副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)研究

趙天祺，黃運(yùn)華

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢

使用副構(gòu)架來實(shí)現(xiàn)自導(dǎo)向作用的轉(zhuǎn)向架主要由輪對、副構(gòu)架、搖枕、側(cè)架、彈簧減振裝置、常接觸式彈性旁承及基礎(chǔ)制動裝置等組成。其與傳統(tǒng)的三大件式轉(zhuǎn)向架的不同之處在于將承載鞍與側(cè)架分開鑄造，并將左、右兩個(gè)承載鞍用合金鑄鋼鑄造在一起，形成U字形副構(gòu)架，然后用交叉拉桿將前、后兩個(gè)副構(gòu)架銷接在一起，形成自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。將銷接好的一對副構(gòu)架坐落在前、后輪對之上，以多層橡膠－金屬剪切墊作為一系懸掛將側(cè)架與副構(gòu)架相連接［1］。其余結(jié)構(gòu)類似三大件式轉(zhuǎn)向架，利用鋼彈簧作為二系懸掛將搖枕安放于側(cè)架上，利用搖枕上的下心盤與常接觸式彈性旁承與車體相連，在裝配基礎(chǔ)制動裝置之后，即成為完整的副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架。

相對于傳統(tǒng)的三大件式轉(zhuǎn)向架，副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架具有如下優(yōu)勢：①在直線行駛時(shí)輪對受到副構(gòu)架的約束，增加了正位能力，提高了蛇行運(yùn)動臨界速度，曲線行駛時(shí)，由于徑向機(jī)構(gòu)的作用，兩個(gè)輪對都可以趨向曲線的徑向位置，不但輪軌力與輪對沖角減小，而且輪軌間橫向作用力也有所降低，提高了車輛的曲線通過能力［2］；②為了實(shí)現(xiàn)輪對的彈性定位，副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架一系懸掛采用多層橡膠－金屬剪切墊，這樣做提高了輪對與側(cè)架間的橫向與縱向復(fù)原剛度，減輕了側(cè)架與承載鞍之間的磨耗，提高了車輛的整體性能；③副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架將傳統(tǒng)的側(cè)架變?yōu)榛缮腺|(zhì)量，有效地降低了簧下質(zhì)量，輪軌之間的動力作用將得到改善，運(yùn)行品質(zhì)大大提高［3］。

2 自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向機(jī)理

Wickens提出，假設(shè)彈簧懸掛裝置在水平平面內(nèi)的特性不變，可以用兩個(gè)相互彈性約束的輪對按照靜力學(xué)分析方法等效替代任何結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架。分析時(shí)用具有等效剪切剛度Ks和等效彎曲剛度Kb的兩個(gè)彈簧代替輪對之間的彈性約束。聯(lián)立轉(zhuǎn)向架的實(shí)際運(yùn)行情況與轉(zhuǎn)向架等效模型的靜力平衡方程可以得出［4］：

其中：ΔF12為前、后輪對相對橫向運(yùn)動時(shí)后輪對受到的橫向力；y1、y2分別為前、后輪對的橫移量；ΔM12為由于前輪對的搖頭運(yùn)動后輪對受到的搖頭力矩；φ1、φ2分別為前、后輪對的搖頭角。增大等效剪切剛度Ks，可以提高轉(zhuǎn)向架直線運(yùn)行穩(wěn)定性；減小等效彎曲剛度Kb，可以提高轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能。

自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架是Wickens依照上述基本原理提出的在前、后輪對間加裝導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架。加裝的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將前、后輪對的搖頭運(yùn)動耦合，在轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)，由于輪軌間蠕滑力的作用，前輪對趨向徑向位置的動能傳遞給后輪對，使后輪對隨后趨向于徑向位置。自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架在小半徑曲線上運(yùn)行時(shí)，徑向作用受到直線運(yùn)行穩(wěn)定性制約，因此并未完全解決蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性與曲線行駛時(shí)的通過能力之間的矛盾。

3 基于SIMPACK的C80型敞車的動力學(xué)建模

為了使研究更切合我國的國情，本文以轉(zhuǎn)K7型副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架為研究對象，建立C80型敞車的動力學(xué)模型。建模時(shí)將車輛系統(tǒng)看做復(fù)雜的多剛體耦合多自由度系統(tǒng)。不考慮輪對、側(cè)架、搖枕、車體等部件的彈性變形，使用彈簧和減振器將各個(gè)部件連接。

