车辆径向转向架发展及其动力学特性

图1 轮对曲线通过示意图
21212 自导向径向转向架
对于任何结构形式的转向架 , 都可以按静力学 观点把它等效为两个相互弹性约束的轮对 。假设一 弹簧悬挂装置在水平面内的特性不变 , 该弹性约束 即可用等效剪切刚度 Ks 和等效弯曲刚度 Kb 来模 拟 , 二者的定义为 : 因一轮对横移作用于另一轮对的横向力 两轮对间的相对横移量 因一轮对摇头作用于另一轮对的摇头力矩 Kb = 两轮对间的相对摇头角 从提高转向架曲线通过性能的角度 , 要求 Kb
1 径向转向架的发展及其运用概况
早在 1883 年 , 德国人 K LOSE 就提出了 “如果 轮对在曲线上沿切线方向作纯滚动 , 则轮轨间的磨 耗将为最小”的理论 [1 ] , 并基于此理论提出了径向 转向架的基本设想 。上世纪初 , 德国人和瑞士人在 此基础上提出了径向转向架的设计理念 , 按此理念 设计的径向转向架于 30 年代开始装车试验 , 并取 得了一定的效果 。但鉴于当时材料和制造水平的限 制 , 以及人们对轮轨蠕滑理论的有限认识 , 径向转 向架的发展较为缓慢 。直到 1967 年荷兰现代轮轨 粘着理论的开拓人 J 1J 1 Kalker 的博士论文发表后 , 人们 才 真 正 对 轮 轨 之 间 蠕 滑 的 相 互 作 用 有 了 认 识 [2 ] 。上世纪七十年代后 , 随着工业制造水平及理 论水平的提高 , 对径向转向架的系统性研究开始得 到发展 。 最先 投 入 广 泛 运 用 的 是 德 籍 南 非 人 Herbert Scheffel 于上世纪 70 年代初发明的货车径向转向架 。 这种以其名字命名的径向转向架基于传统的货车三 大件转向架 , 采用对角斜支撑将两个 U 形副构架相 连接 , U 形副构架将同一轮对上的两轴箱连接在一 起 , 其目的是确保直线运行时两轮对的横向和纵向 的可靠定位 , 以及曲线上轮对沿曲线半径方向的相
向径向转向架的基本原理[7 ] 。 自导向径向转向架是在同一转向架前后轮对间 加装导向机构 , 将前后轮对的摇头运动耦合起来 , 这样转向架通过曲线时 , 导向机构可以将前轮对趋 于曲线径向位置的趋势反向传递给后轮对 , 使前后 轮对在通过曲线时均有趋于曲线径向位置的作用 。 因此 , 自导向转向架的导向依然是靠轮轨间的蠕滑 力导向 。自导向转向架的自导向机构由于不与车体 相连 , 故结构相对简单 , 在半径较大的曲线上有较 好的径向调节作用 , 在半径较小的曲线上径向作用 相对较弱 , 其改善程度仍受横向稳定性的制约 。故 自导向转向架只能在一定程度内解决曲线通过与横 向稳定性之间的矛盾 , 并不能完全实现径向通过曲 线 [8 ] 。 21213 迫导向径向转向架 与自导向径向转向架相比 , 迫导向径向转向架 是能够主动控制曲线通过时轮轨间的冲角 。其基本 设计思想是 : 利用机车车辆通过曲线时车体与转向 架之间的相对回转位移 , 通过连接车体和轮对的导 向机构迫使前后轮对反向回转而趋于曲线的径向位 置。 如图 2 所示为杠杆式迫导向机构的导向原理 图。
收稿日期 : 2002205227
对自由转动 。为提高其导向能力 , 轮对采用等效斜 率相对较高的磨耗形踏面 , 转向架的侧架通过橡胶 垫支承于轴箱上 , 以保证轮对与侧架的弹性定位 。 试验和运用表明 , 该转向架同传统的三大件转向架 相比具有良好的曲线通过性能和较小的轮缘磨耗 。 由于增加了一系悬挂 , 有效地降低了簧下质量 , 其 运行品质得到显著的改善 , 最高运行速度由原来的 80 km・ h - 1 左右提高到 120 km・ h - 1 , 并于 1976 年开 始批量生产并大量投入运用 。上世纪 90 年代末 ,
