转向架设计的思考方法及新的尝试.pdf

文章编号 1002 7610 2008 04 0012 04 转向架设计的思考方法及新的尝试 城取 岳夫 等 日 摘 要 介绍了转向架设计中所考虑的主要问题 以及如何处理系统中的平衡关系 同时阐述了利用计算 机进行转向架辅助设计的 3 种新方法 关键词 转向架 设计 日本 中图分类号 U270 331 文献标识码 B The Thinking Method for Design of Bogies and New Attempts 城取 岳夫 et al Japan Abstract Described are main problems considered in design of bogies and how to deal with the balance relations in the system In the mean time three new CAD methods for design of bogies are expounded Key words bogie design Japan 1 概述 本文首先说明铁道车辆转向架设计中应考虑的主 要问题 然后 以运动特性为例 介绍在转向架设计中 所进行的新尝试 即利用计算机选择设计方案的新方 法 设计转向架时 除了考虑强度特性外 还应考虑车 辆的运动特性 2 转向架设计中考虑的主要问题 转向架设计中应考虑的主要问题包括 1 脱轨安全性 要求铁道车辆在小半径曲线上低速运行时不至于 脱轨 应计算出脱轨系数的临界值 以确定轴箱垂向定 位刚度等参数 所谓脱轨系数 就是利用车轮横向作 用力求出的相对于脱轨的安全裕度值 其中 车轮横 向力是根据轮缘角等车辆技术参数计算得出的 1 2 抗倾覆安全性 要求采用对抗倾覆来说具有足够安全性的倾覆临 界值计算公式 2 以确定轴箱垂向定位刚度及车体的 垂向支承刚度 收稿日期 2007 07 10 3 蛇行运动稳定性 蛇行运动是由于铁道车辆的车轮踏面带有斜度而 产生的现象 要合理确定轴箱纵向 横向定位刚度以及空气弹 簧横向刚度 以保证车辆在正常运营速度范围内不至 于发生蛇行失稳现象 4 横向力 所谓横向力是指车轮沿横向挤压钢轨所产生的 力 一旦横向力增大 有时会引起钢轨扣件脱落 失 效 另外 还会降低车辆的曲线通过性能 并加剧车 轮与钢轨的磨损 因此 为保证轮轨间具有较小的横 向作用力 应慎重选取轴箱的纵向 横向定位刚度 以 及空气弹簧纵向刚度 抗蛇行减振器的阻尼系数等参 数值 5 车辆限界 一旦车辆位移超过车辆限界尺寸 将引起车辆与 建筑物的干涉 因此 既应考虑横向止挡的间隙 还要 保证空气弹簧的横向刚度及横向橡胶止挡的刚度值不 能太小 6 零部件之间的干涉 零部件的容许位移 不仅应该注意车辆与建筑物的干涉 而且还应该 注意车辆各零部件之间的干涉 此外 要使电动机与 其他参考文献略 彭惠民 译自 鉄道車両 技術 121 15 20 陈 海 校 12 结构 设计 齿轮装置之间的弹性连接 弹性联轴节 等 不超过零部件的容许位移 应该使轴箱的 垂向定位刚度取较大的值 7 车站站台阶梯差 从无障碍要求来看 也必须满足站台 阶梯差容许值要求 方便旅客上下 特别 是通勤电动车 由于空车与满员时的质量 差别较大 所以 如果轴箱垂向刚度过低 当车辆满员时 车体便会下沉 致使车门与 车站站台的阶梯差加大 8 乘坐舒适度 乘坐舒适度必须良好 因此 除了满 足上述 1 7 项的要求外 还应选定满 足乘坐舒适度良好要求的弹簧刚度以及减 振器阻尼系数 3 有待协调处理的关系 满足上述 1 8 项要求的技术参数 往往是矛盾的 这就需要协调处理彼此之 间的关系 转向架设计的难处就在于处理 好这些互相协调的关系 因为如果满足一 方面的要求时 另一方面的要求就可能不 能满足 例如 如果使空气弹簧横向刚度 及横向橡胶止挡的刚度取的较低 则乘坐 舒适度较好 但当车辆通过曲线时 抑制车 体由于离心力导致车辆朝曲线外侧移动的 力就变小 所以 车辆就会超出车辆限界 另外 为了提高抗蛇行运动稳定性 就应当 增大轴箱的纵向 横向定位刚度 但这会导 致轮轨横向力增大 设计人员应该一方面 协调处理好必须考虑的关系 同时应综合确定各方面 评价为最优的技术参数值 将上述问题大致归纳为垂向系统以及横向系统的 协调关系问题 图 1 图 2 而且 由于运行区间等的限制 还必须附加考虑问 题的优先顺序以及容许限度 4 转向架设计的新尝试 在转向架设计中 为满足应考虑的多种要求 就 需要确定很多技术参数 以往 