单轴转向架车辆动力学仿真_虞大联

第 27 卷第 4 期 2 0 0 5 年8月

铁    道    学    报 J OU RNAL O F T H E C H INA RA IL WA Y SOCIET Y

Vol. 27   No . 4 August 2005

文章编号 : 100128360 (2005) 0420047207

单轴转向架车辆动力学仿真
虞大联1 ,   池茂儒2 ,   李  芾1 ,   傅茂海1
( 1. 西南交通大学 机械工程学院 , 四川 成都   610031 ; 2. 中国南车集团四方机车车辆股份有限公司 博士后工作站 , 山东 青岛   266111)

摘  要 : 常规和非常规转向架对车辆的曲线通过性能的影响进行了对比 ,并介绍了几种采用非常规转向架车辆 的运用实例 ,该车辆形式因具有较好的曲线通过性能而日渐受到关注 。通过理论分析 ,本文提出了一种采用单轴 转向架的短车体车辆模型设想 ,并运用多体动力学分析软件 SIM PAC K 对该转向架及车组的动力学性能进行了 仿真模拟 。结果表明 ,该模型在满足运用要求稳定性的条件下 ,在曲线通过性能方面具有明显的优势 ,尤其适用 于小半径曲线的轨道线路 。 关键词 : 轨道车辆 ; 转向架 ; 单轴转向架 ; 动力学仿真 中图分类号 : U270. 11    文献标识码 : A

Dynamics Simulation of Single2axle Bogie Vehicle Models
YU Da2lian1 ,   C H I Mao2ru2 ,   L I Fu1 ,  FU Mao2hai1
(1. School of Mechanical Eng. , Sout hwest Jiaotong Universit y , Chengdu 610031 , China ; 2. Post doctoral Workstation , CSR Sifang Locomotive & Rolling Stock Co . , Lt d. , Qingdao 266111 , China)

Abstract : This paper co mpares t he influence of co nventio nal and unco nventio nal rail vehicle co nfiguratio n mod2 els o n t he st ruct ural parameter s and characteristics of t he rail vehicles in curve negotiatio n , and p resent s so me examples of operating t rain2set s using single2axle bogies , which p rove to have better curve negotiatio n perform2 ance and at t ract more and more atlentio n , t his paper int roduces a new co ncep t of o ne single2axle bogie for a shorter and broader vehicle , and analyzes t he dynamics figures by t he SIM PAC K multiple solid dynamics sof t 2 ware. The result s show t hat t he model gains good stabilit y and clear curve negotiatio n advantages over t he co n2 ventio nal model s , and it especially suit s vehicles running o n sharp curves. Key words : rail vehicle ; bogie ; single2axle bo gie ; dynamics simulatio n

   单轴转向架在降低车辆自重 、 缓和轨道系统的动 态激扰 、 减少运行噪声和改善曲线通过性能方面具有 先天优势 ,在部分国家或地区的成功运用经验为新型 转向架及车辆形式的研究和开发提供了有益的启示 。 由于采用单轴转向架在降低自重和能耗方面具有广阔 的前景 ,该技术近来受到业界的广泛关注 ,已被国际铁 路联盟 ( U IC) 确立为关于铁路提高能效的中长期发展 战略的研究课题之一 。

   当前主流的轨道车辆结构形式为 1 个车体由 2 台 2 轴 ( 或 3 轴) 的常规转向架支承 , 如图 1 ( a ) 所示 。按 照这种形式组成的单个车辆结构稳定 , 列车或车组解 编后能够独立停置或沿轨道运行 。
1. 2   非常规车辆

为了适应降低车辆自重的发展趋势 , 除了采用新 型轻量化材料和新工艺等措施之外 , 改变常规的车辆 结构形式也是降低车辆自重的有效途径之一 。较常见 的方法是采用铰接连接技术 ( Articulated t rain) ,即在 相邻两车体之间设置一共用的铰接转向架 , 著名的法 国 T GV 高速列车和西班牙的 Talgo 列车均属此类 , 如图 1 ( b) 和 1 ( c ) 所示 。其中 , T GV 所采用的铰接转 向架仍为常规的 2 轴结构 ,且轴距较大 ; 而 Talgo 却采 用了一套独立旋转车轮 ( 简称为 IRWs) 的 “单轴” 铰接

