（车辆工程专业论文）摆式列车关键技术的研究.pdf

北京交通人学专业硕上学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：国外摆式列车技术几十年的发展，其关键技术轮轨低动力技术和倾摆控 制技术已经成熟。在既有铁路线路上，只需对线路稍加改造，就可采用摆式列车 技术使列车通过曲线的速度提高3 0 左右，投资少、见效快。在高速列车技术先进 的欧洲国家，摆式列车技术也得到了广泛应用，大幅度提高了既有线路的旅客运 输速度，如德国、瑞典、瑞士、英国、西班牙等。 我国有7 万多公里既有线路铁路，其中大部分为多曲线线路。应用摆式列车 技术可以将我国既有干线的旅客列车运行速度提高到2 0 0 k m h 左右，支线铁路的 运行速度也有望提高到1 2 0 k m h 到1 6 0 k m h ，这对我国经济不太发达的地区来说是 非常经济、快捷、有效的提速方式。而经济发达的中东部地区可以采用修建客运 专线的高速铁路发展模式。 中国铁道部从1 9 9 7 年开始立项研制中国的摆式内燃动车组，到2 0 0 4 年5 月 唐山轨道客车有限责任公司研制的中国首列1 6 0 k m h 分散动力摆式内燃动车组在 铁道科学研究院进行环线试验，中国已经初步掌握了摆式列车的研制技术。 本课题是在中国首列1 6 0 k m h 内燃摆式列车的研制基础上，就摆式列车的两 项关键技术进行了改进技术方案的研究。研究内容包括径向转向架结构的优化设 计、新型倾摆机构的设计和动态性能分析、转向架动力学性能的分析与优化及转 向架主要部件结构强度的分析计算。 通过新的结构优化与设计，使转向架的结构更加合理、可靠。同时新的滚道 式倾摆机构与前期的摆杆式倾摆机构相比，结构更紧凑、倾摆驱动功率更低，倾 摆复原特性更好。这些可以在我国下一代摆式列车的开发项目中推广、应用。 关键词；摆式列车；转向架；优化设计 分类号；u 2 7 0 3 3 北京交通大学专业硕上学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：a f t e rs e v e r a ld e c a d e so fd e v e l o p m e n tw o r l d w i d e t h ek e y t e c h n o l o g yo ft i l t i n gt r a i n ，l o w e rw h e e l t r a c kf o r c et e c h n o l o g ya n dt i l t i n gc o n t r o l t e c h n o l o g yh a v e b e e nm a t u r e a p p l yt h et i l t i n gt r a i nt e c h n o l o g yo nt h ee x i s t i n gr a i l w a y t r a c k ，t h et r a i nc a nr u n n i n ga ta b o u t3 0 h i g h e l s p e e dc o m p a r et ot h en o r m a lp a s s e n g e r t r a i n s t i l i ss o l u t i o no n l yn e e ds l i g h t l yu p g r a d et h et r a c ke q u i p m e n t i ti sa ne f f e c t i v e a n de c o n o m i cw a yt oi n e r e a s et h es p e e do fr a i l w a yp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n s o m eo f t h ed e v e l o p e de u r o p ec o u n t r i e sw h i c hp o s s e s sa d v a n c e dh i g hs p e e dt r a i nt e c h n o l o g y , h a v ea l s oe x t e n s i v ea p p l i e dt i l t i n gt r a i n i n gt e c h n o l o g yo nt h ee x i s t i n gr a i l w a yl i n e st o s p e e du pt h e i rp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n ，l i k eg e r m a n y , s w e d e n ，s w i t z e r l a n d ，b r i t a i n ， s p