輕軌車輛回轉(zhuǎn)支承的選型及其對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

孔媛媛，匡劍宇，張建全，顏志軍,2，王志明,2

輕軌車輛回轉(zhuǎn)支承的選型及其對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

孔媛媛1，匡劍宇1，張建全1，顏志軍1,2，王志明1,2

（1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001；2.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001）

介紹了回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)型式，以及影響承載能力和回轉(zhuǎn)阻力矩的因素。并通過仿真計(jì)算，分析了不同回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響，分析結(jié)果表明：隨著回轉(zhuǎn)阻力矩的增加，車輛在直線上的運(yùn)行性能有明顯提升。在曲線上運(yùn)行時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)阻力矩的增加，車輛的運(yùn)行安全性有明顯降低，特別是在緩圓點(diǎn)處脫軌系數(shù)增加了12.5%，輪軸橫向力增加了46%。回轉(zhuǎn)支承作為輕軌車輛實(shí)現(xiàn)通過最小半徑30 m曲線的關(guān)鍵部件，其參數(shù)的確定需要結(jié)合回轉(zhuǎn)支承的承載能力、車輛運(yùn)行的線路狀態(tài)等綜合考慮。

輕軌車輛；回轉(zhuǎn)支承；回轉(zhuǎn)阻力矩；動(dòng)力學(xué)性能

輕軌車輛需要通過最小曲線半徑30 m的車場(chǎng)線，在極限狀態(tài)下車體與轉(zhuǎn)向架間的轉(zhuǎn)角將達(dá)到12°左右，傳統(tǒng)車輛和轉(zhuǎn)向架無法適應(yīng)，采用帶搖枕和回轉(zhuǎn)支承的轉(zhuǎn)向架成為解決該難題的一種最佳方案。該方案通過連接臂連接回轉(zhuǎn)支承的外圈與車體、內(nèi)圈與搖枕，實(shí)現(xiàn)車體與轉(zhuǎn)向架的連接，并滿足車體與轉(zhuǎn)向架間的搖頭、點(diǎn)頭等運(yùn)動(dòng)，確保車輛安全地通過極小半徑曲線。回轉(zhuǎn)支承同時(shí)承受著車體重量、縱向力（牽引力、制動(dòng)力、縱向沖擊）和傾覆力矩等多種載荷[1-2]。

圖1 回轉(zhuǎn)支承的安裝

1 回轉(zhuǎn)支承的選型

1.1 回轉(zhuǎn)支承的工作條件

輕軌車輛一般軸重在12 t以下，回轉(zhuǎn)支承軸向承載在17 t左右，同時(shí)承受車輛在線路上運(yùn)行時(shí)未平衡的離心力、風(fēng)力等引起的傾覆力矩，以及牽引、制動(dòng)時(shí)的縱向力。

圖2和圖3分別為車輛在新輪新軌狀態(tài)通過30 m曲線時(shí)，回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)角度和回轉(zhuǎn)角速度?？梢钥闯觯p軌車輛用回轉(zhuǎn)支承的工作條件為承受大的軸向力、運(yùn)動(dòng)速度比較小。

圖2 回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)角度

圖3 回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)角速度

1.2 回轉(zhuǎn)支承的型式

常用回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)型式有四種，如圖4所示[3]。

（1）單排球式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)輕巧、緊湊，能同時(shí)承受軸向力、傾覆力矩和徑向力。

（2）雙排球式回轉(zhuǎn)支承分為上下兩排布置滾珠，能同時(shí)承受軸向力、傾覆力矩和徑向力。

（3）三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承主要傳遞徑向載荷的是位于中間的一排滾柱，其垂直于上排和下排的滾柱。載荷大、直徑較大的大型回轉(zhuǎn)設(shè)備一般采用三排滾柱式。

（4）交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承滾動(dòng)體為成90°交叉排列的圓柱形或圓錐形，為平面式滾道，一般45°接觸角，在軸線上相鄰滾道的滾柱交叉排列，徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩可沿不同方向軸向傳遞。

圖4 回轉(zhuǎn)支承類型

在滾道中心直徑相同的情況下，單排球式回轉(zhuǎn)支承的承載能力比雙排球式、交叉滾柱式高，且型式簡(jiǎn)單、制造方便、滾道形狀精度易控制，材料、加工費(fèi)用低，因此輕軌車輛選用單排球式回轉(zhuǎn)支承。