1  车辆的结构形式
1. 1   常规车辆
收稿日期 : 2004209230 ; 修回日期 : 2005204206 ) , 男 , 浙江杭州人 , 硕士研究生 , 高级 作者简介 : 虞大联 (1968 — 工程师 。 E2mail : abeigo @sohu. com

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转向架 ,其左右车轮不再固结于同一车轴上而允许相 对转动 ,轮轨间由于消除了纵向蠕滑 ,因此不再产生蛇 行运动 ,极大地提高了车辆的运行稳定性 ,但同时也由 此失去了轮轴自动复原和导向能力 。为了避免独立旋 转车轮的轮缘贴靠钢轨产生磨耗 , Talgo 车组在车体 与轮轴之间采用了一套迫导向的径向定位杆装置 , 是 IRWs 技术在高速铁路领域应用较为成功的一例 。 采用铰接连接技术的初衷主要是降低车辆自重 。

据 U IC 的研究报告 , 相对于常规连接形式 , 铰接车组 由于轮对数量的减少 ,为了控制轴重和满足限界 ,要求 相应缩短车辆长度和降低车辆自重 。铰接列车的车体 长度一般比传统列车车体缩短约 25 % 。铰接式车组 可使转向架的数量相对于常规列车减少 30 %~50 % , 若按照转向架重量占车辆自重的 1/ 3 计 , 可使整个车 组的总重降低 3 %~10 %[ 1 ] 。

   图 1 ( d) 和图 1 ( e) 所示分别为德国铁路 ( DB ) 用于 城际快运的 Lirex 内燃动车组和丹麦铁路 ( DSB ) 哥本 哈根市郊 S2to g 电动车组 ,同样属于铰接连接形式 ,与 前两种的区别主要在于车组的所有转向架均采用了单 轴结构 ,是一种轮对数量最少的铁路动车组形式 ,车组 总重进一步降低 ,降幅可达 7 %~ 14 % ,其轮轨动作用 及磨耗 、 噪声等指标也明显优于常规车组 。 尽管铰接列车这一先进技术在法国和西班牙等少 数国家成功地运用了多年 , 但从全球范围来看并未得 到推广和普及 ,其主要障碍在于 : 动车组中除 2 个端部 动力车外 ,其他车辆在结构上均缺少稳定性 ,即无法独 立停置和牵引 ,在连挂和分解作业中 ,必须借助假台车 辅助支承 ,且连接结构复杂 ,车组灵活性方面明显逊于 常规形式 。为了克服这一不足 , 挪威铁路 ( N SB ) 在 BM72 型电动车组中装用了一种被称为 “F EBA ” 的耦 合式单轴转向架 ,巧妙地解决了这个问题 。 F EBA 的连接方式为 : 在 2 辆车的连接处 ,将 2 个 相邻车体端部的单轴转向架通过耦合连接 , 形成 “柔 性” 的铰接转向架 ,即可理解为将 1 个 2 轴铰接转向架 分解为 2 个彼此耦合连接的单轴转向架 。列车在解编 时 ,只需将 2 个单轴转向架解耦即可快速分解 ,单个车 辆又成为稳定结构 ,可以独立停置或沿轨道运行 ,具有

与常规车组相同的灵活性 [ 2 ] 。
F EBA 转向架的另一优势为 : 通过耦合连接 ,可不

需借助任何导向机构完全依靠轮对自导向实现径向功 能 ,在保持足够的运行稳定性的同时具有非常良好的 曲线通过性能 ,是铰接技术和单轴转向架耦合技术的 完美结合 。

2  单轴转向架的技术优势
单轴转向架作为一种非常规的转向架形式 , 以其 良好的线路适应能力尤其是曲线通过性能在部分国家 和地区的城郊 ( 城际) 客运中取得了成功 。经验表明 , 单轴转向架具有如下的技术优势 。
2. 1   节能

