蒲生

摘要：分析了一種120km/h速度等級(jí)A型地鐵懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，對(duì)A型地鐵懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了彈簧剛度選擇及懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)振型計(jì)算及阻尼參數(shù)的優(yōu)化分析，兩系懸掛系統(tǒng)的綜合匹配，確定了該A型地鐵避免共振方案，懸掛裝置能充分減小振動(dòng)和沖擊的傳遞，轉(zhuǎn)向架及其各部件的固有頻率與車體及安裝其上的設(shè)備的固有頻率分散，有效避免共振。

Abstract： The main basis for the design of a type A subway suspension system with a 120km/h speed class was analyzed， and the type A subway suspension system was analyzed. The spring stiffness selection and the structural design of the suspension system were systematically performed. According to the vibration mode calculation and the optimization analysis of the damping parameters， and the comprehensive matching of the two-series suspension system， the type A subway? resonance avoidance scheme is determined. The suspension device can fully reduce the transmission of vibration and shock. The natural frequency of the bogie and its components is dispersed with the natural frequency of the vehicle body and the equipment on which it is mounted， thus effectively avoiding resonance.

關(guān)鍵詞：A型地鐵;懸掛系統(tǒng);匹配;避免共振

Key words： A-type subway;suspension system;match;avoid resonance

中圖分類號(hào)：U270.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0172-03

1? 概述

地鐵是用于城市內(nèi)的軌道交通工具，根據(jù)GB5599-85要求，新造客車運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)為優(yōu)、不低于1級(jí)（垂向和橫向運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)均<2.5）;經(jīng)過150，000km運(yùn)行后，列車運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)為良、不低于二級(jí)（其垂向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)應(yīng)≤2.75）。

轉(zhuǎn)向架的主要功能是支撐車體，傳遞牽引和制動(dòng)力，緩和振動(dòng)和沖擊，提高乘坐舒適性。為保證列車的舒適性，在轉(zhuǎn)向架上設(shè)有一套減振系統(tǒng)，隔離輪軌耦合系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)。目前地鐵轉(zhuǎn)向架上成熟的懸掛系統(tǒng)都采用兩級(jí)懸掛系統(tǒng)，即一系懸掛和二系懸掛，一系懸掛主要為橡膠堆或金屬螺旋彈簧，二系懸掛主要為無(wú)搖枕空氣彈簧。

懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依據(jù)車輛的重量和軌道條件，車輛重量分為簧上重量（上部車體包括乘客）和簧間重量（轉(zhuǎn)向架），懸掛系統(tǒng)垂向剛度的確定主要依據(jù)車輛重量，而懸掛系統(tǒng)的橫向和縱向剛度的確定主要依據(jù)線路條件、車輛重量和運(yùn)營(yíng)速度。國(guó)內(nèi)100km/h速度等級(jí)以上的車輛主要用于城市的交通，一般都是座椅少，站立位多，額定定員按6人/平方米，超員載荷按9人/平方米。

2? A型地鐵懸掛系統(tǒng)匹配

2.1 彈簧剛度選擇

該種120km/h的A型地鐵為了適應(yīng)列車高速運(yùn)動(dòng)，提高穩(wěn)定性和舒適性，一系懸掛裝置需要具有較高的橫向和縱向剛度，以抑制轉(zhuǎn)向架的橫向晃動(dòng)，提高抗蛇形運(yùn)行能力。列車運(yùn)行速度越高，輪軌耦合系統(tǒng)的瞬態(tài)沖擊越大，為有效的隔離輪軌系統(tǒng)這種沖擊，需要一系懸掛相對(duì)柔軟些。因此，要求設(shè)計(jì)出來(lái)的一系懸掛裝置縱向和橫向剛度較大，而垂向剛度較小。

在車輛軸重一定的情況下，列車速度對(duì)懸掛系統(tǒng)影響最大，一般來(lái)說，同類型地鐵車輛運(yùn)行速度越快，垂向剛度要求越小而橫向和縱向剛度要求越大，目前運(yùn)營(yíng)的80km/h地鐵車輛，垂向剛度一般在1～2MN/m左右，橫向和縱向剛度3～10MN/m左右，根據(jù)轉(zhuǎn)向架具體的結(jié)構(gòu)，剛度有一定的變化。國(guó)內(nèi)外關(guān)于速度與剛度關(guān)系分析見圖1所示。

根據(jù)已成功運(yùn)營(yíng)的地鐵轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)的剛度和列車運(yùn)行的速度，選擇一個(gè)合適的一系懸掛和二系懸掛剛度范圍。通過模擬運(yùn)營(yíng)工況，對(duì)以下動(dòng)力學(xué)評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證懸掛系統(tǒng)的剛度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)GB5599-85對(duì)動(dòng)力學(xué)的要求。

①車輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的臨界速度Vcr（km/h）;

②車輛在直線上運(yùn)行時(shí)的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy、Wzz以及最大橫向和垂向加速度Ay、Az;

③車輛通過曲線時(shí)的輪軌橫向力Q（kN）、輪軸橫向力H（kN）、 脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率？駐P/P、傾覆系數(shù)D以及輪軌磨耗指數(shù)Wt。

