（光学工程专业论文）耦合式单轴转向架车辆动力学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着当今社会经济的快速发展 各大城市面临的交通压力也越来越大 发展城市 轨道交通成为一种必然趋势 也正是因为城市交通应趋于公交化及环境噪声等因素 城市轨道交通必须具有载客量大 车辆自重轻 起动和制动频繁 拥有良好的小半径 曲线通过能力 噪声小等一系列特点 而理论研究及实际运用经验表明 单轴转向架具有能降低轴重 缓和轮轨系统动 作用力 降低运动噪声及改善曲线通过性能等多方面优势 因此国外越来越多的城际 列车和通勤车辆采用单轴转向架 但在实际运行中由于单轴转向架运动稳定性差 曲 线通过性能欠佳 所以可在单轴转向架车辆上采取相应措施改善其动力学性能 本文 主要从改善单轴转向架径向功能方面进行分析研究 论文从单轴转向架的运用现状入手 简要介绍了国外几种典型的单轴转向架车辆 的应用情况 同时对其中几种新型的径向单轴转向架进行介绍 通过初步介绍分析 对耦合式单轴转向架的优越性进行全面阐述分析 论文第二章主要讨论了耦合式单轴转向架的总体设计和耦合机构设计方案 并初 步给出了耦合式转向架的悬挂参数和耦合机构参数 论文第三 四章主要对轮对 构架进行了受力分析 推导了转向架和车体的运动 方程 建立了相应的动力学仿真模型 并利用多体动力学仿真软件s i m p a c k 对模型 进行了动力学仿真计算 首先对初步设计的悬挂参数进行了分析比较 优选出同时具 有良好车辆稳定性 平稳性及曲线通过性能的参数组合 然后对转向架的动力学性能 进行了分析和计算 最后将耦合式单轴转向架和常规车辆转向架及单轴转向架的动力 学性能进行了比较 分析结果表明 耦合式单轴转向架能明显改善曲线通过性能 降 低磨耗 因此耦合式单轴转向架有着较好的发展前景 关键词 耦合式单轴转向架 动力学 耦合机构 城市轨道交通 a b s t r a c t n o w a d a y s w i t ht h er a p i ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h e r ei sas i g n i f i c a n ti n c r e a s e i nt h en u m b e ro fu r b a nv e h i c l e s a n di th a sa i n c r e a s i n gp r e s s u r eo nt h eu r b a nt r a n s p o r t w h i l ee x h a u s te m i s s i o n sa n dn o i s eo fv e h i c l ea l s oh a sc a u s e dp o l l u t i o no nt h ee n v i r o n m e n t t h ed e v e l o p m e n to fu r b a nr a i l t r a n s p o r t a t i o nt o e a s et r a f f i c p r e s s u r eh a sb e c o m ea n i n e v i t a b l et r e n d i ti sp r e c i s e l yb e c a u s eo fa b o v ef a c t o r s u r b a nr a i lt r a n s i tm u s ta l s oh a v et 1 1 e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ag r e a tc a p a c i t ya n dl i g h tw e i g h to fv e h i c l e s f r e q u e n t l ys t a r t i n g a n db r a k i n g g o o dc a p a c i t yo fs m a l l r a d i u sc u r v e l o wn o i s e s i n g l e a x l eb o g i ec a nb eu s e dt om e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h ea b o v ep e r f e c t l y s i n g l ea x l eb o g i ei su n c o n v e n t i o n a lc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lt w o a x l eb o g i e a n di ti s n e w b o r nt h i n g s s i n g l ea x l eb o g i ec a nm a k et h er e d u c t i o no fv e h i c l ew e i g h ta n dt h ef o r e e b e t w e e nt h ew h e e la n dt h er a i li nw h e e l r a i ls y s t e m a n di ta l s oc a nm a k et h er e d u c t i o no f n o i s ea n di