本文選用空車工況進(jìn)行動力學(xué)研究，在分析時(shí)將一些對實(shí)際情況影響不大的動力作用進(jìn)行了簡化，如不考慮鋼軌的彈性變形，也不考慮車輛之間的相對運(yùn)動，即不考慮各部件的縱向自由度，只研究單節(jié)車體的動力學(xué)情況。通過分析，副構(gòu)架只有一個(gè)繞車軸方向轉(zhuǎn)動的自由度，搖枕只有一個(gè)繞豎直方向轉(zhuǎn)動的自由度。在分析了系統(tǒng)中物體的自由度后，利用多體動力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立C80型敞車的整車動力學(xué)仿真模型，見圖1。

圖1 C80型敞車的整車動力學(xué)仿真模型

4 副構(gòu)架的對角支撐剛度對車輛曲線通過性能的影響

副構(gòu)架作為徑向轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，其動力學(xué)參數(shù)與幾何參數(shù)對轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能均有影響。其中，對角支撐懸掛剛度的影響尤為重要，本文重點(diǎn)研究其對車輛在通過曲線時(shí)的徑向效果的影響，分析其影響的趨勢和大小，另外也研究其對車輛運(yùn)動穩(wěn)定性的影響。

不失一般性，本文分別取1MN/m、5MN/m、10MN/m、30MN/m、100MN/m五個(gè)不同的值賦予副構(gòu)架的對角支撐懸掛剛度。分析曲線通過性能時(shí)的線路工況見表1。

表1 曲線線路工況

4.1 輪對沖角和輪軌磨耗指數(shù)變化情況

導(dǎo)向輪對沖角是指導(dǎo)向輪對中心線落后于其徑向位置的角度。當(dāng)沖角為正值時(shí)，輪緣部分可能與鋼軌側(cè)面產(chǎn)生接觸，車輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動中心變成了這個(gè)接觸點(diǎn)，車輪的輪緣沿鋼軌側(cè)面滑動摩擦，產(chǎn)生磨損，輪緣受力過大時(shí)會出現(xiàn)爬軌現(xiàn)象，所以導(dǎo)向輪對沖角是轉(zhuǎn)向架在通過曲線時(shí)重要的安全性能指標(biāo)。導(dǎo)向輪對輪軌磨耗指數(shù)（輪對沖角和輪軌橫向力的乘積）反映輪軌間的磨損程度。副構(gòu)架對角支撐剛度值不同的車輛在不同的曲線工況下運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)向輪對沖角、導(dǎo)向輪對輪軌磨耗指數(shù)的變化曲線見圖2、圖3。

從圖2和圖3中可以看出：①導(dǎo)向輪對沖角與磨耗指數(shù)隨著副構(gòu)架對角支撐剛度的增大而增大；②對角支撐剛度在剛開始變化時(shí)沖角與磨耗指數(shù)變化劇烈，在達(dá)到30MN/m后變化時(shí)沖角增大不明顯，磨耗指數(shù)變化呈現(xiàn)類似趨勢；③兩個(gè)指標(biāo)均隨著曲線半徑的增大而減小，此外，即使通過300m的小半徑曲線時(shí)，導(dǎo)向輪對的沖角和磨耗指數(shù)也小于普通轉(zhuǎn)向架。這一點(diǎn)參考文獻(xiàn)［5］做了詳細(xì)分析。

分析沖角和磨耗指數(shù)隨等效剛度增大而增大的原因，理論上講，對于副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，為了獲得良好的曲線通過性能，設(shè)計(jì)上減小了等效彎曲剛度Kb，代價(jià)就是蛇行臨界速度的降低。為了提高蛇行臨界速度，在兩輪對間附加了彈性約束Kcb，對于副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架，這個(gè)彈性約束就是副構(gòu)架對角支撐懸掛剛度。加了彈性約束后，各項(xiàng)等效剛度的關(guān)系如下［6］：

其中：K1x、K1y分別為一系懸掛的縱向、橫向剛度；b1為左右一系懸掛橫向間距的一半；kL為側(cè)架的抗菱剛度；l1為前后一系懸掛縱向間距的一半。從式（3）可知，增加彈性約束Kcb直接增大了等效剪切剛度Ks，從而提高了車輛臨界速度。同時(shí)間接增大了等效彎曲剛度Kb，結(jié)果使曲線通過性能變差。

4.2 脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力變化情況

曲線通過性能除了上述分析的評定指標(biāo)外，重要的還有脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力。脫軌系數(shù)是評價(jià)脫軌安全性的最基本指標(biāo)。但僅使用這一指標(biāo)還不夠，因?yàn)樵谳喼剌^小或垂向力較小時(shí)，對應(yīng)的橫向力較小，計(jì)算脫軌系數(shù)時(shí)誤差變大，此外，一側(cè)車輪的輪重減少時(shí)，另一側(cè)車輪輪重會增大，這時(shí)即使輪對沖角很小，還是會有較大的橫向力，增加脫軌危險(xiǎn)，所以引入輪重減載率作為衡量輪重減少程度的指標(biāo)，并以此判斷脫軌安全性。輪軸橫向力是軌道結(jié)構(gòu)動力作用評價(jià)指標(biāo)，用來研究車輛運(yùn)行時(shí)會不會因?yàn)檩嗆墮M向力過大導(dǎo)致軌排橫移、線路動態(tài)失穩(wěn)，因此是安全性的重要指標(biāo)之一。

