軸箱布置方式對地鐵直線電機車輛動力學性能的影響

軸箱布置方式對地鐵直線電機車輛動力學性能的影響莊哲;梁鑫;林建輝;施瑩【摘要】基于車輛系統(tǒng)動力學理論,建立了兩種不同軸箱布置方式的地鐵車輛動力學模型,在實際線路條件下,分析對比了軸箱內(nèi)置與外置兩種轉(zhuǎn)向架,因為簧下質(zhì)量以及懸掛系統(tǒng)橫向跨距變化而造成輪軌接觸以及車輛平穩(wěn)性改變.研究結果表明,兩種軸箱布置方式對車體平穩(wěn)性影響較小;但軸箱內(nèi)置車輛為達到理想的穩(wěn)定性,需要加大一系徑向剛度并加裝抗蛇行減振器;軸箱內(nèi)置能夠降低輪對搖頭角剛度,提高車輛適應線路扭曲不平順的能力,同時降低輪對踏面磨耗功率,改善小半徑曲線上輪軌磨耗.％Basedonvehiclesystemdynamicstheory,twobogieswithdifferentaxleboxlayoutmethodsareestablished.Sincethechangesofunsprungmassandlateralspanofsuspensionwillinfluencewheel/railcontactandvehiclestability,thedynamiccharacteristicsofthebogiewithinsideaxleboxandthebogiewithexternalaxleboxarecomparedaccordingtotheactuallineconditions.Thestudyshowsthatthetwoaxleboxlayoutmethodshavelittleinfluenceonrideindex,butforanidealvehiclestability,itisnecessarytoincreasetheprimaryhorizontalstiffnessandaddtheanti-snakemovementdamper.Usingtheinsideaxleboxlayoutcanimprovethevehicleadaptabilitytotheguide-wayirregularityandreducethewheeltreadwearpower,improvethewheel/railwearwhilepassingsmallradiuscurveatthesametime.【期刊名稱】《城市軌道交通研究》年(卷),期】2017(020)009【總頁數(shù)】7頁(P30-36)【關鍵詞】地鐵車輛;直線電機;軸箱布置;曲線通過;動力學性能【作者】莊哲;梁鑫;林建輝;施瑩【作者單位】西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,610031,成都;中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111,青島;西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,610031,成都;西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,610031,成都【正文語種】中文【中圖分類】U270.33AbstractBasedonvehiclesystemdynamicstheory,twobogieswithdifferentaxleboxlayoutmethodsareestablished.Sincethechangesofunsprungmassandlateralspanofsuspensionwillinfluencewheel/railcontactandvehiclestability，thedynamiccharacteristicsofthebogiewithinsideaxleboxandthebogiewithexternalaxleboxarecomparedaccordingtotheactuallineconditions.Thestudyshowsthatthetwoaxleboxlayoutmethodshavelittleinfluenceonrideindex,butforanidealvehiclestability，itisnecessarytoincreasetheprimaryhorizontalstiffnessandaddtheanti-snakemovementdamper.Usingtheinsideaxleboxlayoutcanimprovethevehicleadaptabilitytotheguide-wayirregularityandreducethewheeltreadwearpower，improvethewheel/railwearwhilepassingsmallradiuscurveatthesametime.Keywordsmetrovehicle；linearmotor；axleboxlayout；curvepassing；dynamicperformanceAuthor'saddressStateKeyLaboratoryofTractionPower,SouthwestJiaotongUniversity,610031,Chengdu,China直線電機牽引系統(tǒng)是一種介于磁浮技術與傳統(tǒng)輪軌技術之間的城市軌道交通形式。