高速客车转向架悬挂参数分析

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第 28卷
悬挂参数对车辆动力学性能的影响规律, 对高速转向架的设计是非常有帮助的.
1 稳定性和曲线通过性能的折衷考虑
通常来说, 一系纵横向定位刚度与二系回转阻力矩对车辆的稳定性和曲线通过性能的影响最大 , 而 它们对稳定性和曲线通过性能的影响趋势基本是完全相反的 , 所以在选择这样的悬挂参数时通常要根 据实际应用情况进行一些侧重性的选取. 1 . 1 一系纵向和横向定位刚度对稳定性和曲线通过性能的影响 一般来说, 适当增大一系纵向和横向定位刚度可以提高车辆系统的临界速度 , 但定位刚度并非越大 越好, 当一系定位刚度增大到一定程度后 , 临界速度增加越来越缓慢, 甚至还会下降, 从图 1 就可看出这 种趋势 . 从图 2可以看出, 一系纵向定位刚度对曲线通过性能的影响较大 , 而一系横向定位刚度的影响 相对较小.
图 1 一系纵向和横向定位刚度对临界速度的影响
图 2 一系纵向和 横向定位刚度对磨耗指数的影响
由于高速列车运行的曲线半径一般都比较大, 曲线通过性能不会太差; 而高速列车运行的速度较高, 稳定性是需要解决的主要矛盾, 所以转向架悬挂参数的选择主要应考虑车辆的稳定性. 综合一系纵横向定 位刚度对车辆动力学的影响规律, 如要保证高速转向架 300 km / h 的运行速度, 一系纵向定位刚度 Kpx 取 值在 12~ 15MN /m 的范围内, 而一系横向定位刚度 K py 取值在 6~ 8MN /m 的范围内比较合适 . 1 . 2 抗蛇行减振器对稳定性和曲线通过性能的影响 抗蛇行减振器主要通过其卸荷力 dF 和卸荷速度 dV 来影响车辆的动力学性能 . 一般来说 , 增大抗 蛇行减振器的卸荷力 dF 而减小卸荷速度 dV 能提高车辆系统的临界速度 , 而卸荷力 dF 对临界速度的 影响更大, 但大到一定程度后, 临界速度的增加就不明显了 , 从图 3 就可看出这种趋势 . 从图 4 可以看 出 , 增大抗蛇行减振器的卸荷力 F 而减小卸荷速度 dV 对曲线通过性能会有一定的恶化作用, 尤其是抗 蛇行减振器的卸荷力 dF 不应取得过大.
池茂儒, 张卫华, 曾
摘
京, 戴焕云, 邬平波
( 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 , 四川 成都 610031) * 要 : 为了全面考察转向架悬挂参数对 高速客车行车安全性和乘坐舒适性的影响规律 , 为高速 客车转
向架悬挂参数的合理选取提供理论依据 , 首先从时域内分析了一、 二系悬挂参数对高速 客车动力 学性能 的影响 , 然后从频域内分析了二 系悬挂参数对车体振动模 态的影 响 . 仿 真计算 与分析 结果表 明 : 合 理设 置一系纵向和横向定位刚度和二系抗蛇行减振器结构 阻尼参数 即可基 本实现 转向架 较高的 临界速度 ; 减小二系横向刚度而适当增大二系横向阻尼可提高高 速客车的 横向平 稳性 ; 为了改 善高速 客车的 垂向 平稳性 , 一、 二系垂向减振器阻尼都不宜选取过大 . 关键词 : 高速客车 ; 转向架 ; 悬挂参数 ; 动力学性能 ; 模态 中图分类号 : U 270 . 1 文献标识码 : A
图 5 二系横向刚度对横向平稳性的影响
图 6 二系横向阻尼对 横向平稳性的影响
2 . 2 一、 二系垂向阻尼对车辆垂向平稳性的影响 设置一、 二系垂向阻尼是为了改善车辆垂向平稳性, 但并不是垂向阻尼越大越好, 从图 7 可以看出, 一系垂向阻尼选取在 15~ 20 kN s /m 比较合适, 垂向阻尼取得过大, 对车辆的垂向平稳性还有恶化作 用 . 其原因在于: 根据减振理论 , 增大阻尼对低频振动的抑制作用较好 , 但对高频振动的隔离反而不利. 轨道激扰传给一系悬挂的高频振动成分较多, 所以一系垂向阻尼不宜取得过大. 二系垂向阻尼的选取与一系垂向阻尼的选取有一些不同 , 对于中低速转向架来说 , 轨道激扰引起的 振动传到二系悬挂的高频成分已经不多, 所以二系垂向阻尼可以适当取大一点对改善车辆的垂向平稳 性是有利的 ; 但对于高速转向架来说 , 轨道激扰引起的振动传到二系悬挂的高频成分仍然较多 , 所以二 系垂向阻尼不宜取得过大 , 从图 8 可以看出这种趋势. 综合高速转向架的特点以及一二系垂向阻尼对车辆动力学性能的影响规律来看 , 一系垂向阻尼可 取 15~ 20 kN s/m, 二系垂向阻尼应选取在 20~ 40 kN s/m 范围内比较合适 .
