羅湘萍 劉光輝

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥第一作者,副教授)

城市軌道交通車(chē)輛轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架研究*

羅湘萍 劉光輝

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥第一作者,副教授)

針對(duì)轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架技術(shù)進(jìn)行了專(zhuān)題研究,分析了實(shí)現(xiàn)構(gòu)架柔性的不同方式。提出了一種彈性鉸接式雙“T”型柔性構(gòu)架方案,其扭曲剛度可低至0.03 kN/mm。采用Abaqus軟件分析了電機(jī)懸掛方式和抗側(cè)滾扭桿裝置對(duì)柔性構(gòu)架的干涉。仿真分析表明,基于雙“T”型柔性構(gòu)架平臺(tái)的永磁直驅(qū)電機(jī)彈性懸掛,優(yōu)選三點(diǎn)架懸方式;為降低抗側(cè)滾扭桿裝置對(duì)構(gòu)架柔性的影響,抗側(cè)滾扭桿裝置的安裝位置應(yīng)盡量靠近構(gòu)架縱向中心位置。

轉(zhuǎn)向架; 柔性構(gòu)架; 電機(jī)懸掛方式; 抗側(cè)滾扭桿裝置

傳統(tǒng)的軌道交通車(chē)輛轉(zhuǎn)向架普遍采用剛性構(gòu)架。構(gòu)架橫梁和側(cè)梁剛性固接在一起,僅依靠一系懸掛的柔度來(lái)緩和線路扭曲的影響。一系懸掛的柔度越大,其適應(yīng)線路扭曲的能力越強(qiáng)。然而,基于一系一定柔度的前提下,若線路扭曲過(guò)大,則轉(zhuǎn)向架的輪重減載率將超標(biāo)。這將嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)向架運(yùn)行的安全性,極大限制軌道交通車(chē)輛適應(yīng)線路的能力。

對(duì)于采用直線電機(jī)的地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架,為降低簧下質(zhì)量,直線電機(jī)宜采用架懸；受直線電機(jī)與感應(yīng)板間氣隙條件的限制,一系懸掛需設(shè)置較大的剛度。對(duì)于采用永磁直驅(qū)電機(jī)架懸的地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架,為滿足輪對(duì)與空心軸間的空間變位能力,輪對(duì)和空心軸間需要留有一定間隙,且間隙的大小與空重車(chē)載重的變化量和一系懸掛的剛度有關(guān):空重車(chē)載重變化越大,一系懸掛的剛度越小,所需間隙就越大。增大的間隙使得空心軸的尺寸增加,永磁電機(jī)的尺寸也會(huì)隨之增加,但永磁電機(jī)的外部尺寸還受到轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和車(chē)輛限界的限制。為降低空心軸和電機(jī)的尺寸,采用永磁直驅(qū)電機(jī)架懸的地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架擬將一系懸掛剛度設(shè)置得比現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架略高。但一系懸掛剛度的增大將會(huì)降低轉(zhuǎn)向架對(duì)線路扭曲的適應(yīng)能力。

為彌補(bǔ)和強(qiáng)化轉(zhuǎn)向架適應(yīng)線路扭曲的能力,提高列車(chē)通過(guò)曲線的安全性能,可通過(guò)改變構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式或構(gòu)架采用高強(qiáng)度彈性材料等方式,突破傳統(tǒng)剛性構(gòu)架一系懸掛四點(diǎn)支撐的超靜定約束受力,使得構(gòu)架一系懸掛的四點(diǎn)支撐中的任何一點(diǎn)受到線路扭曲抬降時(shí),另外三點(diǎn)支撐的載荷變化盡可能小。即減小線路扭曲帶來(lái)的一系懸掛撓度變化,讓構(gòu)架自身也承擔(dān)一部分的線路扭曲量。本文定義依靠自身結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)一部分線路扭曲量的構(gòu)架稱(chēng)之為柔性構(gòu)架。

1 現(xiàn)有柔性構(gòu)架技術(shù)

