶至高地板，如图1 1 所示。例如，庞巴迪为荷兰阿 姆斯特丹制造的轻轨车辆低地板部分的地板高度为2 7 7 m ，占整个地板长度的 1 3 5 。图1 2 为三节两铰接，轴车低地板结构几种方案。虽然这些方案技术简 单可行，但低地板区域只占整个车厢的一小部分，而且由于有台阶，乘客不便 于在车内流动，往往集中在车门附近的低地板区。随后该车经过改进可得到占 车长5 0 左右的低地板。 图1 1 第一代低地板轻轨车辆模型 图1 2 三节两铰接低地板轻轨车辆模型 2 第二代低地板轻轨车辆有较长的低地板部分，低地板部分面积较大，约 占整车的6 0 - 7 0 ，这种低地板轻轨车辆一般采用铰接式结构，其中间转向架通 常为非动力转向架。这样，采用独立旋转车轮相对来说就比较简单。如图i 3 所示。但要到达转向架或车轴上面的高地板还是需要台阶向高地板区过渡。1 9 8 9 年，由当时英、法合营的g e 1 s t o m ( 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 v e y 公司为b e r n e ( 伯尔尼) 生产一种地板面高3 5 0 m m 的轻轨车辆 低地板占车长的比例为7 2 ，但要到达转向架或车轴上面的高地板还是需要台阶 向高地板区过渡。 3 第l 章绪论 图1 3 第二代低地板轻轨车辆模型 3 第三代低地板轻轨车辆为全低地板式的i o o t 氐地板轻轨车，也是最受乘 客欢迎的。自从分段式低地板轻轨车辆出现以来，实现1 0 0 贯通式低地板一直 是人们追求的目标，受中间非动力转向架采用独立旋转车轮的启发，它将动力 转向架也采用独立车轮，取消车轴，则动力转向架上方的中间通道也可以做成 低地板，从而实现i o o t 氐地板，地板面距轨面通常为3 5 0m m 。如图1 4 所示。 意火利b r e d a 公司为法国l i l l e ( 里尔) 生产的v l c 型米轨轻轨车辆、德国m a 公 司为b r e m e n ( 不莱梅) 制造的g t 6 n 型轻轨车辆、s i e m e n s 公司研制的c o m b i n o 模 块组台式轻轨车辆，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。 图1 4 第三代低地板轻轨车辆模型 1 3 国内外低地板轻轨车辆的发展与应用 低地板轻轨列车的出现可以追溯到1 9 2 5 年，但是一直到1 9 8 4 年才大规模 的投入商业运营的是由日内瓦d u e w a g 公司制造的低地板列车。自此，低地板轻 轨列车得到了长足发展。据不完全统计，低地板轻轨车己经在世界上3 0 多个国 家的1 4 0 多个城市投入运营。 d u e w a g 公司制造的低地板列车的中间部分离地间隙为4 8 0 m m ，方便了乘客 上下车，缩短了出站时间所以一经问世就得到了乘客们的欢迎。由于第一代低 地板轻轨列车仍需要台阶过渡，德国公共交通委员会决定建立一个整体贯通式 的低地板列车标准。一些制造厂开始同德国的- 。些城市合作研制新型的1 0 0 低 4 第l 章绪论 地板列车。随后，s t a d t b a h n 2 0 0 0 项日开始实施。而且在1 9 8 9 年制作出3 辆样 车。然而由于技术原因，s t a d t b a h n 2 0 0 0 项目最后被终止了。1 9 8 6 年，m a n 公司 开始为不来梅设计1 0 0 低地板列车，并于1 9 9 0 年成功地制造出第一辆样车，就 是g t 6 n 的前身。