) , 男 , 云南昆明人 , 国家特聘教授 , 博士生导师 , 德国工学博士 。 作者简介 : 李 芾 (1956 —
基金项目 : 教育部高等学校骨干教师资助计划项目
第 5 期 径向转向架机理及其动力学特性研究 Nhomakorabea47
美国 Devine 公司联合研制的 Devine2Scalas 径向转向 架采用焊接刚性构架和迫导向的模式 , 通过导向杠 杆系统将车体和转向架间的回转角度传给轮对 , 使 轮对在曲线上能趋于径向位置 。除上述的货车径向 转向架外 , 还有英国的 Cross2braced 、德国的 DRRS2
2 基本原理及导向机理
211 径向转向架的基本原理
常规转向架在通过曲线时 , 由于轮对相对于构 架间的水平定位刚度较大 , 两轮对的轴线在构架中 几乎保持相互平行 , 故轮对与轨道间形成较大冲 角 。轮轨接触关系和蠕滑理论研究表明 , 冲角的增 大将导致轮对的横向蠕滑增加 , 从而使轮轨间的横 向蠕滑力增大 , 其结果是轨道易出现横移 、轮轨磨 耗严重 。与此同时 , 横向蠕滑的增加将使车轮的纵 向粘着下降 , 导致转向架回转力矩减小及粘着性能 降低 , 故冲角的大小成为衡量转向架曲线通过性能 的重要指标 [3 ,4 ] 。降低轮对轴箱的水平定位刚度有 利于减小冲角 , 但转向架的横向稳定性将降低 。解
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中 国 铁 道 科 学 第 23 卷
轮对与构架之间的剪切刚度和弯曲刚度对此径向趋 势存在限制作用 , 使得常规转向架的曲线通过性能 存在导向不足这一缺陷 , 于是就出现了柔性定位转 向架 。柔性定位转向架是指在运行速度低 , 横向稳 定性要求不高的情况下 , 一系采用柔性悬挂 ( 定位 刚度比常规转向架小 ) , 以降低轮对横移和摇头刚 度 ( 即剪切刚度和弯曲刚度 ) , 由于踏面锥度的存 在 , 减轻了约束的轮对就能够趋于径向位置 。但由 于一系柔性定位转向架无径向装置 , 故在通过曲线 时不能使前后轮对同时趋于径向位置 , 因而 , 柔性 定位转向架不是真正意义上的径向转向架 。
架等几种货车径向转向架均进行了试验 , 并积累了 大量的经验 。 同货车径向转向架相比 , 客车径向转向架发展 则较为滞后 。其主要原因是客车轴重较小 , 其相应 的磨耗要小于货车 , 加之客车的数量远远小于货 车 , 故多年来未能引起足够的重视 。随着列车速度 的提高和近年来各国在既有线上提速的欲望增加 , 特别是摆式列车的研制 , 使客车径向转向架得到了 相应的发展 。上世纪 80 年代后期 , 瑞士的 SIG 公司 研制出了客车径向转向架 SIG 2Navigator , 该转向架 采用迫导向模式 , 并用于为瑞士联邦铁路 ( SBB ) 生产的摆式列车上 。西班牙 Talgo 公司为欧洲生产 的旅馆列车和摆式列车也采用了迫导向径向转向 架 , 并采用了独立旋转车轮技术 。上世纪 80 年代 中期德国 AEG 公司为德国联邦铁路生产的新型内 燃摆式动车组 VT611 , 也应用了径向转向架 , 但采 用的是自导向模式 。除此以外 , 日本的 381 摆式列 车 , 也采用了迫导向模式的径向转向架 。1999 年铁 道部组织有关单位进行技术攻关 , 研制我国第一列 具有自主知识产权的摆式列车 , 其转向架分别采用 迫导向和自导向模式 , 2001 年进行了线路动力学试 验 , 并于 2002 年 4 月完成了在成都铁路局进行的线 路考核试验 。