a i na n ds oo n t h e r ea r em o r et h a n7 0 0 0 0k i l o m e t e ro p e r a t i o nr o u t ei nt o t a lo fc h i n ar a i l w a y l i n e s ，m a j o r i t yo ft h e ma r em o r ec u r v el i n e s i fa p p l yt i l t i n gt r a i nt e c h n o l o g yo nt h e m a i n1 i n e s ，t h et r a i ns p e e dc a nr e a c ha r o u n d2 0 0 k m h ，o nt h eb r a n c hl i n e s ，t h et r a i n s p e e dc a l lr e a c ht ol2 0 16 0 k m h t b i si sa ne c o n o m i ca n de f f e c t i v ew a yt oi n c r e a s e t r a i ns p e e di nu n d e r d e v e l o p e da r e a s b u ti nt h ed e v e l o p e de a s t e r na r e a ，c a nb u i l d d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e sa n du s eh i g hs p e e dt r a i nt e c h n o l o g i e s 1 nl9 9 7 c h i n ar a i l w a ym i n i s t r ys t a r t e dt oi n i t i a t eap r o j e c tt od e v e l o pt i l t i n g d m u u pt om a y2 0 0 4 ，t h ef i r s tc h i n al6 0 k m ht i l t i n gd m ub u i l tb yt a n g s h a n r a i l w a yv e h i c l ec o l i m i t e dh a sb e e nt e s t e do nt h el o o pt e s tl i n eo fc h i n an a t i o n a l r a i l w a ye x p e r i m e n tc e n t e r , m e a n st h a tc h i n ah a sh e l dt h et i l t i n gt r a i nt e c h n o l o g y b a s i c a l l y t h i st h e s i st h r o u g hr e s e a r c ho ft w ok e yt e c h n o l o g yo ft i l t i n gt r a i no nt h eb a s i so f f i r s tc h i n a16 0 k m ht i l t i n gd m ut oi m p r o v et i l t i n gt r a i nb o g i es t r u c t u r ea n dr u n n i n g ， t i l t i n gb e h a v i o r t h er e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d i n gt h er a d i a ls t e e r i n gb o g i es t r u c t u r e s o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，n e wd e s i g no ft i l t i n gs t r u c t u r ea n dd y n a m i ca n a l y s i s ，t h eb o g i e d y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n do p t i m i z e ，a n ds t r e n g t ha n a l y s i so ft h eb o g i em a j o r c o m p o n e n t s t h r o u g ht h en e ws t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，b o g i es t r u c t u r eb e c o m e sm o r