副构架式径向转向架导向机构参数研究.pdf

第4期(总第191期)
机械工程与自动化
No 4
2015年08月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
Aug
文章编号:1672-6413(2015)04-0019-03
副构架式径向转向架导向机构参数研究
赵天祺,黄运华
西南交通大学机械工程学院,四川成都610031)
摘要:总结了副构架式转向架的结构与特点,并分析了自导向径向转向架的导向机理。以转K7型副构架式
转向架为研究对象,建立安装有转K7型转向架的C80型敞车动力学模型。分析自导向机构的刚度参数对车
辆系统动力学的影响,在此基础上进行导向机构参数优化选择,为副构架式自导向转向架的工程优化设计提
供理论依据。
关键词:铁道车辆;劉构架;径向转向架;导向机构;刚度
中图分类号:U260.331
文献标识码:
1副构架式转向架的结构与优势
力学分析方法等效替代任何结构的转向架。分析时用
使用副构架来实现自导向作用的转向架主要由轮具有等效剪切刚度K,和等效弯曲刚度K。的两个弹
对、副构架、摇枕、侧架、弹簧减振装置、常接触式弹性簧代替轮对之间的弹性约束。联立转向架的实际运行
旁承及基础制动装置等组成。其与传统的三大件式转情况与转向架等效模型的静力平衡方程可以得出门:
向架的不同之处在于将承载鞍与側架分开铸造,并将
K
△F2
左、右两个承载鞍用合金铸钢铸造在一起,形成U字
y1y
形副构架,然后用交又拉杆将前、后两个副构架销接在
K
(2)
起,形成自导向机构。将销接好的一对副构架坐落
P12
在前、后轮对之上,以多层橡胶一金属剪切垫作为一系其中:△F12为前、后轮对相对横向运动时后轮对受到
悬挂将侧架与副构架相连接门。其余结构类似三大件的横向力;y1、y2分别为前、后轮对的横移量;△M2为
式转向架,利用钢弹簧作为二系悬挂将摇枕安放于侧由于前轮对的摇头运効后轮对受到的摇头力矩;9、g2
架上,利用摇枕上的下心盘与常接触式弹性旁承与车分别为前、后轮对的摇头角。增大等效剪切刚度K,
体相连,在装配基础制动装置之后,即成为完整的副构可以提高转向架直线运行稳定性;减小等效弯曲刚度
架式转向架。
K,可以提高转向架的曲线通过性能。
相对于传统的三大件式转向架,副构架式转向架
自导向径向转向架是 Wickens依照上述基本原
具有如下优势:①在直线行驶时轮对受到副构架的约理提出的在前、后轮对间加装导向机构的转向架。加
東,增加了正位能力,提高了蛇行运动临界速度,曲线装的导向机构将前、后轮对的摇头运动耦合,在转向架
行驶时,由于径向机构的作用,两个轮对都可以趋向曲通过曲线时,由于轮轨间蠕滑力的作用,前轮对趋向径
线的径向位置,不但轮轨力与轮对冲角减小,而且轮轨向位置的动能传递给后轮对,使后轮对随后趋向于径
间横向作用力也有所降低,提高了车辆的曲线通过能向位置。自导向径向转向架在小半径曲线上运行时,
力;②为了实现轮对的弹性定位,副构架式转向架
径向作用受到直线运行稳定性制约,因此并未完全解决
系悬挂采用多层橡胶一金属剪切垫,这样做提高了轮蛇行运动稳定性与曲线行驶时的通过能力之间的矛盾。
对与侧架间的横向与纵向复原刚度,减轻了側架与承
基于 SIMPACK的C80型散车的动力学建模
载鞍之间的磨耗,提高了车辆的整体性能;③副构架式
为了使研究更切合我国的国情,本文以转K7型
转向架将传统的侧架变为簧上质量,有效地降低了簧副构架式转向架为研究对象,建立C80型敞车的动力
