獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的動態(tài)導(dǎo)向性能分析

獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的動態(tài)導(dǎo)向性能分析

獨立發(fā)動機的兩個顯著優(yōu)點是列車的穩(wěn)定性，降低城市輕架的地板高度。然而，由于獨立發(fā)動機的驅(qū)動功能較弱，如駕駛時具有重要作用的縱向滑動能力，直線復(fù)制率和曲線轉(zhuǎn)換率的能力較低，這意味著車輪磨損嚴(yán)重，貨架維護(hù)時間短，并且容易分解。駕駛問題是貫穿獨立發(fā)動機發(fā)展的難題。為了克服這個問題，國內(nèi)外專家提出了許多解決方案。然而，從獨立發(fā)動機應(yīng)用的角度來看，這些方案是不受歡迎的。獨立發(fā)動機沒有完全解決導(dǎo)向問題，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。筆者在前人成敗經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,提出了一種導(dǎo)向性能好,結(jié)構(gòu)又比較簡單的新型獨立輪對轉(zhuǎn)向架方案.1耦合轉(zhuǎn)向架動方程獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)如圖1所示,將前后車體相鄰端部下面的兩個獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架用抗搖頭的彈性元件聯(lián)接,使之成為介于獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架和獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架之間的一種新型轉(zhuǎn)向架,稱之為獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架.轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向性能包括曲線轉(zhuǎn)向性能和直線復(fù)位性能.曲線轉(zhuǎn)向功能主要體現(xiàn)在通過曲線時輪對沖角的大小;直線復(fù)位性能主要看輪對受到激擾而偏離軌道中心線后其橫向位移能否回歸到0.由于單軸轉(zhuǎn)向架的一系懸掛剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二系懸掛剛度(構(gòu)架和輪對運動的同步性較高),所以在理論分析時,把輪對和構(gòu)架看作一個整體.其動方程如下:橫移運動m(y¨i+v2R+h?¨)=Tyi+Fyi+Fsyi+mg?.(1)m(y¨i+v2R+h?¨)=Τyi+Fyi+Fsyi+mg?.(1)搖頭運動Iz[ψ¨i+vddt(1R)]=Mwzi+Mszi+Mzi.(2)Ιz[ψ¨i+vddt(1R)]=Μwzi+Μszi+Μzi.(2)式(1)和(2)中:i為耦合轉(zhuǎn)向架的輪對,i=1～2;m為單軸轉(zhuǎn)向架質(zhì)量;Iz為單軸轉(zhuǎn)向架的搖頭慣性矩;yi為單軸轉(zhuǎn)向架的橫向位移;ψi為單軸轉(zhuǎn)向架的沖角;v為列車前進(jìn)速度;R為實際曲線半徑;?為線路實際超高角;h為轉(zhuǎn)向架質(zhì)心到軌面的距離;Tyi為輪對橫向蠕滑力;Fyi為輪對所受的重力復(fù)原力橫向的分量;Fsyi為二系懸掛橫向力;Mwzi為輪軌作用力形成的搖頭偏轉(zhuǎn)力矩;Mszi為二系懸掛力產(chǎn)生的搖頭偏轉(zhuǎn)力矩;Mzi為彈性元件耦合力產(chǎn)生的搖頭偏轉(zhuǎn)力矩.耦合轉(zhuǎn)向架中的耦合元件主要是給前后兩個單軸轉(zhuǎn)向架提供搖頭角剛度,盡量不干涉轉(zhuǎn)向架的其他運動,所以只在搖頭運動方程中體現(xiàn)了耦合元件的作用.當(dāng)Mzi=0時,獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架演變?yōu)閮蓚€獨立輪對的單軸轉(zhuǎn)向架.當(dāng)Mzi取得足夠大時,獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架可近似模擬獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架.