单轴转向架车辆动力学仿真

维普资讯 http://www.cqvip.com

第? 7卷 第 4期 

铁 

道 

学 

报 

Vo1   .27 A u s  gu t

NO   .1 2 05 0  

J OURNAI  OF TH E CHI     NA  RAI W AY  OCI I   S ETY 

文 章 编 号 :1 0 8 6 ( 0 5 0   0 70   O 卜 3 0 2 0 ) 40 4 - 7

单 轴 转 向 架 车辆 动 力学 仿真 
虞 大 联   池 茂 儒   李  芾 , 傅 茂 海  , ,  
( .西 南 交 通 大 学 机 械 工 程 学 院 ,四川 成 都 1



603 ; 1 0 1 



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  2 6 1 ) 6 1 1 

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 , 介 绍 r几 种 采 用 非 常 规 转 向 架 车 辆  并
的 运 用 实 例 . 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 . 文 提 H 该 本 {r一 种 采 用 单 轴  转 向架 的 短 车体 车 辆 模 型 没想 . 坪运 用 多 体 动 力 学 分 析 软 件 SI ACK 对 该 转 向架 及 车 组 的 动 力 学 性 能 进 行 r MP  

仿 真 模 拟 。结 果 表 明 , 模 型 侄 满 足 运 用 要 求 稳 定 性 的 条 件 下 . 曲 线 通 过性 能 方 面 具 有 明 显 的 优 势 . 其 适 用  该 在 尤
于 小 半 径 曲线 的 轨 道 线 路 。   关 键 词 : 道 车 辆 ;转 向 架 : 轴 转 向 架 ; 力 学 仿 真  轨 单 动
中图 分 类 号 :U2 0 1  7.1 文 献标 识 码 :A 

Dy m i s S m u a i n o   i g e a l   g e Ve c e M o e s na c   i l to   f S n l- x e Bo i   hi l  d l 
Y U   i n   C H I M a — u。  IIFu   FU  a — i Da la  ,   or 。     。 M o ha 
( .S h o  fM e h n c lEn .,S u h s  io o g Unie s t 1 c o lo   c a ia  g o t we tJ a t n   v r iy,Ch n d   1 0 1.Ch n   e g u6 0 3 i a;

2 P sd co a  o k tto . o t o t r lW r sa in.CS Si n   c mo ie& Ro l g S o k Co R  f g Lo o tv a li   t c   .,Lt ,Qig a   6 1 1.(hn ) n d. n d o2 6 1 ' ia 

A b ta t T h s p pe   o pa e   he i fue e ofc nv nton la   nc sr c : i  a rc m r s t   n l nc     o e i a  nd u onv ntona  a lv hi l  o i r to   o — e i lr i e ce c nfgu a i n m d    
e s o   he s r c ur lpa a e e s a d c r c e itc  f t   a lv h c e  n c v   e ota i n. a d r s nt  om e l  n t   t u t a  r m t r   n   ha a t rs is o   he r i e i ls i  ur e n g ito   n  p e e s s  

e m p e   fo r tn   r i— e susng sngl  x e b xa l s o   pe a i g t an s t  i   i e a l  ogis,w h c   r e t  a e be t rc r e ne ota i   e f m — e i h p ov   o h v   te   u v   g i ton p ror   a e a d tr c m o e a d m or   te i nc   n  a ta t r  n   e a l nton, t i  a r i r duc s   w  on e t f on   i e a e o e or a h s p pe   nto e  a ne c c p o   e sngl— xl b gi f     s or e   n   r a rv hil h t ra d b o de   e c e,a   n l e   he dy m is fgur s b   he S M PA CK  u tpl  o i  na is s f — nd a a yz s t   na c   i e  y t   I m li e s ld dy m c   o t  w a e The r s t  h w  ha  he m od lg i   oo   t b lt   n   la   ur e n g ito   dv nt ge   e  he c — r.   e ulss o t tt   e  a nsg d s a iiy a d ce rc v   e ota i n a a a sov rt   on  
v nto lm o e s.a   te p ca l   u t  e ce   un n     ha p c r e . e ina  d l nd i s e ily s is v hil s r ni g on s r   u v s     K e   r : r i v hil y wo ds a l e c e;bo e; sngl— x e bo e dy a is sm ulto     gi i e a l  gi ; n m c  i a in

