交叉杆式自导向转向架动力学性能分析

２２　国外铁道车辆第４４卷第６期２００７年１１月　文章编号：１００２—７６１０（２００７）０６—００２２—０６　交叉杆式自导向转向架动力学性能分析　

钣田　浩平，等（日）　摘要：对交叉杆式自导向转向架在日本通勤车上的适用性进行了分析。研究结果表明，在自导向转向架　一系悬挂水平定位刚度降为普通转向架对应刚度一半的情况下，仍能保证同样水平的车辆运行稳定性。通过小　半径曲线时，其轮对冲角和轮轨横向力均比普通转向架小得多。当轮轨摩擦系数增大时，其效果更为显著。　关键词：自导向转向架；运行稳定性；日本　中图分类号：Ｕ２７０．３３１　文献标识码：Ｂ　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｓｅｌｆ－Ｓｔｅｅｒｉｎｇ　Ｂｏｇｉｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｃｒｏｓｓ－Ａｎｃｈｏｒｓ　饭田浩平，ｅｔ　ａ１．（Ｊａｐａｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｅｌｆ－ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｂｏｇｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ—ａｎｃｈｏｒｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｔｅｒ　ｔｒａｉｎｓ　ｉｎ　Ｊａｐａｎ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ＯＵｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｌｆ－ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｂｏｇｉｅｓ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｔＯ　ａｓ　ｓｍａｌｌ　ａｓ　ｈａｌｆ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｂｏｇｉｅｓ　ｋｅｅｐｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｆｏｕｎｄ　ＯＵｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌｓ　ａｔｔａｃｋ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ　ｌａｔｅｒａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｌｆ－ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｂｏｇｉｅ　ｉｎ　ｓｈａｒｐ　ｃｕｒｖｅ　ａｒｅ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｂｏｇｉｅ．Ｉｎ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｌｆ－ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｂｏｇｉｅ　ａｒｅ　ｌａｒｇｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｗｈｅｅｌ　ａｎｄ　ｒａｉｌ　ｉｓ　ｈｉｇｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｂｏｇｉｅ；ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；Ｊａｐａｎ　

ｌ　概述　为了降低轮轨维修成本，就必须提高转向架的曲　线通过性能。其中一项有效的措施就是降低轴箱的水　平方向定位刚度，特别是降低其纵向定位刚度。但是，　轴箱的定位刚度一旦降低，车辆在直线运行时就很容　易产生蛇行失稳现象。为了防止这种情况发生，就必　须在转向架上加装某种机构。用交叉的杆件将前后轮　对（轴箱）连接起来的转向架（下文称之为交叉杆转向　架）就是一项可行的选择。交叉杆转向架在南美货车　上早已被实际运用　ｊ。本文以交叉杆转向架在通勤一　近郊电动车上的运用为目标，对其运动性能进行研究。　澳大利亚在一些地铁车辆上也使用了交叉杆转向架，　其运行线路的最小曲线半径为１００　ｍ　］。本文在研　究过程中所设定的线路曲线半径较之稍大一些，这是　因为所研究的对象是运行速度相对较高的电动车。　基于上述想法，本文以交叉杆转向架为研究对象，　利用特征值分析法，对车辆直线运行稳定性进行了研　究。采用车辆运动仿真方法，对曲线通过性能和轨向　位移追随性进行研究。　

２车辆的分析模型及参数　

２．１　交叉杆转向架车辆的分析模型　建立车辆模型时，以具有１７个自由度（车体、转向　架：横移、摇头、侧滚各考虑３个自由度；轮对：横移、摇　头各考虑２个自由度）的模型为基础，增加了交叉杆转　向架的参数之后，构成了交叉杆转向架车辆的分析模　型。车辆通过曲线时，转向架中的轮对会沿着曲线调　整到径向位置，这时，２根交叉杆的端部就会在前后方　向发生移动。因此，对于交叉杆而言，除了考虑横移和　摇头２个自由度之外，还需考虑纵向自由度。这样一　来，交叉杆转向架的车辆其分析模型共计２９个自由　度。转向架的分析模型见图１。图１中，轮对和轴箱　以深灰色表示，交叉杆以浅灰色表示。横向减振器考　虑成弹簧与阻尼相串联的模型，其他支承元件采用弹　簧与阻尼相并联的模型（图１仅给出了弹簧模型，没有　绘出阻尼模型）。　２．２　车辆参数　作为比较对象的车辆，选用的是装有无摇枕转向　架的轻型通勤电动车（以下称之为现用车辆）。用于分　析的基本车辆参数见表１。表１中，将空车时的乘坐　率设为０，重车时的乘坐率设为２００　。采用交叉杆转　向架的目的是为降低轴箱定位刚度创造条件，因此，在　进行分析时需要使轴箱的纵向和横向定位刚度有所变　