國(guó)內(nèi)外多家軌道交通車(chē)輛公司在此領(lǐng)域開(kāi)展了柔性構(gòu)架的技術(shù)研究。如某公司設(shè)計(jì)的柔性構(gòu)架(見(jiàn)圖1)采用了柔性橫梁結(jié)構(gòu)[1]。左右側(cè)梁的中部通過(guò)4片鋼板組成的柔性橫梁固接在一起,從柔性橫梁的端面看,4片鋼板呈X形輻射狀分布。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了左右側(cè)梁間的無(wú)摩擦式柔性連接,便于左右剛性側(cè)梁相對(duì)點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng),以提高轉(zhuǎn)向架對(duì)線路扭曲的適應(yīng)能力。柔性橫梁的扭轉(zhuǎn)剛度可通過(guò)調(diào)整4塊鋼板的幾何參數(shù)使其在滿足強(qiáng)度前提下獲得較小值。但該柔性橫梁結(jié)構(gòu)上很難設(shè)計(jì)電機(jī)安裝座及齒輪箱吊座,因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)、聯(lián)軸器和齒輪箱驅(qū)動(dòng)方案的集成設(shè)計(jì)。

日本川崎重工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了采用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)彈簧板的軌道交通車(chē)輛轉(zhuǎn)向架“efWING”(見(jiàn)圖2)。該新型轉(zhuǎn)向架將側(cè)梁和一系懸掛的功能整合到弓形CFRP彈簧板中,大大降低了其當(dāng)量一系懸掛剛度,從而增強(qiáng)了其適應(yīng)線路扭曲的能力。該新型轉(zhuǎn)向架是未來(lái)軌道交通車(chē)輛轉(zhuǎn)向架發(fā)展的一個(gè)方向,但受技術(shù)及成本的限制,現(xiàn)階段仍無(wú)法推廣使用。

德國(guó)西門(mén)子公司的Syntegra永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架(見(jiàn)圖3)采用了柔性構(gòu)架技術(shù)[2]。該柔性構(gòu)架屬于鉸接式構(gòu)架,將左右側(cè)梁和橫梁通過(guò)銷(xiāo)鉸連接而成,可實(shí)現(xiàn)左右側(cè)梁相對(duì)于橫梁無(wú)約束的反向點(diǎn)頭,極大降低了構(gòu)架的扭曲剛度,從而實(shí)現(xiàn)了構(gòu)架的柔性功能。某公司設(shè)計(jì)的直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架(見(jiàn)圖4)采用了“雙T”型鉸接式柔性構(gòu)架[3],其鉸接裝置對(duì)角布置在構(gòu)架橫梁和側(cè)梁連接處,使得構(gòu)架左右側(cè)梁具有柔性的連接點(diǎn)以適應(yīng)線路的扭曲,提高構(gòu)架承受線路扭曲的能力。但由于該構(gòu)架鉸接采用的橡膠關(guān)節(jié)裝置橫向剛度較小,不足以通過(guò)橫梁來(lái)傳遞橫向力,故需在構(gòu)架兩側(cè)梁間增加中心輔助橫梁來(lái)傳遞橫向力。而這又使得結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。

圖1 X形柔性橫梁構(gòu)架

圖2 川崎“efWING”轉(zhuǎn)向架

圖3 西門(mén)子Syntegra轉(zhuǎn)向架

圖4 鉸接式直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

為解決以上問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能實(shí)現(xiàn)直驅(qū)電機(jī)架懸的彈性鉸接式雙“T”型柔性構(gòu)架,并使用Abaqus軟件分析了電機(jī)架懸和安裝抗側(cè)滾扭桿對(duì)柔性構(gòu)架的干涉性。

2 柔性構(gòu)架設(shè)計(jì)與扭曲剛度分析

柔性構(gòu)架通過(guò)改變構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式或采用新材料等方式,使得構(gòu)架一系懸掛四點(diǎn)支撐中的一點(diǎn)相對(duì)于其它三點(diǎn)形成的平面在垂直方向上可相對(duì)自由地運(yùn)動(dòng)。柔性構(gòu)架剛度計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。當(dāng)構(gòu)架的某一點(diǎn)支撐在軸頸中心位置處受到力F時(shí),受載端產(chǎn)生δ的位移。構(gòu)架的扭曲剛度即為產(chǎn)生單位位移的力,可用來(lái)評(píng)價(jià)構(gòu)架的柔性效果。構(gòu)架的扭曲剛度采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

文獻(xiàn)[4-5]也均采用式(1)的形式來(lái)定義構(gòu)架的扭曲剛度。采用該定義計(jì)算扭曲剛度的數(shù)值時(shí),可直接采用由有限元方法或試驗(yàn)得到的構(gòu)架上對(duì)應(yīng)于軸頸中心位置的垂向彈性變形,而不必再轉(zhuǎn)換到扭轉(zhuǎn)角位移。而且,該定義的單位與軸箱彈簧垂向剛度一致,便于計(jì)算剛度串聯(lián)后軸箱彈簧和構(gòu)架的變形分布[5]。