m p r o v e m e n to ft h ec u r v er u n n i n gc a p a c i t y a b o v ea l l t h e ya r ec o m p l e t ei n h e r e n t c a p a c i t i e so fc o u p l e ds i n g l e a x l eb o g i e t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni ns o m ec o u n t r i e so r r e g i o n sp r o v i d e sau s e f u li n s i g h tf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fan e w t y p eo fb o g i ea n d v e h i c l e a sar e s u l to fc o u p l e ds i n g l e a x l e b o g i ei nt h er e d u c t i o no fw e i g h ta n de n e r g y e f f i c i e n c y i th a sb r i g h tp r o s p e c t s t h et e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e s p r e a dc o n c e mi nt h e i n d u s t r ya n di th a sb e e ne s t a b l i s h e da so n eo ft h er e s e a r c ht o p i co nt h er a i l w a yt oi m p r o v e e n e r g ye f f i c i e n c ya n dl o n g t e r md e v e l o p m e n ts t r a t e g yi nt h eu i c i no r d e rt om e e tg r o w i n g m a r k e td e m a n d t h es i n g l ea x l eb o g i eo ft h et h e o r e t i c a l r e s e a r c h t e s t i n ga n dp r o d u c t d e v e l o p m e n th a sb e c o m ea nu r b a nr a i lv e h i c l e st o p i c i n c l u d i n gr a i lv e h i c l e s i nt h ef i e l do f n e w t o p i c s i nc h a p t e rip a p e r sm a k eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eu s eo fc o u p l e ds i n g l e a x l er u n n i n g g e a r s p r e p a r ef o rm en e x tw o r k i nc h a p t e ri ip a p e r sd i s c u s st h eo v e r a l lp r o g r a mo f c o u p l e ds i n g l e a x l eb o g i e a n dm a k e t h ec h o i c eo ft h ec o u p l i n gm e c h a n i s m a sw e l la st h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h ew h o l e b o g i e i nc h a p t e ri i ia n dc h a p t e ri v p a p e r sa n l y s i st h ef o r c eo ft h e b o g i e w h e e l s e ta n d c o u p l e dm e c h a n i s m a n dg e tt h eb e s tp a r a m e t e r st h r o u g ho p t i m i z a t i o n a n dt h e na n l y s i st h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 d y n a m i co ft h ev e h i c l ew h i c hh a v eac o u p l e dm e c h a n i s m i tt u m e do u tt h a tt h i sn e w s i n g l e a x l eb o g i eh a v ea g o o dp e r f o r m a n c eo no na l m o s ta l lc u r v e s k e yw o r d s c o u p l e ds i n g l e a x l eb o g i e d y n a m i