维普资讯 http://www.cqvip.com 交叉杆式自导向转向架动力学性能分析钣田浩平，等（日）　２３　化，以考察对比交叉杆的效果。表１所列轴箱的纵向　和横向定位刚度值，是以现用车辆的数值作为基本数　据给出的。交叉杆与轴箱的连接部分采用与横向减振　器相同的橡胶衬套，其连接刚度与横向减振器相同。　在轴箱的支承部位，枕簧的纵向阻尼来源于橡胶件的　内部阻尼分量，数值大小取为刚度值（Ｎ／ｍ）的１／１　０００　（Ｎ・ｓ／ｍ）。　

转向　构架　

交叉杆　

图１转向架的分析模型　衰１用于分析的主要车辆参数　项目　空车条件重车条件　车体质量／×１Ｏ　ｋｇ　转向架构架质量／×１Ｏ。ｋｇ　轮对质量／×１Ｏ。ｋｇ　枕簧垂向刚度（每根）／×１０　（Ｎ・ｍ一　）　枕簧纵向刚度（每根）／×１０　（Ｎ・ｍ－１）　枕簧横向刚度（每根）／×１０ｓ（Ｎ・ｍ一　）　轴箱垂向定位刚度（每轴）／×１０。（Ｎ・ｍ一　）　轴箱纵向定位刚度（每轴）／×１０　（Ｎ・ｍ一　）　轴箱横向定位刚度（每轴）／×１０　（Ｎ・ｍ一　）　横向减振器串联刚度／×１０　（Ｎ・ｍ－１）　横向减振器阻尼系数／×１０　（Ｎ・ｓ・ｍ一　）　车辆定距／ｍ　转向架固定轴距／ｍ　车轮踏面锥度（修正的圆弧形踏面）　交叉杆部分　质量／×１Ｏ　ｋｇ　纵向连接刚度（每根）／×１０　（Ｎ・ｍ　）　横向连接刚度（每根）／×１０　（Ｎ・ｍ一　）　

１．５５　３．５６　１．５２　１．２５　２．４５　４．５１　７．２６　９．３２　１．３９　１．６Ｏ　２．７８　１．３０　１．０４　１．９６　７．８５　１３．８　２．１Ｏ　１／１８　

１．Ｏ０　１．９６　１．９６　

３直线运行稳定性研究　３．１运动方程　由于横向减振器采用弹簧与阻尼相串联的模型来　模拟，因此，必须在弹簧与阻尼之间加入质量为０的虚　拟元件。利用特征值法对车辆的直线运行稳定性进行　分析，运动方程式为：　

Ｃ　２推２Ｊ｝＋　式（１）中，质量不为０的元件与质量为０的元件是　分开表述的。　式（１）中的　代表车体、转向架、轮对及交叉杆的　自由度；　表示位于阻尼和弹簧之间、质量为０的虚　拟元件的自由度。　设ｚ一｛　）　，则满足　＝Ａｚ的特征值行列式　Ａ为　：　

Ａ＝　Ｏ　—Ｍ一　Ｋｌ１　＋Ｍ＿。Ｃ１２　ｇ２１　一　Ｋ２１　Ｊ　—Ｍ＿。Ｃｌ１　＋Ｍ～Ｃ１２Ｃ　Ｃ２１　一　ｃ２　Ｏ　—Ｍ一　Ｋ１２　＋Ｍ＿。Ｃ１２　ｇ２２　一　Ｋ２２　（２）　３．２特征值分析结果　在进行特征值分析时，假定在空车条件下，将交叉　杆分别安装于１辆普通的现用车辆和１辆对其轴箱纵　向、横向定位刚度分别降低一半的现用车辆上进行了　对比分析计算，结果见图２。图２仅给出了振荡衰减　率较小的几个振荡波型。评价车辆的直线运行稳定性　时，当所有振荡波型的振荡衰减率都不低于０．１时，认　为此时的车辆是稳定的，当某一振荡波型的振荡衰　