确定这些技术参数 时往往根据经验 反复计算 直至找出完全达到应该 考虑指标的技术参数 事实上 可以考虑能否用计 算机完成这类复杂的设计计算 到目前为止 已经 尝试了几种方法 比较了其优 缺点 下面作一简单 介绍 4 1 基于线性加权和评价函数的协调处理 之所以称为线性 是指参数能够形成比例关系 通过构造与横向力成比例 评价为很差的函数 以及与 横向振动舒适度成比例 评价为很差的函数 并进行加 权处理 根据加权之和来评价计算机设计方案 将最优 解作为最终选定方案 加权过程中 通过比较横向力 与横向振动舒适度 决定对哪一方面加权多少 并予以 调整 公式 1 为评价函数 该式用于测定设计方案的 低劣程度 所以 该值小表明是良好的设计 评价 w 横向力的计算结果 1 w 横向振动舒适度的计算结果 1 式 1 中 w 加权值 最初 为确定加权值 研究了改变加权值时 稳态 横向力及横向振动舒适度随加权值的变化情况 图 3 13 转向架设计的思考方法及新的尝试 城取 岳夫 等 日 图 4 由此进行加权 对于评价极端低劣的情况 就 可以确定相应的裕度 0 7 左右可判定为良好 使用 大型计算机 上述工作只需几十分钟时间 4 2 根据希求水平进行协调处理 上述基于线性函数的评价简单明了 但有时候 为使函数线性化 如果稍微改变加权值 则选定结果可 能会发生很大的变化 为了改正这种情况 可以采用 比线性函数复杂的其他函数的方法 此外 不是根据 对选定结果进行尝试处理而确定加权 而是提出一种 方案 即根据对要求达到何种程度 称为希求水平 来 确定加权值 3 该方法已成功应用于确定空气弹簧的 横向刚度及横向减振器的阻尼系数等 采用的评价函 数见式 2 该评价函数测定 未完成率 将第 2 种运动特性 的计算结果描绘成曲线的 y 坐标 这种方法 预计需 要大量的计算时间 所以 必须在计算方法方面下功 夫 以缩短计算时间 在开展研究工作的第一阶段 对 计算全部供选择设计用运动特性到底需要多长时间进 行了研究 以图 7 给出的功用图为例 将转向架蛇行失稳临 界速度的计算结果作为 x 坐标 将曲线通过性能的目 标值 即稳态横向力的计算结果作为 y 坐标 转向架 14 国外铁道车辆 第 45卷第 4 期 2008 年 7 月 蛇行失稳临界速度高的评价结果为好 而稳态横向力 低的评价结果为好 所以 图 7 中右下方的曲线称为好 的设计方案 处于曲线 描点 群右下方边界的曲线称 表 1 转向架设计过程中计算机辅助方法的比较 优点缺点 基于线性加权和评价函数的协调处理评价函数简单加权值选定有问题 基于希求水平的协调处理加权值选定较容易不能比较 研究各设计方案 基于功用图的协调处理能比较 研究各设计方案需要大量计算时间 为良好评价的组合 这在最优化 理论上称为帕雷托 Pareto 最优 解 如果比较该曲线的邻近曲 线 则曲线上 1 个计算结果比邻 近曲线上点的计算结果好 而另 一计算结果比邻近曲线上点的计 算结果差 其优劣程度非常容易观察出来 也容易进行 协调处理 另外 在目前考虑的技术参数值范围内 到 底是不是获得良好评价也能一目了然 图 7 对应于 1 440 个技术参数的组合 分别计算蛇行失稳临界速 度及稳态横向力 使用大型计算机需耗时 2 h30 min 图 7 转向架蛇行失稳临界速度与稳态横向力的功用图 为了缩短计算时间 应该提高 CPU 的运算速度 也可以利用多个 CPU 通过并行处理等方式 大幅度 提高计算速度 表 1 列出了 3 种方法的比较结果 5 结束语 本文介绍了利用计算机进行转向架方案设计的 3 种方法 关于转向架设计的新尝试 在计算时间及可 获取技术信息方面 各有优 缺点 将来 设计人员可 以根据需要进行选择 参考文献 刘阳春 译自 RRR 2006 2 22 25 刘宏友 校 法国国营铁路展示其双制式 AGC列车 由香槟 阿登大区 交通管理局及车辆制造商共同 举办的一个特别活动上 法国国营铁路 SNCF 展示 了由庞巴迪公司生产的内燃 电动双制式 AGC 列车 这种列车可以同时在内燃动力以及直流 1 500 V 和交流 25 kV 制式下运行 这就意味着该类型列车 实际上可以在法国任何地方运行 且能在运行过程中 变换动力模式 SNCF 将把这些混合动力 AGC 列车 投放到巴黎 特鲁瓦 Culmont 之间的香槟 阿登大 区线 以及另一条 Culmont 圣迪迪耶 维特里线上 运行 梁 洁 提供 李 莉 校 Rhine Neckar运输公司向庞巴迪追加订购轻轨车 德国交通运营商 Rhine Neckar 运输