采用直線電機技術的地鐵車輛，其動力性能和爬坡能力均優(yōu)于普通車輛，列車的牽引力不受輪軌之間粘著利用條件的影響；由于輪對只支撐車體，故輪徑較小，車輛總高度降低，有利于減少隧道的斷面面積，減小土工作業(yè)量，降低工程造價［1］目前，地鐵直線電機車輛已在國內(nèi)外得到廣泛應用［2-3］，投入運行的直線電機車輛地鐵線路已有10余條。國內(nèi)某公司引進了國外某型直線電機技術，在其基礎上研發(fā)了軸箱外置與軸箱內(nèi)置兩種轉(zhuǎn)向架并投入運營。在實際運行過程中，兩種轉(zhuǎn)向架分別出現(xiàn)了二系橫向止擋損壞、車輛曲線通過性變差及車輛空簧結構振動加劇等問題。目前，我國對內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架的研究較少。因此，本文對軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架的動力學特性進行系統(tǒng)研究和分析，通過構建采用兩種轉(zhuǎn)向架的地鐵車輛模型，結合當?shù)貙嶋H運行情況，分析不同軸箱布置方式對車輛性能的影響。在現(xiàn)階段地鐵車輛設計中，軸箱外置式轉(zhuǎn)向架將軸箱布置在輪對外側(cè)將軸箱（見圖1），故與之相對應的一系簧具有較大橫向間距［4］。轉(zhuǎn)向架軸箱內(nèi)置方式是將軸箱懸掛裝置從輪對外側(cè)移至輪對內(nèi)側(cè)（見圖2），一方面縮短了輪對車軸長度，減小了輪對質(zhì)量，降低了一系簧的簧下質(zhì)量，改善了輪軌接觸；另一方面，隨著一系簧橫向跨距減小，構架縱向梁間的橫向間距也得到縮短，其質(zhì)量也相應減?。?-6］。采用軸箱內(nèi)置方式不僅能降低簧下質(zhì)量、改善車輛曲線提高性能和降低輪軌磨耗，還能將轉(zhuǎn)向架設計得更加緊湊［7］。車輛空間運動關系分析根據(jù)車輛系統(tǒng)動力學振動方程，改變一系簧、二系簧的橫向間距會對輪對、構架及車體的側(cè)滾與搖頭運動影響較大，對于點頭、沉浮運動影響較小［9-10］。輪對側(cè)滾運動方程為：輪對搖頭運動方程為：構架側(cè)滾運動方程為：構架搖頭運動方程為：車體側(cè)滾運動方程為：車體搖頭運動方程為：式中：dw——同一輪對一系懸掛橫向間距的一半；ds——二系懸掛橫向間距的一半；申wi 輪對的側(cè)滾角位移；仲—構架的側(cè)滾角位移；申c 車體的側(cè)滾角位移；屮wi 輪對的搖頭角；屮ti——構架的搖頭角；屮c——車體的搖頭角；甲sewi 曲線軌道上第i位輪對所對應的外軌超高角,i=l,2,3/4；甲sewi 曲線軌道上第i位輪對所對應的曲率半徑,i=l,2,3,4；v——車輛運行速度；Iwx、Iwy、Iwz 分別為輪對繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動慣量；Itx、Ity、Itz 分別為構架繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動慣量；Icx、Icy、Icz 分別為車體繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動慣量；NLxi、NLyi、NLzi分別為第i輪對左輪輪軌法向力的x、y、z三向分量；NRxi、NRyi、NRzi分別為第i輪對右輪輪軌法向力的x、y、z三向分量;FLxi、FLyi、FLzi 分別為第i輪對左輪輪軌蠕滑力的x、y、z三向分量；FRxi、FRyi、FRzi 分別為第i輪對右輪輪軌蠕滑力的x、y、z三向分量；FxfLi、FyfLi、FzfLi 分別為第i輪對左輪一系懸掛力的x、y、z三向分量；FxfRi、FyfRi、FzfRi 分別為第i輪對右輪一系懸掛力的x、y、z三向分量;甲setj 曲線軌道上第j轉(zhuǎn)向架中心對應的外軌超高角；Rtj——曲線軌道上第j轉(zhuǎn)向架中心對應的曲率半徑；Htw——構架質(zhì)心到輪對中心線的垂直距離；Hbt——構架質(zhì)心至二系下平面的距離；lt——軸距之半；MR(j)——抗側(cè)滾力矩。甲sec-——為曲線軌道上車體中心外軌超高角；Rc—為曲線軌道上車體中心外軌曲率半徑；HcB——車體質(zhì)心至二系懸掛上平面距離；lc——車輛定距。由式（1）~式（4）可以看出，輪對的側(cè)滾運動與搖頭運動只受一系簧橫向間距的影響，而構架的側(cè)滾與搖頭運動同時受到一系簧和二系簧系橫向間距影響。車輛系統(tǒng)動力學模型本文以某型13t軸重的2B0軸式直線電機地鐵車輛為研究對象，利用SIMPACK軟件建立車輛動力學模型。