（光学工程专业论文）采用非对称转向架的城轨车辆动力学研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 由于城市轨道交通曲线半径小，城轨车辆在小曲线上轮轨磨耗 特别严重，不但对行车安全构成威胁，而且增加了车辆和轨道的维 护成本。转向架的结构直接影响动力学性能，因而有必要研究新型 转向架，提高转向架的曲线通过性能、降低磨耗。 传统城轨车辆转向架，前后轮对纵向刚度对称布置，在曲线通 过时，起导向作用的前轮受到的横向力、冲角都比较大。本文在研 究国外先进经验的基础上，提出采用前后轮对纵向定位刚度非对称 布置的方法来改善转向架的曲线通过性能。理论研究表明，当转向 架前后轮对纵向定位之和一定时，前后轮纵向刚度对称布置的等效 弯曲刚度最大，不利于导向；前后轮纵向刚度非对称布置，且前后 轮刚度相差越大则转向架等效弯曲刚度越小，有利于导向。通过 sim p a c k 动力学分析软件建模进行动力学计算仿真，得到转向架前轮 纵向刚度较小，后轮定位刚度较大的悬挂非对称形式能在保证转向 架稳定性的前提下改善曲线通过性能。 研究表明，独立车轮由于左右车轮独立旋转，车轮接触点的纵 向速度与轨道速度相同，因而形成不了纵向蠕滑力矩，而传统城轨 车辆转向架在通过小曲线半径时通常后轮纵向蠕滑力矩起阻碍导向 的作用。因此将传统转向架后轮轮对替换成独立车轮，能起到降低 轮轨横向的作用。通过对后轮独立车轮转向架进行动力学仿真，得 出了转向架在直线上稳定性提高，在小半径曲线上能有效降低横向 力的结论。针对后轮独立车轮转向架在直线上稳定性提高的特点， 通过改变一系悬挂参数、转向架轴距等手段使转向架曲线通过性能 进一步提高。 通过对两种非对称转向架动力学性能的研究，得出了非对称转 向架能提高转向架曲线通过性能的结论，为我国非对称转向架开发 提供了相关的理论依据。 关键词：转向架；非对称；城轨车辆：动力学；独立车轮；磨耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 - _ _ - - - _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ 一i i m a bstra ct t h ec u r v e so fu r b a nm a s st r a n s i tu s u a l l ya r es m a l la n di tm a k e st h e w h e e l s e t sw e a rr a p i d l y ，i n t i m i d a t e st h es a f e t yo fv e h i c l e sa n di n c r e a s e s t h eu p k e e po fr a i l sa n dv e h i c l e s t h es t r u c t u r eo fb o g i ei n f l u e n c e st h e d y n a m i cp e r f o r m a n c ed i r e c t l y ，s oi ti sn e e dt od e v e l o pn e wt y p eb o g i e s t oi m p r o v et h ec u r v ep a s s i n gp e r f o r m a n c ea n dd e c r e a s et h ew e a ro ft h e w h e e l s t h e p r i m es u s p e n s i o n o ft h e b o g i e i n f l u e n c e st h e d y n a m i c p e r f o r m a n c ed i r e c t l y t h ep r i m a r yl o n g i t u d i n a ls u s p e n s i o n s o ft h e t r a d i t i o n a lb o g i e so fu r b a nm a s st r a n s i tu s u a l l ya r es y m m e t r i c ，b e i n g t h es t e e r i n gw h e e l s e tt h el a t e r a lf o r c ea n dt h ea t t a c ka n g l eb e t w e e n w h e e la n dr a i lo ft h ef r o n tw h e e l s e ta r eb i g g e rw h e ni ti sp a s s i n g t h r o u g hc u r v e s o nt h eb a s i so ft h ef o r e i g na d v a n c e de x p e r i e n c e ，b o g i e w i t hu n s y m m e t r i cs u s p e n s i o ni st a k e ni n t o s t u d yt oi m p r o v et h ec u r v e p a s s i n gp e r f o r m a n c e t h ea c a d