c c o u p l e dm e c h a n i s m u r b a nr a i lt r a n s i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 进入二十一世纪 社会经济高速发展 城市汽车数量的大幅增加使得城市交通压 力日益增大 特别是在大中城市 现有的城市交通系统已日渐成为制约经济发展的重 要因素之一 借鉴国内外成功经验 可知发展城市轨道交通系统可有效的解决城市交 通压力的问题 城市轨道交通作为比较经济的城市公共交通系统 其运量大 同时空 气污染小 已经在很多城市得到了成功的应用 同时因为城市轨道交通的特点 其在 实际应用中应满足以下几点 1 城市轨道交通应起到缓解城市交通压力的作用 因此必须保证尽可能的增大运 载量 2 城市轨道交通运行速度一般仅为8 0 k m h 站间距离一般为l k m 左右 因此应 具备优秀的起动及制动性能 3 城市内的交通线路状况一般较差 因此车辆必须具备优秀的小半径曲线通过性 能 4 城市轨道交通车辆在城市内运行 应保证较低的噪声 较少对居民的影响 为解决以上几个设计难点 许多新型并且更加适用于城市轨道车辆的转向架在相 关工作人员努力下应运而生 如单轴转向架 独立旋转车轮转向架 径向转向架及内 侧轴箱悬挂转向架掣引 因为它们各自的特点 这些新型转向架在实际运用中都得到了 较好较快的发展 其中 单轴转向架能较好地满足前文所述技术要求 并且大大丰富了列车的编组 方式 而且单轴转向架车辆因为轮对数量的减少 使得车辆自重 轮轨作用力得到降 低 轮轨噪声也明显得到改善 同时单轴转向架曲线通过性能比传统转向架要优秀得 多 因此 单轴转向架技术受到铁路行业的广泛关注 己在丹麦 德国及奥地利等国 家成功运营 同时单轴转向架也有其固有的缺点 两轴转向架轮对与车体之间通过转向架连接 约束较多 轮对运动在遇到激扰时 在构架约束下轮对很快就能收敛 而单轴转向架 单轴轮对与车体连接较少 容易产生点头振动等运动 轮对运动在遇到激扰时 相比 传统转向架会一直振动 很难达到收敛 为解决单轴转向架稳定性较差的问题 以下对国外现有的几种城轨列车连接形式 进行简单分析介绍 从而为下文找出最为合适单轴转向架的技术方案做铺垫 如图1 所示 现有车辆除了装用新型的转向架这个途径以外 研究新型的车辆连 接形式也是行之有效的方案 如将前后车体铰接的连接方式 a r t i c u l a t e dt r a i n 即铰 接转向架安装在两节车之间的车钩的正下方 法国t g v 高速列车和西班牙的t a l g o 列 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 车即采用了这种连接形式 其中t g v 高速列车装用的是常规两轴转向架 而t a l g o 列 车装用的是独立旋转车轮 因为独立旋转车轮的结构特点 两个车轮可产生相对转动 导致了纵向蠕滑力的消失 车辆不会产生蛇行运动 独立旋转车轮在获得车辆运行稳 定性的同时 也降低了轮对的自动对中和导向能力 t a l g o 列车通过装用一套迫导向径 向机构以改善其曲线通过性能 德国l i r e x 内燃动车组和丹麦s t o g 电动车组 也同样采用了铰接连接形式 不 同的是 它们采用了单轴转向架 减少了轮对数量 降低了车辆自重 以上几种车型都在相应国家和地区得到了较为成功的应用 但是这种铰接形式也 有其固有缺点 铰接形式连挂 解挂复杂繁琐 为检修等带来了不变 而f e b a 耦合式单轴转向架成功解决了以上铰接结构的缺点 它最早应用在挪威 b m 7 2 型电动车组上 它将两个相邻车体端部单轴转向架通过耦合杆连接起来 通过曲 线时 车辆可在耦合机构作用下实现径向功能 列车解编时 只需将两个单轴转向架 解耦即可 综上 f e b a 耦合式单轴转向架这种连接形式是适用于城轨车辆的最好的连 接形式之一 g 型 蜒一 荆 裂 誉 叼 整 楚 魁 熊 g 封 轧 罨 j妄三三 苫三三三三噩三三三三西三三三手韭三三强喜雾薹 t4包n括动力车 n 丘珂云正丑e 玉强淼娄群鞠川h 泓 三三三錾三三3 三三玉e 三三翌三三三鳗车辆敬t 包括动力车 2 c 丙班牙t 如列车模型 车e 射敏 疗 3 尽目目耳目且嫩 沁2 j e 苫e j e i e 三j e 三 e 己e 图1 1 国外城轨车辆车间连接形式 图中黑点轮对代表动力轮对 其余代表无动力轮对 1 2 单轴转向架技术及应用 单轴转向架相关的理论研究起步较晚 而同期国外已开发出单轴转向架相关车辆 并成功的投入运营 成功运营的车型有 丹麦s t o g 电动车组 德国c o r a d i al i r e x 轻型 区间动车组 奥地利i n t e g r a l 主动径向动车组以及挪威的n s b 7 2 型电动车组等 1 2 1 西班牙t a ig o 铰接式列车 t a l g o 铰接列车在西班牙已经非常成功的通车运行了将近半个多世纪 在这几十年 当中 其产品和技术也在不断的进行升级 这 y o 车丰要采用的是独立旋转车轮技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 和铰接式车体连接 车体倾摆技术 早在1 9 9 8 年 西班牙铁路的相关部门为了马德里 至巴塞罗拉的高速新线 就决定投入资金和技术研制新一代的速度为3 5 0 公里每小时 的高速列车 最后决定于庞巴迪公司合作 