該模型簡化為由車體、構架、輪對及直線電機等部件組成的多剛體系統(tǒng)，各部件通過鉸接和力元相互連接。模型包括1個車體、2個轉(zhuǎn)向架、4個輪對、2個直線電機、10個電機吊桿、4個均衡梁及2個牽引桿。各組成部件及懸掛裝置均根據(jù)實際情況進行建模，并在模型中充分考慮了一系鋼彈簧、二系空氣彈簧、橫縱向減振器、軸箱及輪軌接觸的非線性特性。計算可得，整車共包含126個自由度。車輛軸距為2m，轉(zhuǎn)向架定距為12m，輪徑為0.365m。輪對采用LM踏面，軌道選擇RAIL60軌，且軌底坡度為1:40,輪軌內(nèi)側(cè)距為1353mm，軌距為1435mm。兩種轉(zhuǎn)向架參數(shù)對比目前，國內(nèi)某地鐵線路運營的直線電機車輛轉(zhuǎn)向架一系支撐結構都為錐形橡膠彈簧。軸箱外置轉(zhuǎn)向架及軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的一系至輪對中心的橫向距離分別為2.01m和1.15m，差別明顯。在軸箱外置轉(zhuǎn)向架中，由于軸箱外移，取消了轉(zhuǎn)向架外側(cè)的制動盤結構，制動方式也由軸盤制動改為輪盤制動。同時，軸箱外置轉(zhuǎn)向架在輪對內(nèi)側(cè)增設了電機支撐軸箱，其作用是支撐均衡梁（下方吊掛直線電機）。此外，轉(zhuǎn)向架的一系定位剛度也有一定的改變。為進行轉(zhuǎn)向架性能參數(shù)比較，建立了3個計算模型。其中，A為實際中常用的軸箱外置轉(zhuǎn)向架模型，C為實際中常用的軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架模型，B是專為比較A、C模型穩(wěn)定性而設的軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架改進模型。三種模型的轉(zhuǎn)向架一系定位剛度以及其他參數(shù)比較如表1。從表1中可以看出，模型A的一系定位剛度遠小于模型C。軌道交通車輛動力學評價指標主要由車輛運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和曲線通過能力等組成。為了比較不同轉(zhuǎn)向架對車輛動力學性能的影響，構建車輛系統(tǒng)動力學模型，來計算不同工況下的車輛動力學性能指標，并對得到的數(shù)據(jù)進行綜合評價分析。（1）直線工況：取1000m直線，在美國五級軌道譜軌道激勵下使車輛以不同的速度（10~120km/h，步長10km/h）通過。（2）曲線工況（以JDZ2曲線為例）：曲線半徑R1=300m,曲線外軌加寬△y1=0mm,曲線外軌超高h1=120mm，緩和曲線長度L1=70m，順坡率為1.7%。，軌道激勵選用美國五級譜，限速列車67.7km/h，計算速度為40~78km/h，對應的未平衡離心加速度如表2所示。（3）小半徑曲線工況（車場線）：曲線半徑R2=100m，曲線外軌加寬Ay2=15mm，曲線外軌超高h2=48mm，緩和曲線長度L2=20m，運行速度20km/h。車輛穩(wěn)定性分析車輛穩(wěn)定性是決定車輛能否高速運行的關鍵因素。一般采用車輛非線性系統(tǒng)的蛇行臨界速度為進行車輛穩(wěn)定性評定［11］。由圖3a）與圖3b）可見，隨著軸箱跨距的減小，車輛非線性臨界速度呈下降趨勢?？缇酁?.01m對應的臨界速度為117km/h，跨距為1.15m對應的臨界速度為63km/h。采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架地鐵車輛直線行駛時面臨最突出的問題就是輪對的自動對中能力下降。為提高車輛非線性臨界速度，廠家不僅為車輛安裝了蛇行減振器，還增加了一系簧水平剛度。建立相應的模型C計算得到臨界速度（見圖3c）?？梢?，列車臨界速度增大到105km/h，安全性遠好于模型B。即模型B系剛度不增加、無蛇形減振器，無法滿足車輛穩(wěn)定性需求，故下文的軸箱內(nèi)置方案均以模型C為分析對象。車輛直線運行安全性分析運行平穩(wěn)性對車輛的乘坐舒適性具有十分重要的意義。本文采用車輛隨機振動頻域分析法，在直線工況下獲得車體加速度幅值，再通過Sperling指標計算公式［12］加以分析。式中：W——平穩(wěn)性因數(shù)；a 振動加速度幅值；f—振動頻率；F（f）——修正系數(shù)：由此可得，垂向振動修正系數(shù)為：橫向振動修正系數(shù)為：故得到在不同列車運行速度下的車體平穩(wěn)性因數(shù)，如圖4所示。由圖4可見，軸箱跨距對車輛的平穩(wěn)性影響較小。不同速度下，軸箱布置方式對車體橫向與垂向平穩(wěn)性因數(shù)影響不大。在直線工況中，采用新車新輪，且列車速度為100km/h時，車體垂向與橫向最高平穩(wěn)性指標均低于2.75，滿足標準要求?？梢?，軸箱內(nèi)側(cè)布置同樣能保證車輛運行具有良好的平穩(wěn)性指標。