我们知道 ,列车在运行中要克服的运行阻力 主要 取决于运行速度 ,可表示为运行速度的二次函数 。参 照瑞典皇家技术学院 ( KT H ) 根据 X2 型高速列车归纳 出的列车运行阻力计算公式
FR = 80 ( 4 + nax ) + ( 22 + 0 . 13 L T ) v + ( 2 . 5 + 3 . 24 ×10 - 2 L T ) v2 ( 1 )

式中 , nax 为列车的总轴数 ( 包括动力轴) ; L T 为列车总 长 ; v 为列车运行速度 。

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由此可见 ,在非高速运行条件下 ,减少车组的轮对 数量继而缩短车组总长度可明显降低运行阻力 , 提高 能源的有效利用率 。 2. 2   降低车辆自重和运营成本 轮轨接触点作为车辆系统与轨道系统的作用界 面 ,对车辆系统而言是外界的激扰输入 ,减少轮对数量 意味着减少振动的激励 , 同时降低轮轨间的动态耦合 作用以及对轨道的破坏 。 根据 DSB 的统计 ,S2to g 车组采用单轴转向架后 , 单位车辆长度的质量 ( 即每延米轨道载重) 降低 15 % , 通过增加车体宽度 ( 3 200 mm ) 使单位车辆长度的坐 席数量提高 29 % , 其结果是单位坐席定员的质量为 357 kg , 较早期的车组下降约 34 % , 减重所产生的能 耗降低率达 60 % 。可见该技术在降低列车质量方面 具有一定的作用[ 3 ] 。 在转向架的整体质量构成当中 , 轮对占有相当的 比例 ,故减少轮对数量所取得的减重效果是最为明显 和直接的 。从用户的角度出发 , 尽可能的降低维护成 本 ,减少检修工作量是运营部门所追求的目标 。运用 经验表明 ,在车辆日常维护作业当中 ,大部分的内容都 是涉及轮对的 ,因此 , 采用单轮对转向架 , 结构将大为 简化 ,这对于降低维护成本和减少检修工作量也是极 为有利的 。 另外 ,随着转向架及轮对数量的减少 ,车辆系统的 线路激扰输入以及轮对间的耦合作用也随之减小 , 由 此引起的振动及噪声均得以降低 。 2. 3   曲线通过性能的改善 车辆系统的主要结构参数包括 : 车辆长度 2 L ; 前 后转向架之间的纵向距离 2 l ( 车辆定距 ) ; 转向架 2 个 轮对之间的纵向距离 2 b ( 转向架轴距) 。一般 2 l < 2 L 。 这些参数及线路的曲线半径 是影响其曲线通过性能 的关键因素 。 常规车辆在通过半径为 R 的圆曲线时 , 各位轮对 与钢轨之间存在一个冲角 , 要使车辆顺利通过曲线 , 四 条轮对应同时处于径向位置 。我们将此过程假想地分 解为 2 步完成 :第 1 步 , 前后转向架的反向偏转 , 角度 大小为 l/ R ; 第 2 步 , 同一转向架前后轮对的反向偏