至今，低地板轻轨列车在欧洲和北美地区己经完全取代了传统 轻轨，成为主要的公共交通工具。 最有基础、最积极地研制未来轻轨车辆的是德国。城市轨道2 0 0 0 计划得到 公共交通运营者的支持，同时也得到联邦研究与技术部的资金资助。减轻车辆 自重是其中一个关键目标。减轻重量设计的主要措施就是去掉常规的转向架， 由单轴轮对代替。这样与一般的轻轨车相比，在自重上可减轻4 0 。新轮对的关 键是开发出两个独立的直径为5 6 0 m m 的e e f 无轴单个轮对。由s i e m e n s d u e w a g 为k a s s e l 生产新型低地板n g t 6 c 轻轨车已使用了e e f 轮对。 城市轨道计划中更为困难的阶段是如何开发e e f 带有动力的轮对。经过研 究后最终设计完成。e e f 动力轮对有两个自导向独立轮，该独立轮绕轴距外侧的 垂直轴线旋转。转动车轮进入正切于轨道的位置。由于车轮独立地绕着轴线旋 转，e e f 轮对的运行方式不同于传统轮对。在轮对每侧横向安装6 0 k w 的交流电 动机，每个电动机驱动一个独立的车轮。每个轮子都通过个整体驱动装置与 电机相连结，液力盘形制动系统安装在电动机轴上。 在日本，从2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代中期，从欧洲引进了超低地板l r v 技 术。但是，由于对低地板车辆的需求还不明朗，所以没有进行正式的研究和开 发，只是将己有的车辆延长，把中间车的地板高度降低。1 9 9 7 年，日本首次从 欧洲引进低地板轻轨列车。在熊本引进了a d t r a n s 公司制造的2 辆编组的超低 地板车。1 9 9 9 年3 月，广岛引进德国两门子公司制造的超低地板车辆。通过与 德国的合作，日本制造出了符合本国路况的低地板列车。整车采用模块化设计， 实现了1 0 0 超低地板，于2 0 0 5 年在广岛投入运营。 一般来说轻轨的标准化设计是比较难实现的，在不同的国家，由于轻轨的 复杂和实际情况的不同，造成标准化设计出现了很多问题。在北美交通系统中， 大约7 0 都是低地板轻轨列车和传统轻轨列车混编的运营模式。因此车辆的速度 控制，使用维护都必须符合不同类型车辆的标准。使用中还要考虑低地板轻轨 车辆和老式轻轨车辆的兼容问题。如果采用混编的模式，对低地板车辆和其他 车辆的停放和调度是必须要考虑的。对于车辆、站台、车站、良好的路线等因 素，新的低地板轻轨的兼容性都是至关重要的。 5 第1 章绪论 低地板轻轨车辆对于维护设备的要求与其他类型的轻轨车辆是有很大差别 的。对于传统轻轨车辆，很多维护设备都是安装在车辆的底部：而低地板轻轨 列车，由于地板高度的限制，很多设备则是安装在车的顶部。因此，在维护方 面，地沟就可以相应的减少，但需要增加顶部维护平台。总的来说，低地板轻 轨比传统轻轨列车可以节省更多的维护费用。由于低地板轻轨列车车身比例的 变化，很多在传统轻轨车辆上出现的问题会减少，应用低地板轻轨列车的好处 还包括不必修建很高的站台，从而减少了建设成本，也方便了乘客的上下车。 在产品设计上，随着科学技术的发展和设计理念的刁i 断完善，一些公司已 经制定出了一整套的设计标准。例如西门子公司的c o m b i n o 系列车型，作为一 款要提高运营效率的1 0 0 低地板车辆，c o m b i n o 的设计理念主要是依托模块化、 标准化和新技术。c o m b i n o 系列并非是根据不同要求而设计的，而是听取不同客 户的要求从新整合而成。