朱建偉,叢一新

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

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直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能分析

朱建偉,叢一新

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*

運(yùn)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了鉸接式直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架的車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)仿真計(jì)算分析了三角桿縱向剛度和橫向剛度與車輛臨界速度的關(guān)系，并對(duì)二系懸掛垂向剛度和垂向阻尼的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選.最后分析了整車曲線通過(guò)性，結(jié)果表明直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架具有良好的動(dòng)力學(xué)性能，能滿足運(yùn)行的需要.

直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架；二系懸掛；曲線通過(guò)能性

0 引言

隨著城市的建設(shè)，對(duì)城市軌道車輛的要求不再只考慮速度、舒適性、平穩(wěn)性和安全性，車輛全壽命周期(LCC)也很重要[1].轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳動(dòng)技術(shù)對(duì)降低LCC起重要作用，研究分析新型的轉(zhuǎn)向架已成為必要的課題.德國(guó)西門子公司開發(fā)的新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架具有結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，LCC低等有優(yōu)點(diǎn)，本文參照這一轉(zhuǎn)向架分析直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能.

1 直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架(既西門子Syntegra轉(zhuǎn)向架)是一種新型轉(zhuǎn)向架，其主要特點(diǎn)為：取消了傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用三相交流永磁同步電機(jī)作為牽引電機(jī)，將驅(qū)動(dòng)裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和輪對(duì)做成整體式輪對(duì)單元機(jī)構(gòu)，減少了部件的數(shù)量和磨耗，降低了簧下質(zhì)量，使轉(zhuǎn)向架輕量化；而構(gòu)架采用H型鉸接構(gòu)架，由1橫梁和2側(cè)梁鉸接而成，橫梁承受所有水平方向的力，側(cè)梁只傳遞垂向力，加上其特殊的輪對(duì)內(nèi)側(cè)定位方式，照就其獨(dú)特的力的傳遞模式[2].參照?qǐng)D1建立轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)模型，模型參數(shù)是參照我國(guó)現(xiàn)有地鐵車輛和Syntegra轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)擬定的，主要參數(shù)如下：輪對(duì)質(zhì)量1 250 kg，牽引電機(jī)450 kg，車體額定載荷工況下質(zhì)量32 000 kg，輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量520/86/20(x/y/z),kg·m2,車體額定載荷工況下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量56 000/2 000 000/2 000 000(x/y/z)，kg·m2,新輪直徑690 mm，軸距1 600 mm，定距15 700 mm，一系懸掛裝置和三角桿橫向間距1 100 mm，二系空氣彈簧橫向間距2 000 mm，一系懸掛垂向剛度1.5 MN/m，三角桿縱橫向剛度4/2(x/y)，MN/m,空氣彈簧三向剛度0.18/0.18/1.2(x/y/z)，MN/m,空氣彈簧靜撓度100 mm， 二系橫向阻尼40 kN·s/m，二系垂

圖1 Syntegra轉(zhuǎn)向架

圖2 整車直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架模型

向阻尼36 kN·s/m.鑒于此轉(zhuǎn)向架用于城市軌道車輛，最大運(yùn)行速度是100 km/h，本文采用國(guó)內(nèi)60 kg軌道的LMA型磨耗性踏面[3]，整車模型如圖2.

2 三角桿定位方式的動(dòng)力學(xué)性能分析

由于直驅(qū)轉(zhuǎn)向架是輪對(duì)內(nèi)側(cè)軸箱定位方式，在結(jié)構(gòu)上就直接限定了一系懸掛裝置的安裝位置和橫向尺寸，考慮到安裝空間和材料的性能，故將一系彈簧設(shè)定成相對(duì)輪對(duì)左右對(duì)稱和三角桿拉板式定位結(jié)構(gòu)[4].在力的傳遞上，一系彈簧主要傳遞垂向力，水平方向力大部分由與構(gòu)架橫梁、電機(jī)輪對(duì)軸箱鉸接在一起的三角桿傳遞.三角桿在結(jié)構(gòu)上有導(dǎo)向定位功能，傳遞縱向力和橫向力，對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能影響很大.