(1)

圖5 構(gòu)架扭曲剛度計(jì)算方法

柔性構(gòu)架除應(yīng)滿足較低扭曲剛度要求之外,還應(yīng)滿足軌道交通車(chē)輛對(duì)構(gòu)架的基本要求,為轉(zhuǎn)向架各零部件提供安裝基礎(chǔ),并承受和傳遞車(chē)體到輪對(duì)的垂向力、橫向力和縱向力。柔性構(gòu)架的設(shè)計(jì)將圍繞上述要求展開(kāi),將構(gòu)架橫梁和側(cè)梁解耦,把構(gòu)架分解為兩個(gè)或多個(gè)部件,并合理布置彈性鉸接環(huán)節(jié),使得構(gòu)架左右側(cè)梁具有相對(duì)自由扭轉(zhuǎn)的能力,以實(shí)現(xiàn)構(gòu)架的低扭曲剛度。

為滿足柔性構(gòu)架的各項(xiàng)要求,用于鉸接式柔性構(gòu)架的橡膠關(guān)節(jié)應(yīng)具有扭轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)剛度低、徑向和橫向剛度大的特點(diǎn)?；诖嗽瓌t,本文設(shè)計(jì)了一種新型的橡膠關(guān)節(jié)裝置(見(jiàn)圖6)。

圖6 橡膠關(guān)節(jié)裝置示意圖

該橡膠關(guān)節(jié)裝置主要由橡膠關(guān)節(jié)、鉸接軸、安裝座、端部螺栓、內(nèi)外端蓋和橡膠密封圈組成。鉸接軸與構(gòu)架橫梁焊接連接。并通過(guò)端部螺栓和橡膠關(guān)節(jié)連接,安裝座與構(gòu)架側(cè)梁焊接連接。橡膠關(guān)節(jié)的橡膠斷面呈開(kāi)口相對(duì)的雙“U”型,不僅易于橡膠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)變形,保證其有較低的偏轉(zhuǎn)剛度,而且,其“U”型邊還增大了橡膠關(guān)節(jié)的徑向和橫向剛度。本文提出的兩種不同鉸接點(diǎn)布置形式鉸接式柔性構(gòu)架方案均采用此橡膠關(guān)節(jié)裝置。

2.1 四點(diǎn)鉸接式柔性構(gòu)架

為實(shí)現(xiàn)構(gòu)架的柔性,一種方案是采用4個(gè)橡膠關(guān)節(jié)將橫梁與側(cè)梁鉸接(見(jiàn)圖7),以充分利用橡膠關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度和偏轉(zhuǎn)剛度低、徑向和橫向剛度大的特性。該方案的箱形橫梁既能承受電機(jī)座和齒輪箱吊座的懸臂扭矩,也能傳遞橫向力和縱向力,較易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)方案的集成設(shè)計(jì)。

圖7 四點(diǎn)鉸接式柔性構(gòu)架

為分析構(gòu)架的柔性效果,采用Abaqus軟件建立了柔性構(gòu)架的有限元模型。計(jì)算得到的構(gòu)架扭曲剛度為2.01 kN/mm,和現(xiàn)有整體構(gòu)架的扭曲剛度基本相同。經(jīng)分析，橡膠件幾乎沒(méi)有偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)變形,僅為單一徑向變形(見(jiàn)圖8)；而橡膠件的徑向剛度較大且徑向變形能力有限。可見(jiàn)，該方案未能充分利用橡膠關(guān)節(jié)的特性,無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,故不能實(shí)現(xiàn)構(gòu)架的柔性。

圖8 構(gòu)架受載的位移云圖

2.2 “雙T”型柔性構(gòu)架

進(jìn)一步分析四點(diǎn)鉸接式構(gòu)架可知,箱形橫梁將4個(gè)橡膠關(guān)節(jié)裝置約束在同一平面內(nèi),而且同一側(cè)梁的2個(gè)橡膠關(guān)節(jié)裝置跨開(kāi)一定的距離,只能依靠橡膠關(guān)節(jié)微小的徑向變形量來(lái)提供構(gòu)架的扭曲剛度。因此,將箱形橫梁替換為2根橫梁圓管,解除箱形橫梁對(duì)橡膠關(guān)節(jié)裝置的過(guò)度約束,將橡膠關(guān)節(jié)裝置對(duì)角布置在構(gòu)架橫梁和側(cè)梁連接處而形成雙“T”型柔性構(gòu)架(見(jiàn)圖9)。和圖4的鉸接式直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相比較,本構(gòu)架采用的橡膠關(guān)節(jié)裝置可以傳遞橫向力,因而不再需要中心輔助橫梁,結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。