e m i cr e s u l ts h o w st h a tt h ee q u i v a l e n t b e n d i n gs t i f f n e s so fs y m m e t r i cb o g i ew i l lb em a x i m a lw h e nt h es u mo f l o n g i t u d i n a ls u s p e n s i o n s t i f f n e s so ft h ef r o n tw e e l s e ta n dt h er e a r w h e e l s e ti saf i x e dv a l u e ，a n di tw i l lm a k ea g a i n s tt os t e e r i n g w h e nt h e l o n g i t u d i n a ls u s p e n s i o ns t i f f n e s s o ft h ef r o n tw e e l s e ta n dt h er e a r w h e e l s e ta r ea r r a n g e du n s y m m e t r i c a l l yt h ee q u i v a l e n tb e n d i n gs t i f f n e s s w i l ld e c r e a s ea n di tw i l lm a k ef o rs t e e r i n g m o d e l so fb o g i e sw i t h u n s y m m e t r i cs u s p e n s i o nh a v eb e e ns e tu pa n da n a l y s e db ys i m p a c k d y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r e t h er e s u l ts h o w st h a tt h eb o g i ew i t ht h e l o n g i t u d i n a ls u s p e n s i o no ft h ef r o n tw h e e l s e tf l e x i b l ep o s i t i o nw i l l i m p r o v et h ec u r v ep a s s i n gp e r f o r m a n c ea n dt h es t a b i l i t yo ft h eb o g i e w i l lb ea su s u a l i ti sk n o w nt h a tt h ei n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l sa l l o wt h et w o w h e e l so i lt h es a m ea x l et or o t a t ei n d e p e n d e n t l yf r o me a c ho t h e rt h u s t h e r ea r e n tl o n g i t u d i n a lc r e e pf o r c e ，a tt h es a m et i m et h el o n g i t u d i n a l c r e e pf o r c eo ft h er e a rw h e e l s e to ft h et r a d i t i o n a lb o g i ew i l lh o l d b a c k t h ef r o n tw h e e l s e tt os t e e r i n g u s i n gi n d e p e n d e n t i yr o t a t i n gw h e e l s i n s t e a do ft h er e a rw h e e l s e to ft h et r a d i t i o n a lb o g i e t h el a t e r a if o r c eo f t h ef r o n tw h e e l s e tw i l ld e c r e a s e d y n a m i cc a l c u l a t i n gm o d ei sm a d e a n dt h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nv a l i d a t et h a tt h eb o g i eo f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 - _ i l i _ l _ l l i _ l - _ l _ _ - _ - _ - _ - _ _ - l l _ i - _ _ l - - _ l - l - - _ _ l - _ - _ _ _ - i i - _ - - ii 一i _ 一 i n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l sf o rr e a ra x l ec a ni n c r