引进法国t g v 高速列车的技术 经过3 年 多的艰难攻关 最终研发成功第一列样车 成功在西班牙的各条高铁线路上运行 速 度可达3 5 9 公里每小时 在之后的几年里 该车又经过各种技术改进 最终改进成为 3 5 0 公里级别中的著名品牌 t a l g o 3 5 0 车组采用1 4 节编组 列车组总长2 0 0 m 车体 宽度2 9 4 2m m 拖车车体长度1 3m 车组两端动力转向架采用两轴转向架 轴距为2 6 5 0 1 1 1 1 轴重1 7 t 车间铰接式转向架装用独立旋转车轮 其轴重也为1 7t t a l g o 3 5 0 车 组通过装用如图1 2 所示的一系列拉杆 连杆组成的迫导向机构 使单轴轮对趋于径向 位置 明显起到了降低曲线通过时轮轨磨耗和轮轨横向力的作用 3 o 童瞳皇叠奉鼋暑孝 霜匪 一二 叠 乏 一 图1 2t a g l o 高速列车径向机构 1 2 2 丹麦s t o g 市郊列车 丹麦国家铁路中的哥本哈根市郊轻轨列车s t o g 是世界上最早采用单轴转向架的 客车之一 在早期s t o g 采用两节编组 其前位动力转向架采用r o z r f k u r v e n g e s t e u e r t e s e i n z e r a d s a t z f a h r w e r 迫导向单轴转向架 转向架1 4 k e r f 转向架通过迫导向实现径 向 在k e r f 轮对和相邻车体之间连接有一根贯通车体全长的连杆 如图1 3 所示 5 2 0 世纪9 0 年代初 新型s t o g 电传动车组问世 其车体采用短而宽的结构 具体 尺寸为9 4 0 0m m 3 6 0 0m m 短而宽的车体使得容纳空间增大 可以容纳更多的乘客 同时为解决原有车型由于采用铰接式转向架导致两车之间过道过窄的问题 新车型将 k e r f 转向架安装在车体端墙内侧 k e r f 转向架质量约为传统两轴转向架的一半 直 接起到了降低整车质量的作用 k e r f 通过调节主动控制的径向调节装置 使得k e r f 转向架即使在轴重2 0 t 时 仍可保持良好的径向性能 因此k e r f 转向架车轮的磨耗也远低于常规两轴转向架 单轴转向架因为其结构的特殊性 传统两轴转向架的中心销或心盘牵引结构在单 轴转向架上无法采用 而且由于转向架结构中只包含一个轮对 容易产生点头振动 因此必须在单轴转向架的构架和车体之间安装一个约束 起到限制构架点头振动的作 用 同时又不能影响转向架摇头运动 单轴转向架与车体之间的连接尤为重要 如果 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 连接不当 则轮轨之间的冲击和转向架自身的振动将通过连接结构向车体传递 严重 时可产生剧烈共振 基于以上原因 k e r f 转向架装用了单定位杆结构 该定位杆具有 一定的垂向弯曲刚度 水平弯曲刚度以及纵向刚度 k e r f 转向架纵向牵引则采用了低 位的具有较低弯曲刚度的单牵引拉杆结构 另外在车体上还为其配置了横向减振器 抗蛇行减振器和抗侧滚装置 图 3s t o g 列车导向结构 图1 4k e r f 型动车及拖车转向架 1 2 3ljr e x 动车组 l i r e x l i g h ti n n o v a t i o nr e g i o n a le x p r e s s j 由阿尔斯通l h b 公司和德国铁路部门及 萨克森 安哈尔特州合作开发 由德国车辆技术公司组装 l i r e x 动车组中所装备的转向 架与上述k e r f 型单轴转向架仅有少许微小的局部差异 为了消除当中特定频率的振 动 该车组采用了具有较柔软弹簧的转向架 这种方法可以大幅度的改善运行品质 减少磨耗和冲击 此外 为了保证转向架能够具备良好的径向功能 车体在与转向架 之间设置了主动装置 l i r e x 为 贯通型低地板动车组 为了满足低地板要求 动力装置及辅助装置全都布 置于车顶 为了减重和降低噪声 所有的动力装置采用水冷却 六节车编组的列车有 两个直径为8 0 0 m m 的飞轮 飞轮可以存储制动时产生的能量 这些能量可用来加速牵 引 停车时为辅助设备供电等 l i r e x 试验车组两端的动力箱由1 台柴油机和永磁体三 相同步发电机组成 发电机质量和体积仅为传统发电机的一半 l i r e x 车组转向架均采 用单轴转向架 分为动力单轴转向架和非动力单轴转向架 动力单轴转向架通过悬挂 于转向架构架上的电动机来驱动 可适应各种不同工作环境下传动比的要求 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图l 5l i r e x 高速列车转向架 1 2 4in t e g r ai 电动车组 由奥地利j e n b a c h 公司开发的i n t e g r a l 型内燃电传动车组采用了带有径向主动控制 技术的单轴转向架 车辆通过曲线时 首先通过相应传感器测得相邻两车之间的转角 将此转角输入控制装置 然后安装于车体与转向架构架之间的装置动作 推动构架 使得转向架趋于径向位置 i n t e g r a l 型内燃电传动车组转向架结构如图1 6 每个转向架均安装了四个小型空 气弹簧 与传统转向架将空气弹簧布置在构架中央相比 该单轴转向架的四个小直径 空气弹簧均位于端梁和横梁连接处 使得转向架结构的稳定性相比传统转向架有所提 高 另外 也使得传统转向架由于空气弹簧位于构架中央 