圖9 雙“T”型柔性構(gòu)架

同理建立雙“T”型柔性構(gòu)架的有限元模型進(jìn)行計(jì)算,得到構(gòu)架的扭曲剛度為0.03 kN/mm,抗菱剛度為3.56×103MN·mm/rad。構(gòu)架受載的位移云圖見(jiàn)圖10-11。計(jì)算結(jié)果表明,雙“T”型柔性構(gòu)架的扭曲剛度僅為現(xiàn)有整體構(gòu)架扭曲剛度的1/60,柔性效果十分明顯,并能提供足夠的抗菱剛度,其穩(wěn)定性也未降低。

圖10 雙“T”型柔性構(gòu)架扭曲位移云圖

圖11 雙“T”型柔性構(gòu)架抗菱位移云圖

該雙“T”型柔性構(gòu)架充分利用了橡膠關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)剛度低,且徑向和橫向剛度大的特點(diǎn)。當(dāng)構(gòu)架受到扭曲載荷時(shí),對(duì)角布置的2個(gè)橡膠關(guān)節(jié)出現(xiàn)較大的偏轉(zhuǎn)變形,不再處于同一高度上。這使得該構(gòu)架的扭曲剛度很低。當(dāng)構(gòu)架受到菱形變位載荷時(shí),2個(gè)橡膠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)變形較小。由于橡膠關(guān)節(jié)徑向和橫向剛度大,因此,該構(gòu)架具有較大的抗菱剛度。

3 電機(jī)架懸對(duì)構(gòu)架柔性的影響

雙“T”型柔性構(gòu)架通過(guò)左右側(cè)梁解耦的方式實(shí)現(xiàn)了構(gòu)架的柔性,將構(gòu)架由1個(gè)剛性平面結(jié)構(gòu)變?yōu)橥ㄟ^(guò)橡膠關(guān)節(jié)連接的2個(gè)平面結(jié)構(gòu)。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架其它零部件的安裝基礎(chǔ),任何在柔性構(gòu)架2個(gè)平面結(jié)構(gòu)間建立連接關(guān)系的零部件均會(huì)對(duì)構(gòu)架解耦產(chǎn)生影響,即對(duì)構(gòu)架的柔性產(chǎn)生干涉效應(yīng)。

永磁電機(jī)通過(guò)橡膠元件彈性架懸于構(gòu)架上,需在2個(gè)“T”型框架間建立連接關(guān)系。為選擇合適的電機(jī)架懸方式,利用Abaqus軟件進(jìn)行非線性有限元計(jì)算，得到電機(jī)不同架懸方式下構(gòu)架扭曲剛度比較結(jié)果(見(jiàn)圖12、圖13及表1)。

圖12 電機(jī)三點(diǎn)架懸下構(gòu)架受扭位移云圖

圖13 電機(jī)四點(diǎn)架懸下構(gòu)架受扭位移云圖

表1 雙“T”型構(gòu)架扭曲剛度計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

由表1可知,永磁電機(jī)彈性架懸于構(gòu)架會(huì)對(duì)雙“T”型構(gòu)架的柔性產(chǎn)生干涉。永磁電機(jī)三點(diǎn)架懸時(shí)的干涉程度較低;永磁電機(jī)四點(diǎn)架懸時(shí)的干涉程度很高。因此基于雙“T”型柔性構(gòu)架平臺(tái)的永磁電機(jī)懸掛,應(yīng)選擇三點(diǎn)彈性架懸方式。

4 抗側(cè)滾扭桿裝置對(duì)構(gòu)架柔性的影響

由于抗側(cè)滾扭桿裝置利用金屬?gòu)椥詶U發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)提供的反力矩,來(lái)抑制車(chē)輛的側(cè)滾振動(dòng),同時(shí)又不影響車(chē)輛的伸縮、橫擺、點(diǎn)頭、搖頭及沉浮等振動(dòng),因此，其在軌道交通車(chē)輛上得到廣泛應(yīng)用?？箓?cè)滾扭桿裝置布置在構(gòu)架和車(chē)體之間,而構(gòu)架左右側(cè)梁通過(guò)車(chē)體建立了連接關(guān)系。這勢(shì)必將對(duì)柔性構(gòu)架扭曲形成干涉。