從以上分析得出可以使用半徑為300m曲線和半徑為800m曲線代表典型的小半徑曲線和大半徑曲線，分析不同副構(gòu)架對角支撐懸掛剛度值對上述曲線通過安全性能的影響，分析結(jié)果見圖4～圖6。

從圖4～圖6中分析得出：①在對角支撐剛度變化的過程中，車輛的脫軌系數(shù)符合國標(biāo)規(guī)定的小于1的第二限度，輪重減載率符合國標(biāo)規(guī)定的小于0.6的第二限度，輪軸橫向力滿足國標(biāo)規(guī)定；各項(xiàng)指標(biāo)顯示車輛按照規(guī)定速度在通過曲線時(shí)可以保證很好的安全性能；②3個(gè)指標(biāo)都表現(xiàn)出了隨剛度變大而變大的趨勢，但具體趨勢不同，脫軌系數(shù)和輪重減載率變化較小，剛度在增大到10MN/m后，基本不再變化，輪軸橫向力變化較為明顯，也出現(xiàn)了隨剛度增大變化率下降的趨勢。

分析脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力的變化情況，從另外的角度得出副構(gòu)架對角支撐懸掛剛度對曲線通過安全性能的影響，即剛度取值越小越有利于曲線通過。

5 副構(gòu)架的對角支撐剛度對車輛穩(wěn)定性的影響

使用車輛的非線性臨界速度來評價(jià)運(yùn)動穩(wěn)定性［7］的具體方法是：讓車輛先在一段有激勵(lì)軌道上運(yùn)行，然后運(yùn)行在無激勵(lì)軌道上，根據(jù)車輛各位輪對橫向振動的收斂與發(fā)散情況，判斷不同工況時(shí)車輛蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性的臨界速度vcr。為了與普通轉(zhuǎn)向架的臨界速度對比，除了上述選定的副構(gòu)架對角支撐懸掛剛度值之外，再取一個(gè)零值，代表沒有副構(gòu)架對角支撐時(shí)的情況。各工況臨界速度變化情況見圖7。

圖2 導(dǎo)向輪對沖角隨副構(gòu)架對角支撐剛度變化曲線

圖3 導(dǎo)向輪對磨耗指數(shù)隨副構(gòu)架 對角支撐剛度變化曲線

圖4 輪重減載率隨副構(gòu)架 對角支撐剛度變化曲線

圖5 脫軌系數(shù)隨副構(gòu)架對角支撐剛度變化曲線

圖6 輪軸橫向力隨副構(gòu)架 對角支撐剛度變化曲線

圖7 臨界速度隨副構(gòu)架 對角支撐剛度變化曲線

從圖7中明顯看出，就蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性而言，增加了對角支撐剛度的徑向轉(zhuǎn)向架相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架優(yōu)勢明顯。在對角支撐從小剛度變化到中等剛度時(shí)，臨界速度增大明顯，剛度達(dá)到10MN/m后變化不再顯著。這說明過大的對角支撐懸掛剛度值對提高臨界速度并不顯著，所以是不必要的。

6 結(jié)語

建立了安裝轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的C80型敞車模型并分析了其動力學(xué)性能。從理論分析和仿真計(jì)算兩個(gè)方面探討了副構(gòu)架的對角支撐懸掛剛度對車輛各項(xiàng)動力學(xué)性能的影響。分析了各項(xiàng)指標(biāo)之后，具體得出了對角支撐懸掛剛度對車輛的曲線通過性和直線運(yùn)動穩(wěn)定性存在的影響。確定副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的對角支撐剛度取值應(yīng)該在10MN/m左右。此結(jié)論可以為設(shè)計(jì)車輛時(shí)選取相關(guān)參數(shù)提供參考。

［1］李洪洋.轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2012：30.

［2］王璞.轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的研制［J］.鐵道車輛，2008（10）：19-21.

［3］嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［4］卜繼玲，傅茂海，嚴(yán)雋耄.擺式客車迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，35（6）：614-618.

［5］李芾，傅茂海，黃運(yùn)華.徑向轉(zhuǎn)向架機(jī)理及其動力學(xué)特性研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2002（5）：46-50.

［6］王福天.車輛系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［7］Chunlei Yang，F(xiàn)u Li，Yunhua Huang，et al.Comparative study on wheel-rail dynamic interactions of side-frame cross-bracing bogie and sub-frame radial bogie［J］.Journal of Modern Transportation，2013（1）：36-41.