er e a s o n a b l ea n d r e l i a b l y c o m p a r et o t h ee a r l i e rs w i n gl i n kt i l t i n gs t r u c t u r e ，t h en e wr o l l e rt i l t i n g s t r u c t u r ef e a t u r e db yc o m p a c tc o n s t r u c t i o n ，l o w e rd r i v i n gp o w e ra n dg o o dr e s t o r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c t h e s ec a nb ea p p l i e dt on e x tg e n e r a t i o nt i l t i n gt r a i ni nc h i n a k e y w o r d s ：t i l t i n gt r a i n ；b o g e y ；o p t i m i z a s i o nd e s i g n c l a s s n o ：u 2 7 0 3 3 北方交通大学工程硕士专业学位论文结论 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名张期：形 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 签字日期：年月日 肜 缈日 励川 轹7 侔 戳彩者b 睹乃 刘 飙 沧 日 位 字 学 鉴 致谢 感谢在本课题的研究过程中，我的导师谢基龙教授的悉心指导；感谢我的同 事薛凯民和郑宝奎与我共同完成了摆式列车径向转向架的动力学性能和结构强度 的分析和优化。感谢过去在铁道部摆式列车项目中给与我指导和帮助的业内专家 和学者们。感谢交大的老师在我学习期间给与我的指导和帮助。 北方交通大学工程硕士专业学位论文摆式列车技术发展概述 l 摆式列车技术发展概述 1 1 国外摆式列车的发展 自6 0 年代末7 0 年代初，为了与其他运输方式竞争，欧美、日本等发达国 家在既有铁路运输领域，提出了车辆适应线路的口号，出现了研究摆式列车的风 潮。经过三十年来的努力，摆式列车技术逐渐成熟并广泛使用，成为既有线铁路 提速或高速的一条途径。 1 1 1意大利摆式列车的发展 意大利是一个山区国家，山区和丘陵占全国面积的8 0 ，因此铁路曲线特 别多。为了提高曲线区段的列车速度，菲亚特铁路公司从1 9 6 7 年开始进行有关 摆式列车的倾摆理论和系统的研究工作。最初的试验是一个可在曲线上倾摆的单 个座椅液力倾摆装置。该座椅通过试验后，安装在一辆h l n 6 6 8 轨道动车上进行 了线路运行试验，试验非常成功。 受此鼓舞，菲亚特又出资研制了一辆摆式试验动车y 0 1 6 0 。由于摆式列车 的车体倾摆与钟表的摆动现象相似，于是该车被冠以“p e n d o l i n o ( 意大利语小 钟摆的意思) 的雅号，该词r 后成了意大利菲亚特铁路公司摆式列车的代名词。 该试验车近2 年的运行试验，取得了许多宝贵的试验数据，为日后开发出商业运 行的第一代p e n d o l i n o 摆式列车e t r 4 0 1 奠定了基础。 1 9 7 0 年开始研制第一代p e n d o li n o - - e t r 4 0 1 。1 9 7 4 年完成了样车生产。样 车设计速度为2 5 0 k m h ，为四辆编组的动力分散式高速电动车组，在试运二年后 于1 9 7 6 年为意大利国铁使用。 意大利菲亚特铁路公司根据意大利国铁的要求于1 9 8 7 年研制成功了第二 代p e n d o l i n o - - e t r 4 5 0 。该动车组为8 m + 1 t 九辆两组，于1 9 8 8 年5 月正式商业 运行。这是全世界首列商业运行的2 5 0 k m h 高速摆式列车组。该列车首先在罗马 一米兰间6 3 2 k m 线路上商业运营，运行时间由传统2 0 0 k m h 普通快速列车的4 小时5 5 分缩短为高速摆式车的3 小时5 0 分，缩短旅行时间2 2 。e t r 4 5 0 前后 共生产了1 5 列。全部在意大利运行。 第三代p e n d o li n o - - e t r 4 6 0 于1 9 9 2 年1 月开始研制，该车组编组为6 m + 3 t 。 9 5 年5 月开始商业营运，前后共生产了7 列。从而扩大了p e n d o l i n o 摆式列车 在意大利国铁的运营网络。e t r 4 6 0 作为第三代p e n d o li n o ，是菲亚特铁路公司的 北方交通大学工程硕士专业学位论文摆式列车技术发展概述 基本型产品。