导致空气弹簧与轮对的横 向间距过小 而空气弹簧横移量受限的问题得到了解决 i n t e g r a l 型内燃电传动车组牵 引机构采用了双侧牵引拉杆连接 用来传递纵向载荷 此外 在车体与转向架间还专 门安装有一套限制转向架构架点头振动的定位机构 其原理与抗侧滚扭杆类似 纵向 安装于构架两侧 以改善车辆垂向性能 c 一系人字型糠胶弹簧牵引拉杆抗倒霞穗定器铝台金例动盘径向导向期动i 莨压量二 图1 6i n t e g r a l 型内燃电传动车组转向架 由于二系悬挂的横向间距较小 装用了抗侧滚扭杆装置 一系悬挂采用了人字型 叠层橡胶弹簧 每轴设有两个铝合金制动盘 其夹钳装置安装在构架端梁上 对于驱 动轴转向架 通过联轴结将驱动扭矩传递至车轴 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 5n s bc l a s s7 2 型电动车组 n s bc l a s s7 2 型电动车组装用了如图1 7 所示的耦合机构 该耦合机构可在通过 曲线时 仅起到导向的作用 而不影响转向架其他方向的运动 7 1 弋毒焉 勤 图1 7f e b a 型祸合式单轴转向架 设计的转向架原型样机中f e b a 单轴转向架主要由c h e v r o n 橡胶弹簧组成一系悬 挂 二系悬挂由带有附加气室的空气弹簧形成 样机仅安装两个制动盘 即可提供车 辆必要的制动力 纵向力由两个纵向牵引杆传递 牵引杆安装于构架端部与车体之间 同时牵引杆可用于抑制转向架构架的点头振动 为对车体和转向架构架间的横向振动 进行缓冲 并限制两者之间过大的横向位移 在车轴上方安装有两个橡胶止挡 横向 减振器 垂向减振器和抗蛇行减振器用来保证车辆良好的动力学性能 为验证该样机的动力学性能 对前文所述两台f e b a 原型转向架在试验线路上进 行了大量的动力学试验 试验车辆车体采用两辆缩短改造的瑞士联邦铁路 s b b 的 客车 两车之间通过短车钩进行连接 并将两车支承于中间的f e b a 耦合转向架上 车组端部装用传统的两轴转向架 如图1 8 所示 试验通过评价轮对冲角 径向角等指 标 证明这种耦合转向架具有优秀的动力学性能 特别适用于多曲线的路段 图1 8f e b a 型耦合式单轴转向架试验车辆 而后 f e b a 型耦合单轴转向架首先应用于挪威国营铁路7 2 型电动车组 如图1 9 所示 该车为a n s a l d o b r e d a 和庞巴迪提供的通勤车组 四车编组 商业运行速度为 1 6 0 k m h 前后车体连接处支承于f e b a 型耦合式单轴转向架上 车组两端的两轴动力 转向架为传统两轴转向架 不同的是采用了柔软的一系悬挂 即动力转向架也具有较 好的曲线通过性能 嘎 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 气 稿合单轴转向絮舳a 7 图1 9 4 车单元的挪威铁路7 2 型动车组 半列 实际运用的单轴转向架在转向架原型样机上有所改动 实际运用的转向架每根车 轴上装有三个制动盘 同时在构架和车体间加装抗侧滚扭杆装置 一系悬挂仍采用 c h e v r o n 橡胶弹簧 构架主要包括两横梁和两纵向侧梁 且均为空心梁断面结构 低位 横梁朝向车体外侧 其上装有耦合装置安装座以及抗侧滚扭杆装置 高位横梁靠近车 体内侧 其上装有牵引杆座 制动杆座 横梁空腔可作为小半径空气弹簧的附加气室 小半径空气弹簧的上盖与车体连接 其上面装有二系垂向减振器 二系横向减振器 抗蛇行减振器以及抗侧滚扭杆安装座 另外为防止车体与转向架之间的横向位移过大 在单轴转向架构架中央 制动盘上方 设有横向止挡 2 0 0 0 年秋 第一列n s b 7 2 型电 动车组在挪威线路上进行了动力学试验 试验结果与理论分析基本符合 都处于相关 规范限度范围内 证明该车良好的运用前景 1 3 耦合式单轴转向架特点 1 3 1 单轴转向架车辆特点 单轴转向架车辆具有节能 改善曲线通过性能 降低噪声 降低车辆自重等特点f 8 1 1 节能 列车所受到的运行阻力与运行速度有着公式1 1 中的关系 参考相关的运行阻力计 算公式 因此可得到列车运行阻力的计算如下 f r 8 0 4 2 2 0 1 3 l 1 2 5 3 2 4 x 1 0 2 l r v 2 1 1 式中v 为列车运行速度 三 为列车长度 刀 为列车车轴总数 由上述公式可以看出 如果我们减少列车轮对的数量的同时 而又缩短列车的总 长度 那么势必可以降低车辆运行时的阻力 从而提高能源的利用效率 而装用单轴 转向架的车辆一般都采用短而宽的车体 同时单轴转向架车辆采用铰接连接或耦合机 构连接 也减少了车轴数量 从而达到了降低车辆运行阻力 实现节能的目的 2 改善曲线通过性能 传统两轴转向架的两个轮对由于刚性构架的约束 在通过曲线时 前轮对冲角为 正 后轮对冲角为负 即两轮对展开不足 很难实现完全径向 容易导致轮轨磨耗的 加剧 而单轴转向架没有刚性构架的约束 相对更易实现径向 而通过耦合机构连接的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 单轴转向架 如f e b a 转向架 当选择合适的耦合刚度 转向架即可在耦合力矩和二 系悬挂力矩的作用下达到平衡 纵向蠕滑力减为零 降低了轮轨磨耗 3 降低噪声 在车辆的实际运行过程中 噪声的主要来源是轮轨之间 减少单轴转向架轮对的 数量 