抗侧滚扭杆对地铁车辆动力学性能影响的研究

抗滚扭对铁车动学性影的研究抗滚扭对铁车动学性影的研究鑫,罗辉,马华西南交大学牵动力国家点实验室,四川都610031)摘要:国内外部分高速车转向架和地铁车辆转向架均采用了抗侧滚扭杆装置,以有效抑车体侧滚角,降车辆的柔系数但是,抗滚扭杆对他动力学标的影响被忽视过立某地铁辆的动力模型,仿真计算析了车辆以80m/h行时,抗侧滚扭对车辆运平性及车辆过曲线时柔度系数倾覆数脱轨系数的影响结果表明,抗侧滚扭杆装置虽然降低车辆度系数有著作用,但对车运行平稳和车辆通曲线时的覆系数脱轨系都不利影响因此,对于地铁辆和中低城轨车辆,应综考虑二系挂的特性再决定是采抗侧滚扭装置。关键词:地铁辆;侧滚扭杆;动学;响中图分号:U27.1+1文献标识码:A文章编号:10031820(2011)04000504了抗滚装置。增设抗侧滚装置后可近似认为转向架相对体生侧滚运的自由度受很大约束,当线路水不顺较大时,转向一侧抬高将对车体产生较大激扰,有可能影响车体平稳性和曲线通过性能。抗侧扭杆装置对车辆的动力学影响的不利方面以的研究中见报道,本文就此问题进行了重点研究。代地铁和轻轨车辆通常采用相对柔软的二系垂悬挂装置[1],提高车辆运行平稳性和旅乘舒适度是,体的侧滚振动角刚度也随之变相对柔软,降低了车辆的抗侧滚刚度,导致运行的车辆车体侧滚角角位移增大当车辆通过曲或道岔时,侧滚运动尤为显著,严重时导致体外形轮廓出限界,影响车辆运行安全因此,需要设计出既能保证车辆具有良好的振动性能又能提抗侧滚性的转向架采取的措施之一是垂向刚度不变的情况下尽量增大中央悬挂装置气弹簧的横向间距,以增大其角刚度,从而高侧滚性能但是,由于受到转向架结构及车限的限制,二系空弹簧的横向间距的增大将到种限制[1,2]采取的措之二是在向架中央悬装置中设置抗侧滚扭杆从国内外客车转向架,尤其高速客车转向架的结构来看,大部分向都安装有侧滚扭杆装置,我国几种形式的高速高客车及某地铁车辆转向架也都采用1抗侧滚扭杆装置的作用原理抗侧滚扭杆装置主要由扭杆扭臂连杆组成[2,3]扭杆的两分别与左右扭相连,且相对向构架可自转动,转向架一侧连杆的两端分与侧扭臂和体底架铰接,利用扭杆的扭转变形起扭转弹簧的作用当车体相对转向架发生侧滚时,左右两根连杆发生相反方向的垂向相对位移,左右扭臂对于扭杆施加相互反向的力矩。于杆本身扭刚度很大,所以可能产生的扭转变形很小抗侧滚扭杆装置作用原理如图1所示中T为体侧滚时臂产生的矩,M为车体侧时扭杆产的扭转力矩。车体发生浮和点头动时,扭杆绕横向水轴对构架发不受约束的转动;当车体发生横修稿期:2010-09-20者介:梁鑫(1984—),男,山东临沂人,博士研究生。燃机车2011年6过于化。侧滚装置制车体相转向架的侧滚角,使得车在曲线通过时对不平顺或超高顺坡非常敏感从根本上善曲线通性能,燃机车2011年6过于化。侧滚装置制车体相转向架的侧滚角,使得车在曲线通过时对不平顺或超高顺坡非常敏感从根本上善曲线通性能,必须根据各车的悬参数优化抗侧滚装置的扭杆刚度一般情况下,抗侧扭杆的刚为.5.5m/a。3抗侧滚扭杆装置的频率响应函数侧滚扭杆装置约束了车体相对转向架一侧抬起振动当路存在不顺时,此种约束对车体的滚振动将起到有效的限制作用对装有抗侧滚杆的车辆立振动力模型,如图2所示。图1抗侧滚扭杆装置作用原理图摆摇头以伸缩振动时,主要通过连杆的摆动和扭杆无约束微小转动补偿车体与转向架间的相对运动。2抗侧滚扭杆刚度体的抗侧刚度[2,3]是体相对转架侧滚位度所需要力矩,车辆的抗侧滚刚度由车体相对后两个转向架抗侧滚刚度并联得到车体的抗滚刚度包括扭杆自身的扭转刚度和二系空气弹悬挂装置的抗侧滚刚度两部分其中扭杆的扭刚度kr取决自身属性。径为d的截面圆杆扭转刚度为图2装有抗侧滚扭杆车辆的力学模型Mc体质量;Mb构架的质量;kp、ks—一二系π4kr=Gp=32挂刚度;c、c—一二系悬挂阻尼;k抗侧滚扭杆φp s刚度;—一二系横向间距;bc车体构架的滚角;c、b车体构架的垂向位置;1、2前、轮对垂位移。式中:G为抗侧滚扭杆材料的切变模量;p为抗侧滚扭的极惯性矩。