日后其它型号的p e n d o l i n o 绝大部分是在此基础上，根据用户和线 路的要求进行的一些必要的改进，倾摆控制系统和转向架型式基本一致。 1 9 9 5 年1 月1 日，菲亚特铁路公司的f a i t s i g 分公司研制成功了先进的机 电式倾摆装置及转向架。该装嚣由一套机电作动器代替了原来的两套液压作动 器，从而使倾摆系统更加简单、可靠。这样，菲亚特铁路公司既可制造生产液压 倾摆和机电倾摆两类主动式摆式车，又可生产被动式摆式车。从而更加扩大了摆 式列车的供货范围。 在大量采用p e n d o l i n o 摆式车组后，意大利日均客运量由9 3 年有1 0 1 3 万 人次增加为9 5 年的2 2 0 万人次，增长了1 倍多。 由于p e n d o l i n o 在意大利运用的巨大成功。同时引发了欧洲的主动倾摆 技术的革命。许多欧洲国家开始纷纷购买菲亚特铁路公司的p e n d o l i n o 摆式 列车或摆式技术的核心产品倾摆控制系统和转向架。截止目前为止，该 公司共获得各种订单3 5 0 列，其摆式技术得到许多国家的认可，显示了很强的 生命力。 1 1 2 德国摆式列车的发展 德国是世界上高速大国之一，有第一代、第二代和第三代i c e 高速列车。 但德国也是使用摆式列车最多的国家之一，主要用于以下： 在常规的、改进的以及新线开行1 6 0 - - 2 5 0 k m h 的列车 在不准备改进的常规线路运行 在短途客运中提速到1 6 0 k m h 在德国已有的摆式列车包括：2 0 列v t 6 1 0 内燃动车组开行于n u r e m b u r g h o f 和n u r e m b u r g - - b a y r e u t h 线。6 列t a l g o 摆式列车用于柏林、波恩、慕尼黑、 汉堡间的城间运输。德国还有1 0 0 列以上三种不同形式的摆式列车，包括采用 f i a t 摆式技术的i c t 电动摆式列车、a d t r a n z 公司采用a g e 机电倾摆技术的 v t 6 11 、v t 6 1 2 液力传动内燃摆式列车。 另外，西门子公司从1 9 9 4 年开始进行有关摆式车辆的模拟分析、部件的试 验等工作；1 9 9 5 年在一辆试验车上进行了摆式车原型产品一转向架、倾摆系统、 主动横向悬挂装置等的试验；1 9 9 7 年西门子公司开发了带牵引电机的机电倾摆 转向架和受电弓装置，在此基础上于1 9 9 8 年开始研制v t 6 0 5 四节编组的内燃摆 式列车。该摆式列车于1 9 9 9 年开始生产，生产数量为2 0 列。该批车已投入正式 运营。 较早开发和应用摆式列车的国家还有同本的米轨电动和内燃摆式列车，瑞 典的x 2 0 0 0 电动摆式列车、西班牙的t a l g o 摆式列车等。 2 北方交通大学工程硕士专业学位论文摆式列车技术发展概述 1 2 摆式列车的提速特点 摆式列车能提高曲线限速的3 0 左右，因而可减少列车通过曲线的减速、加 速，从而较大幅度提高列车的平均运行速度，缩短旅行时间。对以中小曲线 为主的多曲线线路的提速效果更为显著。 对线路不必作大的变动，投资少，见效快。应用摆式列车的线路改造费用仅 为修建高速铁路的5 左右。 卜曲线通过速度提高了，可减少列车通过曲线的减速、加速，从而减少列车 牵引能耗。卜可跨高速线路和既有线路运行，在高速线路上以2 2 0 - - - - 2 5 0 k m h 速度运行，在既有线路上比普通列车速度高，可有效增强高速铁路的辐射效 用。 1 3 摆式列车的倾摆机理 常规列车通过曲线时的速度有一定限制，避免出现过大的末平衡的离心力， 使乘客不舒适。我国铁路设计标准规定普通列车通过曲线时末平衡的离心加速度 不超过0 0 5 9 ，特殊情况下不超过0 0 6 9 。欧洲有些国家允许末平衡的离心加速 度达到0 1 9 。 为了减小离心力对旅客的影响， 的曲线上车辆向曲线内侧倾斜，这时 车辆和旅客自重产生的横向分力方向 恰好与离心力方向相反，因此超高可 以抵消一部分离心力对旅客和车辆的 作用。但是曲线的超高最大值是有限 的，我国铁路规定曲线上的轨道最大 超高不能超过1 5 0 m m 。 摆式列车的特点就是当车辆通过 曲线时车体向曲线内侧倾摆，使得车 体和旅客自身重力的横向分量再加 大，可以多抵消一部分作用在旅客身 上的横向分力，从而使摆式列车能够 以比常规列车更高的速度通过曲线。 右图为倾摆示意图，其中： g 一车体的重量 s 一车体重心 f 一离心力 在铁路曲线区段都设置了超高，在有超高 3 图1 1 车体倾摆式意图 北方交通大学工程硕士专业学位论文摆武列车技术发展概述 r 一倾摆角 q 轨道超高角 一般摆式列车倾摆8 。，扣除弹簧悬挂装置受车体离心力距造成的负倾角， 则实际车体倾摆角度约为6 5 。7 。，可平衡约1 1 m $ 2 的离心加速度，这样可 使摆式列车通过曲线的运行速度比普通列车提高3 0 左右。 