（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，高級(jí)工程師）

軌道交通車輛抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式的選型分析

梁 云 李文學(xué) 王云朋

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，高級(jí)工程師）

介紹了抗側(cè)滾剛度對(duì)軌道交通車輛性能的影響。通過對(duì)車輛的控制方式、抵抗側(cè)風(fēng)能力、動(dòng)力學(xué)性能和柔度系數(shù)4個(gè)方面的分析研究來(lái)確定軌道交通車輛的抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式，為車輛抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式的選擇提供了理論依據(jù)。研究表明：當(dāng)車輛采用兩點(diǎn)控制時(shí)必須設(shè)置抗側(cè)滾扭桿來(lái)提高車輛的抗側(cè)滾能力；當(dāng)車輛采用四點(diǎn)控制時(shí)可考慮增大空氣彈簧的跨距和設(shè)置抗側(cè)滾扭桿來(lái)提高車輛的抗側(cè)滾能力。

軌道交通車輛；抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)；抗側(cè)滾剛度

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

由于空氣彈簧具有垂向剛度小、當(dāng)量撓度大，以及良好的隔音和吸收高頻振動(dòng)的性能，能有效提高車輛的乘坐舒適性，因此在車輛懸掛裝置中得到了廣泛應(yīng)用。可是，由于空氣彈簧垂向剛度小，在車輛運(yùn)行中會(huì)導(dǎo)致車體的側(cè)滾角度增加，使得車輛側(cè)滾剛度較小，甚至出現(xiàn)側(cè)滾失穩(wěn)的現(xiàn)象，造成車輛運(yùn)行安全性能降低，所以需要另外增加車輛的側(cè)滾剛度以限制其側(cè)滾角度，從而改善車輛的抗側(cè)滾性能，但同時(shí)又不能影響車輛的浮沉、橫擺、伸縮、點(diǎn)頭和搖頭等方面的性能。

1 抗側(cè)滾剛度對(duì)車輛性能影響

車輛抗側(cè)滾剛度對(duì)車輛抵抗側(cè)風(fēng)能力、車輛動(dòng)力學(xué)性能和柔度系數(shù)都會(huì)產(chǎn)生影響。

隨著地鐵和輕軌車輛運(yùn)行線路和區(qū)域的增多，列車的運(yùn)行環(huán)境也越來(lái)越惡劣，列車受空氣動(dòng)力學(xué)的影響越來(lái)越突出，尤其是橫風(fēng)效應(yīng)，如高架橋、路堤、都市樓宇間的風(fēng)口地帶等均具有特殊的風(fēng)環(huán)境，所以有必要提高車輛的抗側(cè)滾性能以保證車輛運(yùn)行的安全性。車輛的抗側(cè)風(fēng)能力直接關(guān)系列車運(yùn)行安全，輕者會(huì)影響列車乘坐的舒適性，造成列車橫向失穩(wěn)，重者將導(dǎo)致列車的傾覆或者脫軌事故。

在研究和分析軌道交通車輛動(dòng)力學(xué)性能時(shí)，應(yīng)充分考慮抗側(cè)滾剛度對(duì)軌道交通車輛在各種典型運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)性能（包括運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)行安全性）產(chǎn)生的影響。

國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC 505－5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定客車的柔度系數(shù)S不得大于0．4，歐洲和國(guó)內(nèi)動(dòng)車組要求S不得大于0．28。實(shí)際上控制S與控制側(cè)滾角是一樣的，控制S除了對(duì)車輛限界有意義外，主要也是對(duì)車輛曲線通過的舒適性有意義。

2 抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)形式選擇

目前國(guó)內(nèi)外主要通過以下兩種形式提高車輛的抗側(cè)滾能力。

（1）增大中央懸掛裝置中空氣彈簧的橫向跨距，以增大其角剛度，從而增強(qiáng)車輛的抗側(cè)滾性能。

（2）在轉(zhuǎn)向架和車體間安裝抗側(cè)滾扭桿裝置?？箓?cè)滾扭桿裝置是一種利用金屬?gòu)椥詶U在受扭矩作用時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形而提供抗扭轉(zhuǎn)反力矩的彈簧裝置。