下质量,轮轨之间的动力作用将得到改善,运行品质大学模型。建模时将车辆系统看做复杂的多刚体耦合多
大提高「]。
自由度系统。不考虑轮对、侧架、摇枕、车体等部件的
2自导向径向转向架的导向机理
弹性变形,使用弹簧和减振器将各个部件连接。
Wickens提出,假设弹簧悬挂装置在水平平面内
本文选用空车工况进行动力学研究,在分析时将
的特性不变,可以用两个相互弹性约東的轮对按照静一些对实际情况影响不大的动力作用进行了简化,如
收稿日期:2014-10-31;修订日期:2015-06-18
作者简介:赵天棋(1988-),男,内蒙古乌海人,在读硕士研究生,主要研究方向为车辆动力学。
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机械エ程与自动化
2015年第4期
不考虑钢轨的弹性变形,也不考虑车辆之间的相对运就是蛇行临界速度的降低。为了提高蛇行临界速度,
动,即不考虑各部件的纵向自由度,只研究单节车体的在两轮对间附加了弹性约東K,对于副构架式径向
动力学悄况。通过分析,副构架只有一个绕车轴方向转向架,这个弹性约東就是副构架对角支撑悬挂刚度
转动的自由度,摇枕只有一个绕竖直方向转动的自由加了弹性约東后,各项等效刚度的关系如下n:
度。在分析了系统中物体的自由度后,利用多体动力
K
b=Kl
学仿真软件 SIMPACK建立C80型敞车的整车动力
学仿真模型,见图1。
26K+2BK,+2KL4出K+K。(3)
K。=の6K1x
其中:K1、K1y分别为一系悬挂的纵向、横向刚度;b
为左右一系悬挂横向间距的一半;k为侧架的抗菱刚
度;l1为前后一系悬挂纵向间距的一半。从式(3)可
知,增加弹性约東K直接增大了等效剪切刚度K、,从
而提高了车辆临界速度。同时间接增大了等效弯曲网
图1C80型散车的整车动力学仿真模型
度K,结果使曲线通过性能变差。
4副构架的对角支撑刚度对车辆曲线通过性能的影响4
2脱轨系数、轮重减載率和轮轴横向力变化情况
副构架作为径向转向架的导向机构,其动力学参数
曲线通过性能除了上述分析的评定指标外,重要
几何参数对转向架的动力学性能均有影响。其中,对的还有脱轨系数、轮重减載率和轮轴横向力。脱轨系
角支撑悬挂刚度的影响尤为重要,本文重点研究其对车
数是评价脱轨安全性的最基本指标。但仅使用这一指
辆在通过曲线时的径向效果的影响,分析其影响的趋势标还不够,因为在轮重较小或垂向力较小时,对应的横
和大小,另外也研究其对车辆运动稳定性的影响。
向力较小,计算脱轨系数时误差变大,此外,一侧车轮
不失一般性,本文分别取1MN/m、5MN/m、的轮重减少时,另一侧车轮轮重会增大,这时即使轮对
10MN/m、30MN/m、100MN/m五个不同的值赋予
冲角很小,还是会有较大的横向力,增加脱轨危险,所
副构架的对角支撑悬挂刚度。分析曲线通过性能时的以引人轮重减载率作为衡量轮重减少程度的指标,并
线路工况见表1。
以此判断脱轨安全性。轮轴横向力是轨道结构动力作
表1曲线线路工况
用评价指标,用来研究车辆运行时会不会因为轮轨横
曲线曲线半径超高ん缓和曲线长欠超高70mm时运行速度
向力过大导致轨排横移、线路动态失稳,因此是安全性
工况rm
mm
km/h
的重要指标之一
1300100150
65.7
从以上分析得出可以使用半径为300m曲线和
400
150
75.9
半径为800m曲线代表典型的小半径曲线和大半径
曲线,分析不同副构架对角支撑悬挂刚度值对上述曲
4
60
150
93.9