转 , 角度为 b/ R , 因此车辆各轮对的径向偏转角分别为 ±( l b) / R , 可见轮对转角构成中包含了车辆定距和 轴距的叠加影响 。 由于常规转向架前后轮对受到轮对和刚性构架之 间一系悬挂的约束 , 因此上述轮对的径向调整难于实 现 ,必然导致车轮以较大的冲角与钢轨接触并使轮轨 横向分力增加 ,引起轮轨磨耗的加剧 。 对于铰接连接的车辆 , 如果采用如 T GV 这种常 规的 2 轴铰接式转向架 , 各轮对要实现径向位置所要 求的偏转角仅仅因车辆长度 ( 定距 ) 的缩短而略有减 小 ,因此只能适用于大曲线半径的高速线路 。 分析 F EBA 转向架曲线 ,我们认为采用单轴转向 架可以使轮对的径向调整更为简单 。车体支承于 2 个 单轴转向架上 ,此时 ,轮对的径向偏转角中只包括车辆 定距的成分 ,径向转角进一步减小 ; 进而 , 如果每车只 在车体中部设 1 个单轴转向架 , 则理论上可使轮对冲 角为 0 。 2. 4   降低噪声 随着人们环保意识的不断提高 ,噪声污染 ,特别是 交通工具的噪声已日益受到关注 。轨道交通车辆不可 避免产生噪声 ,其主要的噪声源又来自于轮轨接触噪 声 。因此 ,减少轮对数量 ,有利于降低运行过程中所产 生的轮轨噪声 。 资料表明 ,丹麦哥本哈根市郊线上运营的第四代 S2tog 电动车组通过采用改进的单轴转向架 ,其轮轨噪 声较早期产品降低了 18 dB , 且因其具有良好的曲线 通过性能 ,明显降低通过曲线时轮轨的啸叫噪声 ,使该 车组最终符合了 DSB 非常苛刻的噪声限值 ,成为当前 噪声最低的车组之一 [ 4 ] 。

3  单轴转向架动力学分析
若仅仅单独分析 1 个单轴转向架 ,并不能全面 、 真 实地反映车组的动力学性能 。因此 , 本文应用多体动 力学分析软件 SIM PAC K 建立了 1 个包含 2 个常规 2 轴动力转向架和 2 个单轴拖车转向架的 4 车车组单元 动力学模型 ,如图 2 所示 。

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   车组两端的长车体安装的是常规 2 轴动力转向 架 ,中间 2 辆短车体安装的是单轴拖车转向架 ,各车体 间采用 铰 接 连 接 。轮 轨 匹 配 关 系 按 照 国 内 常 用 的
L M A 磨耗型车轮踏面与 60 kg 钢轨配合 。 3. 1   运行稳定性分析

很大的影响 ; 而对于单轴转向架 , 计算结果表明 , 转向 架的临界速度并不随着一系定位刚度的增加而提高 , 临界速度几乎没有改变 , 即一系纵向定位刚度 K px 及 横向定位刚度 K py 对单轴转向架的临界速度影响很 小 。这是单轴转向架区别于常规 2 轴转向架反映在稳 定性与悬挂参数方面的典型特征之一 。 其主要原因是 : 对于常规的 2 轴转向架 ,其前后轮 对通过一系悬挂与构架连接 , 因此 2 条轮对的运动存 在相互影响 ,构架 ( 转向架) 运动取决于 2 条轮对运动 的综合影响 ; 而单轴转向架只有 1 条轮对和构架弹性 连接 ,当一系悬挂定位刚度远大于二系时 ,轮对和构架 可视为 1 个整体直接受车体的约束 , 所以单轴转向架 的临界速度可能更主要取决于其二系悬挂参数 。 图 4 ( a ) 和图 4 ( b ) 分别反映了二系附加摇头角刚 度 Kφ和抗蛇行减振器阻尼 C sx 对单轴转向架临界速度 的影响 。与上述的推论基本吻合 , 二系悬挂参数对单 轴转向架的稳定性影响较大 。可以看出 , 单轴转向架 的临界速度随着附加摇头角刚度 Kφ和抗蛇行减振器 阻尼 Csx 的增加而显著提高 , 但当摇头角刚度 Kφ达到 5 MN ?m/ rad 以上 , 抗蛇行减振器阻尼 Csx 达到 200 kN ? s/ m 以上时 , 车组的临界速度始终维持在 201 km/ h 。这是因为此时列车端部未装用抗蛇行减振器 的 2 轴转向架达到了临界状态 , 而此时单轴转向架并 没有失稳 。