单 轴 转 向 架 在 降 低 车 辆 自 重 、 和 轨 道 系 统 的 动  缓 态 激 扰 、 少 运 行 噪 声 和 改 善 曲 线 通 过 性 能 方 面 具 有  减 先 天 优 势 , 部 分 国 家 或 地 区 的 成 功 运 用 经 验 为 新 型  在 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 . 技 术 近 来 受 到 业 界 的 广 泛 关 注 . 被 国 际 铁  该 已 路 联 盟 ( C 确 立 为 关 于 铁 路 提 高 能 效 的 中 长 期 发 展  UI )
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 ( 3轴 ) 常 规 转 向 架 支 承 。 图 1 a 所 示 。 按  或 的 如 () 照 这 种 形 式 组 成 的 单 个 车 辆 结 构 稳 定 , 车 或 车 组 解  列

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 , 了 采 用 新  除 型轻 量化 材料 和新 工 艺 等 措 施 之 外 . 变 常 规 的 车辆  改 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 ( t uae ri ) 即 在  Ari ltd t n , c a

1 车 辆 的 结 构 形 式 
1 1 常 规 车 辆  . 
收 稿 日期 :2 0   9 3 修 回 日期 :2 0  1(   0 4 O   0: 0 50 ] 6

相 邻两 车体 之 间设 置 一共 用 的 铰接 转 向架 , 名 的法  著
国 TG 高 速 列 车 和 西 班 牙 的 Ta o列 车 均 属 此 类 。 V l g  
如 图 1b 和 1 C所 示 。其 中 , () () TGV 所 采 用 的 铰 接 转 

作 者 简 介 :虞 大联 (9 8 ) 1 6  .男 . 江杭 州 人 .硕 士 研 究 生 .高 级    浙
工 程 师  E— i:a eg @ s h . Ol mal b io o u C r  l

向架 仍 为 常 规 的 2轴 结 构 . 轴 距 较 大 ; Tag 且 而 lo却 采  用 了 一 套 独 立 旋 转 车 轮 ( 称 为 I s 的 “ 轴 ” 接  简 RW ) 单 铰

维普资讯 http://www.cqvip.com

铁 

道 

学 

报 

第 2 7卷  

转 向 架 , 左 右 车 轮 不 再 固 结 于 同 一 车 轴 上 而 允 许 相  其 对 转 动 , 轨 间 由 于 消 除 了 纵 向蠕 滑 , 此 不 再 产 生 蛇  轮 因 行运 动 , 大地 提 高 了车辆 的运 行稳 定性 . 同时 也 由 极 但   此 失 去 了 轮 轴 自动 复 原 和 导 向 能 力 。 为 了 避 免 独 立 旋 

据 UI 的 研 究 报 告 , 对 于 常 规 连 接 形 式 , 接 车 组  C 相 铰

由于 轮对 数量 的减少 , 了控 制轴 重 和满 足限界 , 为 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 2  。铰 接 式 车组  5
可 使 转 向架 的 数 量 相 对 于 常 规 列 车 减 少 3  ~ 5  , 0 0  

转车 轮 的轮缘 贴 靠 钢轨 产生 磨 耗 , lo车组 在 车 体  Ta g
与轮 轴之 间采 用 了一 套迫 导 向 的径 向定 位 杆 装 置 , 是 

若 按照 转 向架 重量 占车 辆 自重 的 l 3汁 , 使 整 个 车  / 可
组 的 总 重 降 低 3 ~ 1    0 。  

I RWs 术在 高速铁 路领 域应 用较 为成 功 的一 例 。 技  
采 用 铰 接 连 接 技 术 的 初 衷 主 要 是 降 低 车 辆 自重 。  

楚 

车辆 数 ( 括 动 力 _ ):  包 ^ n   轮 对 数 :n 4  ( ) 统 列 车 模 型  a传 车 辆 数 ( 括 动 力车 ): n ) 包 n( ≥4  轮 对 数: n 3  2( + ) ( T b) GV 列车 模 璋  J

划 
蛊  彩 

I  
  l 楚  I   _1 -     J   I

] - - V -71 V-7 - - - -  

。 。



I I  

  - ̄   I - -r F -1 -


车 辆 数 ( 括 动 力 车 ) n( ≥2  包 : , )  

( ) 班 牙 T lo列 车 模 型  c 西 a g

轮 对 数 :+   n3

 J I- 羹 
1  
0   L 

车 辆 数 ( 括 动 力 车 ) n( ≥ 2  包 : n ) ( 德 国 铁路 域 际 列 车 Lrx动 车 组 模 型  d) i e 轮 对 数 :z2 1   +