列车通过曲线的速度公式推导如下： 设h 一一轨道超高( 栅) h f _ 允许的欠超高( 未平衡离心加速度等效超高) ( m m ) h b 车体相对轨道倾摆角的等效超高为h b ( 咖) s 一左右车轮滚动圆间距( 1 5 0 0 e r a ) r 一一曲线半径( m ) t ，2， 由 冬= g 鲁 推出列车平衡速度v = o 2 9 1 百万( k i n h ) 瓜) 则普通列车允许的运行速度v = o 2 9 1 r ( + h f ) ( k m h ) 摆式列车允许的运行速度 v = o 2 9 14 r ( h + h f + h b )( k m h ) 按标准轨距计算得出的我国普通列车和摆式列车通过曲线的速度对比如下 ( 轨道超高按1 5 0 m m 计算) ，见下表1 1 。 表1 1 普通列车与摆式列车通过曲线的限制速度对比 曲线半径r ( m ) 3 0 04 0 05 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 普通列车速度 7 58 79 71 0 71 2 31 3 81 5 11 6 3 ( k m h ) 摆式列车速度 1 0 51 2 l1 3 51 4 81 7 1 1 9 22 1 0 2 2 7 ( k m h ) 1 4 摆式列车的关键技术 摆式列车之所以能够在既有多曲线线路上大幅度提高运行速度，在于具有 传统结构旅客列车不具备的几项关键技术。 1 4 1 轮轨低动力作用径向转向架 轮轨低动力作用径向转向架，是摆式列车高速通过曲线的安全保障。径向 转向架能够使轮对处于( 或接近) 曲线的径向位置，减小了轮缘冲角，降低轮轨 作用力和轮轨磨耗，并可有效延长轮轨寿命。见图1 2 径向转向架和普通转向 架在曲线上的轮对位置示意图。目前摆式列车采用的径向转向架主要包括迫导向 4 墨互墨兰查兰三墨墨主! 兰! 苎丝苎 墨墨型圭茎查壅墨苎兰 径向转向架、自导向径向转向架和柔性转向架三种。 1 4 2 及时、准确的倾摆技术 准确的车体倾摆及时地平衡了摆式列车高速通过曲线时车体横向增加的离 心加速度，确保了列车通过曲线速度提高3 0 的情况下，旅客的舒适度不会降 低。 国外成功运用的摆式列车按倾摆驱动形式可分为主动摆和被动摆，由于被 动摆型式车体倾摆角度小，列车速度提高幅度不大，因此世界各国的摆式列车以 主动倾摆方式为主。而倾摆控制方式大多采用轨道及车体信号实时检测的方法。 倾摆机构的结构形式主要有八字摆杆式倾摆机构和滚道式倾摆机构。按倾 摆的驱动力形式分为液压驱动倾摆机构和电动倾摆机构。 1 4 3 车体轻量化低重心技术 车体轻量化和低重心的日的本身是为了降低轴重、降低摆式列车高的离心 加速度( 约1 8 吐s 2 ) 造成的外倾力矩，从而降低倾摆驱动力，减小列车高速通 过曲线的轮轨作用力和轮重减载，保证列车的安全性。 国外摆式列车轻量化的措旌主要是采用不锈钢车体、铝合金车体及车内设 备的轻量化。低重心结构设计主要是将可能的列车设备悬挂在底架下边，适当降 低车体断面高度等。 北方交通大学工程硕士专业学位论文摆式列车技术发展概述 采用分散动力的牵引方式是降低车体重量的有效措施之一。 另外，摆式列车的车间连接结构必须满足相互之间的旋转要求，减小旋转 阻力，保证相邻车体相对转动的灵活性。 1 5 本论文研究的主要内容 本课题是在中国首列1 6 0 k m h 内燃摆式列车的研制基础上，就摆式列车的 两项关键技术进行了改进技术方案的研究。研究内容包括径向转向架结构的优化 设计、新型倾摆机构的设计和动态性能分析、转向架动力学性能的分析与优化及 转向架主要部件结构强度的分析计算。 6 北方交通大学工程硕士专业学位论文分散动力摆式动车组转向架方案研究 2 分散动力摆式动车组转向架方案研究 2 1 研究基础 分散动力摆式动车组转向架总体方案是在前期的为三茂铁路开发的 1 6 0 k m h 摆式内燃动车组转向架的基础上，根据动力学性能和线路运行条件的要 求进行优化设计的。转向架的基本结构框架与前期的1 6 0 k m h 摆式内燃动车组转 向架相同，倾摆机构仍然采用机电驱动方式，倾摆机构形式采用驱动特性更优的 滚道式倾摆机构。转向架驱动装置为直交齿轮箱、万向轴、体悬电机方式。 2 2 技术特点 分散动力摆式动车组转向架将根据运用线路条件和运行速度的不同对结构 参数进行优化，与前期1 6 0 k m h 摆式内燃动车组转向架结构相比主要的结构改进 为采用滚道式倾摆机构，相应转向架二系的结构布置进行了合理改进。与前期 1 6 0 k m h 摆式内燃动车组转向架相比具有如下优点： 滚道式倾摆机构复原对中性极大改善，同时峰值驱动功率降低5 0 。 有效减小倾摆摩擦阻力，避免了原摆杆式倾摆结构由于机构弹性变形造成的 机构抗劲。 作动器安装结构更合理、可靠，相应角度下作动器拉伸和压缩的行程一致。 与原摆杆式倾摆结构相比，改变了构架载荷传递位置，初步计算表明构架最 高应力值降低了3 0 以上。 