就可直接减少噪声的产生源 我们以哥本哈根投入运营的s t o g 电动车组为例来 说明这一点 通过减少单轴转向架轮对后的第四代列车 其轮轨噪声比s t o g 早期产品 下降了1 8 d b 同时因为这种新型转向架优良的曲线通过性能 因此车辆通过曲线时轮 轨之间的啸叫噪声也得到了降低 第四代s t o g 电动车组成为当前噪声最低的车组之 一o 4 降低车辆自重和运营成本 轮对质量在车辆的整体质量组成比例中 占着十分大的比例 所以如果减少轮对 的数量 那么肯定可以明显 直接降低整车的重量 同时 降低车辆维护成本 减少 车辆检修维护工作量也是车辆设计相关人员所应达到的设计目标 而且 从实际的运 营经验分析 对车辆的大部分日常维护都是与轮对相关的 因此 在不影响车辆运行 性能的前提下 装用单轴转向架 使得轮对数量减少 有利于维护成本的降低和检修 工作量的减少 1 3 2 耦合机构特点 由于单轴转向架缺少约束而形成的不稳定性 为了使单轴转向架车辆有更好的曲 线通过性能 使前后轮对都能趋于径向位置 用具有一定刚度的耦合机构将前后两辆 车的单轴转向架耦合起来是一个最好的选择 分析如下 2 图1 1 0 a 两轴转向架 b 单轴转向架 c 耦合单轴转向架曲线通过情况示意图 图l 一1 0 a 为传统两轴转向架过曲线时的两个轮对的冲角示意图 由于受刚性构 架的约束 轮对i 冲角通常为正 而轮对i i 冲角通常为负 也就是说 轮对i 轮对 i i 两轮对间径向角过小 图1 1 0 b 为两个单轴转向架过曲线时的轮对的冲角示意图 i 位 i i 位轮对结 构独立 并不是通过构架连接 轮对i 位于前车后端 轮对i i 位于后车前端 轮对i 冲角通常为负 而轮对i i 冲角同样为负 也就是说 轮对i 轮对i i 两轮对间缺少约 束 径向角过大 1 3 1 7 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 两轮对间的径向角不论是过大还是过小 都是不利于车辆曲线通过的 图1 1 0 a 中 传统两轴转向架两个轮对间的径向角过小 是因为两轮对通过刚性的转向架连接 之间约束过大 图l 1 0 b 中 两单轴转向架间的径向角过小 是因为两单轴转向架 之间没有通过其他方式连接 图1 1 0 c 中 耦合式单轴转向架可根据前两者之间的 特点 选择一个折中方案 即将两个单轴转向架通过一个耦合机构连接起来 当选择 一个合适的耦合刚度 就可以使得两个单轴轮对间径向角适当 正好趋于径向位置 这也是本文要研究的重点 1 3 3 单轴转向架缺点 由于车体自身结构的不同特点 使得单轴转向架具有如下缺点 车轴数量的减少 肯定会导致轴重的增加 尤其是城轨车辆 由于具有较高的载 重 自重比 所以在超员满负荷载的情况下 使得轴重很容易超过2 0 吨 单轴转向架在结构上是不稳定的 为使牵引拉杆仅提供牵引力 为防止转向架点 头 应安装有稳定杆 如果设计不当 单轴转向架动力学性能就会较差 如果遇到轨道不平顺的路段 则其振幅响应肯定会比常规两轴转向架要大很多 如图 对于同样的激励 单轴转向架振幅要大一些 因此单轴转向架平稳性比常规转 向架要差一些 图l 1 l 构架对轨道不平顺的振幅响应 1 4 本文主要工作 在本文第一章首先简单介绍国外运用的一些单轴转向架车辆 然后对耦合式单轴 转向架和耦合机构进行整体设计 确定主要结构参数 对耦合机构进行详细研究 运用s i m p a c k 动力学仿真软件建立耦合式单轴转向架车辆的仿真模型 根据 g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 计算车辆各项动力学性能指标 采用了可变参数的方法 通过观察车辆动力学性能指标的持续变化 对各项参数 进行了优化 最终得到最优的参数组合 基于上述优化后得到的转向架参数 对耦合式单轴转向架车辆动力学性能进行总 体分析 将单轴转向架轮对和传统转向架轮对性能进行比较分析 得出相应结论 一 一 一f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章耦合式单轴转向架总体设计 本文所要分析的两辆编组耦合式单轴转向架车辆如图2 1 所示 车体前端采用传统 两轴转向架 车体后端采用耦合式单轴转向架 前车单轴转向架和后车单轴转向架通 过耦合机构进行连接 本章对单轴转向架及耦合机构进行整体设计 r r 1r n j 十十 一1 一i1 1 l i i i i i i 一 土f 一 f 4 f 阜 l i i 一 一 v i 轴v 轴i v 轴i i l 轴i i 轴i 轴 图2 1 两辆编组耦合式单轴转向架编组形式 2 1 耦合式单轴转向架结构特点及技术参数 根据上一章对国外单轴转向架车辆的介绍分析 本章设计的耦合式单轴转向架也 主要由单轴转向架构架 单轴轮对轴箱装置 二系空气弹簧悬挂 牵引装置 基础制 动装置 车体定位杆等组成 初步设计中 设定一系轴箱弹簧装用锥形橡胶弹簧 二 系悬挂装置采用小半径空气弹簧 二系横向液压减振器 二系垂向液压减振器 抗蛇 行减振器及横向止挡等 牵引装置采用低位牵引拉杆 基础制动装置制动方式采用轴 盘制动 车体定位杆采用双侧定位杆方式 耦合式单轴转向架主要技术参数如表2 1 所示 表2 1 单轴转向架主要的技术参数 最高试验速度 k m h 1 6 0 最高运行速度 k m h 1 2 0 轨距 m m 1 4 3 5 轴重 t 1 6 转向架自重 t 3 5 车轮轮径 