独立轮对耦合转向架的动态导向性能分析

独立轮对耦合转向架的动态导向性能分析

独立发动机的两个显著优点是列车的稳定性，降低城市轻架的地板高度。然而，由于独立发动机的驱动功能较弱，如驾驶时具有重要作用的纵向滑动能力，直线复制率和曲线转换率的能力较低，这意味着车轮磨损严重，货架维护时间短，并且容易分解。驾驶问题是贯穿独立发动机发展的难题。为了克服这个问题，国内外专家提出了许多解决方案。然而，从独立发动机应用的角度来看，这些方案是不受欢迎的。独立发动机没有完全解决导向问题，结构复杂，成本高。笔者在前人成败经验的基础上,提出了一种导向性能好,结构又比较简单的新型独立轮对转向架方案.1耦合转向架动方程独立轮对耦合转向架的结构如图1所示,将前后车体相邻端部下面的两个独立轮对单轴转向架用抗摇头的弹性元件联接,使之成为介于独立轮对两轴转向架和独立轮对单轴转向架之间的一种新型转向架,称之为独立轮对耦合转向架.转向架的导向性能包括曲线转向性能和直线复位性能.曲线转向功能主要体现在通过曲线时轮对冲角的大小;直线复位性能主要看轮对受到激扰而偏离轨道中心线后其横向位移能否回归到0.由于单轴转向架的一系悬挂刚度远远大于二系悬挂刚度(构架和轮对运动的同步性较高),所以在理论分析时,把轮对和构架看作一个整体.其动方程如下:横移运动m(y¨i+v2R+hϕ¨)=Tyi+Fyi+Fsyi+mgϕ.(1)m(y¨i+v2R+hϕ¨)=Τyi+Fyi+Fsyi+mgϕ.(1)摇头运动Iz[ψ¨i+vddt(1R)]=Mwzi+Mszi+Mzi.(2)Ιz[ψ¨i+vddt(1R)]=Μwzi+Μszi+Μzi.(2)式(1)和(2)中:i为耦合转向架的轮对,i=1～2;m为单轴转向架质量;Iz为单轴转向架的摇头惯性矩;yi为单轴转向架的横向位移;ψi为单轴转向架的冲角;v为列车前进速度;R为实际曲线半径;ϕ为线路实际超高角;h为转向架质心到轨面的距离;Tyi为轮对横向蠕滑力;Fyi为轮对所受的重力复原力横向的分量;Fsyi为二系悬挂横向力;Mwzi为轮轨作用力形成的摇头偏转力矩;Mszi为二系悬挂力产生的摇头偏转力矩;Mzi为弹性元件耦合力产生的摇头偏转力矩.耦合转向架中的耦合元件主要是给前后两个单轴转向架提供摇头角刚度,尽量不干涉转向架的其他运动,所以只在摇头运动方程中体现了耦合元件的作用.当Mzi=0时,独立轮对耦合转向架演变为两个独立轮对的单轴转向架.当Mzi取得足够大时,独立轮对耦合转向架可近似模拟独立轮对两轴转向架.因此,独立轮对两轴转向架和独立轮对单轴转向架仅为独立轮对耦合转向架的两种特殊形式.为了分析独立轮对耦合转向架导向性能,将独立轮对单轴转向架与独立轮对两轴转向架进行比较.因为独立轮对耦合转向架的前后轮对分别位于相邻车体的邻接端,所以必须把该转向架纳入列车中才能考察出其导向性能,故在建模时,选择了2节车体依次铰接在一起,共安装了3个转向架,其中列车两端的2个动力转向架为传统轮对的两轴转向架,中间的1个非动力转向架为独立轮对耦合转向架.2曲线导向性能2.1独立轮对耦合转向架图2是独立轮对的3种转向架稳态通过曲线时的对比示意图.图2(a)是独立轮对两轴转向架通过曲线时的情形,由于受同一构架的约束,轮对Ⅰ和Ⅱ通常相对于径向线形成正冲角和负冲角,在曲线上展开不足.图2(b)是独立轮对单轴转向架通过曲线时的情形,Ⅰ和Ⅱ位轮对不再受同一构架的约束,分别受前后车体的约束.由于Ⅰ位轮对处于前面车体的后端,Ⅱ位轮对处于后面车体的前端,所以Ⅰ和Ⅱ通常相对于径向线形成负冲角和正冲角,轮对在曲线上展开过度.