通过将不同的模块整合在一起，整个车可以通过不同 组合达到1 8 m - - 4 0 m 长，宽可以从2 2 0 0 m m 到2 6 5 0 m m 。模块化设计具有以下优点： 车辆供货期短；采用验证可靠的高科技；单车成本的下降；可以根据用户的不 同需求定制；备件费用低、利用率高。 相对于国外，我国低地板轻轨车辆的发展与研究仍处于起步阶段，但是包 括长春客车厂、大连机车车辆厂和唐山车辆厂等公司都已经对低地板列车进行 了长期研究，并且相继成功研制出了第二代低地板轻轨车辆。2 0 0 6 年1 2 月1 8 日，长春轨道客车股份有限公司研制出了国内最高档次的7 0 低地板轻轨车，它 是目前国内技术最先进，外形最美观，重量最轻，研制生产周期最短的低地板 轻轨车，采用了铝合金车体，液压制动等多项新技术，填补了多项国内空白心1 。 1 4 低地板轻轨车辆的独立轮对转向架 要降低轻轨车辆的地板面，关键是要把车厢中间的通道的高度降低，因为 轮对的左右车轮处于车厢的两侧下方，只要将车轮上方的车厢位置安装座椅， 便可以容纳左右车轮。但低地板轻轨车辆车厢地板面的降低给传动和走行部的 设计带来了很大困难。要把车厢中间的通道的做成低地板，需要解决的关键问 题是如何降低联系左右车轮的车轴的高度。 由于低地板轻轨车辆的地板面高度一般只有3 0 0 - 4 0 0 m m 左右，甚至更低， 如果采用传统的带有车轴的轮对，如图1 - 5 所示。由于车轴的位置，要降低车 6 第l 章绪论 厢地板面几乎是不可能的。 i 陶1 5 传统轮对( f 文同) 因此，可以采用取消车轴，将左右两个车轮解耦使它们能够独立旋转的独 立轮对模式来解决车厢地板面不能降低的问题。独立车轮是“独立旋转车轮” ( 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 ) 的简称，最简单的独立旋转车轮就是将传统轮对 的左右车轮解耦，使它们能够各自独立地绕车轴旋转。由于车轴不再需要旋转， 因而独立车轮轮对的车轴可以做成曲轴形状，或者直接取消车轴，以降低车厢 中间的地板面。因此独立车轮是实现低地板轻轨车辆的核心技术。如图1 6 所 示。 图1 6 独立旋转车轮与传统轮对轻轨车辆地板而高度对比情况 7 第l 章绪论 1 5 独立轮对 自1 9 世纪2 0 年代轨道交通开始投入运营以来，所有的轨道车辆无一例外 的都采用由两个轮子固定压装在一根车轴上的轮对。为保证车辆能够顺利通过 曲线，车轮踏面采用的是滚动圆半径是由外向内递增的形式。由于线路的不平 顺加之在同一轴上的两个车轮的同步转动，造成了轮对在直线上运行时会产生 蛇行运动。而在曲线上运行时由于轮对上两个车轮的同步转动，在内外轨上行 走的距离不相等，仅靠车轮不同半径的滚动圆不能完全弥补这个差值，因此会 在轮轨间产生很大的滑动摩擦，从而加剧轮轨之间的磨耗和噪音。 为了解决上述问题，科学家采取了将两个车轮解耦使它们能够分别独立旋 转，这种同一根轴上左右车轮可以相互各自独立地绕车轴旋转，轮轴之间具有 相对运动的轮对称为独立轮对。 世界上在轨道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 eb a n g 于1 9 0 3 年申报的。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，其基本原理见图1 7 。 