豁　磷　撼　

静　｛噼　撼　蠼　

－　●　’　●　Ｉ　ｌ向槊横向运动Ｉ　牟：｝．　’●　Ｉ　Ｉ　Ｉ　

１＇＿　／　１＿　Ｉ　ｌ　『＇＿　、．转向架摇头运动Ｉ　

ｌ　、　＇－－－－Ｌ一轮对蛇行运动Ｉ　

．＿．．．　●．＿ｉ．－｜　）　Ｉ临界速度ｌ１００　２（　车辆运行速度／（ｍ・Ｓ－Ｉ）　（ａ）现用车辆　

’　。ｌ　’　ｌ：　一ｌ车堡横　运动Ｌ　一、　‘　Ｉ：　：　２　Ｉ　

、　转向莓摇头运动卜　、　＼．　

。　．　．‘　．．　．Ｉ■　’．　９　临界速度ＩｌＯ０　２　车辆运行速度／（ｍ・ｓ　）　（ｂ）轴箱悬挂上安装交叉杆　

图２特征值分析实例（振荡衰减率）　

匡。　一　卜｝　，ｚ　ｚ　—ｚ—ｚ］，●●Ｊ　，，、　］　＿］　Ｋ　Ｋ　Ｋ　Ｋ　Ｍ　０　维普资讯 http://www.cqvip.com ２４　国外铁道车辆第４４卷第６期２００７年１１月　减率恰好降至０．１时，此时称为车辆蛇行失稳临界速　度（以下称为临界速度）。其中，如图２（ｂ）所示，在安　装了交叉杆的情况下，转向架摇头振动的振荡衰减率　在低速区域虽然略低于０．１，但该波型的固有频率在　２０　Ｈｚ以上，从车辆低速运行稳定性的角度看并不构　成问题，因而可以不予考虑。据此可以认为，临界速度　是由轮对蛇行运动的振荡衰减率所决定的。从图２可　知，安装了交叉杆之后，虽然轴箱的定位刚度降低了　５Ｏ　，但其临界速度仍然比现用车辆的临界速度（７４　ｍ／ｓ即２６６　ｋｍ／ｈ）高得多，达到９７　ｍ／ｓ（３４９　ｋｍ／ｈ）。　临界速度之所以较高，是由于理论分析都是在理想条　件下进行的，车辆实际运行时出现蛇行运动失稳的速　度要比图２数值低。　３．３轴箱定位刚度的优化　选取不同的轴箱纵向、横向定位刚度参数，对安装　了交叉杆转向架的车辆的临界速度进行了对比分析，　结果见图３。图３（ａ）、图３（ｂ）分别是空车、重车条件　下对应的分析结果。现用车辆在空车条件下其临界速　度为７４　ｍ／ｓ（２６６　ｋｍ／ｈ），重车条件下的临界速度为　９１　ｍ／ｓ（３２８　ｋｍ／ｈ）。　临界速度／（ｍ・ｓ　ｆ　尝　主　窟　匠　尽　暴　｛　●　至　基　厦　蜒　暴　轴箱纵向定位刚度／（ＭＮ・ｍ　）　（ａ）空车（现用车辆临界速度：７４ｍ／ｓ）　临界速度／（ｍ・ｓ　）　轴箱纵向定位刚度／（ＭＮ・ｍ　）　（ｂ）重车（现用车辆临界速度：９１　ｍ／ｓ）　图３轴箱定位刚度与临界速度的关系　（交叉杆转向架车辆）　由图３（ａ）可知，在空车条件下，当轴箱的纵向定　位刚度为７．５　ＭＮ／ｍ、横向定位刚度为２．０　ＭＮ／ｍ　时，车辆的临界速度最高（图３中标注◎符号处，约为　１０７　ｍ／ｓ）。从图３（ａ）中还可以看到，在横向定位刚度　取相同数值的情况下，当纵向定位刚度达到４．５　ＭＮ／ｍ时，就可以得到与现用车辆相同的临界速度（图　３中标注△符号处）。但是，从图３（ｂ）可以看到，当轴　箱的纵向定位刚度为４．５　ＭＮ／ｍ时，重车的临界速度　将会降至６５　ｍ／ｓ（图３中标注△符号处）。对比图３　（ａ）与图３（ｂ）可知，综合考虑空车与重车的运用条件，　为了获得与现用车辆相同或更高的临界速度，轴箱的　纵向定位刚度必须在５．５　ＭＮ／ｍ以上。此时的临界　速度，在重车条件下约为７５　ｍ／ｓ，在空车条件下则约　为９０　ｍ／ｓ（审校者注：此时空车临界速度高于重车临　界速度）。从图３还可以得知，当轴箱的横向定位刚度　大于２．０　ＭＮ／ｍ时，对车辆直线运行的稳定性已经不　会构成显著影响。可以认为，这是由于轮对在转向架　内部的相对移动受到了交叉杆的束缚，此时转向架的　等效剪切刚度基本上取决于交叉杆的连接刚度。