e a s ec r i t i c a ls p e e d a n dw h e ni ti s o p e r a t e o ns m a l lc u r v ei tc a nr e d u c el a t e r a l f o r c e b e c a u s eo ft h eb o g i ew i t hi n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l sf o rr e a r a x l ec a ni n c r e a s ec r i t i c a ls p e e d ，w a y st od e c r e a s el o n g i t u d i n a ls t i f f n e s s o fp r i m es u s p e n s i o n ，a x l ed i s t a n c ec a ni m p r o v et h ec u r v ep a s s i n g p e r f o r m a n c eo ft h eb o g i e o fi n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l sf o rr e a r a x l e t h ed y n a m i c a n a l y s i so fu n s y m m e t r i cb o g i e sp r o v i d e p r o p e r t h e o r yi fu n s y m m e t r i cb o g i e sw o u l db ed e v e l o p e d k e yw o r d s ：b o g i e ，u n s y m m e t r i c ，u r b a nm a s st r a n s i tv e h i c l e ，d y n a m i c ， w e a r ，i n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l 西南交通大学 学位论文使用授权书 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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密u ，在年后解密后适用本授权书。 2 不保密i4 i ，适用本授权书。 ( 请在方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：两琦 指导教师签名： 、j它摊 日期：2 0 0 8 年占月12 日日期：2 0 0 8 年6 月、文日 西南交通大学 学位论文创新性声明 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 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 较为系统的对非对称转向架动力学性能进行了分析，通过仿真 计算证明了悬挂非对称、结构非对称( 后轮独立车轮) 转向架具有 减小城轨车辆轮轨磨耗的作用。 学位论文作者签名：砑萄 1 5 期：2 0 0 8 年f 月z 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着经济迅速发展和科技的进步，我国城市范围与城市规模不 断扩大，在大城市出现了长距离、大客流出行需要。当前北京、上 海、天津、深圳、广州等大城市交通堵塞现象十分严重，交通供需 矛盾十分尖锐。城市轨道交通作为一种集约化的交通方式，它占有 土地空间少，可有效地节约土地资源，其具有的运量大、低污染、 低噪音、低能耗、高速度、舒适、全天候等优势是其他交通方式无 法比拟的，因此在大城市发展地铁交通运输是保持城市可持续发展 的必然选择【2j 。9 0 年代以后，随着社会经济的发展，为了解决大城 市日益严重的交通、环境问题，我国的城市轨道交通得到了空前的 发展。到2 0 0 7 年底我国大陆地区已有上海、北京、广州、天津、深 圳、南京等城市共计5 6 8 k m 线路投入运营；经国家批准在建轨道交 通的城市有成都、沈阳、西安、杭州、武汉、苏州、哈尔滨、长春、 重庆、佛山等。 1 1 问题的提出 由于城市轨道交通车辆在市区内运行，基于避让建筑、减小对 民宅的影响等因素的考虑，其线路小曲线半径通常数量多、里程长。 以广州地铁1 号线来说，左线中3 0 0 m 4 0 0 m 的小曲线个数占曲线总 数的4 0 ，长度占曲线总长的5 9 ，右线中30 0 m 4 0 0 m 的小曲线 个数占曲线总数的4 6 ，长度占曲线总长的6 0 t2 】：在广州地铁2 号线右线中30 0 4 0 0 m 的曲线个数占曲线总数的2 7 ，长度占曲 线总长的35 t 引。在运用中广州地铁l 、2 号线都存在轮缘磨耗过快 的现象( 图1 1 ) ，平均轮缘磨耗率为o 17 6m m 万k m ，运营2 3 年后，在小半径曲线的外轨轨头内侧普遍出现压溃和飞边( 图1 2 ) ， 有的甚至已达到重伤报废标准而须提前更换；上海地铁1 号线在投 入运营之后两个月即发现轮缘、钢轨磨耗过快，该线路共有5 对半 径小于35 0 m 的小曲线，其中在汉中路往新客站的区间半径r = 3 0 0 m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的弯道处是全线轨道磨损最严重的地方【4 6 】。