扭杆为空圆杆时,其扭转度为π(4-4)1 2设车辆在行过程中只受一侧的垂向激扰,kr=Gp=32jtZ1=e,Z2=此时系统共有4个自由度,即车的滚浮沉振动和构架的侧滚浮沉振动下面讨论描述该车辆振动的运动方程其中,JcJb为车体构的转动惯量,φ为抗侧滚扭杆的扭转力矩。车体:式中:1别为圆杆内径。侧滚扭杆的抗侧滚效果主要体现在安装抗侧滚杆后车体增加的抗滚刚度度可下式计算:φ,该扭转刚2krφ=2l-2s(c-b)-2s(c-b)Jc-2s(lc-lb)-Mcc=0(1)式中:b为杆的名义度;为臂的有效度。是,在实际情况中,抗侧滚扭杆装置的最佳抗侧刚度应根据车辆结构扭杆结构与布置车体重高度转向架结构及悬挂参数车辆的运行路件及运行度等诸多因素来考虑,因此不能2s(lφ-l -φ=0b)(2)(3)c=φc-b)构架:第4期第446期)梁鑫等:抗滚扭对铁辆动学能响的究7Mbb+2s(c2pb第4期第446期)梁鑫等:抗滚扭对铁辆动学能响的究7Mbb+2s(c2pb-2pb-b)+2s(c=pv+pvb)向架应线路不平顺产生侧滚时必然会带动车体一起滚,时车体的振动加速度也增大,反而会影响体的运行稳性因此,已有越来越多的地铁或速城轨车消了抗侧装置。--(4)Jb+2s(lc-lb)+2s(l-lb)-c22c´-22kφ+M =c+k(5)zpppbφpv pv以上振动程可以看出,车体的浮沉振动和侧滚动是独立的,并不耦合在一起;同时可以看出,抗侧滚杆不影响体的沉浮动。wt将v=e入式(2)(4),结合式(5),得出车体侧的频响函数: pj+kpl φ)=22 Jω222Jω+(Jω-2lpj-2lkp)(-1)22cj+22-ksφ算结果显示,安抗侧滚扭杆能有效地抑制体侧滚运动,减小辆在运行过程中来自线路激扰作用,抑制车辆侧滚振动。4抗侧滚扭杆装置对车辆动力学的影响图3抗侧滚扭杆对平稳性的影响地铁车辆模型由1个车体2个构架4个轮对成车体和构架之间通过二系悬挂装置连接,二系悬挂装置由2个空气弹簧1个二系横向减振器2个二系垂向减振器1个抗侧滚扭杆组成对和构架间由一系挂装置连接,由一系定位置圆锥橡弹簧定位。模型中,轮轨蠕率采用ake简理论进行计算其中轨距为1435m,轮轨间隙16m,轨道用60kgm,轨坡为1/40,轮对采用M磨耗型面。.1横向稳性辆直线运行平稳性是可以反映车辆总体综合动学性能的重要指标它不仅受车辆本身特的响,且受运行路等级的制约我国主要用perln平稳性指标来评价车辆运行的平稳性等级[4]。辆安装抗滚扭杆后,车体侧滚角的减小使行质得到改善但是,由于抗侧滚扭杆扭转弹簧的用,车体侧滚不能保持相对稳定的侧滚角,车体是发生振动,车体的振动加速度增大,旅客乘坐适度降低,影响辆运行的稳性。地铁车辆以80m/h的速度直线运行,抗侧滚刚对车辆前端横向平稳性影响的优化计算结果见图可看出,是否安装抗侧滚扭杆对车辆向稳性影响常大,但是抗侧滚扭杆的刚度对平稳影响不大车辆安装抗侧滚装置后使得转.2柔度系数度系数[1]指当一静止的车停在一个右高不一致轨道上,车辆走行面与水平面之间有个夹角,在悬挂上倾斜的车体中心线与轨道中线之间形成一个夹角η见图4)二者之称为柔系数,即s=η。比δ图4车体侧滚度系数只存在左右轨高不一致的线路上。[2]据UC505-5规定 ,车辆柔度系数应不大于.4,而洲高速车的柔度数一般不于.。某曲线由进直线段(100m)进缓和曲线段燃机车2011年8(60m)圆曲段燃机车2011年8(60m)圆曲段(500m)出缓和曲线段(60m)和直线段(280m)组成,超高120m,顺坡率为2,曲线段曲半径300m,全长1000计算某地车辆通过该曲线段时的柔度系数给定该地铁辆以1m/h速度通过该曲线段,视为静态车辆度系数,计算结果见图5)表明:(1)安装抗侧滚扭杆后,车体的柔度系数大为低,抗侧扭杆主要在进出缓和曲线段时起作用限制车的侧滚;当车辆完全进入圆曲线时,车体的度系数保某一稳定数值。(2)安装抗侧滚扭杆后车体的柔度系数最大发在当车辆始进入或驶出缓和曲线时,而未安装侧滚扭杆时的最大柔度系数发生在车辆完全进圆曲线时。图6车辆倾覆系数脱轨系数轨系数是辆安全运行的重要动力学指标。辆轨是由于轨间的横向载荷过大垂向载荷过小起的[5]车辆在通曲线时,总会使车轮一侧增载,一减载。