m i l l 新轮8 4 0 磨耗到限7 7 0 车轮踏面 l m 磨耗型踏面 可通过最小曲线半径 正线连挂 m 1 2 5 单车调车 1 1 1 1 0 0 限界 符合g b1 4 6 8 3 标准规矩铁路机车车辆限界 强度 符合t b t13 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 动力学性能 符合g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 耦合式单轴转向架总体设计 2 2 1 构架 转向架构架要承受车体及轮对传递来的各种载荷 因此在设计过程首先要保证其 强度的可靠性 其次是采用合理结构 以降低构架重量 从而降低车辆整体重量 转 向架构架常见结构形式有铸钢结构和焊接结构等 城市轨道车辆一般都采用焊接结构 方式 焊接结构自重较小 强度高 焊接变形小 在轻轨车辆中得到了广泛应用 本文设计采用的焊接构架主要由侧梁 端梁组成 均采用箱形梁断面 构架长度 比常规两轴转向架短 侧梁中央上盖板为二系弹簧座的安装面 下盖板为轴箱弹簧安 装面 端梁中部下凹便于安装低位牵引拉杆及耦合机构 焊接构架的材质采用强度等 级较高的q 3 4 5 图2 2 即为按照所绘制构架图 运用相关软件建立的三维模型 在图中可以看出各 个减振器座 j 卜挡 牵引扣杆等具体安装位置 图2 2s o l i d w o r k s 构架建模图 该转向架构架为 口 字型整体焊接构架 主要由侧梁 端梁 制动装置夹钳吊 座 减振器安装座 牵引拉杆座和车体定位杆安装座等组成 侧梁为采用1 2 m m 厚的 上盖板 1 4 m m 厚的下盖板和1 0 m m 厚的腹板组焊成的箱形结构梁 侧梁的两端设两 空气弹簧座 侧梁的外侧设有抗蛇行减振器座和一系垂向减振器座 端梁也为采用 1 2 m m 厚的上盖板 1 4 m m 厚的下盖板和l o m m 厚的腹板组焊成的箱形结构梁 内端梁 上焊接有横向止挡座 制动吊座和牵引拉杆座等 外端梁上焊接有车体定位杆座 在 端梁内部适当位置布置有筋板 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 端梁中间下凹有利于低位牵引拉杆的安装 以及耦合机构的布置 在图2 2 中可看 出牵引拉杆 定位杆及制动装置对称分布在两端梁上 2 2 2 一系悬挂装置 一系悬挂装置主要包括轮对 轴箱 一系轴箱弹簧等 设计过程中应选择质量较 小的轴箱定位方式 因为控制簧下质量 可保证优秀的车辆动力学性能 及较低的轮 轨作用力 另外 应尽可能选用结构简单及磨耗低的定位方式 以方便日常检修作业 本文所研究的耦合式单轴转向架应用在城市轨道车辆上 城市轨道车辆必须考虑 轮轨噪声的问题 国内外使用较多的轮对有传统轮对及橡胶车轮等 橡胶弹性车轮具 有优秀的降噪作用 因此在很多国外轨道车辆得到了应用 但是弹性车轮制动方式较 为复杂 不能采用传统的踏面制动和盘形制动 而且当弹性车轮轴重大于1 2 t 时 因为 橡胶强度的限制 导致轮对结构更为复杂 另外 消声车轮以及小直径车轮也可起到 降噪的作用 根据前文的分析可知 车辆运行噪声主要来自轮轨之间 单轴转向架已 将车组轮对数量大大减少 因此单轴转向架车辆已可基本满足车辆轴重 运行以及降 低噪声的要求 本次设计中采用传统 8 4 0 l m 型磨耗型踏面车轮 目前应用在城市轨道车辆上较为广泛的轮对轴箱定位方式有 1 转臂式轴箱定位 2 圆锥形橡胶堆轴箱定位 3 人字型橡胶堆轴箱定位 其中 转臂式定位方式的定位转 臂的两端分别与轴箱体和构架相应安装座相连 连接节点均采用橡胶弹性节点 使得 轴箱与构架之间可产生较大的相对垂向位移 同时改变轴箱内部结构可使得轴箱纵向 横向定位刚度均达到相应要求 人字型橡胶堆轴箱定位其定位方式结构简单 而橡胶 堆因为其阻尼特点 承载能力相对较大 可对高频振动进行有效吸收 但同时由于其 一系悬挂刚度由橡胶堆提供 因为橡胶堆非线性的特性 以及橡胶老化的原因 导致 了这种定位方式的不稳定性 相比以上定位方式 圆锥形橡胶堆轴箱定位具有结构简 单 质量轻 磨耗低 可有效吸收高频振动等特点 但同时也有纵向定位刚度和横向 定位刚度的耦合较强 承载能力小等缺点 单轴转向架因为结构的特殊性 选择定位方式时 应首先考虑其定位要求 其次 优先考虑结构简单 磨耗低及质量小的定位装置 本文初步设计中采用圆锥叠层橡胶 弹簧定位 锥形橡胶弹簧初步设计参数如下 一系纵向刚度 2 4 5 m n m 每轴箱 一系横向刚度 2 x 3 6 m n m 每轴箱 一系垂向刚度 2 0 7 5 m n m 每轴箱 一系垂向阻尼2 5 0 k n s m 每轴箱 2 2 3 二系悬挂装置 二系悬挂装置主要包括空气弹簧 垂向液压减振器 横向液压减振器 抗蛇行减 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 振器 横向止挡等 单轴转向架和传统两轴转向架的二系悬挂结构基本类似 因为城市轨道车辆在空 车工况 重车工况下 车钩高度 车辆限界及车辆载荷都会发生变化 基于传统转向 架的设计经验 只能通过改变二系悬挂参数来改善车辆的横向平稳性和垂向平稳性 目前 城市轨道车辆转向架的二系悬挂通常采用空气弹簧和串联应急弹簧组合使用的 形式 欧洲的城市轨道车辆转向架则采用二系空气弹簧和二系垂向液压减振器 而日 本的城市轨道车辆转向架则装用具有非线性尼特性节流孔的二系空气弹簧 