2．1 增大空氣彈簧橫向跨距

增大空氣彈簧橫向跨距即增大轉(zhuǎn)向架中央懸掛裝置中空氣彈簧的橫向間距。以標(biāo)準(zhǔn)軌距轉(zhuǎn)向架為例，日本新干線高速客車轉(zhuǎn)向架采用無(wú)搖動(dòng)臺(tái)的空氣彈簧裝置，空氣彈簧橫向間距為2 500mm（多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)軌距轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧橫向跨距為1 900～2 000mm）；德國(guó)MD型高速客車轉(zhuǎn)向架中央懸掛裝置采用有搖動(dòng)臺(tái)的鋼彈簧，彈簧橫向間距為2 580 mm，為外側(cè)懸掛形式。這些轉(zhuǎn)向架均能滿足列車高速運(yùn)行需求。

增大空氣彈簧橫向跨距的前提條件是車體結(jié)構(gòu)具有足夠的外廓尺寸。例如，日本新干線車體寬度為3 300～3 400mm，比中國(guó)和歐洲許多國(guó)家的車體寬300mm之多，即使采用空氣彈簧直接支撐于車體底架之下，轉(zhuǎn)向架仍有條件采用外側(cè)懸掛形式，使空氣彈簧橫向間距達(dá)2 500mm。由于大的橫向間距能使轉(zhuǎn)向架左右空氣彈簧的角剛度明顯增大，保證了抗側(cè)滾性能，所以可不再設(shè)置抗側(cè)滾扭桿裝置。

2．2 設(shè)置抗側(cè)滾扭桿

抗側(cè)滾扭桿裝置安裝于車體和轉(zhuǎn)向架之間，利用金屬?gòu)椥詶U受扭矩作產(chǎn)生變形而提供抗扭轉(zhuǎn)反力矩。通常扭桿支撐座安裝于構(gòu)架上，連桿兩端為橡膠球鉸或金屬關(guān)節(jié)軸承，可在3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架浮沉振動(dòng)時(shí)，兩根連桿同時(shí)往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，整個(gè)裝置繞支撐球鉸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，扭桿并不承受載荷，故不影響車體的浮沉振動(dòng)，對(duì)除側(cè)滾以外的其它幾個(gè)運(yùn)動(dòng)同樣不提供任何附加力或扭矩。而當(dāng)車體與構(gòu)架之間發(fā)生側(cè)滾時(shí)，左右連桿向相反方向上下運(yùn)動(dòng)，通過扭轉(zhuǎn)臂使扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿由于彈性而產(chǎn)生反力矩；反力矩作用在垂向連桿上表現(xiàn)為一對(duì)大小相等方向相反的垂向力，而這對(duì)垂向力作用在車體上就形成了與車體側(cè)滾方向相反的抗側(cè)滾力矩，阻止車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架側(cè)滾。抗側(cè)滾扭桿裝置動(dòng)作原理如圖1所示。

圖1 抗側(cè)滾扭桿裝置動(dòng)作原理圖

2．3 兩種抗側(cè)滾形式對(duì)比

2．3．1 車輛性能

兩種抗側(cè)滾形式都能提供抗側(cè)滾剛度。加大空氣彈簧橫向跨距形式受車輛結(jié)構(gòu)和空間限制，能夠提供的抗側(cè)滾剛度有限，而抗側(cè)滾扭桿形式不受這方面的限制。另外，加大空氣彈簧橫向跨距后會(huì)對(duì)車輛的回轉(zhuǎn)剛度和搖頭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，無(wú)法單獨(dú)解耦，而設(shè)置抗側(cè)滾扭桿裝置則沒有這方面的問題，抗側(cè)滾扭桿剛度變化不會(huì)對(duì)車輛其他性能產(chǎn)生影響。

2．3．2 空氣彈簧控制

空氣彈簧需要通過高度調(diào)整閥（以下簡(jiǎn)稱“高度閥”）來(lái)控制其高度。高度閥的工作原理是通過車體與構(gòu)架之間的相對(duì)高度變化來(lái)控制高度閥充、排氣閥口的開閉，從而實(shí)現(xiàn)空氣彈簧的充氣和排氣過程。高度閥的作用就是使空氣彈簧在不同載荷工況下均保持相同高度，從而使車體地板面在不同載荷下均保持在相同高度。目前，軌道交通車輛空氣彈簧供風(fēng)系統(tǒng)的控制方式有3種，即兩點(diǎn)控制、三點(diǎn)控制和四點(diǎn)控制，其中三點(diǎn)控制方式在軌道交通車輛上的應(yīng)用較少，本文不討論。