转向架二系悬挂空间更宽裕( 原摆杆式结构的吊座、吊轴占用空间大) ，可 合理布置二系减振器和安全吊的位置，改变了原摆杆式倾摆结构造成二系零 件拆、装操作很困难的情况。 。 2 3 转向架主要结构技术参数 轨距： 1 4 3 5 m m 运营速度：1 6 0 k m h 最高试验速度： 2 0 0 k m h 限界：倾摆8 。后符合6 8 1 4 6 1 车辆下部限界要求 - 并符合高速铁道机车车辆限界暂行规定的要求 通过最小曲线半径：单行调车l o o m 连挂1 4 5 m 设计最大允许轴重： 1 6 5 t 7 北方交通大学工程硕士专业学位论文分散动力摆式动车组转向架方案研究 轴式： 固定轴距： 轴颈中心距： 车轮直径： 动力轮对簧下质量： 载重下悬挂装置当量静挠度 制动型式： 倾摆机构型式 倾摆机构转心高度： 机构最大摆角： 驱动方式： 最大输入功率每动力轮对 牵引方式： 最大启动牵引力每动力轮对： 转向架自重： 2 4 转向架基本结构 1 a - a 1 2 6 0 0 m m 2 0 0 0 咖 ( b 9 1 5 ( ( b 8 6 0 旧) 磨耗型踏面 2 5 0 m m 单元式盘型制动装置 机电作动器驱动滚道式 距轨面约1 6 0 0 m m 8 。 万向轴、直交齿轮箱 5 0 0 k w 单拉杆 2 5 k n 7 5 t 动力分散摆式动车组转向架采用直交齿轮箱驱动结构，通过万向轴与体悬 传动装置连接，与典型的意大利摆式列车相同。转向架基本结构尺寸与前期开发 的摆式客车径向转向架一致，具体结构根据驱动装置的悬挂要求、摆式客车径向 转向架优化试验情况和1 6 0 k m h 摆式内燃动车组转向架研制经验进行了改进。转 向架倾摆机构形式为滚道式倾摆机构，与前期1 6 0 k m h 摆式客车径向转向架采用 的八字摆杆式倾摆机构相比具有驱动阻力小、倾摆复原性好、能耗底、空间结构 更紧凑等优点。总体方案见附图2 1 。 2 4 1构架装置 构架采用1 6 m n r 低合金高强度结构钢板焊接成u 型结构。垂向载荷通过倾摆 机构的滚子传到构架上。侧梁与主横梁均采用箱形组焊结构，二者通过对接焊缝 连接。两主横梁外侧设无缝钢管小横梁焊接制动吊座，内侧小横梁上焊接齿轮箱 支撑杆座。 与前期的“1 6 0 k m h 径向动力转向架”相比，构架侧梁高度缩小到3 0 0 r a m 高， 使留出的下部空间可以满足将来安装磁轨制动机的需要。局部结构进行了强度优 化，提高结构的可靠性。 8 北 盘迪大学i 程专m 学位论文舟敏动力镕武动车组转自架 案* 究 2 42 轮对轴箱定位装置 图21 分散动力摆式动车组转向桨总体方案图 采用碾钢整体车轮，磨耗型车轮踏面。轴承为s k fb c 2 一0 1 0 3 进口全密封圆 柱滚子轴承，德国的i c e 3 高速列车和v t 6 1 2 摆式列车都采用此种轴承。轴箱采 用双侧弹簧托盘结构，钢圆弹簧承载。钢弹簧内设圆筒形橡胶金属叠层定位器， 定位器内套与固定在构架上的导柱配合实现轴箱与构架的定位。定位器可根据需 要调整三向刚度满足不同的导向方式和运行条件所需的定位参数。定位器同时参 与钢弹簧的垂向振动，为无磨耗结构。这种定位方式较容易实现轴箱横、纵向定 位刚度的匹配要求具有较好的轨道适应性。德国的v t 6 1 2 摆式动车组转向架、 日本的3 0 0 系、7 0 0 系高速列车转向架及我国的韶山7 型电力机车转向架都采用 了此种形式的轴箱定位方式。 为了抑制构架的点头振动，安装了一系垂向油压减振器。减振器改为安装在 轴箱上部，以不影响在轴头安装测速和防滑装置等。 导柱为带小法兰的尾轴式结构，穿过构架并通过上部螺母锁紧。这种形式的 导柱利于采用4 0 c r 锻造、加工成型，强度高，抗腐蚀能力也好于低碳钢。 鉴于“2 2 0 k m h 摆式电动车组转向架”主要用于中等以上曲线的提速，因此 导向方式选择柔性定位方式。当然转向架导向结构设计仍然继承了前期摆式客车 转向架和动力分散摆式内燃动车组转向架的模块化方式，因此当运行线路条件需 要时，也可以采用迫导向方式。 扎方宝女大学i 程硬专业学位沦x分散自力m 式动车镕转自颦 案研究 2 43 驱动装置 每动力转向架有一根动轴，布簧在车体中心侧。动力车轴中部安装直交齿轮 箱，通过长万向轴与悬挂在车体上的电机驱动装置连接。齿轮箱为一级减速的e 型齿轮箱，尺寸较小，因此动力车轴上还可以布置两套制动盘。齿轮箱上部安装 水平支撑杆与构架上的座固定，提供牵引力扭距。 2 4 4 倾摆机构 采用滚道式倾摆机构，与前期摆式客车径向转向架的摆杆式倾摆机构相比 具有驱动阻力小、倾摆复原性好、能耗底等优点。倾摆机构由摆枕、安装在摆枕 下侧四角的弧形滚道、装于构架侧粱内侧的滚子机构组成。演子机构包括滚子轴 承、轴、安装座、导向滚轮、安装螺栓等组成。密封的倾摆滚子轴承通过油脂润 滑，因此具有滚动阻力小、结构紧凑、少维护的特点。 摆枕及上部重量通过滚子机构传到构架上。