2 悬挂参数对车辆平稳性的影响
一般来说, 车辆横向平稳性主要取决于二系横向刚度和二系横向减振器阻尼 , 在车辆系统没有失稳 时 , 车辆横向平稳性与一系悬挂参数的关系不是太大, 所以主要依靠合理选取二系横向刚度和二系横向 减振器阻尼来改善车辆的横向平稳性 . 车辆垂向平稳性主要取决于二系垂向刚度和二系垂向阻尼, 同时 一系垂向刚度和一系垂向阻尼也对车辆垂向平稳性有一定影响, 但由于转向架的一、 二系垂向刚度通常 要根据车辆的载重及结构空间要求来确定 , 所以一、 二系垂向刚度通常是不容随意选取的, 这样就主要 依靠合理选取一、 二系垂向阻尼来改善车辆的垂向平稳性了 . 2 . 1 二系横向刚度和横向减振器阻尼对车辆横向平稳性的影响 一般来说, 减小二系悬挂横向刚度 K sy 而增大二系横向减振器阻尼 C sy 能改善车辆的横向平稳性, 从图 5 和图 6 可以看出这种趋势 . 二系横向刚度 K sy 一般要受二系悬挂装置的限制 , 现在的空簧可以把 横向刚度做到 0 . 2MN /m 以下; 为了改善车辆的乘坐舒适性, 可以把二系横向减振器阻尼 C sy 取得大一 点 , 但也不是越大越好 , 二系横向减振器阻尼 C sy 增大到一定程度后, 对改善车辆的横向平稳性的效果 越来越弱, 甚至还有一定的恶化作用 , 从图 6可以看出这种趋势. 综合起来看 , 高速转向架的二系悬挂横向刚度 K sy 一般选取在 0 . 2MN /m 以下比较好 ; 对于二系横 向减振器阻尼 C sy 的选取, 如果每转向架安装 2 个横向减振器的话 , 每个横向减振器阻尼的取值应在 40 ~ 60 kN s/m 比较合适.