采用兩點(diǎn)控制的車輛，在進(jìn)出曲線時(shí)車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架發(fā)生側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，由于兩空氣彈簧共用一個(gè)高度閥，且高度閥調(diào)整桿通常設(shè)置在車輛縱向中心線上，車體發(fā)生側(cè)滾運(yùn)動(dòng)后，縱向中心處車體和構(gòu)架相對(duì)位置保持不變，高度閥不動(dòng)作，空氣彈簧不能為車輛提供抗側(cè)滾剛度。

采用四點(diǎn)控制的車輛，進(jìn)出曲線時(shí)車輛產(chǎn)生側(cè)滾，空氣彈簧高度發(fā)生變化，由高度閥控制空氣彈簧將分別進(jìn)行一次充氣和排氣過程。由于空氣彈簧充、排氣完成后具有一定的抗側(cè)滾剛度，因此可以提高車輛的抗側(cè)滾能力。

因此，當(dāng)車輛采用兩點(diǎn)控制時(shí)，必須設(shè)置抗側(cè)滾扭桿來(lái)提高車輛的抗側(cè)滾能力。當(dāng)車輛采用四點(diǎn)控制時(shí)，可以考慮增大空氣彈簧橫向跨距和設(shè)置抗側(cè)滾扭桿兩種結(jié)構(gòu)形式。

2．3．3 車輛運(yùn)用維護(hù)

在車輛運(yùn)用過程中，由于使用環(huán)境惡劣，極易出現(xiàn)扭桿表面被擊傷進(jìn)而發(fā)生裂紋的情況。據(jù)某車輛段2012年8月—10月統(tǒng)計(jì)，在軌道交通客運(yùn)車輛進(jìn)行的A2級(jí)、A3級(jí)修程中共發(fā)現(xiàn)扭桿裂紋26件，占所檢修扭桿總數(shù)的24．1%。另外，部分車輛抗側(cè)滾扭桿裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分連接件拆卸困難，直接影響到其他部件的試驗(yàn)和檢修，有時(shí)只能對(duì)其進(jìn)行破壞性分解。

在滿足車輛限界要求和安全性的前提下，增大空氣彈簧橫向跨距形式比設(shè)置抗側(cè)滾扭桿形式明顯減少了轉(zhuǎn)向架的零部件數(shù)量，降低了車輛設(shè)計(jì)成本，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式，降低了車輛運(yùn)用維護(hù)成本和檢修工作量。

3 抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)選型分析

某地鐵運(yùn)行線路全長(zhǎng)33km，其中地下線路長(zhǎng)30km，高架線路（含過江大橋）長(zhǎng)3km。車輛寬度3 000mm，二系懸掛為空氣彈簧，采用四點(diǎn)控制，橫向跨距為2 050mm或2 210mm。

3．1 抗側(cè)滾剛度對(duì)抵抗側(cè)風(fēng)能力的影響

3．1．1穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)工況

計(jì)算條件為車速100km／h，6～9級(jí)穩(wěn)態(tài)風(fēng)。檢驗(yàn)車輛的運(yùn)行安全性、車體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等指標(biāo)。

通過仿真分析可知，在穩(wěn)態(tài)橫風(fēng)作用下，隨著扭桿剛度增大，輪軸橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)均逐漸減低（見圖2、圖3），選取適當(dāng)?shù)呐U剛度有利于提高側(cè)風(fēng)下的抗脫軌能力。

圖2 穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)下扭桿剛度對(duì)輪軸橫向力和減載率的影響

圖3 穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)下扭桿剛度對(duì)脫軌系數(shù)的影響

3．1．2 瞬態(tài)風(fēng)工況

瞬態(tài)風(fēng)的波形是根據(jù)我國(guó)線路實(shí)測(cè)風(fēng)壓波形而設(shè)定的。

（1）運(yùn)行安全性：瞬態(tài)風(fēng)下扭桿剛度對(duì)輪軸橫向力、減載率、脫軌系數(shù)的仿真分析如圖4、圖5所示。通過仿真分析可知，在瞬態(tài)風(fēng)作用下隨著扭桿剛度增大，輪重減載和脫軌系數(shù)略增大；在計(jì)算工況下，各安全性指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 瞬態(tài)風(fēng)下扭桿剛度對(duì)輪軸橫向力和輪重減載率的影響