弧形滚道的几何形状决定了倾 摆轨迹和驱动参数，倾摆机构中位的转心高度约为1 钿，接近乘客的身体中心 和车体重心。电动行星滚柱丝杠安装在构架侧梁和摆枕之问。丝杠的伸缩驱动摆 枕按滚子机构的几何轨迹倾摆，带动上部车体倾斜。机构最大倾摆角度为8 0 ， 最大倾摆角加速度小于1 5 0 s 2 ，最大倾摆角速度小于5 0 s 。见图22 和2 3 为 倾摆机构结构图和三维图。 l 芏i2 2 倾摆机构结椅幽 北方变遵大学i 程硬士专业学位论文舟散葫力摇式动车雏转自集方案研宽 图23 滚道式倾摆机构三维图 2 45 空气弹簧悬挂装置 摆枕上侧两端采用大柔度空气弹簧直接支承车体，空气弹簧内部设节流孔 提供垂向振动阻尼。在摆枕与车体之间安装了两个横向油压减振器和一套抗侧滚 扭杆装置，抑制车体的侧滚量及横向振动。扭杆从摆枕内部穿过。在摆扰与车体 之间安装非线性横向弹性止挡。在构架小横梁端部及车体之间安装了抗蛇行减振 器，其阻尼特性按照车辆进出曲线的轮轨低动力要求和高速稳定性要求进行了优 化。采用单拉杆牵引方式，单拉杆安装在构架主横粱牵引座和车体之间。 与前期的摆式客车径向转向架相比，摆枕的结构尺寸和形状进行了修改， 以满足滚道倾摆机构的结构要求。摆枕的宽度尺寸增加到了4 6 西呻，增大了空气 弹簧的附加气室容积，有利于改善空气弹簧的垂向减振特性。由于采用滚道式倾 摆机构后摆枕两侧的空闻比较富裕，将横向减振器安装在摆枕两侧利于拆装和 上下车的分解作业。 2 , 4 6 制动装置 采用单元式盘型制动装置，在动力车轴的齿轮箱两侧各安装一套套盘型制动 单元，在非动力车轴上安装三套盘型制动单元。 北方交通大学工程硕士专业学位论文分散动力摆式动车组转向架方案研究 因为在既有线路上高速运行，设计上考虑了磁轨制动机的安装空间。若要求 摆式列车在既有线路上以2 0 0 k m h 运行时的紧急制动距离满足普通列车1 6 0 k m h 的制动距离要求，则安装磁轨制动机。 2 4 7 非动力转向架 非动力转向架除没有驱动装置以外，其他与径向动力转向架结构完全一样， 有利于零部件的互换。 1 2 北方交通大学工程硬士专业学位论文摆式动车组转向架参数优化研究及动力学性能分析 3 摆式动车组转向架参数优化研究及动力学性能分析 为了研究转向架改进方案的动力学特性，我们利用工厂所购置的a d a m s r a i l 软件，对迫导向径向转向架和柔性定位转向架两种方案，进行了动力学特性分析 计算。对转向架一系和二系悬挂系统的横向、纵向定位刚度、以及二系横向阻尼 等参数进行了优选。 3 1a d a m s r a i l1 1 0 软件简介 a d a m s 是美国m d i 公司开发的用于机械系统动力学仿真的软件，核心为多 体系统动力学，a d a m s 是英文a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m 的 缩写。该软件包括v i e w ，c a r ，r a i l 等多个专用模块。a d a m s r a i l 模块是专门针 对铁路机车车辆特有的轮轨关系而开发的。该软件可以描述用户自己的轮轨型 面，有四种蠕滑力的计算方法可根据需要进行选择。提供了丰富的特性元件，交 互式图形界面建立模型，分析计算和处理数据，这样利用a d a m s r a i l 就可以建立 起铁路车辆的虚拟样机模型，并对其进行相应分析。 3 2 计算模型及原始参数 3 2 1a d a m s r a i l 中车辆模型的建立 本文利用该软件，考虑了轮轨关系的几何学非线性、悬挂系统的非线性，建 立了非线性车辆系统模型，如图3 1 所示。 1 3 北方交通大学i 程硕士专业学位论文 撂武动车组转向泉軎敦优化研竞厘甘力学性能分柝 3 2 2 所考虑的非线性因素 轮孰接触儿何参数是轮对横移量的非线性函数，包括车轮滚动半径、车轮 横断面曲率半径、接触角、轮对侧滚角、轨头横断面曲率半径。对于所采用的 l m a 踏面车轮( 如图32 ) 和6 0 钢轨( 如图3 3 ) ，轮轨接触几何参数很难卣接 表示为轮对横移量的显函数形式，因此，轮轨接触几何参数可表示为轮对横移量 的数表而中问值则采用线性插值来计算。 乒一_ j j 一 再。一 二 v ：0j ： 。 凹3 2 车轮路面 “ 。二哪 ，一、 | h ： 1 一1 圈336 0 钢轨截面形状 北方空逢 学i 程项专韭学位论戈撂武动车n 转向泉参赦优化研究a 动力学性能舟析 3 23 非线性轮轨相互作用力 a d a m s r a i l 可根据k a l k e r 非线性蠕滑理论计算轮轨间的蠕滑力然后通过 迭代计算得到钢轨作用于轮对上的横向力和摇头力矩。 1 2 4 非线性悬挂力 二系悬挂的横向止挡为非线性的，其力和振动位移的关系如图3 4 。径向机 构各关节衬套考虑为非线性的，其力和振动速度的关系如图35 所示。 一一 j 厂。! 