转向架的前后轮对在曲线上展开不足或展开过度都对曲线通过不利.独立轮对两轴转向架的Ⅰ和Ⅱ位轮对在曲线上展开不足是因为刚性构架对它们的约束过大.独立轮对单轴转向架的Ⅰ和Ⅱ位轮对在曲线上展开过度是因为它们之间缺乏必要的约束.独立轮对耦合转向架恰好可以弥补前两种转向架的不足.当耦合转向架的耦合元件刚度值适当,即可使Ⅰ和Ⅱ位轮对在曲线上展开适度而趋于径向位置,如图2(c)所示.作者提出独立轮对耦合转向架方案的初衷.当列车稳态通过曲线时,摇头运动方程式(2)中等号的左边应为0,右边轮轨作用力形成的摇头偏转力矩Mwzi主要来源于纵向蠕滑力产生的偏转力矩.对于独立轮对,纵向蠕滑力理论上为0,所以Mwzi的值很小,在分析转向架稳态通过曲线时,可以将其忽略.则方程式(2)可进一步写成Mzi+Mszi=0,(3)Μzi+Μszi=0,(3)式(3)中:Mszi=−2KsxB2s[ψi−ψc+(1−)ilR],(4)Μszi=-2ΚsxBs2[ψi-ψc+(1-)ilR],(4)Mzi=(−1)iK[(−1)i+1ψi−(−1)i+1ψi±1+2bR],(5)Μzi=(-1)iΚ[(-1)i+1ψi-(-1)i+1ψi±1+2bR],(5)式(4)和式(5)中:Ksx为转向架一侧二系悬挂纵向刚度;Bs为二系悬挂横向跨距之半;l为车辆名义定距之半;b为耦合转向架车辆名义轴距之半;ψc为车体摇头角;K为耦合元件提供的摇头角刚度.由于到轮对的位移和悬挂变形比车辆的名义定距2l小得多,因此可以认为车体的中央部分近似与圆曲线相切,即ψc≈0.当列车稳态通过圆曲线时,为了使耦合走行部的前后轮对完全处于径向位置,必有ψi=ψi+1=0,所以由式(3)～(5)可得K2bR=2KsxB2slR,(6)Κ2bR=2ΚsxBs2lR,(6)即K=B2s1bKsx.(7)Κ=Bs21bΚsx.(7)只要K与Ksx按式(7)匹配,独立轮对耦合转向架的前后轮对就能在悬挂系统和弹性耦合元件的调节作用下自动趋于径向位置.由于独立轮对的左右车轮独立旋转,能够自由调整其转速,所以只要轮对占据径向位置,不管其横移量大小,都能以纯滚动的形式通过曲线.2.2独立轮对耦合转向架位轮对冲角的仿真在分析独立轮对转向架的曲线导向性能时,选用线路条件较差的城市轻轨路况:无缓和曲线,无超高,曲线半径200m,列车运行速度36km/h.图3是3种独立轮对转向架通过曲线时Ⅰ,Ⅱ轮对冲角仿真结果,图中t为列车运行时间(下同).从图3(a)可看出,独立轮对两轴转向架的Ⅰ位轮对的冲角为正,独立轮对单轴转向架Ⅰ位轮对的冲角为负,独立轮对耦合转向架Ⅰ位轮对的冲角趋于0.从图3(b)可看出,独立轮对两轴转向架的Ⅱ位轮对的冲角为负,独立轮对单轴转向架Ⅱ位轮对的冲角为正,独立轮对耦合转向架Ⅱ位轮对的冲角也趋于0.这说明仿真结果与前面的理论分析吻合.3线性复位性能3.1独立轮对耦合转向架轮对复位的实现当列车在直线上运行时,方程式(1)就变为my¨i+Tyi+Fyi+Fsyi,(8)my¨i+Τyi+Fyi+Fsyi,(8)式(8)中,如果等号右边3项的合力方向与轮对横向位移yi的方向相反,轮对肯定就能复位.右边3项中只有重力复原力Fyi始终与轮对横向位移yi的方向相反.横向蠕滑力Tyi和轮对摇头角有关,它与轮对横向位移yi的相位通常不同步.横向悬挂力Fsyi与悬挂行程有关,通常很难人为控制,所以一般情况下都是通过改变重力复原力和横向蠕滑力来使独立轮对复位.