1.3 回轉(zhuǎn)支承的承載能力

單排球式回轉(zhuǎn)支承的鋼球與滾道的接觸是球體與鞍形曲面的接觸，接觸面是一個(gè)橢圓，整個(gè)接觸面上的應(yīng)力分布為橢球形，最大接觸應(yīng)力發(fā)生在接觸面中心[4]。單排球式回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì)時(shí)需確保接觸面的最大接觸應(yīng)力小于材料的許用接觸應(yīng)力。ISO 76標(biāo)準(zhǔn)[5]將軸承中接觸應(yīng)力最大處鋼球和滾道接觸總塑性變形量為鋼球直徑萬分之一的靜負(fù)荷定義為額定靜容量。

單排球式回轉(zhuǎn)支承在軌道交通車輛運(yùn)行中，只有當(dāng)車輛通過曲線時(shí)才會(huì)出現(xiàn)小角度回轉(zhuǎn)，一般不超過15°，且車輛不經(jīng)常滿負(fù)荷，存在較大沖擊的頻率也比較低，因此，一般取f＝1.15～1.30。

某輕軌項(xiàng)目的單排球式回轉(zhuǎn)支承參數(shù)及載荷如表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)支承軸承參數(shù)及載荷

根據(jù)表1，計(jì)算得極限工況下f＝1.25，滿足要求。

1.4 回轉(zhuǎn)阻力矩

回轉(zhuǎn)支承的摩擦是由鋼球與滾道之間的滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的，主要由彈性滯后、差動(dòng)滑動(dòng)、自旋滑動(dòng)、鋼球打滑和陀螺旋轉(zhuǎn)等引起。由于回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)速較低，鋼球與每個(gè)溝道間存在較大的自旋滑動(dòng)，繞接觸點(diǎn)切線方向的差動(dòng)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力矩較小，而繞接觸點(diǎn)法線方向的自旋產(chǎn)生的摩擦力矩是軸承運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)摩擦力矩的主要來源，因此游隙是決定滾動(dòng)軸承摩擦力矩最重要的因素之一。采用負(fù)游隙使鋼球與滾道間存在一定的預(yù)緊力，不僅可消除軸承內(nèi)部游隙、減小列車縱向沖擊的影響、避免滾道的疲勞剝落，且能降低軸承的體積和重量，使部件更加緊湊、輕便[9]。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)阻力矩一般估算為：

某輕軌項(xiàng)目的單排球式回轉(zhuǎn)支承空載載荷如表2所示。

表2 回轉(zhuǎn)支承軸承空載載荷

2 回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響

2.1 回轉(zhuǎn)阻力矩的范圍

EN 14363標(biāo)準(zhǔn)[10]中規(guī)定：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，為確保車輛能夠順利通過曲線，需使＜0.1，由式（5）可以看出，車輛在空載時(shí)回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)最大。該輕軌車輛軸距2 m、空車軸重7.5 t，由此可知，其回轉(zhuǎn)阻力矩應(yīng)小于14.715 kN·m。

2.2 回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)臨界速度的影響

在直線軌道上施加一段不平順，激發(fā)車輛的振動(dòng)，然后使車輛在平直光滑的軌道上運(yùn)行，當(dāng)車輛的響應(yīng)不再收斂到平衡位置，而是趨于穩(wěn)定的極限環(huán)時(shí)，此時(shí)速度即為車輛臨界速度。

圖5為車輛在不同回轉(zhuǎn)阻力矩下的臨界速度。由圖可知，隨著回轉(zhuǎn)阻力矩的增大，車輛的臨界速度也隨之提高。

圖5 回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)臨界速度的影響

2.3 回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛直線運(yùn)行性能的影響

車輛在直線上運(yùn)行時(shí)，不同回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)行安全性的影響情況如圖6所示。

圖6 回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)行安全性的影響

由圖6可知，車輛在直線上運(yùn)行時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)阻力矩的增加，車輛的橫向平穩(wěn)性、橫向加速度均方根值、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力均有明顯降低；但垂向平穩(wěn)性、垂向加速度均方根值基本沒有變化。顯然，輕軌車輛回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)阻力矩越大，對(duì)車輛的直線運(yùn)行越有利。

2.4 回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛曲線通過性能的影響

線路的曲線半徑為200 m，緩和曲線長(zhǎng)度75 m，圓曲線長(zhǎng)度100 m，超高120 mm，運(yùn)行速度55.5 km/h。為了清楚顯示回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛運(yùn)行性能的影響，本文在曲線仿真時(shí)沒有增加軌道激勵(lì)。圖7為最大回轉(zhuǎn)阻力矩設(shè)置為1000 N·m時(shí)的回轉(zhuǎn)阻力矩歷程圖。