述车辆以80m/h过上述曲线时,第1轮对外轮脱轨系数计算结果如图7所示安装抗侧滚杆后脱轨系数的最大值比未安装抗侧滚扭的轨系数最值要显著增大,并且最大值出现在缓曲线上。.4图5柔度系数曲线.3倾覆数覆系数也是评价轨道车辆抗侧滚性能的一动学指标辆运行时,在外力作用或通过曲线受心加速度影响的情况下可以使车辆一侧车减载,另一侧车轮增载,车辆向一侧倾覆车辆是否覆用倾覆数D来衡量[3,4]。车辆的减侧车轮刚脱离钢轨时,即垂向力为时,覆系数D=1,车辆达到倾覆的临界状态了防止车发生倾覆,在参考文献[6中规定,倾覆系数D<.。上述地铁车辆通过上述曲线时,在不受风力、向等外力作的理想情况下,车辆倾覆系数计算结对比如图6所示,安装抗侧滚扭杆车辆倾覆系数最大值比未安装抗侧滚扭杆车辆倾覆系数的最值显著增大。图7第1轮对外侧轮脱轨系数5结论过对某地铁车辆以80m/h通过曲线的分析计算,可得到以下点结论:下转第12页】燃机车2011年12中毒,保持其良好的活性;(3)具有长燃机车2011年12中毒,保持其良好的活性;(3)具有长的使用寿命和高机械强度等总之,一个好的OC需要有宽广工作温度围和高的久性。3结论(1)加装OC后,外特性下油机的矩下降了.8%,效燃油耗率上升了.2%,说明OC系统柴油机的力性和经性影响很小。(2)加装OC后,2000rmn负荷性下、HC和烟度的排放明显得到改善。O最高下降6.7%,平均降5.5%;HC最高下降7.5%,平均下降5.4%;碳烟最高下降3.8%,平均下降2.2%但对X响不大,只降低了.4%。(3)在大负荷和高于400的高温下,OC容发硫中毒,催化活降低本试验用催化器还有待一步改进,以增其工作温范围。图7负荷特性下加装OC前后碳烟排放对比参考文献:[1]狄明,谭强,等.用柴油机氧化催化转化器的实验研究[J.车用动机,2009,23(4):16316.伏伍,杜进,等.用氧化型催化剂降低柴油尾气排放的究[J.用动机,2006,13(4)...han,..Cheun.Epermenalnetatooneua2edanduneuaedmisonsofadeelmehaolmpoundmbutonengnewihandwioutdeeloxdatoncaayt[J.cenceofheoalEnviomen.201.MituuHooa,Maaohihmod.hepplcatonofdeelo2datoncaaytsoheayduydeelengnesnJpan[J.Ap2pledCaayi.1996,2009,(86):2114212.[2][3]图8OC起燃温度特性曲线见理想的OC必具备以下件:(1)低温性能好,能在冷起动等低温状态下迅速起燃;(2)抗化中毒性能好,能高温状态避免发生学[4]上接第8页】(1)抗侧滚扭杆装置可以增大车体的抗侧滚刚度,有效抑制车体的侧滚,对降低车辆的柔度系数显著作用。(2)安装抗侧滚扭杆后车辆运动平稳性没有显提高,车辆的振加速度增大影响车辆的旅舒度,别是对车在直线上的运行平稳性反而有利的影响。(3)抗侧滚扭杆装置对车辆的倾覆系数脱轨系数较大影响,当车辆通过缓和曲线时影响最大装抗侧滚杆时,倾覆系数和脱轨系数的最大值般出现在和曲线段上。此辆,应合考虑车构素挂向间距的特性,然后决定是否采用抗侧滚置辆速度高的情况的铁路的发展,抗滚扭杆装究。参考文献:[1]严隽耄,傅茂海.车辆工程[M.北京:中国铁道出版社,200.建东,付海,芾.客车转向架抗侧滚扭杆装置特性分析[J.铁道车辆,2004,(5).华东.抗滚杆轨道辆侧滚性能的影响研究[J.力车城轨辆,2007,30(5).福天.车系动学[M.北京:国铁出社,199.若湘,匡华.抗侧滚扭杆装置在城市轨道车辆中的应用[J.铁道辆,2001,39(12).B95范[S.