抗側(cè)滾扭桿裝置主要由連桿、扭臂、扭桿、安裝座和橡膠球關(guān)節(jié)等組成。由于雙“T”型柔性構(gòu)架的2根橫梁管端部對(duì)角布置有橡膠鉸接關(guān)節(jié)裝置,故扭桿無(wú)法采用貫穿橫梁管的安裝方式?；谲壍澜煌ㄜ?chē)輛限界的考慮,選擇車(chē)體安裝扭桿的方式。

4.1 扭桿抗側(cè)滾剛度對(duì)構(gòu)架柔性的影響

通常扭桿為圓柱體，其扭轉(zhuǎn)剛度為:

(2)

式中:

T——扭桿所受扭矩載荷;

φ——扭桿兩端相對(duì)轉(zhuǎn)角;

G——材料的剪切模量;

μ——材料的泊松比;

E——材料的彈性模量;

Ip——極慣性矩;

L——扭桿的有效工作長(zhǎng)度;

R——扭桿的半徑。

扭桿對(duì)車(chē)體的抗側(cè)滾剛度為:

(3)

式中:

b——扭桿安裝座橫向跨距;

a——扭臂長(zhǎng)度。

建立扭桿關(guān)聯(lián)柔性構(gòu)架與車(chē)體的有限元計(jì)算模型如圖14所示。在不改變扭桿連桿連接于側(cè)梁縱向位置的情況下,分別計(jì)算扭桿不同抗側(cè)滾剛度下構(gòu)架的扭曲剛度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖14 柔性構(gòu)架有限元計(jì)算模型

表2 扭桿不同剛度下構(gòu)架扭曲剛度計(jì)算結(jié)果

由表2可知,抗側(cè)滾扭桿裝置對(duì)柔性構(gòu)架扭曲剛度有一定的影響。且抗側(cè)滾剛度越大,對(duì)柔性構(gòu)架扭曲剛度的影響也越大。因此抗側(cè)滾剛度不宜設(shè)置過(guò)大。

4.2 扭桿安裝位置對(duì)構(gòu)架柔性的影響

在不改變扭桿抗側(cè)滾剛度的情況下,分別計(jì)算連桿距構(gòu)架中心不同縱向距離時(shí)構(gòu)架的扭曲剛度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知,扭桿的安裝位置對(duì)柔性構(gòu)架扭曲剛度有一定的影響。連桿距構(gòu)架中心縱向距離越大,對(duì)柔性構(gòu)架扭曲剛度的影響也越大,因此扭桿應(yīng)盡可能趨于構(gòu)架中心安裝。

表3 扭桿不同安裝位置下構(gòu)架扭曲剛度計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的彈性鉸接式柔性構(gòu)架扭曲剛度可低至0.03 kN/mm,其抗菱剛度也能維持較大值,且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)仿真計(jì)算分析電機(jī)懸掛方式、抗側(cè)滾扭桿裝置的抗側(cè)滾剛度和安裝位置等對(duì)構(gòu)架柔性的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 基于雙“T”型柔性構(gòu)架平臺(tái)的永磁電機(jī)懸掛,應(yīng)選擇三點(diǎn)架懸方式。

(2) 扭桿的抗側(cè)滾剛度對(duì)構(gòu)架柔性有一定影響,在滿足動(dòng)力學(xué)性能和限界的前提下盡可能選擇較小值。

(3) 為降低抗側(cè)滾扭桿裝置安裝位置對(duì)構(gòu)架柔性的影響,扭桿應(yīng)盡可能趨于構(gòu)架中心安裝。

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On the Flexible Frame of Urban Mass Transit Vehicle Bogie

LUO Xiangping, LIU Guanghui

Flexible bogie frame technology is studied additionally, the different ways to realize the flexibility of bogie frame are analyzed. An elastic articulated double "T" flexible bogie frame is proposed, the torsional stiffness of which could be lowed to 0.03 kN/mm. Then, Abaqus software is used to analyze the interference of the motor suspension mode and the anti-roll torsion bar on flexible bogie frame. Simulation results show that the direct-driven permanent magnet motor flexibly suspension based on double "T" flexible bogie frame platform prefers three point suspension. In order to reduce the influence of the anti-roll torsion bar on the flexible bogie frame,the installation position of the anti-roll bar should be as close as possible to the longitudinal center of the bogie frame.

bogie; flexible frame; motor suspension mode; anti-roll torsion bar

Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAG12B01-21)

U 270.331

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