圖7 回轉(zhuǎn)阻力矩的歷程圖

圖8為車輛在200 m曲線上運(yùn)行時(shí)，不同回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛曲線運(yùn)行安全性的影響。

由圖7、圖8可知，當(dāng)車輛在曲線上運(yùn)行時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)阻力矩的增加，車輛的脫軌系數(shù)、輪軸橫向力，特別是在緩和曲線以及緩圓點(diǎn)處有明顯的增加。其中緩圓點(diǎn)處的脫軌系數(shù)由0.36增加到0.405，增加了12.5%；輪軸橫向力由5.574 kN增加到8.155 kN，增加了46%。顯然，隨著回轉(zhuǎn)阻力矩的增加，車輛曲線通過性能惡化，即，為了通過小半徑曲線，回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)阻力矩不能取得過大。

2.5 小結(jié)

從以上分析可以看出，增加回轉(zhuǎn)阻力距可以提高車輛的臨界速度、衰減車輛在直線上運(yùn)行的振動(dòng)，提高車輛運(yùn)行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，但在通過曲線時(shí)，脫軌系數(shù)、輪軸橫向力會(huì)有明顯的增加，降低了車輛的曲線通過安全性，即回轉(zhuǎn)阻力距對(duì)車輛在直線上和曲線上運(yùn)行性能的影響相互矛盾，因此回轉(zhuǎn)阻力距的選擇需要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求、車輛的運(yùn)營條件以及回轉(zhuǎn)支承的制造水平綜合考慮。

圖8 回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)脫軌系數(shù)和輪軸橫向力的影響

3 結(jié)論

采用帶搖枕和回轉(zhuǎn)支承的轉(zhuǎn)向架成為解決輕軌車輛通過小半徑曲線的一種最佳方案，從仿真結(jié)果可以看出，回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)車輛的運(yùn)行性能存在明顯的影響，其中當(dāng)車輛運(yùn)行在直線上時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)阻力矩的增加，車輛的橫向平穩(wěn)性、橫向加速度均方根值、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力均有明顯的降低；但當(dāng)車輛運(yùn)行在曲線上時(shí)，隨著回轉(zhuǎn)阻力矩的增大，車輛的脫軌系數(shù)、輪軸橫向力均有明顯增加，特別是在緩圓點(diǎn)處，脫軌系數(shù)增加了12.5%，輪軸橫向力增加了46%。由于回轉(zhuǎn)支承需要承受車體和乘客重量、列車牽引、制動(dòng)時(shí)的徑向力以及由于離心力、側(cè)風(fēng)引起的傾覆力矩等載荷，但回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)角度及回轉(zhuǎn)角速度相對(duì)較小，因此，需要結(jié)合回轉(zhuǎn)支承的承載能力、車輛運(yùn)行的線路狀態(tài)等綜合考慮，合理地確定回轉(zhuǎn)支承的游隙等參數(shù)，確保其承載能力以及車輛的動(dòng)力學(xué)性能，以保證輕軌車輛通過小半徑曲線的運(yùn)行安全性。

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Selection of Slewing Bearing for Light Rail Vehicle and its Influence on Vehicle Dynamics Performance

KONG Yuanyuan1，KUANG Jianyu1，ZHANG Jianquan1，YAN Zhijun1,2，WANG Zhiming1,2

(1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou412001, China; 2.The State Key Laboratory of Heave Duty AC Drive Electric Locomotive Systems Integration, Zhuzhou 412001, China )

This paper studies the structure of the slewing bearing and the factors influencing the bearing capacity and the slewing resistance moment. Through the simulation calculation, the influence of different slewing resistance moment on the vehicle dynamic performance is analyzed. The analysis results show that with the increase of the slewing resistance moment, the running performance of the vehicle on a straight line is obviously improved. When running on the curve, with the increase of the slewing resistance moment, the running safety of the vehicle is significantly reduced. Especially at the point of spiral to curve, the derailment coefficient increases by 12.5%, and the lateral force of the axle increases by 46%. The slewing bearing is a key component for light rail vehicles to pass the curve with a minimum radius of 30m. The design parameters of slewing bearings are decided according to the bearing capacity of the slewing bearing and the line state of the vehicle.

light railway；slewing bearing；slewing resistance moment；dynamic performance

U260.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.05.007

1006-0316 (2022) 05-0041-06

2022-01-13

孔媛媛（1986－），女，山東曲阜人，工程師，主要從事機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架的研發(fā)工作，E-mail：zelc009@163.com。