8  

( ) 麦 哥本 哈 根 市 郊 铁 路 S tg动 车 组 模 型  e丹 -o 图 1 不 同 的 客运 列 车 (   ) 构 形式    4组 结 ●动 力轴 ;。{动 力轴 。 E  

图 l d 和 图 1 e 所 示 分 别 为 德 国 铁 路 ( ) 于  () () DB 用 城 际 快 运 的 I rx内燃 动 车 组 和 丹 麦 铁 路 ( S 哥 本   e i D B) 哈 根 市 郊 Stg电 动 车 组 , 样 属 于 铰 接 连 接 形 式 , —o 同 与  前 两 种 的 区 别 主 要 在 于 车 组 的 所 有 转 向 架 均 采 用 了 单 

与 常 规 车 组 相 同 的 灵 活 性  。   F B 转 向架 的 另 一 优 势 为 : 过 耦 合 连 接 , 不  E A 通 可

需 借助 任何 导 向机构 完 全依靠 轮对 自导 向实 现径 向功 
能 , 保 持 足 够 的 运 行 稳 定 性 的 同 时 具 有 非 常 良好 的  在

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 , 幅 可 达 7 ~ 1  , 轮 轨 动 作 用  降   4 其 及 磨耗 、 声 等指 标也 明显 优 于常 规车组 。 噪   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 , 从 全 球 范 围 来 看 并 未 得  但

曲线通过 性 能 , 铰 接技 术 和单 轴 转 向架耦 合 技 术 的  是
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 ( 际 ) 运 中取 得 了成 功 。经 验 表 明 , 城 客   单 轴转 向架具 有 如下 的技 术优 势 。  
2 1 节 能  . 

到 推广 和普 及 , 主要 障碍 在 于 : 车组 中除 2个 端部  其 动
动 力 车 外 . 他 车 辆 在 结 构 上 均 缺 少 稳 定 性 , 无 法 独  其 即

立停 置 和牵 引 , 连挂 和分 解作 业 中 , 须借 助假 台车  在 必
辅 助 支 承 , 连 接 结 构 复 杂 , 组 灵 活 性 方 面 明 显 逊 于  且 车 常 规 形 式 。 为 了 克 服 这 一 不 足 , 威 铁 路 ( B) 挪 NS 在  B 7 M 2型 电 动 车 组 中 装 用 了 一 种 被 称 为 “ E A” 耦  F B 的

我 们 知 道 , 车 在 运 行 中 要 克 服 的 运 行 阻 力 主 要  列

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 : 2辆 车 的 连 接 处 , 2个  在 将

取决 于运 行 速度 , 表 示 为运 行速 度 的二 次 函数 。参  可
照瑞 典皇 家技 术学 院 ( KTH) 据 X 根 2型 高 速 列 车 归 纳  出 的 列 车 运 行 阻 力 计 算 公 式 
FR 一 8 4+ ” )+ ( 2+ 0.1   ) O(   2 3f u+  
( .5+ 3 4 × 1 2 .2 0~L  )    : (1)  

相邻 车体 端 部 的单 轴 转 向架 通 过 耦 合 连 接 . 成 “ 形 柔 
性 ” 铰 接 转 向 架 , 可 理 解 为 将 1 2轴 铰 接 转 向 架  的 即 个 分 解 为 2 彼 此 耦 合 连 接 的单 轴 转 向架 。 列 车 在 解 编  个 时 , 需 将 2个 单 轴 转 向 架 解 耦 即 可 快 速 分 解 , 个 车  只 单

式 中 , 为列 车 的总轴 数 ( 括 动 力 轴 )L   包 ;  为 列 车 总  长 ; 为 列车运 行速 度 。    

辆 又成为 稳定 结构 , 以独立 停置 或 沿轨 道运 行 , 有  可 具

维普资讯 http://www.cqvip.com

第 4期 

单 轴 转 向架 车辆 动 力 学 仿 真 

4  9

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 , 高  提
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 

转。 角度 为 b R, / 因此 车辆各 轮对 的径 向偏 转 角 分 别为 
± (Zb / 可 见 轮 对 转 角 构 成 中 包 含 了 车 辆 定 距 和  1g )R, -

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 , 此上 述 轮 对 的 径 向调 整 难 于 实  因 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 , 果 采 用 如 T 如 GV 这 种 常 