因此,獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架和獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架僅為獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的兩種特殊形式.為了分析獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能,將獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架與獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架進(jìn)行比較.因為獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的前后輪對分別位于相鄰車體的鄰接端,所以必須把該轉(zhuǎn)向架納入列車中才能考察出其導(dǎo)向性能,故在建模時,選擇了2節(jié)車體依次鉸接在一起,共安裝了3個轉(zhuǎn)向架,其中列車兩端的2個動力轉(zhuǎn)向架為傳統(tǒng)輪對的兩軸轉(zhuǎn)向架,中間的1個非動力轉(zhuǎn)向架為獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架.2曲線導(dǎo)向性能2.1獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架圖2是獨立輪對的3種轉(zhuǎn)向架穩(wěn)態(tài)通過曲線時的對比示意圖.圖2(a)是獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架通過曲線時的情形,由于受同一構(gòu)架的約束,輪對Ⅰ和Ⅱ通常相對于徑向線形成正沖角和負(fù)沖角,在曲線上展開不足.圖2(b)是獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架通過曲線時的情形,Ⅰ和Ⅱ位輪對不再受同一構(gòu)架的約束,分別受前后車體的約束.由于Ⅰ位輪對處于前面車體的后端,Ⅱ位輪對處于后面車體的前端,所以Ⅰ和Ⅱ通常相對于徑向線形成負(fù)沖角和正沖角,輪對在曲線上展開過度.轉(zhuǎn)向架的前后輪對在曲線上展開不足或展開過度都對曲線通過不利.獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架的Ⅰ和Ⅱ位輪對在曲線上展開不足是因為剛性構(gòu)架對它們的約束過大.獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架的Ⅰ和Ⅱ位輪對在曲線上展開過度是因為它們之間缺乏必要的約束.獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架恰好可以彌補前兩種轉(zhuǎn)向架的不足.當(dāng)耦合轉(zhuǎn)向架的耦合元件剛度值適當(dāng),即可使Ⅰ和Ⅱ位輪對在曲線上展開適度而趨于徑向位置,如圖2(c)所示.作者提出獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架方案的初衷.當(dāng)列車穩(wěn)態(tài)通過曲線時,搖頭運動方程式(2)中等號的左邊應(yīng)為0,右邊輪軌作用力形成的搖頭偏轉(zhuǎn)力矩Mwzi主要來源于縱向蠕滑力產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩.對于獨立輪對,縱向蠕滑力理論上為0,所以Mwzi的值很小,在分析轉(zhuǎn)向架穩(wěn)態(tài)通過曲線時,可以將其忽略.則方程式(2)可進(jìn)一步寫成Mzi+Mszi=0,(3)Μzi+Μszi=0,(3)式(3)中:Mszi=?2KsxB2s[ψi?ψc+(1?)ilR],(4)Μszi=-2ΚsxBs2[ψi-ψc+(1-)ilR],(4)Mzi=(?1)iK[(?1)i+1ψi?(?1)i+1ψi±1+2bR],(5)Μzi=(-1)iΚ[(-1)i+1ψi-(-1)i+1ψi±1+2bR],(5)式(4)和式(5)中:Ksx為轉(zhuǎn)向架一側(cè)二系懸掛縱向剛度;Bs為二系懸掛橫向跨距之半;l為車輛名義定距之半;b為耦合轉(zhuǎn)向架車輛名義軸距之半;ψc為車體搖頭角;K為耦合元件提供的搖頭角剛度.