轮缘磨耗对轮对寿命 影响非常大，根据镟轮经验，轮缘厚度每恢复1m m 车轮直径减少 4 5 m m ，为了把轮缘厚度从26m m 恢复到3 2m m ，1 次旋轮后车轮直 径将减小约2 7m m ，直径为8 4 0m m 的新轮经过2 次镟轮，轮缘再次 磨耗超标即报废；而小曲线半径上钢轨侧磨亦是控制换轨的主要因 素。车轮、轨道快速磨耗，必将增加维护成本，情况严重时可能导 致行车事故，因此需研究车辆轮轨减磨措施，以确保行车安全性、 降低维护成本。降低曲线通过时的轮轨磨耗可以从以下几个方面入 手： ( f _ 、 原形 磨耗后 图1 1 轮缘磨耗图1 2 轨道磨耗 ( 1 ) 小半径曲线上选择高强度钢轨。上海地铁在将小曲线段普 通钢轨换成淬火轨后，钢轨磨耗情况得到了改善。目前 g b 50157 2 0 0 3 地铁设计规范己规定：正线半径小于4 0 0 m 的曲线地 段，应采用全长淬火钢轨或耐磨钢轨。 ( 2 ) 在轮缘与轨道间采取润滑措施。通过在轮轨间喷涂润滑脂， 降低滑动系数，从而减缓磨耗量。目前有地面固定式钢轨喷涂器和 安装于车辆上的轮缘喷涂器投入运用，上海地铁l 号线在采用钢轨 喷涂器后，轮轨磨耗有所减缓。 ( 3 ) 改变轨底坡。轨底坡大小对轮轨几何接触点的位置及轮轨 之间的受力大小有明显的影响，通过调整轨底坡改善轮轨间的接触 关系，有利于轮对以蠕滑力导向通过曲线，进而减缓轮轨磨耗。将 曲线内轨轨底坡加大，使内轮、内轨接触点向轨头外侧移动，将曲 线外轨轨底坡减小，使外轮、外轨接触点向轨头内侧移动。由于车 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 轮带有一定的锥度，接触点的移动导致外轮滚动半径大，内轮滚动 半径小，加大了实际滚动圆半径差，从而有利于轮对以蠕滑力导向 通过曲线，进而有利于减缓轮轨磨耗。与此原理类似的还有澳大利 亚上世纪8 0 年代初提出的不对称打磨钢轨的办法，通过打磨外轨使 轮轨接触点内移，打磨内轨使轮轨接触点外移，同样达到了增大内 外轮半径差的效果。我国的广州地铁1 号线在调整轨底坡后，曲线 上轮轨磨耗得到了缓解【7 j 。 以上各种方法从一定程度上缓解了轮轨磨耗，然而根据动力学 研究结果，在摩擦系数一定的情况下轮轨磨耗主要由冲角和导向力 决定。在线路一定的情况下要改善轮轨冲角、导向力，需要从车辆 动力学性能入手，提高车辆的曲线通过能力，减小轮轨冲角。车辆 动力学性能主要包括曲线通过性能和直线上的横向稳定性，其主要 取决于转向架的悬挂参数，但二者对转向架悬挂参数的要求通常是 相互矛盾的。增加轴箱的水平定位刚度可提高转向架的横向稳定性， 但其曲线通过性能将随之下降；转向架曲线通过性能随车轮踏面等 效锥度增加而提高，但其横向稳定性将随之而下降。解决转向架曲线 通过性能和横向稳定性之间的矛盾一直是车辆动力学长期研究的课 题，采用常规车辆转向架解决这对互为约制的矛盾是无能为力的。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪7 0 年代英国学者提出的等效刚度理论j ( 具有任何结 构形式的转向架，可按静力学观点把它等效为相互弹性约束的轮对) 使径向转向架技术日趋成熟，有效地解决了车辆直线稳定性与曲线 通过性能的矛盾。 根据径向转向架的导向机理不同，径向转向架一般可分为自导 向径向转向架和迫导向径向转向架两种，两种径向转向架的结构和 机理不同【9 】。图1 3 ( a ) 为自导向径向转向架结构简图，它是通过解除 对轮对的摇头约束，依靠轮轨之间的蠕滑力导向，并通过径向拉杆使 转向架的前后轮对同时趋于曲线的径向位置。连接轮对左右导向拉 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 皤l 剖陛童擎。i i 工工l 溻萨l 吲 圳 蒯 il 蛰。 r 剩 嘴崮 每l 面 嘲 再一 ( a ) 自导向转向架c b ) 迫导向转向架( c ) 柔性定位转向架 图1 3 径向转向架模式 杆的横向联系杆的作用是保证解除前后轮对摇头耦合的同时，增加 前后轮对纵向平行运动的刚度。日本的直线电机地铁车辆就普遍采 用了自导向转向架，提高了曲线通过性能，以福冈3 号线为例，其 车辆能以4 0 k m h 的速度顺利通过半径10 0 m 的曲线。图1 3 ( b ) 为迫导向径向转向架结构简图，它是通过径向拉杆将车辆通过曲线 时车体相对构架的转角传递给转向架的前后轮对，迫使轮对趋于曲 线的径向位置。加拿大的m ki i 直线电机转向架采用迫导向转向架， 其通过最小曲线半径为7 0 m 1 1 】。另一类介于常规转向架和径向转向 架之间的是一系柔性定位的转向架，如图1 3 ( c ) 所示，其一系纵向定 位刚度比常规转向架小。转向架在曲线上运行时，依靠各自轮轨之间 的蠕滑力来导向，以减小轮对在曲线上的冲角。因其径向性能劣于自 导向和迫导向故称为准径向转向架。 “耋t 帮秽 “。 瓠，妇痧 图1 4r h c 轮对定位装置 1 爱i ：焉，一， - 磊鬟驴 确鉴手+ 。 ( ! - 3 一= ? p ? _ 、。二b ，o j 。氇圳 。