面 。 车辆 系统 而言 是外界 的激 扰输 入 , 少 轮对数 量  对 减
意 味 着 减 少 振 动 的 激 励 , 时 降 低 轮 轨 间 的 动 态 耦 合  同 作用 以及对 轨道 的破 坏 。   根 据 D B 的 统 计 ,-o S Stg车 组 采 用 单 轴 转 向 架 后 ,  

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 ( 距 ) 缩 短 而 略 有 减  定 的

单位 车辆 长度 的质 量( 即每延 米轨 道载 重 ) 低 1 % , 降     5 通过 增加 车体 宽 度 (  0  32 0mm) 单 位 车辆 长 度 的坐  使
席 数 量 提 高 2  , 结 果 是 单 位 坐 席 定 员 的 质 量 为  9 其 3 7k , 早 期 的 车 组 下 降 约 3 % , 重 所 产 生 的 能  5  g 较 4 减 耗 降 低 率 达 6 % 。 可 见 该 技 术 在 降 低 列 车 质 量 方 面  O 具有 一定 的作 用【 。   

小 , 此只 能适 用于大 曲线半 径 的高速 线路 。 因  
分析 F B 转 向架 曲线 , 们 认 为 采 用单 轴 转 向 E A 我  

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 , 时 , 对 的 径 向偏 转 角 中 只 包 括 车 辆  此 轮

定 距 的成分 , 向转 角 进 一 步 减 小 ; 而 , 果 每 车 只  径 进 如 在 车体 中部 设 1个单 轴 转 向架 。 理 论 上 可 使 轮 对 冲  则
角 为 0。  

在转 向架 的整体 质 量 构 成 当 中 。 对 占有 相 当 的  轮 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 , 可 能 的 降 低 维 护 成  尽 本 , 少 检 修 工 作 量 是 运 营 部 门 所 追 求 的 目标 。运 用  减

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 

经验 表 明 , 车辆 日常维 护作业 当 中 , 在 大部 分 的 内容都  是涉 及 轮对 的 , 因此 , 用单 轮 对 转 向 架 , 构 将 大 为  采 结 简 化 , 对于 降低维 护 成 本 和减 少 检 修 工 作 量 也 是 极  这
为有 利 的 。  

避 免 产生 噪声 , 主要 的 噪 声 源 又来 自于 轮轨 接 触 噪  其 声 。因此 , 减少 轮对 数 量 , 利 于降低 运行 过 程 中所产  有
生 的 轮轨 噪声 。  

另外 , 着转 向架及 轮对数 量 的减少 , 随 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  . 

资 料 表 明 。 麦 哥 本 哈 根 市 郊 线 上 运 营 的 第 四 代  丹 S tg电 动 车 组 通 过 采 用 改 进 的 单 轴 转 向 架 , 轮 轨 噪  — o 其 声 较 早 期 产 品 降 低 了 1  B, 因 其 具 有 良好 的 曲 线  8d 且 通 过 性 能 , 显 降 低 通 过 曲 线 时 轮 轨 的 啸 叫 噪 声 , 该  明 使

车辆 系统 的主 要结 构 参 数 包括 : 辆 长 度 2 前  车 L;
后 转 向 架 之 间 的 纵 向距 离 2 ( 辆 定 距 ) 转 向 架 2个  1车 ; 轮对 之 间的纵 向距离 2( 向架轴 距 ) b转 。一 般 2< 2   z L。

车组最 终符 合 了 D B非 常苛 刻的 噪声 限 值 , 为 当前  S 成
噪 声最 低 的车组 之一 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 。  

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 . 不能 全 面 、 并 真  实 地反 映 车组 的动 力 学 性 能 。 因此 , 文应 用 多 体 动  本
力 学 分 析 软 件 S MP K 建 立 了 1个 包 含 2个 常 规 2 I AC   轴 动 力 转 向 架 和 2 单 轴 拖 车 转 向 架 的 4车 车 组 单 元  个 动 力 学 模 型 , 图 2所 示 。 如  
— — — — — —

常规 车辆 在通 过半 径为 R 的 圆 曲线 时 , 位 轮对  各 与钢 轨之 间存 在一个 冲 角 , 使车辆 顺 利通过 曲线 , 要 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 : 1步 . 后 转 向 架 的 反 向 偏 转 , 度  第 前 角 大 小 为 zR; 2步 , 一 转 向 架 前 后 轮 对 的 反 向 偏  / 第 同