隧翔 1 1 图1 7 早期独立轮对模型 1 9 0 8 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 r r 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。如图1 8 所示。 8 第l 章绪论 图1 8 独立轮对模型 独立轮对转向架在理论上不存在纵向蠕滑，不会产生蛇形运动，故采用独 立轮对转向架可以大大提高临界速度。但是正由于不存在纵向蠕滑力，所以没 有自动复位和曲线导向功能，独立轮对在直线上缺乏对中能力，曲线上缺乏导 向能力，因此在直线上轮缘与钢轨接触，曲线上基本单轮缘导向，会产生严重 的磨耗与噪声口1 。 1 5 1 轮对的导向原理 轮对的导向是指当轮对相对轨道中心线发生偏离后能够回归到轨道中央的 现象。轮对的导向是依靠轮轨间的作用力来实现的。轮轨接触力中的重力复原 力、横向蠕滑力和纵向蠕滑力对轮对导向起着决定性的作用。 由于车轮踏面和轨头横截而的接触面与水平面形成一个倾斜为6 的接触 角，因而轮重q 相对于接触面不再是垂直，它可以分解为法向力n 和侧向力f ， 由下图1 9 可知： f = q t a n 万 9 第l 章绪论 l 暑 _ _ ，一 y 图1 9 轮重在轮轨接触点处力的分解 f 称为重力复原力，它从钢轨侧向垂直作用于车轮，对轮对的导向起复位作 用。在轴重一定的情况下，重力复原力直接取决于接触角6 的大小，接触角6 的大小的一般是由车轮踏面、轨头形状等决定的。因此对整个轮对而言，作用 在轮对上的重力复原力的合力为： f = f | 。+ f r = 一q i t a n 6 l + q r t a n 6 r 可见，作用在轮对上的重力复原力取决于左有车轮的接触角差，增大左右 车轮的接触角差就能够增加重力复原力。 根据卡尔克的线性蠕滑理论，与蠕滑有关的作用在轮周上的蠕滑力和蠕滑 力矩可以由下式确定： c = 一z 。以 l = 一六：以一五， m 3 = 五3 以一z 3 其中：以、以、分别为纵向、横向、旋转蠕滑率；f 称为蠕滑系数，下 标l l 、2 2 、3 3 分别表示纵向、横向和旋转，2 3 表示旋转对横向蠕滑的影响，3 2 表示横向蠕滑对旋转的影响。 对于采用锥形踏而的传统轮对，在忽略自旋蠕滑的条件下，作用于传统轮 对的横向蠕滑力和纵向蠕滑力矩分别为： l o 第l 章绪论 弓= 2 石：( 軎一) m - _ c 等y + 铷 厶 y 对传统轮对而言，由上式可见，横向蠕滑力主要取决于车轮的偏角沙，一 旦车轮出现偏角就会产生相应的横向蠕滑力：而纵向蠕滑力主要取决于轮轨之 间的横移量y ，一旦车轮偏移线路中央，就会产生相应的摇头力矩。 对于独立车轮轮对而言，左右车轮的速度近似有以下关系：吼吃= = 矿。 在忽略自旋蠕滑的条件下，这时作用于独立车轮轮对的横向蠕滑力和纵向蠕滑 力矩分别为： 弓= 2 五：( 芳一) m = 0 对独立车轮轮对而言，由上式可见，横向蠕滑力仍然主要取决于车轮的偏 角i f ，一旦车轮出现偏角就会产生相应的横向蠕滑力：而纵向蠕滑力近似为零， 即不存在纵向蠕滑力矩“3 。 1 5 2 传统轮对的导向 对于图1 1 0 所示的传统轮对，当轮对向左偏移y 时，在左右车轮的轮轨接 触点形成滚动半径差，这样必然产生相对微小滑动，从而产生相应的纵向蠕滑 力气和互r 。纵向蠕滑力毛和岛产生的回转力矩使轮对顺时针偏转，该偏转角 产生的横向蠕滑力指向线路中心。与此同时，重力复原力差e 一最也使轮对向 轨道中心返回。这样在横向蠕滑力和重力复原力的共同作用下轮对向中心复位。 