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

        2015-10-15 03:15:46
        鐵道機(jī)車車輛 2015年5期
        關(guān)鍵詞:軸箱單擺輪軌

        史 炎

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

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

        史 炎

        (西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(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,首次提出了非對稱徑向轉(zhuǎn)向架概念,動力學(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;非對稱;單擺

        德國人K L O SE在1883年提出了如果輪對在曲線上沿切線方向作純滾動,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。此外還有英國的Crossbraced、德國的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稱結(jié)構(gòu),徑向調(diào)節(jié)時繞輪軸中心轉(zhuǎn)動,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問題,徑向調(diào)節(jié)時以一端的輪軌接觸點(diǎn)為轉(zhuǎn)動中心,不再要求左右水平剛度一致,可以大幅度提高轉(zhuǎn)動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

        車輛通過曲線時輪對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)向架輪對轉(zhuǎn)動中心都位于構(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,為了耦合前后輪對的運(yùn)動,在右端用連桿3、4、5組成一個徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),如圖1、圖2所示,則2個輪軸的擺動互為鏡像,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個桿,相對原有轉(zhuǎn)向架改動不多,具有較好的繼承性。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動鏈共有5個活動構(gòu)件(N=5),有7個回轉(zhuǎn)副(P=7),此機(jī)構(gòu)的自由度W=3N-2P=1,即該機(jī)構(gòu)只有一個自由度:兩個輪對相對搖頭的自由度,橫向移動自由度由左右側(cè)架提供。

        2 動力學(xué)模型

        采用SIMPACK動力學(xué)軟件建立轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架的三維貨車動力學(xué)模型,在此模型上增加3個連桿構(gòu)成徑向機(jī)構(gòu),同時提高圖1左端軸箱縱向定位剛度以限定左軸箱相對側(cè)架縱向移動,因?yàn)榍昂筝唽u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 動力學(xué)特性對比分析

        分別對單擺式徑向轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架的動力學(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,對比第1位輪對沖角和輪軌橫向力、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)高度對稱,可認(rèn)為單擺式徑向轉(zhuǎn)向架具有對稱的動力學(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

        在直線軌道上對車輛施加一個A A R四級軌道譜激擾,將速度遞增,直至第1位輪對橫向振動不再收斂,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,第一導(dǎo)向輪對沖角和輪軌橫向力、脫軌系數(shù)。

        圖6顯示,曲線半徑小于500 m時,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,輪對徑向效果最佳,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 沖角對比

        圖7 輪軌橫向力對比

        圖8 脫軌系數(shù)對比

        4 結(jié)束語

        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。

        [1] 孫 翔.機(jī)車徑向轉(zhuǎn)向架的機(jī)構(gòu)分析[J].機(jī)車電傳動,1995,(1):1-7.

        [2] 孫 翔.機(jī)車徑向轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)原理[J].鐵道學(xué)報(bào),1995,17(2):25-32.

        [3] 孫 翔.新一代機(jī)車的走行部──徑向轉(zhuǎn)向架[J].內(nèi)燃機(jī)車.1995,260(10):1-10.

        [4] 孫 翔,石永生,張崇堂,陳北權(quán).內(nèi)燃機(jī)車增大輪徑的靜態(tài)粘著性能試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)車.1994,239(1):19-25,45.

        [5] 孫 翔.機(jī)車的傳動、驅(qū)動、控制與粘著[J].鐵道學(xué)報(bào). 1994,16(S1):8-16.

        [6] 孫 翔.發(fā)展具有中國技術(shù)特色的高速鐵路[J].中國鐵路.1994,(10):19-23.

        [7] 孫 翔.高黏著利用機(jī)車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào).1994,29(3):235-248.

        [8] 孫 翔.牽引與導(dǎo)向在機(jī)車徑向轉(zhuǎn)向架上的協(xié)調(diào)[J].機(jī)車電傳動,1995,(2):7-12.

        [9] 孫 翔.機(jī)車車輛走行部的元件功能解耦及性能協(xié)調(diào)——對機(jī)車徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)內(nèi)涵的分析[J].內(nèi)燃機(jī)車,1995,261(11):1-8.

        [10] 畢 鑫,羅世輝,馬衛(wèi)華.機(jī)車徑向轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性分析[J].機(jī)車電傳動,2013,(5):1-4.

        [11] 黃 偉.機(jī)車徑向轉(zhuǎn)向架典型結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原則分析[J].內(nèi)燃機(jī)車,1995,251(1):26-31,39.

        [12] 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),2002,23(5):46-51.

        [13] 李亨利,李 芾,廖 軍,等.國外快速貨車轉(zhuǎn)向架的運(yùn)用及發(fā)展[J].鐵道機(jī)車車輛.2013,33(4):57-61,65.

        [14] 李 芾,傅茂海,黃運(yùn)華.車輛徑向轉(zhuǎn)向架發(fā)展及其動力學(xué)特性[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào).2003,3(1):1-6.

        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,高級工程師(2015-03-30)

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