独立轮对型式轻轨车辆动力学特性的影响

独立轮对型式轻轨车辆动力学特性的影响

0车辆动力学性能采用独立的车轮对称法，不仅可以降低车辆的高度，还可以降低无设立车站的成本。因此，独立车轮已被用于国外城市轻轨车辆的研究和应用。采用独立轮对的车辆系统参数的选取与传统刚性轮对轻轨车辆系统参数的选取有所区别，它不仅要求车辆系统具有良好的乘坐舒适性和曲线通过性能，而且独立轮对的自动回复能力不能由于参数选取不当而下降。独立轮对轻轨车辆系统动力学性能研究主要包括运行稳定性、平稳性和曲线通过能力研究。由于独立轮对车辆具有非常高的临界速度，因此本文主要模拟计算不同车辆结构及悬挂参数对车辆运行平稳性和曲线通过能力的影响情况。考查的主要动力学指标有轮对轮轨力、车体加速度、脱轨系数、车轮摩擦功率以及平稳性指标等（鉴于系统各项指标的最大值通常是研究车辆动力学问题所关心的，故本文只给出车辆运行过程中各项振动指标的最大值）。摩擦功率是车轮受到的横向摩擦力与其横向速度的乘积，摩擦功率越大则轮轨磨耗越严重，系统所消耗的驱动能量越多，噪声也就越大。因此摩擦功率是独立轮对轻轨车辆必须考查的一个动力学指标。1车辆的相对聚合式与干线车辆相似，独立轮对轻轨车辆同样由车体、构架、轮对和制动装置组成。车体通过空气弹簧座落在构架上；构架与轮对之间由具有三维弹性的V型橡胶金属弹簧组成的一系悬挂装置联接。同一车轴上的两个车轮均可以相对车轴转动，独立轮对型式车辆更易于通过半径更小的曲线。另外，前后转向架相对中间转向架的纵向位置，由每一车轴的轴重在平稳状态时大小一致的原则确定。本文建立了如图1所示的轻轨车辆模型，模型在SIMPACK中的界面则如图2所示。模型由3节车体组成，两端车体较长而中间车体较短。车体和构架均考虑纵向、横向和垂向运动，以及绕这3个方向转动的6个自由度（考虑轮轨约束关系，实际上只有4个自由度），由于同一车轴的独立轮对可以相对转动，因而每一轮对共有7个自由度。这样，整个车辆系统共有78个自由度。2线路配置2.1外轨超高曲线为了考查轻轨车辆系统参数变化对其曲线通过能力的影响情况，这里设置了最小半径为250m的曲线。其相关参数为：圆曲线最小半径250m，缓和曲线长度60m，圆曲线长度100m，外轨超高80mm。曲线平面及曲率见图3，图4。列车曲线通过速度为40km/h。2.2轨道随机不平滑输入为了考查车辆的运行平稳性，模型设置了美国6级谱作为轨道随机不平顺输入激励。同时，为了考查车辆曲线通过时轨道随机不平顺对系统振动特性的响应特性，在曲线上同样设置轨道随机不平顺。3参数设计3.1不同转速时旋转轴线的变化(1）轴距对轻轨车辆系统动力学性能的影响。表1为转向架轴距分别为1.8m,2.0m和2.2m时，轻轨车辆通过上述曲线时系统的最大轮轨力、车体加速度、摩擦功率、脱轨系数等动力学指标的变化情况。由表1可见，这些参数值均随着轴距的增大而有所增加，尤其是最大轮轨力和摩擦功率。究其原因是轴距加大后，曲线通过时同一转向架前、后位车轴相对于转向架中心位置的纵向距离将增大，转向架中心与线路中心在横向上的偏移也将增大，使得轴箱处的悬挂力增大，造成系统轮轨力增加。轮轨力增加后，其它振动参数相应增大。所以，较小的轴距有利于曲线通过。(2）轴距对平稳性指标的影响。图5显示了上述3种轴距对轻轨车辆（不同速度下）运行平稳性指标影响情况。可见，在相同速度下，转向架轴距越大，车辆横向平稳性指标越好；而垂向平稳性指标几乎不受轴距变化的影响。另外，随着速度提高，车辆运行平稳性指标将下降，即车辆运行品质会降低。