第l 章绪论 图i 1 0 传统轮对的导向原理图 当轮对在中央位置顺时针偏转角度时，这时产生的横向蠕滑力迫使轮对 从中央位置向右侧运动，而轮对离开中央位置向右偏移后就会产出纵向蠕滑力， 这时形成的纵向蠕滑力矩迫使轮对逆时针偏转，使得轮对的偏转角减小。 由此可见，传统轮对的横移和摇头是相伴而行的，轮对在前进中不断地闱 绕线路中心线作正弦波状来回摆动，即蛇行运动。蛇行运动的优点是可使得轮 对向轨道中央动态复位，缺点是在某些条件下会变得不稳定h 1 。 1 5 3 独立轮对的导向 对于图1 1 l 所示的独立车轮轮对，当轮对向左偏移y 时，产生的重力复原 力差e 一最使轮对向轨道中心复位。因为重力复原力差五一b 随y 衰减而减小， 轮对要在很长的时问以后才趋近轨道中央。 1 2 第1 章绪论 图1 1 l 独立轮对的导向原理图 当轮对顺时针偏转沙角度时，这时产生的横向蠕滑力迫使轮对从中央位置 向右侧运动，由于独立车轮的左右车轮各自绕车轴自由转动，因而缺少纵向蠕 滑力矩，所以轮对的偏转运动不会复位，轮对以不变的偏转角滚向右侧钢轨， 直到左右车轮产生的重力复原力差e 一只与左右车轮的横向蠕滑力之和 瓦，+ z ，膏平衡时，轮对的横移才停止h 1 。 因此，独立轮对转向架的导向性能较差，主要表现在： ( 1 ) 直线上，独立轮对一旦偏离轨道中心线后，不易回归到轨道中央，因 而容易产生轮对偏磨，严重的磨耗不均会大大缩短轮对的使用寿命。 ( 2 ) 曲线上，独立轮对的冲角较大。由于独立轮对缺乏纵向蠕滑力形成的 导向力矩，所以独立轮对在曲线上不会自动趋于径向位置，容易发生 轮缘贴靠。一方面，会加重轮缘磨耗；另一方面，脱轨的隐患增大。 它本身不能具备从偏斜位置复位的能力，而必须从外部引入调节功能， 才能获得满意的导向特性。 1 6 国外独立轮转向架的发展与应用 德国在开发独立轮转向架时，研制了一种试验型转向架，采用前后轮组合 排列，称为车轮组件，一台转向架由两个车轮组件组成，这台转向架称为e d f 转向架，如图1 1 2 所示，e d f 转向架有两个个单独的侧架，车轮以纵向成对装 第l 章绪论 配，用横杆和关节连接。 图1 1 2e d f 转向架【5 】 为了系统地研究这种转向架在轨道上的运动，德国方面进行了一系列试验 研究，包括溜放试验，运行试验，长期运用考验，慕尼黑滚动台滚动试验。试 验结果表明，由于独立轮转向架具有结构简单和良好的运行特性，独立轮转向 架要比传统轮转向架运行要平稳，磨耗更低，噪声水平也更小。凶而在未来的 高速交通领域内应用的可能性很大，将是今后端部转向架的一个竞争对手。同 时德国方面还对装有独立车轮的转向架车辆建立了专用的动力学模型，理论计 算表明独立轮的车体横向加速度比较低，因而在横向平稳性方面要优于端部转 向架，轮轨间的磨耗功也要小得多。 德国早期曾对装有独立车轮的车辆进行试验，但存在容易脱轨的问题。从 1 9 3 0 年开始，对装有独立车轮的低地板有轨电车进行了广泛的运行试验。瑞士 早期也曾用+ 一辆具有独立车轮的推拉式车辆进行试验，期望改善运行品质和减 少曲线上的磨耗，但由于脱轨问题，不得不中止了这些试验。 英国铁路研究巾心对独立轮对特性的研究包括理论和试验两个方面，从两 1 4 第1 章绪论 者的轮轨蠕滑率和蠕滑力的差别开始，进行了一系列线路试验。试验是在线路 的直线区段和曲线区段进行的，并在相同的条件下对传统轮对和独立轮对进行 了比较试验的研究。 