蘇 建 崔大賓 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

唐繼烈 王正權(quán) 上海鐵路局科研所

動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架參數(shù)對(duì)小半徑曲線通過性能影響的分析

蘇 建 崔大賓 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

唐繼烈 王正權(quán) 上海鐵路局科研所

分析CRH1型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)臂定位剛度、抗蛇形減振器阻尼、空簧水平剛度和轉(zhuǎn)向架軸距，對(duì)直線運(yùn)行臨界速度與小半徑曲線通過性能的影響。經(jīng)計(jì)算分析，需對(duì)轉(zhuǎn)向架參數(shù)進(jìn)行較大的調(diào)整才能改善小半徑曲線通過性能，但考慮到直線運(yùn)行性能要求，這對(duì)既有動(dòng)車組來說實(shí)現(xiàn)較困難。

動(dòng)車組；轉(zhuǎn)向架參數(shù)；小半徑曲線；通過性能

轉(zhuǎn)向架參數(shù)是影響列車動(dòng)力學(xué)性能的主要因素。目前對(duì)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架參數(shù)的選擇主要目的是提高其直線穩(wěn)定性，對(duì)小半徑曲線通過能力研究較少。在鐵路網(wǎng)中不可避免地存在小半徑曲線，由此產(chǎn)生的輪軌及鋼軌側(cè)磨已經(jīng)成為影響鐵路運(yùn)營成本的重要問題之一。

本為以CRH1B型動(dòng)車組為研究對(duì)象，討論了一二系主要懸掛參數(shù)（如轉(zhuǎn)臂定位剛度、抗蛇形減振器阻尼、空簧水平剛度和轉(zhuǎn)向架軸距）對(duì)車輛系統(tǒng)直線運(yùn)行性能（臨界速度）與小半徑曲線通過性能的影響，并給出了這些參數(shù)的影響規(guī)律。計(jì)算中小半徑曲線參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 小半徑曲線參數(shù)

1　轉(zhuǎn)臂定位剛度的影響

從近幾十年的研究中可以知道，影響車輛運(yùn)行中輪對(duì)蛇形穩(wěn)定性的主要有一系懸掛中輪對(duì)的剪切剛度和彎曲剛度，如圖1所示。

圖1 輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)模式

對(duì)目前在動(dòng)車組（如本論文研究對(duì)象CRH1）中常用的轉(zhuǎn)臂式軸箱定位來說，轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橫向定位剛度就相當(dāng)于輪對(duì)剪切剛度，節(jié)點(diǎn)縱向定位剛度就相當(dāng)于輪對(duì)彎曲剛度。在進(jìn)行高速列車設(shè)計(jì)時(shí)，為保證其擁有足夠高的蛇行穩(wěn)定性，必須同時(shí)對(duì)相鄰輪對(duì)的彎曲剛度和剪切剛度進(jìn)行選擇匹配。在匹配彎曲剛度和剪切剛度時(shí)，如果一個(gè)剛度選較小值，另一個(gè)約束剛度就必須選擇較大值，反之亦然。選取合適的剛度組合要同時(shí)考慮車輛的直線運(yùn)行性能和曲線通過能力，合適的剛度組合可以優(yōu)化車輛運(yùn)行特性。