車輛曲線運行安全性影響脫軌系數(shù)及輪軸橫向力分析為了提高轉(zhuǎn)向架的曲線適應能力，應盡量降低轉(zhuǎn)向架扭曲剛度，并減小軸箱跨距。圖5為導向輪對在曲線工況的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)曲線。由圖5可知，采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的車輛輪軌橫向力明顯較小。同樣，采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的車輛通過曲線時的脫軌系數(shù)也小得多。由圖5可得，在各速度下采用2種轉(zhuǎn)向架車輛脫軌系數(shù)幅值差值在0.062-0.086之間，且軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架車輛曲線通過性能較好。在未平衡離心加速度最大時，2種車輛導向輪對脫軌系數(shù)均小于0.5，安全裕量仍有較大。輪對磨耗分析將輪軌接觸斑處的磨耗指數(shù)作為磨耗的評價指標。在忽略自旋蠕滑的影響下，輪軌接觸表面接觸力大小和接觸斑的形狀按照Hertz理論計算［13］。由文獻［14］可知，磨耗功率可用來預測輪軌間接觸斑滑動區(qū)的材料磨損。輪對踏面材料的磨耗量與整個接觸斑區(qū)域內(nèi)耗散的能量成正比。磨耗量可近似地由接觸斑區(qū)域內(nèi)磨耗功率來表示，接觸斑內(nèi)摩擦功率W可由橫縱向蠕滑力與相對蠕滑速度得到。即：式中：Fx——輪軌接觸斑處的縱向蠕滑力；Fy——輪軌接觸斑處的橫向蠕滑力；Ex——輪軌接觸斑處的縱向蠕滑率；Ex——輪軌接觸斑處的橫向蠕滑率。輪對搖頭角剛度為［17］：式中：Kpri —系軸箱縱向剛度；Bp——一系懸掛橫向跨距之半?？芍S箱懸掛橫向跨距的平方與轉(zhuǎn)向架輪對的搖頭角剛度成正比。軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架一系懸掛橫向跨距只有軸箱外置轉(zhuǎn)向架的70%左右。當選用相同剛度時，選用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架可大大減低輪對的搖頭角剛度，進而提高車輛曲線通過性能，降低車輛輪軌磨耗。因此，采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的車輛更適用于小半徑曲線較多的線路。經(jīng)計算，得到不同列車速度對應的導向輪對踏面磨耗功率見圖6。由圖6可知，在不同速度下采用軸箱外置轉(zhuǎn)向架的車輛導向輪對踏面磨耗功均明顯較大。小半徑曲線通過能力分析圖7為導向輪對與整車輪對磨耗功率的變化曲線。在小曲線工況下，當車輛以20km/h速度通過相同線路時，不同轉(zhuǎn)向架的導向輪對磨耗功率差別較大。從圖7中可以看出，列車進入圓曲線后軸箱外置轉(zhuǎn)向架的輪對磨耗功率急劇增大，遠遠超過軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架。軸箱外置轉(zhuǎn)向架導向輪對和整車輪對的磨耗功率都要大于軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架輪對。圖8為兩種轉(zhuǎn)向架對應的導向輪對輪軌橫向力和脫軌系數(shù)變化曲線。從整體上看，軸箱外置轉(zhuǎn)向架對應的導向輪對脫軌系數(shù)一直都要大于軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架。在小半徑曲線工況下，列車相同速度時，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的輪軌橫向力要小于軸箱外置轉(zhuǎn)向架，二者的峰值最大相差11.6kN。過大的輪軌橫向力會損壞軌道彈性扣件，嚴重時還會造成列車脫軌，對曲線通過性影響較大。空氣彈簧是在地鐵車輛轉(zhuǎn)向架上廣泛應用的一種二系懸掛裝置。由于空氣彈簧具有較理想的非線性彈性特性，能滿足通過常規(guī)曲線時所需要的縱向變形量。在中低速地鐵車輛安裝二系空簧時候可采用無搖枕結構。列車在通過曲線半徑很小的線路（如調(diào)車場的車場線或者個別極端條件下線路）時，傳統(tǒng)軸箱外置轉(zhuǎn)向架空簧無法提供足夠的變形量，難以滿足小半徑曲線的通過要求，為此必須借助搖枕幫助。采用搖枕會增加二系懸掛系統(tǒng)復雜度，增加維護維修難度。而軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架可大大縮短空簧的橫向跨距，減小空簧的縱向變形量。故在極小半徑曲線的線路上仍可采用無搖枕結構，同時，還可簡化懸掛結構。在小半徑曲線作用下，二系簧姿態(tài)變化見圖9?？梢钥闯?