任何轨道车辆的动力特性都是由轮轨接触间的蠕滑率和蠕滑力来控制的， 但对独立轮对的蠕滑力计算与传统轮是不同的，其重要差别在于滚动速度，它 特别影响到纵向蠕滑率。在线路试验中发现，在导向轮上由于很小的蛇行运动 不对中而引起横向偏移，估计是由于在一系悬挂中存在很小的问隙，从而导致 明显的蛇行不对中，并且当运行方向改变时，仍继续向同一侧钢轨靠近。 由于独立轮没有因滚动半径差而引起的自动找中作用，因而这些车轮在直 线运行时具有偏离中心运行的趋势，尤其是在干燥的条件下更是如此，此时由 于重力刚度引起的自动找中作用将几乎为旋转蠕滑所抵消，故常使车轮靠钢轨 一侧运行。产生上述现象的原因可能是：轮重不等、不对称阻力以及悬挂中间 隙，独立轮对这些因素都是非常敏感的，这也说明对装用独立轮的车辆而言， 由于制造工艺造成的制造公差影响是非常大的。 当独立轮与钢轨两点接触时所形成的回转力矩，对车轮导向来说影响并不 大，但在两点接触处产生的纵向蠕滑力却会增大轮轨磨耗，轮轨接触条件的变 化，特别是接触角的变化，将影响独立轮的独立旋转。为了应用独立轮对，必 须要对车轮踏面轮廓进行优化。 美国铁道协会( a a r ) 过去的研究认为，传统转向架结构的所有车轴都应装 上独立车轮。很明显，这样的结果对于曲线通过性能是十分不利的，而只能达 到消除蛇行运动的目的。此外，在直线轨道上所出现的连续轮缘摩擦现象，将 会造成滚动阻力的增加和轮缘及钢轨侧面上的磨耗。 如果将机械结构加以改造，以便在一个方向运行时，车轴上的车轮可以容 许自由转动。而在另一方向运行时，则将车轮锁紧，使其固结在车轴上，即运 行方向前轴始终是固定的，而后轴总是能自由转动。如果这种方案可行，则独 立轮对车辆可以双向运行。 加拿大城市交通发展公司发现，独立轮列车在运行过程巾会遇到过大的冲 角和高噪声问题。为适应高速运行而优选的车轮踏面在最小半径曲线运行时， 还是会存在车轮磨耗问题。 早在1 9 7 0 年的加拿大研究认为，独立轮车辆中的旋转车轮通常达不到人们 的期望和要求，即： 1 5 第l 章绪论 ( 1 ) 独立车轮不能导向； ( 2 ) 曲线上的磨耗不可避免： ( 3 ) 脱轨安全性更小。 针对上述情况，学者建议进行可扭转的耦合独立车轮研究。其中学者e l k i n s 的研究结果表明：当所有车轮都能独立运转时，会获得最好的稳定性能。但为 了获得较好的曲线通过性能及曲线上滚动阻力状况，导向车轮或者两根车轴应 采用固定的。e l k i n s 建议用装有独立旋转车轮的车轴取代每台转向架中的从动 轴，将会使转向架的动力学性能得到改进和提高，这一观点是与西班牙的轻、 快、稳列车特点相联系的。 加拿大还在l o m 曲线上进行了一个非动力推力试验。对于独立轮对装配的 空车通过该曲线时，只需一个人推动；但对于同定轮对装配的空车，要通过该 曲线则需要4 - - - 5 人来完成。 独立轮对转向架在高速时运行品质有所提高，但冲角未能得到改善，高频 振动亦很明显。试验表明，所有导向转向架的导向轴均为独立车轮时的曲线性 能很差( 冲角较大) ，尽管它的磨耗率、作用力及稳定性可能得到改善。因此 较好的办法是采用导向轴固定的结构，或至少互换某些车轮间的扭矩。另一种 方法是，虽使所有轴车轮均为独立结构，但每一轮上装一个辅助枢轴。试验分 析表明，这种独立轮对转向架在直线和曲线一卜的运行性能得到提高，而实现这 一优良状况的条件是必须在一个特定的蠕滑力范围内。为确保改善曲线性能， 同时又对高速性能无多大影响，建议当采用可导向转向架时，在导向轮对的车 轮之间允许一定量的扭矩传递，或对于前轮进行导向控制。 