在分析其三角桿與非線性臨界速度關(guān)系時(shí)，使用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AAR5軌道譜，在直線上添加50 m橫向激勵(lì)，讓其在光滑軌道上運(yùn)行300 m后，觀察第一輪對(duì)的橫位移，判斷不同剛度下的臨界速度值.當(dāng)設(shè)三角桿橫向剛度為Ky=2 MN/m時(shí)，圖3是整車非線性臨界速度隨Kx的變化趨勢(shì)，可以看出三角桿的縱向剛度對(duì)車輛臨界速度Vcr影響很大，隨著Kx的變大，Vcr呈增大的趨勢(shì)；在Kx小于10 MN/m時(shí)，Vcr變化趨勢(shì)很大；但在Kx大于10 MN/m后，Vcr增加趨勢(shì)變緩，最后穩(wěn)定在220 km/h左右.考慮整車整體性能的發(fā)揮，取Kx=4 MN/m，此時(shí)Vcr約為160 km/h.圖4為當(dāng)Kx=4 MN/m時(shí)，Vcr隨Ky的變化情況，可見Ky有著和Kx相同的變化趨勢(shì).這里取Ky=3 MN/m，此時(shí)Vcr約為163 km/h.

圖3 Vcr隨Kx的變化

圖4 Vcr隨Ky的變化

由此可見采用三角桿軸箱定位方式可在不需要添加抗蛇形減震器的情況下就能滿足車輛對(duì)運(yùn)行速度的要求，這對(duì)減少構(gòu)件數(shù)量，輕量化轉(zhuǎn)向架有幫助，保證了車輛的動(dòng)力學(xué)性能.

3 二系空氣彈簧直線動(dòng)力學(xué)性能分析

通過(guò)前文SIMPACK仿真分析可知，車輛臨界速度為163 km/h，考慮城市軌道車輛最高運(yùn)行速度在80～100 km/h，在直線動(dòng)力學(xué)分析時(shí)取最高速度為100 km/h，改變二系空氣彈簧垂向剛度Kz和垂向阻尼Dz的參數(shù)，分別計(jì)算出第一輪對(duì)左側(cè)車輪的輪軸橫向力和輪軌垂向力，第一輪對(duì)上牽引電機(jī)的三個(gè)方向的加速度值及前端車輛地板上的橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性.

3.1 Kz對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

表1中給出的是當(dāng)Dz為36 kN·s/m時(shí)，Kz從0.3 MN/m增加到2.1 MN/m，計(jì)算的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)最大值.從表1中，可以看到隨著Kz的增大，車輛的橫向平穩(wěn)性、輪軸橫向力、電機(jī)各向加速度都無(wú)明顯變化，輪軌垂向力和垂向平穩(wěn)性有增大的趨勢(shì)，其垂向平穩(wěn)性變化最大.根據(jù)GB5599-85的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：平穩(wěn)性指數(shù)W<2.5時(shí)，平穩(wěn)性為一級(jí)；2.5

表1 Kz對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

3.2 Dz對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響

當(dāng)Kz為1.2 MN/m時(shí)，計(jì)算Dz從10～50 kN·s/m的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)最大值.結(jié)果表明Dz的變化對(duì)輪軸橫向力、橫向平穩(wěn)性、電機(jī)加速度幾乎沒(méi)有影響.圖5、圖6分別是輪軌垂向力和垂向平穩(wěn)性隨Dz的變化曲線.由圖5可知，輪軌垂向力在Dz小于23 kN·s/m時(shí)，隨著Dz的增大而減??；當(dāng)Dz大于23 kN·s/m時(shí)，輪軌垂向力隨著Dz的增大而上下波動(dòng)，趨于平穩(wěn).由圖6可知，在Dz小于28 kN·s/m，垂向平穩(wěn)性隨著Dz的增大而減小，當(dāng)Dz大于28 kN·s/m時(shí)，垂向平穩(wěn)性隨著Dz的增大而增大.這表明，二系垂向減震器系數(shù)只有在一定范圍內(nèi)才起衰減振動(dòng)的作用.當(dāng)阻尼系數(shù)超過(guò)一定數(shù)值，抑制振幅的作用將會(huì)減弱，在垂向上表現(xiàn)出與垂向剛度相似的垂向特性.參考平穩(wěn)性指標(biāo)和阻尼特性，二系垂向阻尼系數(shù)優(yōu)選為28 kN·s/m.