V 及国内有关单位为我国米轨铁路研制的货车转向
决此问题的唯一方法是在不降低转向架横向稳定性 的前提下 , 降低轮对的摇头刚度 , 使轮对在曲线上 具有趋于曲线径向的功能 。径向转向架就是基于上 述设计理念 , 将转向架上的前后轮对通过一定的方 式连接起来 , 使其摇头运动相互耦合 , 从而使轮对 轴线指向轨道曲线半径的方向 , 达到径向调节的目 的 [5 ,6 ] 。 径向转向架一般可分为自导向径向转向架和迫 导向径向转向架两种 。两种径向转向架的结构不 同 , 导向机理也不一样 , 对适用的线路也有所不 同 。自导向径向转向架是通过解除对轮对的摇头约 束 , 依靠轮轨之间的蠕滑力导向 。迫导向径向转向 架是利用车辆通过曲线时车体相对构架的转角来迫 使轮对趋于曲线的径向位置 。 另一类介于常规转向架和径向转向架之间的是 柔性定位的转向架 , 其一系纵向定位刚度比常规转 向架小 , 以减小轮对在曲线上的冲角 。 212 径向转向架的导向机理 21211 柔性定位转向架 在曲线上 , 外轨上的车轮所需走行的距离大于 内轨上的车轮 。对于常规轮对而言 , 由于其左右车 轮转速相同 , 为使车轮在曲线上作纯滚动 , 车轮踏 面一般设计成具有一定的锥度 。转向架在通过曲线 时 , 尽管轮对向曲线外横移 , 外侧车轮滚动圆半径 增加 , 内侧车轮滚动圆半径减小 , 但使轮对作纯滚 动的条件一般不能满足 , 即轮轨间将不可避免地产 生蠕滑 , 而轮对也正是依靠轮轨间的纵向蠕滑产生 的纵向蠕滑力来导向的 。如图 1 为轮对通过曲线时 的示意图 。通过速度矢量合成 , 可得左右车轮的蠕 滑速度分别为 w l 和 w r , 将其分解即得左右车轮的 纵、 横向蠕滑速度 w xl , w yl 和 w xr , w yr , 正是这些蠕滑 速度 , 产生了左右车轮的纵 、横向蠕滑力 。由图可 见 , 左右车轮的纵向蠕滑力形成一蠕滑力矩 , 在其 作用下 , 轮对有趋于径向位置的趋势 , 这就是轮对 的蠕滑力导向原理 。但当通过曲线的速度较高且曲 线半径较小时 , 蠕滑力不能满足导向的要求 , 此时 势必发生轮缘贴靠钢轨 , 以产生较大的轮缘力来导 向 。轮缘力的大小与轮轨间的冲角直接相关 。 当刚性定位的转向架通过曲线时 , 轮对的刚性 悬挂要求两轮对保持相互平行 , 造成前导轮对与钢 轨之间存在较大的冲角 , 以致产生很大的轮缘力 。 对于常规转向架 , 轮对轴箱一般采用弹性定位 , 其 轮对与构架之间存在剪切刚度和弯曲刚度 。这样 , 虽然蠕滑力有使轮对趋于径向位置的趋势 , 但正是
李 芾 , 傅茂海 , 黄运华
( 西南交通大学 牵引动力研究中心 , 四川 成都 610031)
摘 要 : 改善车辆曲线通过性能是研究转向架动力学性能一直追求的目标 。简要介绍了国内外客货车径向 转向架的发展及其应用概况 , 并阐述了迫导向 、自导向径向转向架的导向机理及其基本结构 。建立了迫导向转 向架 、自导向转向架和一系柔性定位转向架的统一横向动力学模型 , 通过计算机仿真得出一系柔性转向架和径 向转向架的曲线通过性能和直线稳定性 , 并进行了分析 、比较 。结果表明 , 采用径向转向架是降低曲线上轮轨 磨耗和提高直线上稳定性的有效措施 , 适合运用在摆式列车及曲线较多的既有线提速客车上 。 关键词 : 径向转向架 ; 机理 ; 动力学 ; 研究 中图分类号 : U2601331 文献标识码 : A