较小的轴距可以提高车辆曲线通过能力、有利于曲线通过，但会降低车辆运行平稳性；较大的轴距有利于提高车辆运行平稳性，但又不利于车辆系统曲线通过。所以轴距对曲线通过和车辆运行平稳性来说是矛盾的。在实际生产中，选取合理的轴距不仅需要考虑车辆曲线通过性能和运行平稳性，还需要考虑转向架各部件的空间布置关系。3.2横向悬挂距离对车辆运行平稳性的影响特性车辆横向悬挂点位置对轻轨车辆系统动力学性能有无影响，或者说有多大的影响，也是车辆系统动力学研究需要考虑的因素之一。表2为一系横向悬挂距离对车辆曲线通过性能影响特性。可以看出，随着间距增大，系统轮轨力、摩擦功率以及脱轨系数将有所增加，但增加量不大；而对于系统其它动力学指标如车体加速度和轮对冲角等，几乎没有影响。图6为不同的一系横向悬挂距离对车辆运行平稳性指标的影响特性。可以看出，一系横向距离对垂向平稳性几乎没有影响；对于横向平稳性，则随着间距的增大其性能指标值有稍微增大的趋势，即随着横向悬挂距离降低，车辆运行平稳性将有所降低。二系横向悬挂距离对车辆动力学指标的影响特性与一系横向悬挂距离的影响基本一致。3.3轴箱定位刚度对车辆运行平稳性的影响图7为轴箱定位刚度对最大横向轮轨力和垂向轮轨力的影响情况及其对轮对摩擦功率的影响特性（图中横坐标的上一行为纵向刚度，下面一行为横向刚度）。由图可见，适当减小轴箱定位刚度，可以降低独立轮对轻轨车辆曲线通过时的最大轮轨力，并改善车轮磨耗情况。但是，过小的轴箱定位刚度将降低独立轮对的自动对中能力，加剧独立轮对向线路一侧偏移，从而导致轮对磨耗加剧。图8反映了轴箱定位刚度对车辆运行平稳性的影响情况。可以看出，较小的定位刚度反而会使得车辆乘坐舒适度有所降低。另外，轴箱纵向和横向定位刚度对车辆的垂向平稳性指标基本没有影响。3.4横向轮轨间隙的影响轮轨间隙对轻轨车辆曲线通过性能的影响情况见表3。当轮轨间隙从10.0mm减小到6.5mm时，系统最大横向和垂向轮轨力分别从26.9kN和84.5kN降低到了24.2kN和78.2kN，分别减小10.0%和7.5%。横向轮轨力下降后，车轮和轮对的最大摩擦功率也会随之降低，降低百分比分别为14.1%和15.4%。其它振动参数，如车体的横向、垂向振动加速度以及轮对冲角等，一般不受轮轨间隙量的影响。由表3可见，在保持轨距不变的情况下，通过适当加大轮对内侧距离的方法减小轮轨间隙，以此适当降低系统的轮轨力。其原理是轮轨间隙减小后，轮对在曲线通过时与钢轨接触的踏面部位，更靠近斜率较大的弧段。在该弧段上，轮轨接触角较大，从而轮轨法向力在横向上的分力也将增大。这样，轮对自动对中能力可以得到一定的提高，并改善了轮对受力和磨耗情况。因此，欧洲铁路系统的轮轨间隙一般维持在6.5mm左右（国内一般为10.0mm）。4影响其它部件布置的因素(1）轴距对车辆系统曲线通过能力和运行平稳性的影响是矛盾的，即较小轴距有利于曲线通过，但车辆运行平稳性指标会下降；较大轴距有利于提高车辆的运行品质，但又会降低车辆曲线通过性能。合理的轴距不仅要考查它对系统动力学的影响情况，还需考查它对转向架其它部件布置的影响情况。(2）一、二系弹簧横向悬挂距离对轻轨车辆动力学性能也有一定的影响，它们主要影响车辆系统曲线通过时的轮轨力、轮对摩擦功率、轮对冲角和横向平稳性，而对其它参数如车体振动加速度、脱轨系数以及车辆垂向运行平稳性等，几乎没有影响。(3）可以通过适当减小轴箱定位刚度来提高车辆曲线通过能力，降低轮轨磨耗。但是，轴箱定位