由于到輪對的位移和懸掛變形比車輛的名義定距2l小得多,因此可以認(rèn)為車體的中央部分近似與圓曲線相切,即ψc≈0.當(dāng)列車穩(wěn)態(tài)通過圓曲線時,為了使耦合走行部的前后輪對完全處于徑向位置,必有ψi=ψi+1=0,所以由式(3)～(5)可得K2bR=2KsxB2slR,(6)Κ2bR=2ΚsxBs2lR,(6)即K=B2s1bKsx.(7)Κ=Bs21bΚsx.(7)只要K與Ksx按式(7)匹配,獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的前后輪對就能在懸掛系統(tǒng)和彈性耦合元件的調(diào)節(jié)作用下自動趨于徑向位置.由于獨立輪對的左右車輪獨立旋轉(zhuǎn),能夠自由調(diào)整其轉(zhuǎn)速,所以只要輪對占據(jù)徑向位置,不管其橫移量大小,都能以純滾動的形式通過曲線.2.2獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架位輪對沖角的仿真在分析獨立輪對轉(zhuǎn)向架的曲線導(dǎo)向性能時,選用線路條件較差的城市輕軌路況:無緩和曲線,無超高,曲線半徑200m,列車運行速度36km/h.圖3是3種獨立輪對轉(zhuǎn)向架通過曲線時Ⅰ,Ⅱ輪對沖角仿真結(jié)果,圖中t為列車運行時間(下同).從圖3(a)可看出,獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架的Ⅰ位輪對的沖角為正,獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架Ⅰ位輪對的沖角為負(fù),獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架Ⅰ位輪對的沖角趨于0.從圖3(b)可看出,獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架的Ⅱ位輪對的沖角為負(fù),獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架Ⅱ位輪對的沖角為正,獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架Ⅱ位輪對的沖角也趨于0.這說明仿真結(jié)果與前面的理論分析吻合.3線性復(fù)位性能3.1獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架輪對復(fù)位的實現(xiàn)當(dāng)列車在直線上運行時,方程式(1)就變?yōu)閙y¨i+Tyi+Fyi+Fsyi,(8)my¨i+Τyi+Fyi+Fsyi,(8)式(8)中,如果等號右邊3項的合力方向與輪對橫向位移yi的方向相反,輪對肯定就能復(fù)位.右邊3項中只有重力復(fù)原力Fyi始終與輪對橫向位移yi的方向相反.橫向蠕滑力Tyi和輪對搖頭角有關(guān),它與輪對橫向位移yi的相位通常不同步.橫向懸掛力Fsyi與懸掛行程有關(guān),通常很難人為控制,所以一般情況下都是通過改變重力復(fù)原力和橫向蠕滑力來使獨立輪對復(fù)位.這樣復(fù)位措施有3種:(1)增大重力復(fù)原力Fyi,使合外力的方向與重力復(fù)原力的方向相同.這種方法主要是增加左右輪的接觸角差,即使現(xiàn)在我國使用的高錐度磨耗型踏面都不能滿足要求,必須對車輪踏面進(jìn)行特殊設(shè)計.(2)減小橫向蠕滑力Tyi,使合外力的方向與重力復(fù)原力的方向相同.這種方法主要是施加必要的徑向措施,使輪對的搖頭角趨于0.(3)改變橫向蠕滑力Tyi的方向,使橫向蠕滑力Tyi與重力復(fù)原力Fyi的方向相同,就可使輪對加速復(fù)位.這種方法主要是設(shè)法使輪對搖頭角ψi的相位與橫移yi的相位相反,這只能在特殊的轉(zhuǎn)向架中或施加特殊的機構(gòu)才能實現(xiàn).理論上方案(2)最好,因為徑向措施不僅能使輪對復(fù)位還能減小輪軌磨耗.實際中獨立輪對確實也是在朝這個方向發(fā)展,本文提出的獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架也是利用這種原理來使獨立輪對復(fù)位.以獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架和獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架為參照來加以比較分析,3種轉(zhuǎn)向架的輪對復(fù)位情況見圖4所示.圖4(a)是獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架輪對的復(fù)位情況,由于一系定位剛度遠(yuǎn)大于二系定位剛度,所以兩軸轉(zhuǎn)向架的前后輪對受構(gòu)架的約束大而受車體的影響較小,當(dāng)輪對Ⅰ受軌道激擾向軌道右側(cè)偏移一個橫移量時,輪對Ⅰ立即受到重力復(fù)原力和一系懸掛回復(fù)力的作用而有向軌道中央復(fù)位的趨勢,與此同時,構(gòu)架在輪對Ⅰ的橫向懸掛力作用下,會產(chǎn)生正偏角ψ,進(jìn)而構(gòu)架迫使Ⅰ,Ⅱ位輪對都產(chǎn)生正偏角,這樣Ⅰ,Ⅱ位輪對都受到指向軌道右側(cè)的橫向蠕滑力作用,輪對Ⅰ的橫向蠕滑力阻止輪對Ⅰ向軌道中央復(fù)位;輪對Ⅱ在橫向蠕滑力的作用下開始偏離軌道中央向軌道右側(cè)運動,在偏移軌道中央過程中,輪對Ⅱ受到的重力復(fù)原力越來越大,阻止輪對Ⅱ進(jìn)一步發(fā)生偏移;這樣當(dāng)橫向蠕滑力和重力復(fù)原力達(dá)到平衡時,兩軸轉(zhuǎn)向架的Ⅰ,Ⅱ位輪對就停留在這一位置而都不能回復(fù)到軌道中央.圖4(b)是獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架輪對的復(fù)位情況,由于每個輪對都有自己的專用構(gòu)架,所以Ⅰ,Ⅱ位輪對不再直接發(fā)生相互聯(lián)系,分別受自己車體的約束.當(dāng)輪對Ⅰ受軌道激擾向軌道右側(cè)偏移時,在懸掛系統(tǒng)作用下,前面車體會產(chǎn)生負(fù)偏角ψⅠ.由于前后車體鉸接在一起,后面車體會隨之產(chǎn)生正偏角ψⅡ,這樣前面車體迫使輪對Ⅰ產(chǎn)生負(fù)偏角,后面車體迫使輪對Ⅱ產(chǎn)生正偏角.輪對Ⅰ的橫向蠕滑力就與重力復(fù)原力的方向相同,加速輪對Ⅰ向軌道中央復(fù)位.輪對Ⅱ在正的橫向蠕滑力的作用下,開始偏離軌道中央向軌道右側(cè)移動,隨著偏移距離的增大,輪對Ⅱ的重力復(fù)原力越來越大,使輪對Ⅱ不再繼續(xù)向右偏移.在輪對Ⅰ的復(fù)位過程中,前后車體的偏轉(zhuǎn)角越來越小,致使Ⅰ,Ⅱ位輪對的偏轉(zhuǎn)角也越來越小,使得輪對Ⅱ的重力復(fù)原力大于橫向蠕滑力,輪對Ⅱ也能回復(fù)到軌道中央.對于獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架來說,Ⅰ,Ⅱ位輪對在懸掛系統(tǒng)和彈性耦合元件的共同作用下,能自動調(diào)整其偏轉(zhuǎn)角趨于0,從而可減小輪對的橫向蠕滑力.這樣,重力復(fù)原力在輪軌橫向力中就占據(jù)了主導(dǎo)地位,當(dāng)輪對受到軌道激擾而發(fā)生偏移后自然能夠在用重力復(fù)原力的作用下回復(fù)到軌道中央,如圖4(c)所示.3.2復(fù)位性能的對比在考察獨立輪對的復(fù)位性能時,先給輪對橫向位移激擾,然后觀察它能否回到軌道中央.圖5是3種獨立輪對轉(zhuǎn)向架直線復(fù)位性能的對比,從圖5(a),(b)可看出,獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架的Ⅰ,Ⅱ位輪對在軌道一側(cè)6mm左右處保持平衡而不能回歸到軌道中央,獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架的Ⅰ,Ⅱ位輪對能夠緩慢地回歸到軌道中央,獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的Ⅰ,Ⅱ位輪對能夠快速地回歸到軌道中央.這說明獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架不僅曲線導(dǎo)向性能好,而且直線復(fù)位性能也很顯著.4立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架和獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架通過曲線時輪對流角(1)獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架只要耦合剛度匹配合理