第 28 卷 第 3 期 2007 年 9 月
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V o.l 28 N o. 3 Sep. 2007
文章编号 : 1673 9590( 2007) 03 0013 07
高速客车转向架悬挂参数分析
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第 28卷
图 7 一系垂向阻尼对垂向平稳性的影响
图 8 二系垂向阻尼对 垂向平稳性的影响
3 二系悬挂参数对车体振动模态的影响
车体、 构架、 轮对以及它们之间的悬挂装置组成了一个质量 - 弹簧 - 阻尼振动系统 , 各刚体尤其是 车体的悬挂振动模态对车辆的乘坐舒适性是息息相关的 : 车体的自振频率越小, 对高频振动的隔振效果 越好, 而振动模态阻尼比越大, 对低频振动的衰减作用越大 . 所以, 为了改善车辆的乘坐舒适性 , 应尽量 降低车体的悬挂自振频率而适当提高其模态阻尼比 . 车体的悬挂振动模态有六种, 即车体伸缩、 横摆、 浮沉、 侧滚、 点头和摇头 . 但由于车体的横摆与侧滚 始终是耦合在一起: 车体的横摆与侧滚同相振动时形成下心滚摆 , 反相振动时形成上心滚摆 ; 此外车 体伸缩对车辆动力学性能影响不大. 所以通常只研究车体的五种常见振动模态: 车体下心滚摆、 上心滚 摆、 摇头、 浮沉和点头 . 前三种模态对车辆横向性能影响较大 , 后两种对车辆垂向性能影响较大. 一般来说, 二系悬挂参数对车体的悬挂振动模态影响最大 车体悬挂振动模态的影响 . 3 . 1 二系横向刚度对车体振动模态的影响 从图 9 可以看出, 二系横向刚度 K sy 对车体的浮沉和点头振动模态基本无影响 , 它主要影响车体的 下心滚摆、 上心滚摆和摇头振动模态 : 二系横向刚度 K sy 越小 , 车体的下心滚摆、 上心滚摆和摇头的振动 频率越小, 模态阻尼比越大 , 这对改善车辆的横向平稳性是有利的 . 这从另一个角度也证实了高速转向 架的二系横向刚度应尽量选取小一些 .
Study of Susp en sion Param eter of h igh Sp eed Passenger Car Bogies CH IM ao ru, ZHANG W e i hua , ZENG jing, DA IH uan yun , W U P ing bo
( Sta te K ey Labo ra tory o f T raction P o w er , Sou thwest Jiaotong U n iversity , Chengdu 610031 , Ch ina)
图 3 纵向减振器参数对临界速度的影响
图 4 纵向减振器参数 对磨耗指数的影响
第 3期
池茂儒等 : 高速客 车转向架悬挂参数分析
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综合高速转向架的特点以及抗蛇行减振器对车辆动力学性能的影响规律来说, 高速转向架抗蛇行 减振器卸荷力 dF 取值在 10~ 15 kN 范围内而卸荷速度 dV 取在 0. 01~ 0 . 04 m / s即可满足需要.
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, 车辆的行车安全性和乘坐舒适性跟转向架
悬挂参数的取值是否合理密切相关, 因此 , 对高速转向架的悬挂参数展开系统全面的研究, 掌握转向架
收稿日期 : 2007 03 10 基金项目 : 国家自然科学杰出青年基金 ( 50525518); 高等 学校科技创 新工程重 大项目培养 基金 ( 705044); 国家自 然科学创新研究群体科学基金 ( 50521503) 作者简介 : 池茂儒 ( 1973- ), 男 , 副研究员 , 博士 .
A bstract : In order to stu dy the in f lu ence of suspension param eter on runn ing security and pas senger cosiness of h ig h speed passenger car and prov id e theoretical basis for the cho ice o f sus pension param eters about h ig h speed passenger car bog ies, the in fluence of pri m ary and sec ondary suspension param eters on dyna m ic perfo r m ance o f h ig h speed passenger car is analyzed in ti m e dom ain , and the influ ence of secondary suspensio n para m eters on v ib ra tio n m ode of car body is analyzed in frequency dom ain. Analysis result show s that the reasonable sett ing of pri m ary long itu dina l and lateral stiffness and dam p ing values of yaw da m pers can in crease the crit ical ve loc ity of bog ies, the decrease o f secondary lateral stiffness and the proper increase of sec ondary lateral dam pin g value can i m prove the latera l com fort o f h ig h speed passenger car , and the pri m ary and secondary vert ical damp in g va lu es should not be set too h ig h in order to i m prove the vertica l com fort o f h ig h speed passenger car . K ey words : h ig h speed passenger car ; bog ie ; suspension param eter ; dynam ic perfor m ance ; m ode 当列车运行速度提高到 200 k m / h以上时 , 其动态运行环境发生了质的变化, 对行车安全性和乘坐 [ 1 4] 舒适性提出了更加苛刻的要求 , 使车辆系统面临着许多新的动力学研究课题 , 本文重点研究转向架 悬挂参数对高速客车动力学性能的影响. 很多研究表明