圖5 輪軌垂向力與Dz的關(guān)系

圖6 垂向平穩(wěn)性與Dz的關(guān)系

4 曲線動(dòng)力學(xué)性能分析

曲線通過(guò)性是評(píng)判車輛安全性的一個(gè)重要指標(biāo)，參照GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于A型車在正線上通過(guò)困難地段設(shè)定曲線參數(shù)：直線50 m—緩和曲線60 m—R300 m的圓曲線150 m—緩和曲線60 m—直線50 m，曲線超高150 mm，通過(guò)速度60 km/h[6].為更真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)情況，計(jì)算時(shí)對(duì)曲線添加軌道不平順，軌道譜采用美國(guó)AAR5.在分析曲線通過(guò)性時(shí)，是用各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的最大值作為評(píng)判車輛通過(guò)曲線的動(dòng)力性能的好壞的標(biāo)準(zhǔn)，而不是采用統(tǒng)計(jì)指標(biāo).

計(jì)算點(diǎn)取第一輪對(duì)外側(cè)輪對(duì)的輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軌垂向力，分別如圖7～圖10.由圖可知，輪軸橫向力最大值(以下最大值都取絕對(duì)值)不超過(guò)20 kN，脫軌系數(shù)最大值不超過(guò)0.30，輪重減載率和輪軌垂向力有相似的垂向特性，且輪重減載率最大值不超過(guò)0.39.都小于GB5599-85的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值：輪軸橫向力47.37 kN，脫軌系數(shù)1.0，輪重減載率0.6[5].

圖7 第一輪對(duì)外側(cè)輪對(duì)輪軸橫向力

圖8 第一輪對(duì)外側(cè)輪對(duì)脫軌系數(shù)

圖9 第一輪對(duì)外側(cè)輪對(duì)輪重減載率

圖10 第一輪對(duì)外側(cè)輪對(duì)輪軌垂向力

5 結(jié)論

通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模和對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真分析，可知直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架這一新型轉(zhuǎn)向架具有可行性.通過(guò)優(yōu)化一系、二系結(jié)構(gòu)參數(shù)，能使車輛具有較高的運(yùn)行安全速度，安全余度可達(dá)到0.63，保證了車輛對(duì)運(yùn)行速度的要求，具有較好的運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)能力，能滿足運(yùn)行的要求.

[1]王勃洪. 創(chuàng)新的直接傳動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架Syntegra[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2007(2):44- 51.

[2]周勇,黃志輝. 直驅(qū)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響分析[J]. 鐵道車輛,2012(12):1- 4.

[3]黃志輝,許俊峰. 直驅(qū)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用展望[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)， 2013(4)：60- 62.

[4]周勇,黃志輝. 直驅(qū)轉(zhuǎn)向架一系懸掛設(shè)計(jì)分析 [J]. 機(jī)車電傳動(dòng)， 2012(3)：23- 25.

[5]中華人民共和國(guó)鐵道部.GB5599-85鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1985.

[6]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50157-2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

Analysis of Direct Drive Bogie Dynamic Performance

ZHU Jianwei,CONG Yixin

(School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)

Vehicle system dynamic models of the direct drive bogie were established based on SIMPACK. With the simulation calculation, the relationship between non-critical speed and the longitudinal stiffness and lateral stiffness of the triangle rod was analyzed, and the main parameters were selected for the secondary suspension system of the direct drive bogie. The passing curve capability of the vehicle′s was finally analyzed. The result shows excellent dynamic performances which could meet the need of running.

direct drive bogie; secondary suspension; passing curve capability

1673- 9590(2017)01- 0034- 04

2015-12-01

朱建偉(1957-)，男，副教授，碩士，主要從事機(jī)車牽引與傳動(dòng)控制的研究

A

E- mail:neatzhu@djtu.edu.cn.