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(guò)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(guò)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(wú)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(wèn)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。
車輛通過(guò)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。
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
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(guò)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(guò)性能分析比較
計(jì)算兩種轉(zhuǎn)向架以50 km/h速度通過(guò)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(guò)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(guò)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
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(guò)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。
[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(dòng),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(dòng)、驅(qū)動(dòng)、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(guó)技術(shù)特色的高速鐵路[J].中國(guó)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(dòng),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(duì)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(dòng),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(dòng)力學(xué)特性研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2002,23(5):46-51.
[13] 李亨利,李 芾,廖 軍,等.國(guó)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(dòng)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(jí)工程師(2015-03-30)