一一一一t 至i 刚34 横向j t 持水线性特性 幽3 5 径向机构秆戈节衬套1 f 线性特性 = i l r k = = 北方交通大学工程硕士专业学位论文摆式动车组转向架参数优化研究及动力学性能分析 3 2 5 径向转向架试验车原车参数 项目参数 项目参数 一个拖轮对质量( t ) 1 5 两倾0 车f f ：| 笨苴径向连杆间距( m ) l - 2 3 个动轮对质量( t )1 9 5 每轴箱径向连杆刚度洲附，m ) 个构架质量( t ) 1 61 2 ( 车体连杆刚度与之相同) 摆枕州哆摆机构质量( t ) 1径向机l 构导向增益：0 1 5 2 每空气弹簧纵向刚度( 车体质量加半载重( t ) 4 5 7优选 m ) 每空气弹簧横向刚度( m n 车体亘曲毛i 轨面高度( m ) 1 6 优选 m ) 每空气弹簧垂向刚度( m n 转向架白重( t ) 7 6 t0 4 7 m ) 拖轮对绕x 轴转动惯量 0 7 8空气弹簧上面距轨面高度： 1 0 6 0 m m ( t j i l2 ) 拖轮对绕y 轴转动惯量 0 1 0 5空气弹簧跨距( n a n ) 1 9 0 0 ( t m2 ) 拖轮对绕z 轴转动惯量 o 7 8 每空气弹簧垂向阻尼系数 6 0 0 0 n ( 0 1 m s ) ( l m2 ) 动轮对绕x 轴转动惯量 o 7 8 2 二系横向减振器阻尼系数( 每 优选 ( u n2 ) 侧) 动轮对绕y 轴转动惯量 o 0 9 6横向减振器距轨面高度( n a n ) 9 6 0 ( l m2 ) 动轮对绕z 轴转动惯量 o 7 8 2 横向i 匕挡距轨面高度( r a m ) 9 5 0 ( l m2 ) 摆枕绕x 轴转动惯量( t a n 0 2 4 2二系横向j 卜挡自由间隙( r a m )5 0 2 ) 摆枕绕y 轴转动惯量( t a n o 0 2 5 二系横向止挡弹性间隙( m r n ) 2 0 2 ) 摆枕绕z 轴转动惯量( t a n 0 1 8 9二系横向j 睫纲吐度( m n h n ) o 6 3 1 2 ) 构架绕x 轴转动惯量( t a n 0 9 3 8抗蛇行减振器横向间距：2 8 8 0 m m 2 ) 构架绕y 轴转动惯量( t a n 0 8 2 6抗蛇行减振器距轨面高度： 7 3 0 m m 2 ) 构架绕z 轴转动喷量( t a n 1 1 6 抗蛇行减振器阻尼系数优选 2 ) 车体绕x 轴转动惯龟( t a n 8 7 9 2 6车轮踏面型式l m a 2 ) 车体绕y 轴转动惯量( l n l 2 ) 2 1 6 5 1 6抗侧滚扭杆刚度( m n m r a d ) 优选 车体绕z 轴转动惯量( t a n 2 1 5 9 3 0牵引杆纵向冈帔( m n h n )1 5 2 ) 轴距( m ) 2 6轮周牵引力( 9 0k n v h ) 】5 k n 1 6 北方交通大学工程硬士专业学位论文摆武动车组转向架参数优化研究及动力学性能分析 轴颈中心距 2轮周牵引力( 1 6 0k m h )1 0 k n 车辆定距之半( m ) 9 齿轮箱支撑杆刚度( m n m ) 一系垂向减振器横向间距 2 o o o 齿轮箱支撑杆偏离中心线 2 1 0 m m ( m ) 1 5 删 一系垂向减振器阻尼系数万向轴传动扭距2 5 k n 皿 ( o 1 m s ) 每轴箱纵向糊i j 度( m n m ) 优选 每轴箱横向定位网忮( m n 优选 m ) 每轴箱垂向定签碉忮( m n m ) o 9 5 3 3 动力学计算标准 根据g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范，并参照 9 5 j 0 1 一m 高速试验客车强度及动力学规范，主要动力学性能规定如下： 横向及垂向平稳性指标w z 2 5 1 脱轨系数兰1 0 p d 轮重减载率芸 0 6 p 轮轨最大横向力 5 1 5 k n 另外，要求客车系统的蛇行失稳临界速度应高于其最高运行速度约1 0 ，即临界 速度v c r 应满足：1 ，。1 8 0 k m h 3 4 计算原理 3 4 1车辆运行稳定性 蛇行运动是由于带有锥度的整体轮对在钢轨上运行而产生的振动。即使在完 全平直的轨道上也会由轮对的蛇行运动诱发机车车辆各部的横向振动。可用一个 多自由度的系统来模拟径向转向架摆式动车整车的蛇行运动，其微分方程组的矩 阵形式为： m ) + c 主) + k 扛 = 。 式中：m 质量矩阵c 阻尼矩阵k 刚度矩阵 在进行车辆系统横向稳定性分析时，因为实际的系统中不可避免的存在着这 样或那样的非线性因素，准确的模型只能是非线性的，这将给处理和计算带来很 大的困难。但当非线性特性较弱时，可加以线性处理，使系统近似成为线性模型。 线性模型的主要优点是可对频域求解而不对时域求解，这样就可以节省许多 1 7 北方交通大学工程硕士专业学位论文摆式动车组转