 

/  
4   3  

图 2 单 轴 转 向 架 的动 力 学 模 型 

维普资讯 http://www.cqvip.com

5  O

铁 

道 

学 

报 

第 2 7卷 

车组 两 端 的长 车体 安 装 的是 常 规 2轴 动 力 转 向   架 。 间 2辆短 车体 安装 的是 单轴 拖 车转 向架 , 车体  中 各
间 采 用 铰 接 连 接 。 轮 轨 匹 配 关 系 按 照 国 内 常 用 的  L 磨 耗 型 车 轮 踏 面 与 6  g钢 轨 配 合 。 M  0k   3 1 运 行 稳 定 性 分 析  .

很 大 的影 响 ; 而对 于单 轴转 向架 , 算 结 果 表 明 , 向  计 转 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 , 一 系 纵 向 定 位 刚 度 K 及  即   横 向 定 位 刚 度 K 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 。  

计算结 果表 明 , 装 用抗 蛇 行 减 振 器 的单 轴转 向  未 架 在速 度 为 5  m/ 5k h时 即处 于 临界 状 态 , 续 提 高速  继 度 将 失稳 ; 而两端 的 2轴转 向架 的横 向运 动 很 快 就 收 
敛 。 明 单 轴 转 向 架 的 稳 定 性 比 2轴 转 向 架 的 稳 定 性  说

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 , 架 ( 向架 ) 动取 决 于 2条 轮 对运 动  构 转 运 的综 合影 响 ; 而单轴 转 向架 只有 1条 轮 对 和 构架 弹性 
连 接 , 一 系 悬 挂 定 位 刚 度 远 大 于 二 系 时 , 对 和 构 架  当 轮

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  和 横 向 定 位 刚  度 K  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 , 系 纵 向 横 向 定 位  一

可视 为 1 整体 直 接受 车体 的 约 束 , 以单 轴转 向架  个 所
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 K  和抗 蛇 行减 振器 阻尼 C  对 单 轴转 向架 临界速 度 
的 影 响 。 与 上 述 的 推 论 基 本 吻 合 , 系 悬 挂 参 数 对 单  二 轴 转 向 架 的 稳 定 性 影 响 较 大 。 可 以 看 出 , 轴 转 向 架  单

4  0 j { o   {  
10 04

一横定刚  系 向位度 3N      ? M
— _^ :  N m .一  5M ?  D

童8 o l —   7N    一   . Mm 6 土;;?l昔毒;;司 ;= _ 0 ;;苫__;;;=—;   - j
6  


的临界速 度 随着 附加 摇 头 角 刚 度 K  和抗 蛇 行 减 振 器  阻尼 c  的增 加 而显 著 提 高 , 当摇 头角 刚 度 K。 到  但 达
5MN ?m/ a 以 上 , 蛇 行 减 振 器 阻 尼 C 达 到 2 0   rd 抗 Ⅱ . 0  k ? / 以 上 时 , 组 的 临 界 速 度 始 终 维 持 在 21 N sm 车 0  k h 这 是 因 为 此 时 列 车 端 部 未 装 用 抗 蛇 行 减 振 器  m/ 。 的 2轴 转 向架 达 到 了 临 界 状 态 , 此 时 单 轴 转 向 架 并  而
没有 失稳 。  

8  

l  O

l  2

l  4

系 纵 向定 位 刚 度 / M N?   ( m )

图 3 单 轴 转 向架 的临 界 速 度 与 一 系 悬 挂 参 数 的关 系 

刚度参 数 K 、  特 别是 K舡对转 向架 的 临界速 度有  K

. 

● 

g  


g  
 

世 
墨  

二 系 附加 摇 头 角 刚 度 /( N? rd   M m?a )
( )  :   aK O

抗 蛇 行 减 振 器 阻 尼 值 / k Sm ) ( N??  
() l O b C=  直

图 4 临 界 速 度 与 摇 头 角 刚 度 及 纵 向阻 尼 的 关 系 

3 2 平 稳 性 分 析  . 从 图 5 a 可 看 出 , 系 悬 挂 定 位 刚 度 对 车 辆 的 横  () 一 向平 稳 性 略 有 影 响 , 向 平 稳 性 指 标 随 一 系 横 向 定 位  横