圖2 轉(zhuǎn)臂定位剛度對(duì)臨界速度的影響

從圖2中可以看出，車輛的臨界速度隨轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)縱向剛度減小先增大后減小。這是因?yàn)?，在一定范圍?nèi)（0～10MN/m）增大輪對(duì)的縱向定位剛度，可以有效抑制輪對(duì)的彎曲運(yùn)動(dòng)模式，從而阻止輪對(duì)蛇形的運(yùn)動(dòng)，以此提高車輛系統(tǒng)的臨界速度。但是，輪對(duì)縱向剛度不能選擇太小，因?yàn)榕R界速度對(duì)縱向定位剛度變化很敏感，如果縱向剛度太小，隨著車輛的運(yùn)行縱向剛度會(huì)進(jìn)一步減小，從而使其臨界速度迅速降低，嚴(yán)重影響行車安全，這是考慮車輛安全的冗余設(shè)計(jì)。然而彎曲剛度較大，輪對(duì)在通過過曲線時(shí)，輪對(duì)產(chǎn)生的搖頭角較小，輪軌的蠕滑力不足以使輪對(duì)恢復(fù)對(duì)中位置，就可能會(huì)導(dǎo)致輪緣與鋼軌貼靠，增加輪緣磨耗，因此彎曲剛度不宜過大。橫向定位剛度對(duì)動(dòng)車組穩(wěn)定性影響較小，隨橫向剛度的減小臨界速度緩慢增大。但橫向剛度（即剪切剛度）過小會(huì)使一系橫向不能有效定位，給行車安全帶來隱患。

圖3 轉(zhuǎn)臂定位剛度對(duì)曲線通過性能的影響

列車通過曲線時(shí)，為使輪對(duì)穩(wěn)態(tài)通過曲線，要求轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)縱向剛度盡可能小，從而避免輪軌沖角過大及輪緣貼靠。從圖3中可以看出，縱向定位剛度對(duì)輪軌沖角和輪軌橫向力有較大影響。輪對(duì)沖角最大值和輪軌橫向力最大值隨轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度的增大呈明顯上升趨勢(shì)，但在縱向定位剛度增大到一定值時(shí)，兩者最大值都基本不再變化并趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)檩唽?duì)的縱向定位剛度對(duì)其搖頭形式起著決定性作用。在通過小半徑曲線時(shí)，越大的縱向定位剛度，就會(huì)使輪對(duì)越難以發(fā)生搖頭運(yùn)動(dòng)，從而引起較大的輪軌沖角，以至發(fā)生輪緣與鋼軌貼靠，進(jìn)而又進(jìn)一步增大輪軌橫向力，加劇輪緣磨耗。而橫向定位剛度的改變對(duì)輪對(duì)沖角和輪軌橫向力影響很小。計(jì)算結(jié)果還表明，可以通過適當(dāng)減小輪對(duì)縱向定位剛度來降低輪對(duì)沖角。

2　抗蛇形減振器的影響

抗蛇形減振器已成為高速列車轉(zhuǎn)向架上必備的元器件?？股咝袦p振器的特性主要體現(xiàn)在三個(gè)參數(shù)上：卸荷速度，卸荷力與串聯(lián)剛度。必須精心設(shè)計(jì)抗蛇行減振器的卸荷速度與卸荷力使其既能保證列車的臨界速度，又具備良好的曲線通過能力。

圖4 抗蛇行減振器對(duì)臨界速度的影響

從圖4中可以看出，減小卸荷速度或增大卸荷力都可以提高車輛的臨界速度。但在卸荷速度增大到一定值和卸荷力減小到一定值時(shí)，它們對(duì)臨界速度的影響變得不明顯。實(shí)際上，抗蛇行減振器第一阻尼系數(shù)（卸荷前卸荷力與卸荷速度之商）越大，構(gòu)架與車體之間的相對(duì)搖頭運(yùn)動(dòng)就越困難，越有利于提高車輛的臨界速度。

圖5 抗蛇行減振器對(duì)曲線通過性能的影響

從圖5中可以看出，減小卸荷速度與增大卸荷力都會(huì)降低車輛的小半徑曲線通過性能，這與對(duì)臨界速度的影響相反。這是因?yàn)樵谕ㄟ^曲線時(shí)，提高第一阻尼系數(shù)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架與車體之間的搖頭運(yùn)動(dòng)變得困難，從而減小前后構(gòu)架相對(duì)于車體的搖頭幅度，增大輪對(duì)與鋼軌的沖角。但沖角和輪軌橫向力變化幅值在計(jì)算范圍內(nèi)變化都較小，這可能是因?yàn)樵谟?jì)算小半徑曲線時(shí)，車輛的速度都設(shè)置的較低，而抗蛇行減振器則是在兩個(gè)連接結(jié)構(gòu)體之間相對(duì)速度差較大時(shí)減振效果才較明顯。因此，在通過小半徑曲線時(shí)，雖然構(gòu)架與車體之間相對(duì)搖頭較大，但由于相對(duì)搖頭速度較低，對(duì)車輛通過小半徑曲線影響較小。