计算结果表明 ,未装用抗蛇行减振器的单轴转向 架在速度为 55 km/ h 时即处于临界状态 , 继续提高速 度将失稳 ; 而两端的 2 轴转向架的横向运动很快就收 敛 ,说明单轴转向架的稳定性比 2 轴转向架的稳定性 要差得多 ,必须采取一系列技术措施来提高其临界速 度。 图 3 反映了一系纵向定位刚度 K px 和横向定位刚 度 K py 对未装用抗蛇行减振器的单轴转向架临界速度 的影响 。对于常规的 2 轴转向架 , 一系纵向横向定位

刚度参数 K px 、 K py 特别是 K px 对转向架的临界速度有

3. 2   平稳性分析

从图 5 ( a ) 可看出 ,一系悬挂定位刚度对车辆的横 向平稳性略有影响 , 横向平稳性指标随一系横向定位 刚度的提高而略有增大 ; 在相同的横向定位刚度条件 下 ,当纵向定位刚度超过 8 MN/ m 时 , 横向平稳性指 标基本与一系纵向定位刚度呈线性关系 。图 5 ( b ) 显 示 ,车辆的垂向平稳性几乎不受一系悬挂定位刚度的 影响 。在相同的一系悬挂定位刚度参数下 , 车辆的运

行平稳性总体上表现为垂向要优于横向 , 采用较小的 一系定位刚度有利于改善运行品质 。 计算表明 ,一系 、 二系的垂向阻尼对车辆的垂向平 稳性有较大影响 ,其中二系垂向阻尼更为明显 ,其平稳 性指标随着二系阻尼的增加而明显改善 。其原因是 , 对单轴转向架 ,除了车体与构架间存在沉浮振动外 ,还 同时伴随着明显的构架点头振动 , 因此需要适当增加 二系垂向阻尼以衰减这种合成的垂向振动 。

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3. 3   曲线通过性能分析

衡量曲线通过性能的指标很多 , 但通常根据轮对 的冲角 、 轮轨横向力和磨耗指数就能直观地判断出一

个转向架的曲线通过性能的好坏 , 所以本文在进行曲 线通过性能的优化计算时 , 选取的目标函数为轮对冲 角和磨耗指数 。

   按照磨耗指数定义[ 5 ] , 磨耗指数综合反映了轮对 冲角和轮轨力的共同影响 , 磨耗指数并不正比于轮对 冲角或轮轨力 ,因此 ,只有在轮对冲角和轮轨力同步增 加的条件下 ,才反映轮轨之间的磨耗加剧 。 常规的 2 轴转向架的一系刚度参数特别是纵向刚 度对转向架的曲线通过性能具有决定性的影响 , 一般 而言 ,随着纵向定位刚度的增加将导致轮对冲角及轮

轨力的增大 ,是不利于曲线通过的 。 由图 6 ( a ) 中可看出单轴转向架与常规 2 轴转向 架之间的差异 ,在改变一系纵向 、 横向定位刚度的过程 中 ,轮对冲角只在小范围内呈现出没有规律性的波动 ; 由图 6 ( b) 可见 , 磨耗指数在纵向定位刚度不超过 10 MN/ m 的范围内几乎不随刚度的改变而变化 , 在超过
10 MN/ m 后表现为略有上升的趋势 。

   车辆通过曲线时 , 一系悬挂参数对单轴转向架的 曲线通过性能的影响都不显著 。二系悬挂参数尤其是 抗蛇行减振器阻尼对单轴转向架的曲线通过性能影响 要大一些 ,通过优化 , 抗蛇行减振器阻尼有一个最佳 值。 3. 4   曲线通过性能的参数优化 运行速度与曲线半径的关系是按未平衡离心加速 度 0. 05 g 来换算 ,见表 1 。

表1  模拟曲线通过工况
曲线半径 R/ m 运行速度 v/ ( km ? h - 1)
100 25 200 36 400 50 800 70 1 200 2 000 96 110