[2][3][4][5][6]BSRACTSAsudyoffrctBSRACTSAsudyoffrctnandeamerypedaftgarofhavyaulanAWehu1,JEChana2,Ohhu1(.TactonwerSaeeyLaoao,ouwestJoongUnersi,Chendu610031,Chn;.NRTanjnLRaiwayTanportEqument.,L.,300232,Chna)anddeaimentoefcentwhenetanunngoncu2.eeoe,ormetoasndwndmedmpeeduanailehce,hechaaeitcsofheenayu2penonudbeeaaedpeeneynoderodeceweheroueeantollgoronba.metocar;antollngorsonba;Keyword:dnmc;eectsAbsac:hisppe,baedonanaysisofhestucue,peomanceandokngprncpesofM100pedaftea,gesadeaiedacountofdpwehtestandmpactnges,heeultsndcaehatwhenitsnsdeprngispacedbyeasmermponent,M2100pedafteareanshempedancenaueofeaso2merdaftearsmachnghempacteoci,wihitsbuercpaciyp60%-100%.henitsudes,byd2nmcsmuaton,hedmpunctonsofM100pedaftearandM2pedaftearorheongiudnalmpactofhetan,mpaesheirdeence,andmesoheoncusonhatM100pedaftearotonysnfcantycanmpoehecpaciyofdaftear,makephecpaciyandpoongstokeofM2pedaftea,butalocanwerhetansentmpactngaueofoperoce,heebympoeheevceonditonofheoperdaftearysm,poongitsnevcele,andulymeethepeatngequimentsof10000theayhaultan.Keyword: M100pedaftea;frcto;ea2me;ongiudnalmpactThebnchexpermntofdeeloxatnaaytccnvererforreducngmssnsNGXowu,HNYnan,NGJneng(umngUnersiyofcenceandechoo,umng650224,Chna)Absac:hebenchestofhe410BLdeelengneequpedwihdeeloxdatoncaaytconerorOC)wascarredou.heesteultswhatOCysmcansnfcantyeduceO,HCandotmi2sonswihlitteossnemsofengnepwe,eomyandOXmisson.butatmoehan400℃,OCponesouurpoionn,eultngnwercaaytcactvi.Keyword: deelengn;oxdatoncaaytcon2ere;misonCDsmuatnanayssofDCdeelocmotvenercooerperfomanceUIHonjan1,HIhuanj1,LUJunj2,LIMnha1(.colofTafcandTanporaton,DalanJo2ongUnersi,Dalan116028,Chn;.DalanLo2moteReeachnstiue.,L.,Dalan116021,Chna)SudyofhemactndnmcsperfomnceofmeroarsbyantrollngorsnarLNGXn,Ohhu,AWehua(TactonwerSaeeyLaoaoy,ouwestJoongUneri,Chendu610031,Chna)heneoerorhhpwerdeelAbsac:omoteisdmandngwihheairfwesisanc.Ta2ditonalanaysismeodofesisancepeomanceelesonaaenmberofeperment.noderoeduceheepermentokoad,hispperesablihedheCDca2cuatonmodelofneoerwih