日本铁道综合技术研究所( r t r i ) 于2 0 世纪8 0 年代初，开发了一种具有 独立旋转车轮的转向架，质量仅为普通转向架的一半，旨在改善直线上的高速 运行稳定性和曲线通过性能。并期望在2 l 世纪用于日本铁路线上。该转向架曾 在滚动试验台和线路上进行动力学性能试验，通过试验证实了采用新车轮踏而 外形后，独立旋转车轮具有重力复原作用且达到了所期望的功能，并具有较好 的运行稳定性。 在日本，独立车轮转向架相继研制出来，但实用很少。其原冈是这些新型 转向架虽然都具有不产生蛇行运动的优点，但它不如传统固定车轮那样具有复 原能力，因此由于轮对组装的误差或轨道不平顺之原因，就很可能在运动中偏 离轨道中心，且很容易受到轮轨磨耗和不平顺之影响。另一方面，由于消除了 1 6 第l 章绪论 纵向蠕滑，似乎它又能减少磨耗和降低噪声，并且对环境问题、转向架维护保 养以及今后转向架提速方面都起着积极的作用。 为了解决独立轮对偏离线路中心后复原能力弱的问题，日本新开发出一种 新型踏面外形。它能满足下列条件： ( 1 ) 轮对具有保持向轨道中心复原的能力，这种复原力是由于左右轮接触 角之间所产生的差异造成的； ( 2 ) 需要考虑左右车轮半径之差，因为在这种情况下并不产生导向能力； ( 3 ) 轮轨接触面上尽可能避免两点接触。 为了使轮对向轨道中心复原，必须使重力复原力大于横向蠕滑力，该复原 力等于车轮载荷和接触角差值之乘积，最大的横向蠕滑力则是车辆载荷和摩擦 系数之乘积，接触角的差值应相当于摩擦系数睛1 。 上述几个国家的理论和实践表明，独立轮对转向架无论是蛇行运动稳定性 还是曲线通过性能，都比传统转向架都有一定的优势，而且噪声低，轮轨磨耗 少。只要解决好直线上的车轮横向复原、曲线上的车轮导向、车轮形式的组合 和制造工艺等问题，独立轮对转向架技术将具有良好的市场前景。 1 7 独立轮对迫导向径向转向架 独立轮对转向架虽然具有很大的优势，但是导向问题一直是困扰独立轮对 发展的一个世界性难题，为了攻克这个难题，国内外专家们提出过许多解决方 案。最初的解决方案通常是特殊设计车轮踏面，加大左右车轮的接触角差，这样 就可加大独立轮对的重力复原力，轮对偏离轨道中心线后就可在重力复原力的 作用下回归到轨道中央。但是这种措施不能使独立轮对在曲线上自动趋于径向 位置。由于独立轮对没有纵向蠕滑力，所以传统意义上( 依赖于纵向蠕滑力) 的 自导向的机构无能为力。 针对独立轮对这种缺乏自导向能力的缺点，于是很多研究人员想到了径向 机构，使得独立轮对能够受迫导向，其基本原理是通过在转向架上加装导向机 构来提高独立轮对的导向性，导向机构迫使独克轮对在通过曲线时趋向于径向 位置，具有这种能够使轮对趋向于径向位置的转向架称为径向转向架。目前世 界上径向转向架种类较多，各种径向转向架都有其各自不同的特点，综合来看， 其性能优势表现在以下几个方面：当转向架在通过曲线时，车轴处于径向位置， 1 7 第1 章绪论 避免了轮缘与钢轨内侧的接触，减少了轮轨作用力，克服了传统转向架在小半 径曲线上轮缘、踏面和钢轨急剧磨耗的问题，提高了防止脱轨的安全性，减少 了轮轨磨耗，有助于保持恒定的车轮外形轮廓形状，使车辆能够在长期的运行 中保持较高的稳定性。改善了曲线通过性能和运行品质，保证了较高的临界速 度和减少了车辆零部件和装载物的损坏。 目前的导向技术主要有主动导向技术和迫导向技术。主动导向技术的主要 原理是利用独立轮对两车轮转速差作为反馈源，通过主动控制装置驱使导向机 构动作使轮对趋向于径向位置。