一， 暮：乏若蓠1 ? 喾j 薄；蘸尹 ： 爹裁掣； k 一惫： 固二r ”。5 转融絮挎架；转换钒擒：空气囊；i 奎筐倥弹聱； o 活塞：活塞鹰；o 轴箱弹冀棒投； 童：掸簧； 轴籀体；o 空气； 稚接触式传缮嚣： 图1 5 刚柔定位转换装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 依据上述理论奥地利开发了如图1 4 所示的利用径向液压控制 器( r h c ) 用作轮对导向装置的sg p 转向架【l2 1 。当转向架产生相对 高频( 如蛇行) 的运动时，轮对具有较大的一系刚度，当转向架产 生相对低频( 如过曲线) 的运动时，轮对具有较小的一系刚度。采 用这种装置可满意地解决曲线通过性能和直线稳定性的矛盾。 日本开发了前轮对柔性定位以提高曲线通过性能；后轮对刚性 ( 相对于柔性) 定位以确保稳定性的准径向转向架的非对称悬挂准 径向转向架。该转向架采用一种改变了的一系悬挂实现双向运行， 该悬挂有一个控制轴箱橡胶弹簧起作用的转换装置如图1 5 ，所有 的柔性和刚性刚度都串联安装在轴箱和构架间的两端，4 个转换装置 控制柔、刚性的转换。该转向架( 如图1 6 ) 应用于38 3 系列电动 车上，经测试后发现在小曲线半径上横向力减小，轮缘每万公里磨 耗降低 1 3 l 5 1 。 图1 63 83 电动车转向架 在将非对称悬挂准径向转向架成功投入运用后，日本学者又开 始了非对称独立车轮转向架的研发。传统轮对踏面具有一定的锥度 且左右车轮刚性联接，所以在车轮与钢轨之间会产生纵向蠕滑力，纵 向蠕滑力形成的偏转力矩会使轮对冲角减小，所以说传统固定轮对 具有自导向功能。但是，这个起导向作用的纵向蠕滑力矩同时又导致 了高速运行时不稳定蛇行运动的发生。若解除左右车轮间的约束， 使轮对成为独立回转车轮，这样理论上就不存在纵向蠕滑力偏转力 矩，因而不产生蛇行运动，对提高稳定性有好处。但这一优点也同时 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 是它的缺点，因为独立车轮转向架失去了纵向蠕滑力矩的导向功能， 降低了曲线通过性能【l6 1 。7 1 。鉴于此，如果在车辆运行过程中，使转向 架前轮对成为固定轮对的状态而始终使后轮对成为独立回转状态， 这样，转向架就兼有传统轮对和独立回转车轮两者的优点：既可改善 转向架的曲线通过性能又可提高转向架的稳定性。研究表明，在小 半径曲线上传统转向架的后轮纵向蠕滑力妨碍导向，后轮独立车轮 转向架消除了后轮纵向蠕滑力矩有利于导向，能有效地降低轮对横 向力。在采用如图1 7 所示的试验转向架进行实验时得到了，后轮 独立车轮转向架在50 0 m 以下的曲线半径时能有效地降低轮轨横向 力【l j 。欧美在这方面研究较早，目前在欧美很多城市运行的t g 6 n 轻轨车上有类似的转向架投入运用，具体情况将在下一章进行介绍。 后轮独立车轮 图1 - 7 后轮独立车轮试验转向架 国内沈刚教授在研究具有一系悬挂的单轮对和两轴转向架的基 础上提出了轮对自导向能力系数和转向架径向调节系数的概念，当 自导向能力系数大于零时，轮对具有自导向能力，当径向调节系数 等于1 时，实现完全径向，一般情况下径向调节系数小于1 。在此 基础上开展了对非对称悬挂径向转向架的研究并对车辆稳定性和曲 线通过性能进行了仿真【2 。 独立车轮技术是最近几年发展起来的，国内在独立车轮研究方 面开展了很多工作：罗世辉教授21 1 、李芾教授 z 2 】等就独立车轮转向 架动力学特性做了大量的研究；黄运华博士【2 3 】对基于独立车轮的变 需孳虿 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 轨距技术做了细致的研究；池茂儒高工对后轮独立车轮转向架横向 力【2 4 】进行了分析并开展了耦合轮对动力学性能研究【25 1 。目前国内 在后轮独立车轮转向架方面研究比较少，本文将做较详细的研究。 1 3 论文主要研究内容 非对称径向转向架在国外研究比较多，其中悬挂非对称径向转 向架已经获得了实际运用，结构非对称的后轮独立车轮径向转向架 也已进行了实验。两种转向架已被证实的良好的曲线通过性能满足 了城市轨道交通的需要。我国在这方面的研究开始较晚，为了使城 市轨道交通车辆能够适应小曲线半径，做非对称径向转向架的理论 研究是非常有必要的。本文研究的主要内容有： ( 1 ) 阐述城市轨道交通的优点，以及存在的问题，介绍了从材 料、润滑、轨道等方面入手降低轮轨磨耗的措施，指出径向转向架 是降低轮轨磨耗的根本措施，介绍非对称径向转向架在国内外的研 究、发展情况； ( 2 ) 研究几种城市轨道交通车辆转向架的结构，为后续的动力 学研究提供实物依据； ( 3 ) 研究独立车轮动力学特性和独立车轮导向技术，分析非对 称转向架提高曲线通过性能的机理，为动力学研究提供理论依据； ( 4 ) 介绍利用多体动力学软件s i m p a c k 建立模型的相关知识 及与车辆动力学性能评价指标的相关标准； ( 5 ) 利用多体动力学软件s i m p a c k 建立并仿真非悬挂对称转 向架整车模型，分析前后一系悬挂非对称对车辆动力学性能的影响； ( 6 ) 利用s i m p a c k 建立并仿真后轮独立车轮转向架整车模型， 研究轴距、一系悬挂等转向架系统参数对转向架动力学性能的影响； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章城市轨道交通车辆转向架 2 1 城市轨道交通车辆技术简介 城市轨道交通车辆车体制造围绕着轻量化的方针展开，车辆自 重减轻可以节省牵引力，减小对轨道的压力，从而减少车轮和轨道 的磨耗；降低车辆和线路的维修保养。