單擺式徑向轉(zhuǎn)向架機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究

史 炎

（西南交通大學(xué)　牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

單擺式徑向轉(zhuǎn)向架機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究

史 炎

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

給出了一種新型徑向轉(zhuǎn)向架，依據(jù)徑向轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)原理，對(duì)軸箱定位方式進(jìn)行了突破性設(shè)計(jì)，以最少的桿件解決了轉(zhuǎn)向架曲線通過性能和橫向穩(wěn)定性之間的矛盾，首次提出了非對(duì)稱徑向轉(zhuǎn)向架概念，動(dòng)力學(xué)分析表明此轉(zhuǎn)向架曲線通過效果比較明顯。

徑向轉(zhuǎn)向架；非對(duì)稱；單擺

德國(guó)人K L O SE在1883年提出了如果輪對(duì)在曲線上沿切線方向作純滾動(dòng)，則輪軌間的磨耗將為最小的理論，并基于此理論提出了徑向轉(zhuǎn)向架的基本設(shè)想。20世紀(jì)初，德國(guó)人和瑞士人在此基礎(chǔ)上提出了徑向轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)理念，按此理念設(shè)計(jì)的徑向轉(zhuǎn)向架于20世紀(jì)30年代開始裝車試驗(yàn)，并取得了一定的效果。最先投入廣泛運(yùn)用的是南非人H erbert Scheffel于20世紀(jì)70年代初發(fā)明的貨車徑向轉(zhuǎn)向架。此外還有英國(guó)的Crossbraced、德國(guó)的D R R S V等幾種貨車徑向轉(zhuǎn)向架。這些徑向轉(zhuǎn)向架無一例外全部是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，徑向調(diào)節(jié)時(shí)繞輪軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)，軸箱兩端定位剛度一樣，縱向定位剛度大則不利于徑向調(diào)節(jié)，剛度小則降低了穩(wěn)定性，這是一個(gè)兩難的決策，水平定位剛度選擇余地不大。

單擺式徑向轉(zhuǎn)向架很好地解決了這個(gè)問題，徑向調(diào)節(jié)時(shí)以一端的輪軌接觸點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，不再要求左右水平剛度一致，可以大幅度提高轉(zhuǎn)動(dòng)中心一端的縱向剛度。轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架是齊齊哈爾鐵路車輛（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研制開發(fā)的25 t軸重通用貨車轉(zhuǎn)向架，本文以轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架參數(shù)為藍(lán)本建立單擺式徑向轉(zhuǎn)向架模型，分析結(jié)果與轉(zhuǎn)K6對(duì)比，取得了預(yù)期的效果。

1　單擺式徑向轉(zhuǎn)向架原理

車輛通過曲線時(shí)輪對(duì)理想位置是輪軸中心線指向曲線圓心，能實(shí)現(xiàn)這樣功能的轉(zhuǎn)向架就是徑向轉(zhuǎn)向架，文獻(xiàn)［1］、［2］對(duì)徑向轉(zhuǎn)向架的原理和現(xiàn)有的徑向轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作了深入的研究及詳細(xì)的闡述?，F(xiàn)有的徑向轉(zhuǎn)向架輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心都位于構(gòu)架中心線上，其徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)關(guān)于構(gòu)架中心對(duì)稱。設(shè)想將左端軸箱與左側(cè)架鉸接，右端自由，則輪軸能像單擺一樣繞鉸接點(diǎn)擺動(dòng)，為了耦合前后輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在右端用連桿3、4、5組成一個(gè)徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖1、圖2所示，則2個(gè)輪軸的擺動(dòng)互為鏡像，相向或相背，這就是單擺式徑向轉(zhuǎn)向架的工作原理。

圖1　單擺式徑向轉(zhuǎn)向架原理

圖2　連桿機(jī)構(gòu)示意圖

這種徑向轉(zhuǎn)向架所用的桿件數(shù)量極少，只有3個(gè)桿，相對(duì)原有轉(zhuǎn)向架改動(dòng)不多，具有較好的繼承性。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈共有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件（N=5），有7個(gè)回轉(zhuǎn)副（P=7），此機(jī)構(gòu)的自由度W=3N-2P=1，即該機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度：兩個(gè)輪對(duì)相對(duì)搖頭的自由度，橫向移動(dòng)自由度由左右側(cè)架提供。