这样复位措施有3种:(1)增大重力复原力Fyi,使合外力的方向与重力复原力的方向相同.这种方法主要是增加左右轮的接触角差,即使现在我国使用的高锥度磨耗型踏面都不能满足要求,必须对车轮踏面进行特殊设计.(2)减小横向蠕滑力Tyi,使合外力的方向与重力复原力的方向相同.这种方法主要是施加必要的径向措施,使轮对的摇头角趋于0.(3)改变横向蠕滑力Tyi的方向,使横向蠕滑力Tyi与重力复原力Fyi的方向相同,就可使轮对加速复位.这种方法主要是设法使轮对摇头角ψi的相位与横移yi的相位相反,这只能在特殊的转向架中或施加特殊的机构才能实现.理论上方案(2)最好,因为径向措施不仅能使轮对复位还能减小轮轨磨耗.实际中独立轮对确实也是在朝这个方向发展,本文提出的独立轮对耦合转向架也是利用这种原理来使独立轮对复位.以独立轮对两轴转向架和独立轮对单轴转向架为参照来加以比较分析,3种转向架的轮对复位情况见图4所示.图4(a)是独立轮对两轴转向架轮对的复位情况,由于一系定位刚度远大于二系定位刚度,所以两轴转向架的前后轮对受构架的约束大而受车体的影响较小,当轮对Ⅰ受轨道激扰向轨道右侧偏移一个横移量时,轮对Ⅰ立即受到重力复原力和一系悬挂回复力的作用而有向轨道中央复位的趋势,与此同时,构架在轮对Ⅰ的横向悬挂力作用下,会产生正偏角ψ,进而构架迫使Ⅰ,Ⅱ位轮对都产生正偏角,这样Ⅰ,Ⅱ位轮对都受到指向轨道右侧的横向蠕滑力作用,轮对Ⅰ的横向蠕滑力阻止轮对Ⅰ向轨道中央复位;轮对Ⅱ在横向蠕滑力的作用下开始偏离轨道中央向轨道右侧运动,在偏移轨道中央过程中,轮对Ⅱ受到的重力复原力越来越大,阻止轮对Ⅱ进一步发生偏移;这样当横向蠕滑力和重力复原力达到平衡时,两轴转向架的Ⅰ,Ⅱ位轮对就停留在这一位置而都不能回复到轨道中央.图4(b)是独立轮对单轴转向架轮对的复位情况,由于每个轮对都有自己的专用构架,所以Ⅰ,Ⅱ位轮对不再直接发生相互联系,分别受自己车体的约束.当轮对Ⅰ受轨道激扰向轨道右侧偏移时,在悬挂系统作用下,前面车体会产生负偏角ψⅠ.由于前后车体铰接在一起,后面车体会随之产生正偏角ψⅡ,这样前面车体迫使轮对Ⅰ产生负偏角,后面车体迫使轮对Ⅱ产生正偏角.轮对Ⅰ的横向蠕滑力就与重力复原力的方向相同,加速轮对Ⅰ向轨道中央复位.轮对Ⅱ在正的横向蠕滑力的作用下,开始偏离轨道中央向轨道右侧移动,随着偏移距离的增大,轮对Ⅱ的重力复原力越来越大,使轮对Ⅱ不再继续向右偏移.在轮对Ⅰ的复位过程中,前后车体的偏转角越来越小,致使Ⅰ,Ⅱ位轮对的偏转角也越来越小,使得轮对Ⅱ的重力复原力大于横向蠕滑力,轮对Ⅱ也能回复到轨道中央.对于独立轮对耦合转向架来说,Ⅰ,Ⅱ位轮对在悬挂系统和弹性耦合元件的共同作用下,能自动调整其偏转角趋于0,从而可减小轮对的横向蠕滑力.这样,重力复原力在轮轨横向力中就占据了主导地位,当轮对受到轨道激扰而发生偏移后自然能够在用重力复原力的作用下回复到轨道中央,如图4(c)所示.3.2复位性能的对比在考察独立轮对的复位性能时,先给轮对横向位移激扰,然后观察它能否回到轨道中央.图5是3种独立轮对转向架直线复位性能的对比,从图5(a),(b)可看出,独立轮对两轴转向架的Ⅰ,Ⅱ位轮对在轨道一侧6mm左右处保持平衡而不能回归到轨道中央,独立轮对单轴转向架的Ⅰ,Ⅱ位轮对能够缓慢地回归到轨道中央,独立轮对耦合转向架的Ⅰ,Ⅱ位轮对能够快速地回归到轨道中央.这说明独立轮对耦合转向架不仅曲线导向性能好,而且直线复位性能也很显著.4立轮对两轴转向架和独立轮对单轴转向架通过曲线时轮对流角(1)独立轮对耦合转向架只要耦合刚度匹配合理