车辆径向转向架发展及其动力学特性_李芾

: Solvi ng the co nf li ct betw een curvi ng perfo rmance and hunti ng stabili ty is alway s a hard Abstract w o rk fo r a long tim e i n the fi elds of vehicle system dy namics. Usi ng the co nventio nal bogi es can no t sa tisf y the bo th request s in the same tim e. The radial bogie, w hi ch not only m eet s the request o f curvi ng perf orma nce but al so i mprov es t he hunti ng stabi li t y ef fectively , can solv es the conflict. The applica ti on and development o f radial bogies are brief ly int roduced , and the princi ples and st ruct ures of f orce-st eering and self-st eering radi al bogies are ex pounded. An unif o rm lat eral dynami c m odel including t he f o rce-st eering , self-steeri ng and f lexi bl e pri mary suspension bogie is est ablished , and thei r dy namic characteristics a re com pared by com put er si mulatio n. The analyti c result s show tha t adopti ng radial bogies i s an eff ectiv e m easure , w hich m ay reduce wheel /rai l w ear o n curv e and im prov e stabi li ty on st raig ht. The radia l bogie is ada pt ed to the tilti ng t rai n and the passeng er car tha t i s requi red t o i mprov e speed in exi sting li nes o f many curv es. 4 fig s, 9 ref s. Key words: radi al bogie; dev elopment; dy namics; analysis Author resume : L I Fu( 1956-) , male, PhD, a prof esso r of Sout hwest Jiao to ng Univ ersi ty , engaged in research of v ehi cle dynami c fo r hi gh speed t rai n a nd li ght rail v ehicle. 车辆转向架的主要功能是支承车体 , 承受并传 递车体与轮对间的各种载荷及作用力 , 并在保证车 辆灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线的同 时 , 尽可能减小因轨道不平顺等因素对车体的冲击 和轮轨之间的磨耗。 车辆动力学性能主要取决于转 向架的悬挂参数 , 其主要包括曲线通过性能和直线 上的横向稳定性 , 但二者对转向架悬挂参数的要求 通常是相互矛盾的。 增加轴箱的水平定位刚度可提
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: 解决转向架曲线通过性能和横向稳定性之间的矛盾一直是车辆动力学长期研究的课题 , 采用 常规转向架无法同时满足二者的要求。径向转向架的出现有效地解决了这一矛盾 , 其既能保证转向架 曲线通过性能的要求 , 又能改善其横向稳定性。简要介绍了国内外车辆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 , 通过计算机仿真对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进行了分析和比较。动力学模拟计算表明 , 应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 ; 发展 ; 动力学 ; 分析 中图分类号: U270. 331 文献标识码 : A
第 3卷 第 1期 2003年 3月
交 通 运 输 工 程 学 报
Journal of T raffic and T rans portation Engineering
Vol. 3 No. 1 M ar. 2003
文章编号 : 1671-1637( 2003) 01-0001-06
车辆径向转向架发展及其动力学特性
Development and dynamic characteristics of rUAN G Yun hua
( T ractio n Pow er Research Center , Southw est Jiao to ng U niv er sity , Ch eng du 610031, China)
1 径向转向架的发展及现状
关于径向转向架基 本设想的提出可以追溯到 19世纪末德国人 Klose 提出的 “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。 随着车辆速度和载重的日益提高 ,轮轨间的磨 耗也随之增加 。 为解决曲线上轮轨间磨耗严重的问 题 , 20世纪初德国人和瑞士人先后提出了径向转向 架的设计思想 ,按此思想设计的径向转向架于 30年 代开始投入运行试验 , 并取得了一定的效果 。 同常规 转向架相比 , 径向转向架对材料及制造工艺水平要 求较高 。 受当时材料和制造水平限制 , 以及人们对轮 轨蠕滑理论的有限认识 , 径向转向架的发展在随后 的 30年中基本停滞不前。 直到 1967年荷兰现代轮 轨粘着理论的奠 基人 Ka lker J J的博 士论文发表 后 , 人们才真正对轮轨之间蠕滑及相互作用有了充 分的认识。 最先投入广泛运用 的是德籍南非铁路工程师 Herbert Scheff el于 20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 A AR( Associatio n of Am erican Railroad)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径向的相对自由转 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 , 最高运行速度达到 120 km /h , 比传统的 AAR 三大件转向架提高近 40km /h , 并于 20世纪 70年代 中期开始批量生产 , 并大量投入运用。 20世纪 80 年代 , 美国铁路工程协会 List 提出 的 Dresser DR-1 型转向架方案也是在传统 AAR货
第 1 期 李 芾 , 等: 车辆径向转向架发展及其动力学特性 3 径向转向架。 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。 摆式列车自 20世纪 90年代开始在欧洲国家成 功运用 , 并在中国铁路界引起了极大的反响 , 中国广 深 铁 路 于 1998 年 8 月 开 始 租 赁 了 一 列 瑞 典 的 X2000摆式列车 , 取得了较好的经济效益和社会效 益 。 为适应中国山区既有线上提速的需要 , 1999年 铁道部组织有关单位进行技术攻关 , 研制中国第一 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 , 并首次采用了模块化的结 构 。 该转向架于 2001 年中旬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。 与此同时 , 中国首台 220 km /h 高速客 车径向转向架也成功地进行了线路动力学试验 。 时 ,依靠各自轮轨之间的蠕滑力来导向 , 以减小轮对 在曲线上的冲角 。 同迫导向径向转向架和自导向径 向转向架相比 , 由于缺少了前后轮对的连接装置 , 一 系柔性定位转向架的前后导向角不能保持一致。 2. 2 径向转向架导向机理 2. 2. 1 柔性定位转向架 众所周知 , 轮对在曲线上运行时 ,其外轨上的车 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。 图 2 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 wl 和 wr , 将其分解即得左 右车轮的纵、 横向蠕滑速度 wxl 、 wyl 和 wxr、 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 将有可能发生轮缘贴靠钢轨 , 以产生较大的轮缘力 来导向。 轮缘力的大小与轮轨的几何参数及冲角直 接相关 , 轮缘贴靠钢轨将使轮缘和钢轨间产生较大 的横向力 , 同时使轮缘和钢轨间产生磨耗及噪音。 刚性定位的转向架通过曲线时 , 轮对的刚性悬