史炎

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

0 引言

高速列車的蛇行運動失穩(wěn)不僅使車輛的運行性能惡化、旅客的舒適度降低，作用在車輛各部件的動載荷加大，會使輪對嚴重擊打鋼軌，損傷車輛及軌道，甚至造成脫軌事故[1-2]。采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪能有效地解決此類問題，由于獨立旋轉(zhuǎn)車輪理論上不存在縱向蠕滑力及其產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩，因此消除了傳統(tǒng)輪對的蛇行現(xiàn)象[3]，顯著提高了車輛的臨界速度[4]。由于獨立旋轉(zhuǎn)車輪中間軸可做成曲軸，有效降低了軌道車輛的地板高度便于上下客、實現(xiàn)低站臺設(shè)計[5]。德國宇航中心開發(fā)的下一代高速列車將采用獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架[6]，可望實現(xiàn)雙層高速列車的構(gòu)想。高速列車采用雙層方式可以在同等列車斷面高度下搭乘更多的旅客，單位能耗可運輸更多的乘客，將極大改善高速列車的運用經(jīng)濟性[7-8]。

通過對剛體輪對和獨立旋轉(zhuǎn)車輪的輪軌蠕滑現(xiàn)象的差異性研究，作者提出了摩擦耦合獨立旋轉(zhuǎn)車輪（FCIRW）研究方案，以高速大半徑曲線為研究目標，獲得了FCIRW比較滿意的高速動力學性能。

1 FCIRW轉(zhuǎn)向架

1.1 結(jié)構(gòu)

橫向耦合獨立旋轉(zhuǎn)車輪是將已經(jīng)解耦的左、右車輪重新耦合起來[9],將剛度和阻尼引入可獨立旋轉(zhuǎn)的兩輪之間,使得獨立旋轉(zhuǎn)車輪輪對獲得與傳統(tǒng)剛體輪對相仿的導(dǎo)向能力。如圖1所示，左右車輪上分別固定有摩擦盤，分別與副輪對上的摩擦輪組成摩擦副將左右車輪的轉(zhuǎn)速耦合在一起。

圖1 FCIRW結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 導(dǎo)向機理

如圖2所示，摩擦耦合獨立旋轉(zhuǎn)車輪以速度V沿直線軌道勻速前行，車輪以角速度ω繞其軸線旋轉(zhuǎn)；y、ψ、φ分別表示輪對的橫移、搖頭角和側(cè)滾角；rL、rR分別為左右車輪的滾動圓半徑；r0為左右車輪的名義滾動圓半徑，r0=V/ω；λ為車輪踏面錐度，則有[10]：

摩擦輪和摩擦盤之間的滑移可大可小，無滑移則同剛體輪對；完全滑移則同獨立旋轉(zhuǎn)車輪；更多時介于兩者之間。

圖2 蠕滑力作用下的橫移和搖頭

1）無滑移。

若摩擦輪和摩擦盤之間無滑動，左、右車輪轉(zhuǎn)速相同，ωL=ωR=ω，βL=βR=0,摩擦耦合獨立旋轉(zhuǎn)車輪與剛體輪對導(dǎo)向機理完全相同。左、右車輪的縱向蠕滑力如下[11]：

可見左、右車輪上作用著的縱向蠕滑力大小相等，方向相反，由此組成的縱向蠕滑力矩為

左、右車輪的橫向蠕滑力為

橫向耦合方式不影響?yīng)毩⑿D(zhuǎn)車輪橫向蠕滑力（下同）。

2）完全滑移。

若左、右車輪完全解耦，摩擦耦合獨立旋轉(zhuǎn)車輪與獨立旋轉(zhuǎn)車輪的導(dǎo)向機理完全相同，

ωLrL=ωRrR=V，縱向蠕滑力矩為

3）不完全滑移。

ωL=ω+βL；ωR=ω+βR，左、右車輪的縱向蠕滑力如下：

2 動力學模型

以兩軸轉(zhuǎn)向架為研究對象，運用SIMPACK多體動力學軟件建立了各個分析對象的整車動力學模型，F(xiàn)CIRW和獨立旋轉(zhuǎn)車輪（IRW）兩種轉(zhuǎn)向架車輛的懸掛參數(shù)，見

表1 轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 FCIRW轉(zhuǎn)向架動力學模型

FCIRW轉(zhuǎn)向架動力學模型如圖3所示，在獨立旋轉(zhuǎn)車輪（IRW）轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上增加副輪對，兩個摩擦輪組成的副輪對放置在簧下，副輪對鉸接在車軸上。為簡化建模，用直軸代替了曲軸。

