內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)特性研究

為了降低車架重量，近年來(lái)，采用了一種新型結(jié)構(gòu)的車架內(nèi)側(cè)軸箱式砌塊，該支架成功應(yīng)用于客運(yùn)、公路和市政道路。內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架與外側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架的主要區(qū)別是將軸箱懸掛裝置從車輪外側(cè)移至車輪內(nèi)側(cè),使轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架成為內(nèi)支承模式。由于內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛的橫向跨距縮短,有效地降低了輪對(duì)的搖頭角剛度和轉(zhuǎn)向架的扭曲剛度,從而提高了曲線通過(guò)能力和適應(yīng)線路扭曲的能力,適用于運(yùn)行速度不高、線路曲線半徑小、坡度和順坡率較大的城市軌道交通車輛。本文利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK對(duì)內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架的曲線通過(guò)性能進(jìn)行分析研究,同時(shí)通過(guò)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的對(duì)比,進(jìn)一步探討內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架的曲線通過(guò)特性。1輪對(duì)的接頭角剛度和車輛過(guò)充比不考慮車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及車輪等部件的彈性變形,將整個(gè)車輛系統(tǒng)視為對(duì)稱的、多剛體的、多自由度的非線性振動(dòng)系統(tǒng),各個(gè)剛體通過(guò)彈簧和減振器相連。內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖1。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)模型相比,該模型只是將軸箱懸掛點(diǎn)移至車輪內(nèi)側(cè)。輪對(duì)的搖頭角剛度是影響轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能的主要因素。搖頭角剛度增大,通過(guò)曲線時(shí)輪軌橫向力、輪對(duì)沖角、輪軌磨耗、輪軌噪聲均有不同程度的增加,反之則減小。1個(gè)輪對(duì)的搖頭角剛度可用下式表示:Kψ=2Kpx·b2pp2(1)式中:Kψ——搖頭角剛度,MN·m;Kpx——每軸箱懸掛縱向剛度,MN/m;bp——軸箱懸掛橫向跨距之半,m。由式(1)可知,輪對(duì)的搖頭角剛度與軸箱懸掛橫向跨距的平方成正比。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比,采用內(nèi)側(cè)軸箱懸掛模式,軸箱懸掛橫向跨距將縮短約50%,在相同縱向剛度的情況下,輪對(duì)的搖頭角剛度將降低75%,從而大大改善了曲線通過(guò)性能。下面對(duì)內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架車輛曲線通過(guò)時(shí)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)曲線通過(guò)時(shí)的曲線半徑不同,本文將進(jìn)行5個(gè)工況的計(jì)算。根據(jù)GB/T5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定的車輛曲線允許通過(guò)的最高速度公式(式(2)),設(shè)定計(jì)算速度,最終得到其線路工況(表1)。vmax=(h+hq)R11.8??????√vmax=(h+hq)R11.8(2)式中:vmax——曲線允許通過(guò)的最高速度,km/h;R——曲線半徑,m;h——外軌超高,mm;hq——允許最大未被平衡的超高,取hq=110mm。根據(jù)上述的動(dòng)力學(xué)模型及線路工況,建立動(dòng)力學(xué)仿真模型,計(jì)算分析內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架在曲線通過(guò)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。2.1內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架的優(yōu)勢(shì)運(yùn)用動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK分別對(duì)內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架及傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行仿真計(jì)算,將得到的曲線通過(guò)的幾項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2。通過(guò)對(duì)比,得到以下結(jié)論:(1)內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的最大輪對(duì)沖角比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相對(duì)小25%左右,這種優(yōu)勢(shì)在小曲線半徑時(shí)更為明顯;(2)內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的最大輪軌橫向力比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架要小30%左右,這對(duì)軌道橫向變形起到了保護(hù)的作用;(3)內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的最大脫軌系數(shù)比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架小20%左右,大大保證了車輛運(yùn)行的安全性;(4)最大磨耗指數(shù)在通過(guò)小半徑曲線時(shí)相差很大,內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架小35%左右,這對(duì)降低運(yùn)行噪聲作用顯著。由此可見(jiàn),內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架在曲線通過(guò)時(shí)具有優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能。2.2抗側(cè)滾扭桿對(duì)最大傾覆系數(shù)的影響由于一系軸箱懸掛內(nèi)移,使得一系軸箱懸掛橫向距離減小,致使車輛在運(yùn)行過(guò)程中傾覆系數(shù)加大。本文通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算對(duì)其抗傾覆性進(jìn)行研究探討。圖3為內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架分別通過(guò)不同曲線半徑時(shí)得到的最大傾覆系數(shù)對(duì)比圖,可見(jiàn)沒(méi)有加裝抗側(cè)滾扭桿的內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架在運(yùn)行時(shí)的最大傾覆系數(shù)相對(duì)較大,其值都大于0.6,甚至不能達(dá)到GB/T5599—1985所規(guī)定的小于0.8的要求。當(dāng)內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架加裝抗側(cè)滾扭桿之后,在一定程度上加強(qiáng)了其抗傾覆的能力,最大傾覆系數(shù)比未加裝時(shí)降低了0.2左右,其傾覆系數(shù)指標(biāo)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的抗傾覆能力明顯要好,其最大傾覆系數(shù)隨著曲線半徑的變化基本沒(méi)有多大變化,比內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架小25%左右。通過(guò)以上的分析顯示,內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架的抗傾覆能力很差,但是經(jīng)過(guò)采取加裝抗側(cè)滾扭桿裝置后,其抗傾覆能力得到了顯著加強(qiáng),傾覆系數(shù)指標(biāo)完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。3降低了社區(qū)的接觸能力通過(guò)以上分析,可以得到內(nèi)側(cè)軸箱式轉(zhuǎn)向架的幾點(diǎn)特性:(1)由于一系懸掛橫向距離的減小,降低了搖頭角剛度,使其曲線通過(guò)時(shí)的沖角、輪軌橫向力相應(yīng)降低,明顯改善了其曲線通過(guò)能力;(2)由于曲線通過(guò)時(shí)的沖角及輪軌橫向力減小,間接地降低了輪軌磨耗,這不