行平 稳 性 总体上 表 现 为垂 向要 优 于横 向 , 用较 小 的  采


系定 位 刚度有 利于 改善 运行 品质 。   计 算 表 明 , 系 、 系 的垂 向阻 尼 对 车 辆 的 垂 向平  一 二

刚度 的提 高 而略有 增 大 ; 相 同 的 横 向定 位 刚度 条 件  在
下 。 纵 向 定 位 刚 度 超 过 8M N/ 时 ,横 向 平 稳 性 指  当   m 标 基 本 与 一 系 纵 向 定 位 刚 度 呈 线 性 关 系 。 图 5 b 显  () 示 。 辆 的 垂 向 平 稳 性 几 乎 不 受 一 系 悬 挂 定 位 刚 度 的  车 影 响 。在 相 同 的 一 系 悬 挂 定 位 刚 度 参 数 下 , 辆 的 运  车

稳 性 有 较 大 影 响 , 中 二 系 垂 向 阻 尼 更 为 明 显 , 平 稳  其 其 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 , 了车体 与构架 间存 在沉 浮振 动外 , 除 还  同时伴 随着 明显 的构 架 点 头 振 动 , 此 需要 适 当增 加  因 二 系垂 向阻尼 以 衰减这 种合 成 的垂 向振 动 。  

维普资讯 http://www.cqvip.com

第 4期 

单 轴 转 向架 车 辆 动 力学 仿 真 

3 3 曲 线 通 过 性 能 分 析  .

个 转 向架 的曲线 通 过性 能 的好 坏 , 以本 文 在 进 行 曲 所   线 通过 性 能的优 化 计算 时 , 取 的 目标 函数 为 轮 对 冲  选
角 和磨 耗指 数 。  

衡量 曲线通 过性 能 的指 标 很 多 , 通 常 根 据 轮 对  但 的 冲角 、 轨横 向力 和 磨 耗 指数 就 能直 观 地 判 断 出 一  轮

蜷  妲 

厘 



叵 

颦 

6  

8  

l  O

l  2

l  4

纵 向 定 位刚 度 / MN? ( m )  

纵 向 定位 刚 度 / MN? ( m )   ( ) 向 平 稳 性 与 纵 向定 位 刚 度 的 关 系  b垂

( ) 向平 稳 性 与 纵 向定 位 刚 度 的 关 系  a横

图 5 一 系 悬 挂 定 位 刚 度 对 运 行 平 稳 性 的影 响 
2   2   2  2   2  2  2  

按 照磨 耗指 数 定 义 ] 磨 耗 指 数综 合反 映 了轮 对  , 冲角和 轮轨 力的共 同影 响 , 耗 指 数 并 不 正 比 于轮 对  磨 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 , 反 映轮轨 之 间 的磨耗 加剧 。 才  

轨力 的增 大 , 不 利 于曲线 通 过 的 。 是  

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 , 改变 一 系纵 向 、 向定位 刚度 的过 程  在 横
中 , 对 冲角 只在 小范 围 内呈现 出没有 规律 性 的波 动 ; 轮   由 图 6 b 可 见 , 耗 指 数 在 纵 向 定 位 刚 度 不 超 过 1  () 磨 O MN/ 的 范 围 内 几 乎 不 随 刚 度 的 改 变 而 变 化 , 超 过  m 在 1  0MN/ 后 表 现 为 略 有 上 升 的 趋 势 。 m  

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 , 般  一
而 言 , 着 纵 向 定 位 刚 度 的 增 加 将 导 致 轮 对 冲 角 及 轮  随



O.0   O0

O Ol .   o Ol .  



O.0   O0



o0 0 .0  

整 Ol . O  
犍  越 oo   .1
O Ol .   O Ol .   6   8   l  O l  2 l  4



0.0   0 0

6  

8  

l  O

l  2

l  4

纵 向定 位 刚 度 /( N?   M m ) ( ) 对 冲 角 与 纵 向 定 位 刚 度 的 关 系  a轮

纵 向 定位 刚度 /( MN? m )  

( ) 耗 指 数 与 纵 向定 位 刚 度 的关 系  b磨

图 6 一 系悬 挂定 位 刚度 对 曲线 通 过性 能 的 影 响 

车辆 通 过 曲线 时 , 系悬 挂 参 数 对 单轴 转 向架 的  一
曲 线 通 过 性 能 的影 响 都 不 显 著 。 二 系 悬 挂 参 数 尤 其 是 
12 0 20 0   0   0  9  6 10 1 