初選的一系懸掛剛度和二系懸掛范圍值有很多組合滿足動(dòng)力學(xué)要求，通過優(yōu)化計(jì)算，選擇一組最優(yōu)的剛度組合，根據(jù)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算報(bào)告（如圖1所示）顯示，動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)都滿足標(biāo)準(zhǔn)GB5599-85的要求。

2.2 懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.2.1 一系懸掛

該種120km/h的A型地鐵的一系懸掛由螺旋彈簧、橡膠墊、轉(zhuǎn)臂橡膠關(guān)節(jié)和垂向減振器組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中一系懸掛的縱向和橫向剛度主要由轉(zhuǎn)臂橡膠關(guān)節(jié)承擔(dān)，解決了螺旋彈簧縱橫向剛度較小的問題;垂向剛度主要由金屬螺旋彈簧承擔(dān)。采用這種懸掛方式具有軸箱各向定位相對(duì)獨(dú)立，三向定位剛度解藕，彈簧使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，保證車輛具有良好的動(dòng)力學(xué)性能，還確保了軸的徑向定位而使轉(zhuǎn)向架的擺動(dòng)盡量小。

2.2.2 二系懸掛

高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)要盡可能降低車輛的主振動(dòng)自振頻率，在垂向振動(dòng)性能方面，起決定作用的是彈簧懸掛系統(tǒng)的總靜撓度及其在兩系懸掛中的分配比例，對(duì)于高速轉(zhuǎn)向架，一般總希望把彈簧懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)得盡可能柔軟些，并把絕大部分的柔度分配于二系懸掛部分。對(duì)于橫向振動(dòng)方面同樣需要較大的相對(duì)柔度，并集中在二系懸掛系統(tǒng);因此，需要二系懸掛系統(tǒng)具有較小的橫向和垂向剛度，較大的撓度。隨著空氣簧的出現(xiàn)和技術(shù)的成熟，空氣彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能提供大的當(dāng)量靜撓度，成為現(xiàn)在地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件之一。同時(shí)，為了保證車輛運(yùn)行在限界范圍內(nèi)，需要設(shè)置抗側(cè)滾扭力桿。在轉(zhuǎn)向架與車體之間設(shè)橫向止擋，橫向止擋與牽引裝置之間留有一定的自由間隙和彈性間隙，為提高車輛的抗蛇形運(yùn)動(dòng)性能，有效的釋放橫向擺動(dòng)的能量，高速地鐵的自由間隙相對(duì)較大。

3? A型地鐵避免共振

方案

3.1 概述

一系懸掛系統(tǒng)采用螺旋鋼彈簧加橡膠墊以及垂向油壓減振器，一系懸掛采用金屬螺旋彈簧剛度穩(wěn)定性好，能夠有效隔離輪軌作用的傳遞，橡膠墊對(duì)振動(dòng)特別是高頻振動(dòng)有很強(qiáng)的衰減能力，可以保證較低結(jié)構(gòu)噪聲傳遞水平，垂向油壓減振器衰減了垂向振動(dòng)。二系懸掛采用低剛度大撓度的空氣彈簧，并設(shè)有橫向油壓減振器和二系垂向油壓減振器，車輛在運(yùn)行時(shí)大大減小了振動(dòng)，避免了共振，從而提高了車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性、舒適性和通過曲線能力。二系懸掛系統(tǒng)不僅能夠防止垂向偏移而且有利于車體的橫向偏移。橫向止擋彈性地限制超出正常自由范圍的橫向變形，其剛性止擋能限制整個(gè)的橫向位移。因此，二系懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也確保了車輛運(yùn)行在動(dòng)態(tài)包絡(luò)線內(nèi)。

3.2 振型計(jì)算及阻尼參數(shù)的優(yōu)化分析

根據(jù)振型的阻尼比初步優(yōu)化一、二系阻尼是振型計(jì)算的目的之一。計(jì)算分別針對(duì)拖車和動(dòng)車（M），以及空車工況（AW0）和重車（AW2）工況。以下無(wú)特殊指出，一般將AW2工況稱為重車工況。表1為拖車主要振型的固有振動(dòng)特征參數(shù)，運(yùn)行速度為10km/h。左側(cè)為無(wú)任何阻尼時(shí)的固有振動(dòng)頻率，右側(cè)為給定一、二系阻尼時(shí)的各主要振型的頻率和阻尼比。

表2為動(dòng)車主要振型的固有振動(dòng)特征參數(shù)，左側(cè)為無(wú)任何阻尼時(shí)的固有振動(dòng)頻率，右側(cè)為阻尼給定一、二系阻尼時(shí)的各主要振型的頻率和阻尼比。

4? 結(jié)束語(yǔ)

基于上述兩系懸掛系統(tǒng)的綜合匹配，懸掛裝置能充分減小振動(dòng)和沖擊的傳遞，轉(zhuǎn)向架及其各部件的固有頻率與車體及安裝其上的設(shè)備的固有頻率分散，有效避免共振。

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