3 分析結(jié)果

主要從沖角、輪軌橫向力和磨耗功率等方面分析轉(zhuǎn)向架的性能，輪軌接觸力和蠕滑率的關(guān)系使用FASTSIM算法[13]。車輪磨耗功率P反映了輪軌踏面上的磨耗，忽略車輪的自旋蠕滑，按以下公式計算[14]:

整車摩耗功率是所有8個車輪磨耗功率之代數(shù)和，反映了整個車輛的輪軌磨耗水平。

3.1 臨界速度對比

圖4 FCIRW車輛、CRH2車輛臨界速度

在無二系減震器的情況下，讓車輛通過一段受到美國AAR五級軌道譜激擾的直線軌道，再通過一段無激擾的平順軌道，若第一位輪對橫向振動收斂，則逐漸提高車速重復(fù)上述過程直到第一位輪對橫向振動不收斂，此時的車速就是車輛的非線性臨界速度。

圖4是兩種車輛第一位輪對橫向位移變化曲線，F(xiàn)CIRW車輛臨界速度是400 km/h，激擾過后16 s復(fù)位。IRW車輛臨界速度要高于FCIRW車輛，但是無自動復(fù)位功能，激擾過后最終偏向軌道一側(cè)。

3.2 FCIRW輪對直線復(fù)位性能分析

讓FCIRW車輛以200km/h的速度通過一段曲線，車輪向曲線外橫向位移，并貼靠外軌行駛。當車輛出曲線進入直線時，考察第一位輪對的橫向運動情況和左右車輪的縱向蠕滑力，通過計算車輪在直線上的最終橫向位移的變化情況來考察輪對的直線對中能力。曲線設(shè)置如下：半徑3000 m，無超高。

圖5 縱向蠕滑力與橫向位移關(guān)系

從圖5可知，輪對復(fù)位前左右車輪始終存在縱向蠕滑力，它們方向相反形成復(fù)原力矩。輪對出曲線進入直線段時，縱向蠕滑力初始值達到95.4 N/-94.6 N，隨著輪對向中心靠近，縱向蠕滑力逐漸減小直至為零。此現(xiàn)象表明輪對復(fù)位所需的縱向蠕滑力不需要很大，此例中少于100 N。

表2 曲線路況

3.3 曲線導(dǎo)向性能比較

兩種轉(zhuǎn)向架高速通過曲線時，曲線工況選用的參數(shù)見表2。為了清晰比對分析，沒有施加軌道譜，計算了車輛惰行工況下前轉(zhuǎn)向架第一位輪對的曲線導(dǎo)向性能。

車輛高速通過大半徑曲線時，2種轉(zhuǎn)向架第一位輪對沖角、整車磨耗功率相近，差別不明顯。由于FCIRW獨立旋轉(zhuǎn)車輪輪對有縱向蠕滑力的輔助作用，存在復(fù)位力矩，故其輪軸橫向力優(yōu)于IRW。

圖6 曲線通過性能

獨立旋轉(zhuǎn)車輪有2個顯著的缺點：在曲線上導(dǎo)向能力差；在直線上不能自動對中。前一個缺點已由高速鐵路設(shè)計規(guī)范（TB10621-2009）解決，高速鐵路最小曲線半徑不低于2.8 km。獨立旋轉(zhuǎn)車輪大半徑曲線導(dǎo)向問題已不重要，在3 km曲線半徑上速度為300km/h時FCIRW轉(zhuǎn)向架沖角數(shù)量級為10-2。在直線上，F(xiàn)CIRW具有自動復(fù)位功能，解決了純獨立旋轉(zhuǎn)車輪自動對中問題。

4 結(jié)語

1）研究表明，要使輪對在直線上自動復(fù)位，縱向蠕滑力不需要太大；而在曲線上較小的縱向蠕滑力不足以提供導(dǎo)向作用，但可以從線路設(shè)計上解決。由于存在縱向蠕滑力，F(xiàn)CIRW具有剛體輪對在直線上自動復(fù)位的功能，解決了獨立旋轉(zhuǎn)車輪貼靠軌道一側(cè)行駛的問題。

2）FCIRW轉(zhuǎn)向架是無動力轉(zhuǎn)向架，結(jié)構(gòu)簡單，可以改變高速列車都是動車組的單一形式。FCIRW具有獨立旋轉(zhuǎn)車輪的所有優(yōu)點，輪距比剛性輪對好調(diào)節(jié)，易實現(xiàn)變軌距。

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