軸箱內(nèi)置二系簧縱向偏移30mm左右，軸箱外置二系簧縱向偏移45mm左右。軸箱外置二系簧縱向受力約6kN，軸箱內(nèi)置二系簧縱向受力約4kN。而通過對二系簧橫向姿態(tài)分析發(fā)現(xiàn)軸箱布置方式對其橫向平動與位移影響遠小于縱向。在選用軸箱內(nèi)置方案以后二系簧縱向姿態(tài)明顯得到改善。（1） 在直線線工況下，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架主要影響車輛系統(tǒng)的平穩(wěn)性，但在加裝抗蛇行減振器并增大一系簧水平剛度后，采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的車輛仍能獲得較為理想的系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2） 車輛軸箱內(nèi)置提高了轉(zhuǎn)向架曲線通過能力。同時降低輪軌橫向力與脫軌系數(shù)，減輕小半徑曲線輪軌磨耗量，減小二系空簧的變形量，使無搖枕結構成為可能。軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的下部空間極為緊張，對電機及齒輪箱等驅(qū)動裝置的布局設計提出更高的要求。但配合了抗蛇行減振裝置和抗側(cè)滾裝置之后，采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架車輛的運行穩(wěn)定性和抗傾覆性得到了極大提高，小半徑曲線適應能力也大幅增強，其未來在線路條件限制較多的城市軌道交通中可得到廣泛應用。8月21日上午，中國鐵路總公司黨組書記、總經(jīng)理陸東福在鐵路總公司會見了中國中車集團公司董事長、黨委書記劉化龍一行，雙方就加強戰(zhàn)略合作舉行會談并簽署合作協(xié)議。陸東福說，長期以來，中車集團為鐵路事業(yè)發(fā)展作出了重要貢獻。尤其是黨的十八大以來，鐵路總公司與中車集團圍繞提升鐵路技術創(chuàng)新水平，不斷深化戰(zhàn)略合作，在高速列車研發(fā)、設備運用維修、開拓國際市場等方面取得一系列合作成果，推動我國鐵路事業(yè)特別是高鐵取得巨大成就。鐵路總公司將以簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議為契機，與中車集團共同開展鐵路裝備長期規(guī)劃研究，按照譜系化、簡統(tǒng)化要求，優(yōu)化移動裝備資源配置，全面推進中國高鐵系列化裝備；加強動車組源頭質(zhì)量控制和檢修運用管理，進一步提升運營安全保障水平，實現(xiàn)裝備服役期全壽命管理；積極探索科學合理的裝備配件采購供應管理模式，努力提升供應效率，降低采購和物流成本；以市場為導向，加大新技術新產(chǎn)品研發(fā)力度，實現(xiàn)鐵路移動裝備技術升級，充分體現(xiàn)戰(zhàn)略合作的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價；深化在鐵路走出去領域的合作，叫響中國高鐵品牌，攜手共進，整體提升我國高鐵國際競爭力；探索資本經(jīng)營領域的合作，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、融合發(fā)展。他希望雙方加強對接，創(chuàng)新協(xié)調(diào)機制，打造互利共贏的命運共同體。劉化龍說，中車集團和鐵路總公司有著深厚歷史淵源，中車集團的快速發(fā)展離不開鐵路總公司的大力支持。雙方此次簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，對中車集團發(fā)展乃至中國鐵路裝備技術發(fā)展，都具有極其重要的意義。中車集團將在新技術新產(chǎn)品研發(fā)、裝備采購和配件供應、裝備高級修以及走出去等方面，進一步深化與鐵路總公司的合作，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營持續(xù)穩(wěn)定，確保產(chǎn)品質(zhì)量和運營安全，努力為中國鐵路事業(yè)發(fā)展貢獻力量。會談結束后，陸東福與劉化龍共同簽署了《中國鐵路總公司、中國中車集團公司戰(zhàn)略合作協(xié)議》?！鞠嚓P文獻】施翃，魏慶朝?新型城市軌道交通模式一一直線電機地鐵系統(tǒng)[J]?地鐵與輕軌，2003,4（62）：18-22.[2]宗凌瀟，馬衛(wèi)華，羅世輝.直線電機地鐵車輛電機的隔振優(yōu)化分析[J].機械工程學報，2015，51（18）：119-125.[3]ZAKHAROVS，GORYACHEVAI，BOGDANOVV，etal.Problemswithwheelandrailprofilesselectionandoptimization[J].Wear，2008，265（9-10）：1266-1272.[4]王文靜，李廣君，唐薇，等.高速動車組軸箱彈