在图 7~图 10 中的各 ( a ) 图是曲线半径 R = 200 m ,列车运行速度 v = 36 km/ h 时列车前端的 2 轴转向 架与中间的 2 个单轴转向架的动态通过曲线比较 , 其 轮对的顺序按照车组运行方向起分别为 : 端部常规转

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向架的导向轮对 、 非导向轮对及中间车的 2 个单轮对 。 ( ) 各 b 图是随着曲线半径的变化 2 轴转向架与单轴转

向架的各最大曲线通过性能指标的对比 。

   由图 7 ( a ) 可清楚地对比出单轴转向架在曲线通 过过程中 ,其轮对的横向位移基本介于常规 2 轴转向 架前后轮对的位移量之间 , 其中第 3 位轮对的横向位 移稍大于第 4 位轮对 。从图 7 ( b ) 可看出随着曲线半 径的增加 ,单轴转向架的轮对横向位移复原性能也优

于常规 2 轴转向架 。如图 8 所示 , 单轴转向架在曲线 通过过程中的冲角变化充分验证了其曲线通过性能的 优势 。图 8 ( a ) 表明 ,单轴转向架轮对的冲角远低于常 规转向架的导向轮对 , 其量值仅相当于常规转向架的 后位非导向轮对 ; 从图 8 ( b ) 可看出 , 常规转向架的轮

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对冲角对曲线半径的变化相当敏感 , 小曲线半径使冲 角急剧增大 ,而单轴转向架的轮对冲角在各种半径的 曲线上始终保持较小的水平 。 仅仅从轮对的冲角单一指标还不能反映轮轨间的 磨耗 ,还必须考察轮轨之间的横向力水平 , 图 9 ( a ) 反 映了该指标的对比情况 ,从数值上可看出 ,单轴转向架 的轮轨横向力只有常规转向架导向轮对的 1/ 5 ; 图 9 ( b) 反映了在曲线半径小于 500 m 的线路上 , 其最大

横向轮轨力也远低于后者 。 由图 8 和图 9 可以推断 , 在相同的曲线半径条件 下 ,单轴转向架轮对冲角和轮轨横向力均明显低于常 规转向架 ,其轮轨磨耗水平必然有显著的降低 。 图 10 充分验证了上述论断 。可见 ,单轴转向架的 轮轨磨耗指数甚至低于常规转向架的后位轮对 , 反映 了单轴转向架在曲线通过性能尤其是小半径曲线线路 上具有明显的优点 。

4  结论
通过以上的仿真计算 ,可以得出如下结论 : ( 1) 单轴转向架的动力学特性具有区别于常规 2 轴转向架的特征 ,具体表现为其运行稳定性和曲线通 过性能主要取决于二系悬挂系统 , 相比于常规 2 轴转 向架 ,运行稳定性和曲线通过性能对转向架的参数要 求之间的矛盾并不尖锐 , 这使得转向架的设计在参数 选择方面有更宽的余地 。 ( 2) 在没有安装抗蛇行减振器的条件下 , 单轴转 向架的稳定性比 2 轴转向架要差得多 , 可以通过增加 二系阻尼或摇头角刚度来提高其临界速度 ; 单轴转向 架对线路的垂向不平顺激扰较为敏感 , 表现在其垂向 平稳性指标比常规两轴转向架要差一些 , 这可以通过 二系悬挂三个方向阻尼的合理匹配来改善车辆的垂向 舒适性 。 ( 3) 单轴转向架的曲线通过性能明显好于 2 轴转 向架 ,尤其在小半径曲线上得到充分体现 ,所以特别适 合在曲线较多而且半径又较小的城市轻轨上运行 。曲 线通过时的低横向力以及因采用单轴而带来的轮重增 加还有利于提高脱轨安全性 。

需要指出的是 ,本文只对一种采用单轴转向架的 车辆模型的设想进行了初步的理论和性能分析 , 尚缺 少实验的验证和支持 ,这是有待于进一步完善的 。
参考文献 :
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( 责任编辑   何  芳)


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