2 0 年代初车辆车体采用钢制 车体，l95 2 年伦敦地铁开始使用铝合金车体，目前车体己发展为铝 合金大型挤压型材或不锈钢整体承载车体轻型结构。使用铝合金制 造的车体比钢制车体重量可减轻30 4 0 ，从而有效地减轻了车辆 走行部和线路的磨耗。我国城市轨道交通车辆车体最初采用碳素钢， 造价低但车体自重大、易腐蚀、维修成本高。2 0 世纪8 0 年代开始 使用耐腐蚀性能较好的耐候钢，同时车体制造工艺不断提高、完善， 车体自重逐渐降低，寿命得到很大提高。随着大型铝合金型材焊接 技术和不锈钢点焊技术日趋成熟，铝合金及不锈钢车体被大量运用 于城市轨道交通车辆。尽管其造价相对较高，但其重量轻、耐腐蚀、 使用寿命长，可免除大量日常维护保养工作。目前我国的株洲电力 机车厂、四方机车车辆股份有限公司、长春轨道客车股份有限公司 等都具备了生产铝合金和不锈钢车体的能力。 驱动方式从186 3 年的蒸汽机车牵引发展到直流电机牵引，其中 直流电机调速控制系统又经过了凸轮变阻调速、斩波调阻、斩波调 压调速等阶段， 19 7 7 年柏林地铁开始采用调压调频( v v v f ) 技术 实现了交流电机驱动，交流电机相对直流电机来说体积更小、质量 更轻、有利于提高车辆的动力学性能，同时交流电机结构简单减少 了维修工作量。我国地铁车辆驱动技术同样走过了直流牵引到交流 牵引的历程，最早的北京地铁d k 型地铁车辆即采用了凸轮变阻控 制直流牵引技术。2 0 世纪7 0 年代湘潭电机厂成功研究、开发了斩 波调阻控制技术运用于北京地铁早期使用车辆的更新、改造，继而 开发了使用g t o ( 大功率可控硅元件) 的斩波调压控制技术，利用 计算机控制技术实现了车辆牵引系统的无级调速运用于北京地铁 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 d k z1 型地铁车辆。2 0 世纪9 0 年代初，“v v v f 交流牵引技术被 广泛运用，采用三相交流异步电机作为牵引电机。广州地铁l 号线、 上海地铁2 号线均采用此技术。目前我国己研究、开发了具有完全 知识产权的上述系统。 2 2 城市轨道交通转向架结构 与干线铁路相比城市轨道交通具有以下特点 2 6 j ： 运行间距短，启、制动频繁，对牵引和制动性能要求很高； 曲线半径小； 线路坡度大，可达3o 6 0 ； 空、重车重量相差大； 运行环境特殊，安全可靠性要求高； 对噪声控制严格； 城市轨道交通以上特点对作为城市轨道交通车辆转向架的性能 提出了较高的要求。在城市轨道车辆转向架的设计时要使车辆具有 大的启、制动加速度；良好的直线稳定性和曲线通过性能；良好的 安全性能指标；动、静强度符合相关要求。 2 2 1 典型城市轨道交通车辆转向架结构 2 2 1 1 构架 城轨车辆转向架构架一般都采用无端梁的h 型构架，由两根侧 梁和两根横梁组成。侧梁一般采用压型钢板的焊接箱型结构，由于 城轨车辆转向架二系悬挂的承台面比较低，构架的侧梁一般采用鱼 腹型结构。横梁有两种结构，即焊接箱型结构的横梁和无缝钢管的 横梁，采用焊接箱型结构的横梁与侧梁一般采用对接焊接，采用无 缝钢管的横梁与侧梁采用穿透式焊接，由于取消了摇枕机构，横梁 还兼做空气弹簧的附加空气室。为了提高构架的总体刚度和强度， 同时也为了设置各种安装座的需要，在两根横梁之间设有两根小纵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 梁。转向架构架是转向架其他零件的载体，在其上设置了各种安装 座，包括减振器安装座、驱动装置的吊挂座、牵引座等，因此除保 证构架本身具有足够的强度和刚度外，各种安装座也必须具有足够 的强度和刚度。图2 1 所示是一种典型城轨车辆构架。 2 2 1 2 轮对 2 1 一种典型的城轨车辆构架 城轨车辆转向架轮对一般采用整体车轮和实心车轴，动力转向 架车轴与非动力转向架车轴有所不同，即动力转向架车轴有齿轮箱 传动齿轮箱安装座。- 根据我国城市快速轨道交通工程项目建设标 准规定，a 、b 型城轨车辆转向架的车轮直径为8 4 0 m m ( 新轮) 7 7 0 m m ( 磨耗到限) ，车轮不圆度0 5 m m ，同一轮对车轮直径之 差0 5 m m 。 轮轨噪音是城轨车辆噪音的主要来源，降低轮轨噪音是降噪研 究的主要方向之一。目前如图2 2 、2 3 所示的弹性车轮、消声车轮 结构设计已经在世界很多国家得到了应用【27 1 。 我国曾于l9 6 9 年由四方车辆研究所为北京地铁研制了我国第 一个弹性车轮，该弹性车轮为压剪复合型结构。经在北京地铁的运 用表明，该弹性车轮对改善轮轨冲击及降低噪声有一定效果。但鉴于 弹性车轮橡胶可靠性存在问题、制造成本高，维修要求高，又缺乏运 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 行经验，该弹性车轮未得到推广运用。在消声车轮研究方面，国内对 消声的原理还有待研究，故目前国内城轨车辆均采用整体碾刚车轮。 