3　空氣彈簧的影響

空氣彈簧水平剛度對(duì)臨界速度的影響如圖6所示?？梢钥闯?，隨空氣彈簧水平剛度的增大，車輛臨界速度總體呈上升趨勢(shì)，且上升幅值較小。如圖7所示，通過小半徑曲線時(shí)，輪軌沖角和輪軌橫向力隨空氣彈簧水平剛度的增大都呈上升趨勢(shì)，且趨勢(shì)趨于線性增長。另外，空氣彈簧水平剛度與車輛系統(tǒng)的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)有直接關(guān)系，因此需慎重選取。

圖6 空簧剛度對(duì)臨界速度的影響

圖7 空簧剛度對(duì)曲線通過性能的影響

4　軸距的影響

軸距是轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的參數(shù)，其對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能有較大影響。而CRH1的軸距為2.7 m，比常見高速轉(zhuǎn)向架的2.5 m長0.2 m，因此有必要對(duì)軸距變化產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算。圖8為軸距對(duì)車輛臨界速度的影響，可以看出，隨軸距的增大，臨界速度總體呈上升趨勢(shì)。這說明軸距越大，車輛直線運(yùn)行越穩(wěn)定。但軸距越大，曲線通過性能就越差。

圖8 軸距對(duì)臨界速度的影響

為分析車輛低速通過小半徑曲線時(shí)軸距對(duì)輪緣磨耗和鋼軌側(cè)磨的影響，計(jì)算了不同軸距下車輛通過小半徑曲線輪軌沖角和輪軌橫向力的變化，如圖9所示。從圖中可以看出，隨軸距的增大，輪軌沖角基本呈線性增長趨勢(shì)，說明軸距越大，輪對(duì)越難以趨向徑向位置導(dǎo)致沖角越大；而軸距對(duì)輪軌橫向力幾乎沒有影響，這主要是因?yàn)樵诓煌S距下，輪緣與鋼軌貼靠現(xiàn)象均已經(jīng)發(fā)生，且提供了絕大多數(shù)輪對(duì)搖頭所需的回轉(zhuǎn)力。因此，僅從軸距方面進(jìn)行調(diào)整難以有效降低輪軌橫向力，因?yàn)檩唽?duì)搖頭主要由一系縱向定位剛度決定。

圖9 軸距對(duì)曲線通過性能的影響

5　結(jié)束語

經(jīng)計(jì)算分析可知：一系定位剛度對(duì)臨界速度和小半徑曲線通過性能（如輪對(duì)沖角和輪軌橫向力）有較大影響；抗蛇行減振器對(duì)臨界速度有較大影響，但對(duì)小半徑曲線通過性能影響較?。豢諝鈴椈蓪?duì)臨界速度和輪軌橫向力有較大影響，對(duì)輪對(duì)沖角影響較小；軸距對(duì)臨界速度和輪對(duì)沖角影響較明顯，對(duì)輪軌橫向力影響較小。總的來說，通過改變轉(zhuǎn)向架參數(shù)可以提高小半徑曲線通過性能，但需要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行較大調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)，這對(duì)既有動(dòng)車組來說很難實(shí)現(xiàn)。

［1］王福天.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.中國鐵道出版社.1994.

［2］崔大賓.高速車輪踏面設(shè)計(jì)方法研究［D］.西南交通大學(xué).2013.

［3］修源.高速列車抗蛇行減振器主動(dòng)控制研究［D］.西南交通大學(xué).2015.

［4］李芾.傅茂海.黃運(yùn)華.車輛徑向轉(zhuǎn)向架發(fā)展及其動(dòng)力學(xué)特性［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào).2003.（1）∶1-6.

責(zé)任編輯：許耀元

來稿日期：2016-06-12