这种技术具有导向能力强，导向较精确的特点， 但是花费昂贵，维修复杂。迫导向技术的主要原理是利用车体和转向架之间的 连杆机构使过曲线时前后轮对处于径向位置。该导向装置是一种经济实用的方 法，它能显著地减小独立轮对在曲线上的磨耗，本文的主要目的就是在研究独 立轮对的通过曲线性能的基础上，研制出一种迫导向机构，使得轮对在通过曲 线时能够趋于最佳位置，在此次研究中，将借助于具有强大铁路模块仿真功能 的s i m p a c k 软件。 1 8 本文的研究内容 综上所述，本文将开展对独立轮对迫导向转向架导向机构的研究。具体的 研究内容安排如下： 论文第一章介绍了论文的选题背景和实际意义， 回顾了低地板轻轨车辆的 发展历史，提出了以独立轮对代替传统轮对。然后9 q - 绍了独立轮对的优缺点并 对比世界上各个国家对独立轮对的研究情况，发现独立轮对的导向问题是制约 独立轮对发展的一个难题，并提出了本论文的研究目标。 论文第二章详细介绍了如何利用s i m p a c k 软件进行低地板轻轨车辆的建模， 如何将物理模型转化为数学模型。 论文第三章对该整车进行曲线通过的动力学仿真，得到该整车的曲线通过 性能。 论文第四章针对独立轮对缺乏自导向性能的难题，提出了以车间转角的变 化来控制独立轮对的偏转角，并设计出一套导向装置，并介绍了该装置的工作 原理和设计原理。 论文第五章对加装了该导向装置的整车进行仿真分析，对e k d r l 装前后车辆 1 8 第l 章绪论 通过曲线的动力学性能。 论文第六章对该导向装置作出适当的优化，选取合适的机构参数。 论文第七章对全文的研究工作进行了总结，提出了下一步的研究方向和展 望。 主要工作： 1 对国内外低地板轻轨车辆的发展进行了综述，引出独立轮对的导向原理 和发展难题。 2 建立了基于s i m p a c k 的低地板轻轨车辆动力学模型。在模型的建立过程 中，关键是如何进行物理模型到数学模型的转化。 3 对整车的曲线通过性能进行仿真，获得轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系 数和磨耗指数等参数。通过比较发现7 0 低地板轻轨列车的独立轮对转向架的车 轮冲角，轮轨横向力和轮轨磨耗都相对传统轮对要大。 4 针对独立轮对转向架缺乏自导向能力的问题，设计了一套导向机构。当 整车进入曲线时前后铰接的车体问存在一定的夹角，通过导向机构将凶此夹角 产生的车间距离变化传递到同侧轴箱上，使同侧轴箱间距发生变化，完成轮对 的径向偏转。通过仿真对其性能进行验证，结果表明该导向机构能够有效地改 善独立轮对转向架的曲线通过性能。 5 针对该套导向装置进行优化，并选取合适的参数。 1 9 第2 章7 0 低地板轻轨车辆仿真模撑j 的建立 第2 章7 0 低地板轻轨车辆仿真模型的建立 运用s i m p a c k 软件进行多体动力学方法研究轨道列车的各种动力学性能， 需要将列车的实际系统抽象为物理或力学模型，以此建立相应的数学模型，因 此在建模的过程中需要将车辆的物理模型转化为数学模型。 由于整个列车的结构复杂性以及s i m p a c k 在建立几何模型方面的局限性， 本文中所建立的模型不可能包含所有的实际因素。在动力学仿真软件中建模所 遵循的原则是：在能够保证仿真计算精度的前提下，尽可能的对模型做出若干 假设，从而简化模型，达到减少仿真的工作量和计算时问的效果。 s i m p a c k 软件提供了强大的建模、计算和仿真功能，而且在铁路车辆仿真方 面，s i m p a c k 占据着世界上最大的份额，其