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 , 过 优 化 , 蛇 行 减 振 器 阻 尼 有 一 个 最 佳  通 抗
值。  

在图 7 图 1 ~ O中 的 各 ( ) 是 曲线 半 径 R: 2 0 a图 0 
m , 车 运 行 速 度  一3  m/ 列 6k h时 列 车 前 端 的 2轴 转 向  

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 

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 : 部 常 规 转  端

度 0 0  . 5g来换 算 , 见表 1  。

维普资讯 http://www.cqvip.com

铁 

道 

学 

报 

第 2 卷  7

向架 的导 向轮 对 、 导 向轮对 及 中间车 的 2个单 轮对 。 非   各 () b 图是 随 着 曲线 半 径 的变 化 2轴转 向架 与 单 轴转 
O  O 加   加  
\  軎 _ 是颦 苌 袋 

向架 的各 最 大 曲线 通过 性能 指标 的对 比。  
\ 是 专   
O  O  O   O   O   O   O  

Z 

迢颦

∞  

加 

O  

蠢 一  0
厅  

颦 —  K O


嘣 


O  



0   0   5 0 0   10 0   0  15 0   0   20 0  0  

O  

l  O

2   O

3  O

4  0

时间/ s  

曲线 半 径 / m 

( ) 对 横 向 位 移 的 时 间 历 程  a轮

( ) 同 曲线 半 径 下 轮 对 最 大 横 向 位 移 的对 比  b不

图 7 转 向架 的 曲线 通 过 模 拟 比较 

O  

O  
_。

萋。  
靛 

窭o  
堪 
O   ?



0  . 0   5 0 0  10 0  0   15 0   0  2 0 0   0

O  

1  O

2   O

3   O

4   0

时间/  

曲线 半 径 / m 

( ) 对 冲 角 的 时 间 历 程  a轮

( ) 同 曲线 半 径 下 轮 对 最 大 冲 角 的对 比  b不

图 8 曲线 通 过 时 的 轮对 冲 角 比较    

Z 

苣 

蚤 
-  K 嘣 

O  

l  0

2   O

时间/ s  

曲线 半径 / m 

()轮对 横 向 力 的 时 间 历 程  a

( ) 同 曲线 半 径 下 最 大 轮 轨 横 向 力 的对 比  b不

图 9 曲线 通 过 时 的轮 轨 横 向力 比较   

由图 7 a 可清 楚 地 对 比 出单 轴 转 向架 在 曲线 通  () 过过 程 中 , 轮对 的横 向位 移 基 本 介 于 常规 2轴转 向  其 架前 后轮 对 的位移 量 之 间 , 中第 3位 轮 对 的横 向位  其 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 , 轴转 向 架 的轮 对 横 向位 移 复 原性 能 也 优  单

于 常规 2轴 转 向架 。如 图 8所示 , 轴 转 向架 在 曲线  单 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 , 轴转 向架轮 对 的冲 角远 低 于 常  () 单 规 转 向架 的导 向轮 对 , 量 值 仅相 当 于 常规 转 向 架 的  其 后 位非 导 向轮对 ; 图 8 b 可 看 出 , 规 转 向架 的轮  从 () 常

维普资讯 http://www.cqvip.com

第 4期 

单轴 转 向 架 车 辆 动 力 学 仿 真 

对 冲角对 曲线 半径 的 变化 相 当敏 感 , 曲线 半 径使 冲  小 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 , 必 须 考 察 轮 轨 之 间 的 横 向 力 水 平 , 9 a 反  还 图 ()

横 向轮轨 力也 远低 于 后者 。   由 图 8和 图 9可 以 推 断 , 相 同 的 曲 线 半 径 条 件  在

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 , 轮轨 窘耗 水平 必然 有 显著 的 降低 。 其   图 1 0充 分验 证 了上述 论 断 。可见 , 轴转 向架 的  单 轮 轨窘 耗指 数甚 至低 于 常规 转 向架 的 后 位 轮对 , 映  反 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 。  
l  

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 I5 图 9 /;  