本文设计 即采用空重车变刚度空气弹簧的设计方式 客车转向架为了提高蛇行稳定性 一般都安装抗蛇行减振器 耦合式单轴转向架 耦合机构即可提供一定的横向刚度 提高车辆临界速度 但耦合机构连接方式简单 为保证耦合机构失效时车辆的稳定性 可装用抗蛇行减振器保证安全 传统城市轨道车辆通常都装有横向止挡及抗侧滚扭转装置 可使得车体的横向位 移和侧滚角位移保持在一定范围内 当车辆在小半径曲线上运行 车体和转向架产生 相对横向位移时 车体及转向架间的横向止挡通过挤压而产生作用力 橡胶结构的弹 性止挡具有非线性的特点 当横向相对位移较小时 弹性力小幅度的线性增加 当横 向相对位移过大时 止挡座间刚性接触 横向力此时较大 横向止挡以上特点可用以 缓解转向架与车体之间的冲击 抗侧滚装置是用来避免小半径曲线上车体过大的侧滚 角位移 因为本文单轴转向架设计速度不高 本文所设计单轴转向架不装用抗侧滚扭 杆装置己可满足车辆相关动力学性能要求 本文初步设计中 在构架两侧架的中央各安装一个空气弹簧 空气弹簧初步设计 参数如下 二系纵向刚度 0 1 9 5m n m 每侧 二系横向刚度0 1 9 5m n m 每侧 二系垂向刚度0 3m n m 每侧 2 2 4 牵引装置及定位杆 1 车体定位杆 由于单轴转向架结构的特殊性 且定位方式的选择使得构架与轮对之间仅有两个 支点 因此运行过程中容易导致点头振动的产生 为此必须在适当位置布置定位杆 通过车体和构架之间的定位杆来衰减点头振动 同时不能对转向架在水平面内的摇头 造成影响 国外应用较为成功的定位杆结构形式有以下几种 丹麦市郊s t o g 电动车组在k e r f 型转向架中央装用了单定位杆 定位杆一端安装 在车架底部相应位置 另一端安装于构架一端 定位杆连接都为球形铰连接 这种连 接形式使得定位杆可在水平面内自由转动 保证对转向架的回转及牵引不产生影响 因为定位杆球形铰扭转刚度和定位杆本身弯曲刚度的原因 定位杆在垂直平面有着弯 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 曲刚度 其中球形铰的铰接刚度是定位杆效能的关键所在 奥地利i n t e g r a l 内燃电动车组则装用双定位杆 其原理与抗侧滚扭杆装置基本相 似 区别为双定位杆将之纵向安装 其中 纵向扭杆安装于轴箱正上方的车架安装座 上 扭杆端部通过轴承固定在车架上 扭杆中部装有两根横向布置的扭臂 扭臂通过 连杆连接在构架上 连杆一端与扭臂相连 另外一端与构架侧架连接 整套定位杆装 置所有连接位置都为关节轴承 车辆运行时 该装置仪衰减构架的点头振动 对构架 相对轴箱的沉浮运动不产生任何影响 由以上定位杆的实际应用可知 车体定位杆仅应起到约束构架点头运动的作用 不应有纵向牵引的功能 因此可知定位杆如果设计不当会导致车辆动力学性能的恶化 双侧定位杆方式与车体有两个定位节点 当构架有点头运动时 前后连杆往相反 方向运动 带动扭杆旋转 扭杆产生的反向力矩抑制定位杆的运动 从而达到抑制构 架摇头运动的作用 只要控制好定位刚度即可起到较好效果 且不会影响到构架的摇 头和纵向牵引 本文设计中即采用转向架双侧定位杆方式 2 牵引杆 转向架的设计中 对牵引装置的设计有以下几点要求 传递纵向制动力和驱动力 而且不能影响转向架与车体间的横向运动和垂向运动 牵引装置在纵向应具有合适的 弹性 用以缓解因为转向架点头振动或车轮载荷分布不均等引起的转向架纵向上的振 动 牵引装置应结构简单 便于转向架与车体间的连接和分离 国 内外城市轨道车辆牵引方式应用较广泛的有单拉杆牵引方式 中心销牵引方 式 z 字型双拉杆牵引方式等 其中 中心销牵引结构主要包括中心销 牵引销座 橡胶堆等 这种牵引方式的原理是通过橡胶的变形来补偿转向架与车体间的相对运动 中心销连接位置不能承受垂向的载荷 因此中心销可相对于牵引销座作垂向运动 车 辆曲线通过时 车体与转向架间可绕中心销相对转动 z 字型双拉杆牵引结构主要包括转臂 拉杆 牵引销等 转臂及两个拉杆z 字型排 布 安装于车体中心的牵引销通过牵引座 双拉杆连杆传递纵向牵引力和纵向制动力 两拉杆一端与牵引座连接 另一端与转向架构架横梁拉杆座连接 所有连接均为无磨 耗的橡胶球铰 z 字型双拉杆的牵引方式特点为横向附加刚度和垂向附加刚度较低 起 到提高车辆横向动力学性能和垂向动力学性能的作用 并可实现无磨耗牵引以及无间 隙牵引 单拉杆式牵引方式结构最为简单 拉杆两端分别与构架牵引座和车架底部牵引座 相连 所有连接也均为磨耗较低的橡胶球铰连接 这种牵引方式中牵引拉杆可相对于 牵引座相对转动 并缓冲构架与车体间的振动 因为单轴转向架结构的特殊性 其结构中没有心盘 摇动台 摇枕 且转向架中 仅存在一个轮对 中心销牵引和z 字型拉杆牵引无法装用到单轴转向架上 因此仅有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 单拉杆或双拉杆牵引两种方式可供选择 本文初步采用结构较为简单的单拉杆牵引方式 且与定位杆位于构架同一侧 可 附加起到抑制构架摇头的作用 提高车辆的曲线通过性能 2 2 5 基础制动装置 城市轨道车辆因为其应用特点 它的制动减速度一般都较高 额定载员这种情况 下 列车常用的制动减速度通常为1 o m s 2 常用的紧急制动减速度通常为1 1 1 2m s 2 因为城市轨道线路的公交化 站间距离通常为l k m 左右 通常运行速度为7 0 8 0k m h 为保证车辆的乘坐