圖5 瞬態(tài)風(fēng)下扭桿剛度對(duì)脫軌系數(shù)的影響

（2）運(yùn)動(dòng)姿態(tài)：通過仿真分析可知，在瞬態(tài)風(fēng)作用下隨著扭桿剛度增大，車體側(cè)滾角明顯降低見（圖6）。

3．2 抗側(cè)扭桿剛度對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

軌道交通車輛運(yùn)行速度為100km／h，通過優(yōu)化計(jì)算選擇了曲線半徑R＝800m、超高h(yuǎn)＝65mm、速度v＝100km／h，軌道不平順激擾為美國(guó)五級(jí)線路譜，其中曲線安全性指標(biāo)選取導(dǎo)向輪一位輪對(duì)外側(cè)作為考察對(duì)象。不同抗側(cè)滾剛度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響如圖7所示。

圖6 瞬態(tài)風(fēng)下扭桿剛度對(duì)車體側(cè)滾角的影響

圖7 不同抗側(cè)滾剛度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

從圖7可以看出，抗側(cè)滾剛度對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、曲線通過性能均影響不大；輪重減載率隨著抗側(cè)滾剛度的增大逐漸增加，說明側(cè)滾扭桿在一定程度上會(huì)惡化曲線通過性能。

3．3 抗側(cè)滾扭桿剛度對(duì)柔度系數(shù)的影響

由圖8、圖9可知：當(dāng)空氣彈簧跨距為2 050mm且扭桿剛度大于0．1MN·m／rad時(shí)，柔度系數(shù)滿足小于0．4的要求；當(dāng)跨距為2 210mm時(shí)不設(shè)置扭桿可滿足柔度系數(shù)要求。

圖8 抗側(cè)滾扭桿剛度對(duì)車輛柔度系數(shù)的影響（空氣彈簧跨度為2 050mm）

該地鐵車輛為四點(diǎn)控制形式，車輛具備加寬空氣彈簧橫向跨距的條件。綜合上述分析，該地鐵車輛通過加寬空氣彈簧橫向跨距的方式可以滿足車輛安全運(yùn)行的要求。

圖9 抗側(cè)滾扭桿剛度對(duì)車輛柔度系數(shù)的影響（空氣彈簧跨度為2 210mm）

4 結(jié)論

（1）當(dāng)車輛采用兩點(diǎn)控制時(shí)，必須設(shè)置抗側(cè)滾扭桿來(lái)提高車輛的抗側(cè)滾能力。

（2）當(dāng)車輛采用四點(diǎn)控制時(shí)，可以考慮增大空氣彈簧橫向跨距和設(shè)置抗側(cè)滾扭桿兩種結(jié)構(gòu)形式。

（3）在車輛限界、車體結(jié)構(gòu)與外廓尺寸允許的前提下，依靠增大空氣彈簧的橫向跨距來(lái)提高車輛的側(cè)滾角剛度不失為一種理想的選擇，因?yàn)樗?jiǎn)化了轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，對(duì)改善車輛動(dòng)力學(xué)性能也是有利的。

［1］ 嚴(yán)雋耄．車輛工程［M］．2版．北京：中國(guó)鐵道出版社，1999．

［2］ 池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等．高速客車轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)分析［J］．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（3）：13．

Type Selection of Anti－roll Structural Forms for Rail Transit Vehicle

LIANG Yun，LI Wenxue，WANG Yunpeng

The influences of anti－roll stiffness on the capacity of rail transit vehicle are introduced．Theoretical basis for the type selection of anti－roll structural forms for rail transit vehicle is provided through an analysis from4 aspects：the control ways，the capacity of resistance to side wind，the dynamics performance and the flexibility coefficient．The research confirms that in two－point control mode，the antiroll torsion bar must be installed，while in four－point control mode，the air spring span must be increased and the anti－roll torsion bar be installed to enhance the anti－roll capacity．

rail transit vehicles；anti－roll structure；antiroll stiffness

U270．33

10．16037／j．1007－869x．2017．02．004

2016－09－01）