( ) 映 了在 曲线 半 径 小 于 5 0r b反 0  n的 线 路 上 , 最 大  其
O  

O  

O  

羹。   藿o  
O   O  

羹。  
耀 
。   O   O  



O   0   5 0 o   l0 0   o  1 o    5 0 20 0  o  

O  

l  O

2   O

3   O

时间/ s  

曲线 半径 / m  ( ) 同 曲线 半 径 下 最 大 磨 耗 指 数 的 对 比  b不

( ) 耗 指 数 的 对 比  a磨

图 1 曲线 通 过 时 的轮 轨 磨 耗 指 数 比较  0

需 要指 出 的是 , 文 只对 一 种 采 用 单 轴 转 向架 的  本

4 结 论   
通 过 以 上 的仿 真 计 算 , 以得 出 如 下 结 论 : 可  

车 辆 模 型 的 设 想 进 行 了 初 步 的 理 论 和 性 能 分 析 , 缺  尚

少 实验 的验 证 和支持 , 是有 待 于进一 步 完善 的 。 这  
参 考文献:  

( ) 轴转 向架 的动 力学 特 性 具有 区别 于 常 规 2 1 单   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 , 比 于 常 规 2轴 转  相 向架 , 行 稳 定 性 和 曲 线 通 过 性 能 对 转 向 架 的 参 数 要  运

[ ] UI — trainlUn n o  al y. E eg   fc n y 1 C I en t a n o   i   fR i o wa s n ry E f i c  ie T c n l i  o  a w y ige xebge[ /  . t eh oo e fr i a s n l a l o i DB OI h— gs R l S -   s ]  
t : / W W . al ye eg . r ,2 0 . p/W ri wa —n r y o g 0 3 

求 之 间的矛 盾并不 尖 锐 , 使 得 转 向架 的设 计 在 参 数  这
选 择方 面有更 宽 的余地 。  

[ ]P l hO.C u lds gea l rn igg as 2 oa   c o pe  i l xe u nn   er n -    

an w r—   e  a 

d l teigds n[] o ra R i a dR pdTrn i   i  er  ei J .Jun l al n  a i as n g       as t,
Pr c I t , e h En s 2 o   ns r M c . gr . 16: 1 — 06( r    2 97 Pa tF) .  

( )在 没有 安 装抗 蛇 行减 振 器 的 条件 下 , 2 单轴 转 
向架 的 稳 定 性 比 2轴 转 向 架 要 差 得 多 , 以 通 过 增 加  可

[ ] R ln  l . E N   v l t n o  n ry E f i c  3 oa d Not e VE T E au i   fE eg  fc n y ao ie
Te hn o e f r c olgi s o  Roli   S oc  a d lng t k n  T r i O pe a i  o   an r ton f

二 系阻 尼或摇 头 角刚 度来 提 高其 临 界 速 度 ; 轴 转 向  单
架 对 线 路 的垂 向不 平 顺 激 扰 较 为 敏 感 , 现 在 其 垂 向  表 平 稳 性 指 标 比 常 规 两 轴 转 向 架 要 差 一 些 , 可 以 通 过  这

R i y  ia Reot R] o al sFnl p r J .C mmi i e  yUI 20 . wa     s o db  C, 0 3 sn   [ 3UlkD n ekodSms e 4  r   an s i ~a  ̄ .Ma f dK l o a   td f i l nr   ai d.A Su yo  e v
Eu ope n Prorte   a   Statgis f   Ral y Noie r a  i iis nd r e e   or iwa   s 

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 。  

Ab t me t Fi a ae n  n l  Re o t r . EU  mmiso p r    R] Co s i n.Di c o   r t— e
r t- ne a  o   a e Ge r lf r Ene gy an   a sp t , 2 02  r   d Tr n or 0 .

( )单 轴转 向架 的 曲线 通过 性 能 明显 好 于 2轴 转  3 向架 , 尤其 在小 半径 曲线 上得 到充 分体 现 , 以特 别适  所 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 。  

E 3王 福 天 . 5 车辆 系 统 动 力 学 [ M]. 北 京 : 国 铁 道 出 版 社 , 中  
】 9   9 4.

( 任 编辑 责



芳)  


相关文档

  • 单轴转向架车辆动力学仿真_虞大联
  • 基于单轴模型的轮式速差转向车辆的转向动力学分析
  • 200km_h高速客车转向架的动力学仿真计算
  • 轻型车辆的单轴转向架
  • 轴重+25+t+转向架货车的动力学性能
  • 三大件转向架货车动力学建模与仿真
  • 车辆径向转向架发展及其动力学特性
  • 高速动车组转向架动力学性能仿真分析与对比
  • 城轨车辆单轴转向架关键技术综述
  • 32t轴重机车转向架设计方案及动力学性能分析
  • 电脑版