重亘厘 承剪型承压型压剪复合型 图2 2 弹性车轮类型示意图 2 2 1 3 轴箱及一系悬挂 环状阻尼器 共振阻尼器 约束层阻尼器 - - - 图2 3 消声车轮结构示意图 轴箱与轴承装置是连接构架和轮对的活动关节，使轮对的滚动 转化为车体沿着轨道的平移。除传递车辆的重量外，还传递轮轨之间 的各种作用力。轴箱因采用的一系悬挂方式不同而有较大的区别。 轴箱材料以往采用铸钢，为了减轻簧下质量，目前也有采用铝合金 材料的轴箱体。轴箱轴承一般采用圆柱滚子轴承，也有采用圆锥轴 承的。 一奠，一= ? “；，麓 ，。一艘：争? 。 一 鬻：。兰：爨i 、j 毫乏二o 概h _ - _ _ 4 o 一 转臂式轴箱定位 一 一，毋蝠醯 1 i 一厕 k ：掣省 、l 上一一篮， 三一御砷髓冀 ， 。_ 一一一，n ，：， 人字型橡胶堆定位 图2 4 轴箱定位方式分类 轴箱定位和一系悬挂方式有多种，目前广泛运用在城轨车上的 有3 种类型：即人字型橡胶堆轴箱定位和一系悬挂、圆锥型橡胶堆 轴箱定位和一系悬挂、转臂式轴箱定位和刚弹簧+ 橡胶垫+ 垂向油压 减振器一系悬挂( 如图2 4 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 轴箱转臂式定位和一系悬挂刚弹簧+ 橡胶垫+ 垂向油压减振器 的方式，其悬挂的垂向和横向刚度与阻尼由刚弹簧和减振器提供， 刚弹簧两端有橡胶垫吸收高频振动，有利于保持一系悬挂特性的稳 定性。 人字型、圆锥型橡胶堆轴箱定位和一系悬挂这两种方式结构简 单、橡胶堆可有效吸收高频振动，但由于一系刚度完全由橡胶堆提 供，而橡胶堆具有非常强的非线性，而且随着时间的增加，橡胶不 断老化，其特性有较大变化，将影响一系悬挂的稳定性1 2 8 1 。 2 2 1 4 二系悬挂 芏气谭黄芏n j 瞰衡裔 壹装座 图2 5 城轨车辆二系悬挂 较早的城轨车辆采用带摇枕的二系悬挂，随着空气弹簧技术的 成熟以及降低车辆自重的需要，目前城轨车辆均采用无摇枕的空气 弹簧结构。如图所示二系悬挂由空气弹簧及其辅助元件、横向减振 器、横向止挡、抗侧滚扭杆等组成。 城轨车辆的质量在空、重载时变化较大，因此空气弹簧必须有 高度调节装置，保证车辆地板面距地面高度在旅客数量变化时基本 保持不变。空气弹簧下设有叠层橡胶，当车辆通过曲线时承担一部 份横向载荷，另外当空气弹簧失效时可以提供二系悬挂刚度，以缓 和垂向振动。 为了提高车辆平稳性，需在二系设置垂向减振装置，方法一是 在二系悬挂中设垂向减振器，方法二是在空气簧中设置节流阀提供 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 二系悬挂的垂向阻尼。城轨车辆二系一般采用较小的刚度来提高乘 坐的舒适度，但当车体在外力作用下产生侧滚运动或车体通过曲线 时的离心力、侧向力、偏载等因素导致偏斜时，刚度较小的悬挂系统 会使车体与转向架的两侧产生较大的高度差，这将降低乘坐舒适度 和运行平稳性，严重时会使车辆超出动态包络线的允许范围而影响 到车辆的运行安全。为了减少这种情况下车体的倾斜，城轨车辆转 向架设有抗侧滚扭杆。抗侧滚扭杆呈水平横向布置，只有当车体发 生侧滚时才发生扭转，不影响二系悬挂的刚度。 2 2 1 5 牵引装置 牵引装置的选取主要考虑以下几个方面的因素【2 9 】： 能够传递纵向的驱动力和制动力，同时允许二系弹簧在垂向 和横向柔软地动作； 纵向具有适当的弹性，以缓和由于转向架点头、车轮不平衡 重量等引起的纵向振动； 结构上应便于车体与转向架的分离和连接； 由于取消了摇枕，需要有空间能够安装横向油压减振器、横 向缓冲橡胶、空气弹簧异常上升止挡等； ( a ) 中心销牵弓 销 拉杆 拉杆 ( b ) z 型双拉杆牵引( c ) 单拉杆牵引 图2 6 牵引装置 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 目前国内外城轨车辆牵引装置可以分为中心牵引销式牵引、z 型双拉杆牵引，和单拉杆牵引。牵引销式( 图2 6 ( a ) ) 由牵引销、 橡胶堆和牵引座等组成，通过中心销回转和橡胶堆变形来适应车体 和转向架之间的相对位移。z 型双拉杆牵引( 图2 6 ( b ) ) 由中心 销、拉杆、转臂等组成。拉杆两端有橡胶节点，从而使拉杆能够绕 拉杆座转动来满足车体和转向架之间的相对位移。牵引销与转臂之 间有复合橡胶弹簧缓冲车体与转向架之间的冲击振动。单拉杆式牵 引( 图2 6 ( c ) ) 由一根拉杆与转向架构架和车体底架上的牵引座 相连接，拉杆两端设有橡胶节点使拉杆可以绕牵引座转动，适应车 体和转向架之间的相对位移，同时通过橡胶节点缓冲车体和转向架 之的冲击振动4 l 。 2 2 1 6 驱动、制动装置 城轨车辆动车转向架的驱动由牵引电机、齿轮箱和联轴器组成 ( 如图2 7 ) 。牵引电机一般采用刚性架悬式与构架连接，传动齿 轮箱为分箱式铸钢结构，为降低质量可采用高强度铸铝合金，齿轮 箱一端抱轴，一端吊挂在构架上。牵引电机输出轴与传动齿轮箱通 过浮动式、大摆角鼓形齿式联轴器连接。 a 芯缝舔 图2 7 驱动装置示意图 为了适应城轨车辆站间距离短、启动制动频繁等特点，制动系 统应具有启制动快、制动距离短、反应迅速、停车稳、准确性高、 擎飞餐鼍 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 制动力大、安全可靠等特点。