2　動(dòng)力學(xué)模型

采用SIMPACK動(dòng)力學(xué)軟件建立轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架的三維貨車動(dòng)力學(xué)模型，在此模型上增加3個(gè)連桿構(gòu)成徑向機(jī)構(gòu)，同時(shí)提高圖1左端軸箱縱向定位剛度以限定左軸箱相對(duì)側(cè)架縱向移動(dòng)，因?yàn)榍昂筝唽?duì)搖頭耦合，相互制約，可以大幅度減小右端軸箱縱向定位剛度，使之成為單擺式徑向轉(zhuǎn)向架，2種轉(zhuǎn)向架的軸箱定位剛度參見表1。

表1　軸箱定位剛度　MN/m

3　動(dòng)力學(xué)特性對(duì)比分析

分別對(duì)單擺式徑向轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1單擺式徑向轉(zhuǎn)向架對(duì)稱性分析

以相同的速度通過相同半徑的帶直線段的左、右曲線，對(duì)比第1位輪對(duì)沖角和輪軌橫向力、脫軌系數(shù)。仿真結(jié)果如圖3～圖5所示，在圓曲線上，左曲線比右曲線的沖角減小8.7%，橫向力、脫軌系數(shù)高度對(duì)稱，可認(rèn)為單擺式徑向轉(zhuǎn)向架具有對(duì)稱的動(dòng)力學(xué)性能。

圖3　沖角

圖4　橫向力

圖5　脫軌系數(shù)

3.2非線性臨界速度分析

在直線軌道上對(duì)車輛施加一個(gè)A A R四級(jí)軌道譜激擾，將速度遞增，直至第1位輪對(duì)橫向振動(dòng)不再收斂，計(jì)算得到表2的結(jié)果。

表2　非線性臨界速度　km/h

單擺式徑向轉(zhuǎn)向架空車時(shí)的蛇行臨界速度最高。

3.3曲線通過性能分析比較

計(jì)算兩種轉(zhuǎn)向架以50 km/h速度通過超高為100 m m，曲線半徑80～800 m時(shí)，第一導(dǎo)向輪對(duì)沖角和輪軌橫向力、脫軌系數(shù)。

圖6顯示，曲線半徑小于500 m時(shí)，單擺式徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向功能顯著，曲線半徑在200 m左右時(shí)，輪對(duì)徑向效果最佳，沖角能減少39%，曲線半徑超過500 m后，沖角趨于平緩，最終與轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架一致。

圖7、圖8表明，兩種轉(zhuǎn)向架的輪軌橫向力相差較小，脫軌系數(shù)相當(dāng)，都不超過0.41。

單擺式徑向轉(zhuǎn)向架左右軸箱縱向定位剛度可以相同或不相同，兩者的組合方式多樣，尚需作更多的研究。

圖6　沖角對(duì)比

圖7　輪軌橫向力對(duì)比

圖8　脫軌系數(shù)對(duì)比

4　結(jié)束語(yǔ)

單擺式徑向轉(zhuǎn)向架是一種全新的徑向轉(zhuǎn)向架，以較少的桿件解決了轉(zhuǎn)向架曲線通過性能和橫向穩(wěn)定性之間的矛盾，開創(chuàng)了非對(duì)稱徑向轉(zhuǎn)向架研究領(lǐng)域。

單擺式徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不僅可以應(yīng)用于貨車轉(zhuǎn)向架，也能應(yīng)用于機(jī)車轉(zhuǎn)向架。

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Research of Principle and Dynamic of Pendulu m Type Radial Bogie

S H I Yan
（National Laboratory of Traction Power，South west Jiaotong U niversity，Chengdu 610031 Sichuan，China）

This paper presents a new radial bogie，and based on the principle of radial bogie design，it has a breakthrough design on the axle box guidance.With minimal rod，the conflict between bogie curve passing performances and transversal stability is solved.The concept of asy m metric radial bogie is firstly proposed，and kinetic analysis showed that this bogie had a significant effect passing the curve.

radial bogie；asy m metric；pendulu m

U260.11

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.10

1008-7842（2015）05-0046-03

史炎（1964—）男，高級(jí)工程師（2015-03-30）