城轨车辆制动系统一般包括电阻制动、 再生制动、空气制动。制动时再生制动优先，电阻制动次之，最后 为空气制动。空气制动的基础制动装置有踏面制动器和盘形制动器 两种，其中踏面制动器又可分为杠杠式踏面制动和单元式踏面制动； 盘型制动又可分为轴盘制动和轮盘制动两种，因为受安装空间限制， 目前基础制动多采用单元踏面制动 3 0 1 。 2 2 210 0 低地板独立车轮转向架结构 2 2 2 1 横向耦合独立车轮转向架 在大力发展城市轨道交通的同时，研究人员遇到了一个亟待解 决的问题：如何降低车辆地板面距轨面的距离以方便乘客，特别是 老人、小孩、携带行李的乘客上下车。通过减小车轮半径来实现低 地板并使车辆能过通过小曲线半径是难以实现的，独立车轮的出现 解决了这个难题。以独立车轮取代传统轮对，在左右车轮之间留出 更多的空间，容纳地板面的地下部分，使地板面各处相同，从而实 现了10 0 低地板。 世界上第l 辆10 0 低地板车于l9 9 0 年在德国不来梅正式亮相 h 。这款由m a n 和k i e p e 联合生产的g t 6 n 型l0 0 低地板轻轨车采 用了如图2 8 所示的横向耦合独立车轮转向架。该转向架轴距 l8 0 0 m m ，左右车轮两个动轮、从轮之间没有用常规的车轴连接。纵 向布置的牵引电机通过万向轴将扭矩传给功率分配器，功率分配器 将转矩分别传给与电机同侧的减速箱和经过横轴将转矩传给另一侧 的减速箱，每个减速箱分别带动一个动轮【3 2 】( 图2 9 2 10 ) ，后轮 则彼此独立，因此这是一款非对称后轮独立车轮转向架。 该转向架采用无摇枕结构，车体直接落在二系弹簧上；使用弹性 车轮以减低噪声；交流牵引电机悬挂在车厢地板上，齿轮箱一端通 过连接臂安装在车轮外侧车轴上，另一端则通过齿轮箱吊销悬挂在 构架上，以减少簧下质量；制动盘安装在电机轴上，采用盘型制动 【3 3 3 4 】 o 采用以上转向架的g t 6 n 轻轨车辆的乘客车厢地板面一律距地 西南交通大学硕士研究生学位论文第t 6 页 面仅35 0 r a m 、能过通过最小为1 45 m 的曲线半径。由于该转向架动轮 之间通过横轴实现了横向耦合，左右轮之间具有一定的扭转刚度， 当在直线上运行时实现了自动对中，避免了轮缘偏磨；在曲线上， 尤其是小曲线上，减轻了轮轨的磨耗以及轮轨摩擦产生的啸叫。 图28g t f n 轻轨车横向耦台转向架 图2 - 9 电机悬挂方式图2 10 减速箱传动统系统 此外阿尔斯通生产的a r p 6 9 e 、s o l f e g e 35 1 型转向架均采用了类似 的横向耦合左右车轮的转向架，该型c i t a d i 系列轻轨车在欧美许多国 家得到运用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 22 22 纵向耦台独立车轮转向架 圈2 1 1s f 3 0 型转向架 斟2 1 2 牵引电机、减速器总成 图2 13t m k 2 2 0 0 型转向架外观 西门子开发的c o m b i n o 型轻轨车使用了如图2 1 1 所示的s f 3 0 型转向架，这种转向架有4 只相互独立的车轮对称的布置在转向架 两侧，同侧的两个车轮由套如图2 12 所示的纵向布置的牵引电 机、减速器总成驱动( 电机为三相异步、单定子、单转子形式，前 后两端分别通过圆锥齿轮构成的减速器、制动盘和含有弹性橡胶元 件的联轴器) ，由此车轮实现纵向耦合州。 这种转向架轴距仅有18 0 0 m m ，通过10 0 m 的曲线时，左右侧车 轮分别产生纵向蠕滑力导向，因此各轮子相对于轨道的冲角也不大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 与这种纵向耦合转向架类似的还有c i t a d i 系列的c o r r 色g e p 7 1 、 日本的j t r a m ( j 、克罗地亚的t m k 2 2 0 0 等。 以上两种10 0 低地板轻轨车辆满足了乘客上下车方便的要求， 同时具有可靠性高、美观舒适、维修方便( 特别是驱动电机纵向布 置的低地板转向架，其驱动装置可接近性好，检修可不在地沟里进 行、不需要推出转向架或调开车体) 等特点。 低地板轻轨车辆是我国今后轻轨车辆的发展方向，而独立轮对 转向架结构则是低地板车辆的必然要求之一，因此，我国应超前进行 独立轮对转向架的技术研究和产品试制。 2 3 本章小结 本章首先介绍了城轨车辆车体制造技术、牵引电机以及牵引调 速控制系统的发展，接着重点总结了国内几种城轨车辆转向架构架、 轮对、一系、二系悬挂、牵引装置、启、制动装置的结构。最后介 绍了两类l0 0 低地板的独立车轮转向架。通过对传统转向架和独立 车轮转向架的介绍明确了将要进行研究的转向架的基本结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章非对称转向架提高曲线通过能力机理 3 1 轮轨作用力 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轨 道中央的现象。轮对的导向是依靠轮轨之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面的接触面与水平面形 成一倾斜角6 ，即接触角，因而轮重q 相对于接触面不再是垂直， 它分解