高速客车转臂式轴箱定位转向通过曲线时的蠕滑导向性能

高速客车转臂式轴箱定位转向通过曲线时的蠕滑导向性能

轴箱定位装置是保证铁路车辆安全运行的重要关键。高速客车上较常用的一种轴箱定位方式是转臂式定位，国内206KP、SW-220、CW-200、CW-300、CW-300等型号转向架以及CRH2型动车组均采用转臂式轴箱定位。针对转臂式轴箱定位的特点及存在的问题，已开展了一些研究，其中，文献着重研究车辆偏载时转臂式转向架出现的轮对撑开现象对运行安全性的影响，文献指出转臂定位节点的位置对车辆的横向振动会产生影响。但到目前为止，对高速行车条件下客车转臂定位式转向架通过曲线时蠕滑力导向问题及转臂结构参数对转向架曲线通过性能的影响规律尚未进行深入研究。因此，本文将分析转臂式转向架高速通过曲线轨道时的受力特点，研究转臂结构参数对曲线通过性能的影响规律。1通过曲线转换的张力分析1.1轴箱弹簧刚度与轴箱控制刚度转臂式轴箱定位的结构如图1(a）所示。图1(a）中，L为转臂长度；θ为平衡状态时转臂相对于轨面的倾角。轴箱弹簧置于轴箱顶端，轮轨垂向力主要通过弹簧传递到构架；橡胶弹性节点在轴箱的上方，允许轴箱相对构架有较大的垂向位移，内部的橡胶关节依靠径向、轴向及偏转变形可提供纵向、横向不同的定位刚度，可满足轮对弹性定位的刚度需求。当车辆以欠超高状态通过曲线时，构架外侧增载而内侧减载，构架发生侧滚，通过轴箱转臂将转向架前后轮对撑开，外侧撑开的角度大于内侧，形成外“八”字形。动力学分析建模时，若不考虑轴箱转臂，只是将转臂节点的纵向、横向刚度及轴箱弹簧刚度合成至轴箱回转中心，则转向架的结构如图1(b）所示。轮轨垂向力、横向力及纵向力均通过轴箱中心处的弹簧传递到构架，不涉及转臂回转产生的影响。1.2轮对纵向压缩和横向回转的影响分析文献的研究表明，偏载情况下转臂的存在对轮对动力学性能产生较大的影响，特别是车辆偏载时转向架两侧转臂的不同程度回转直接改变轮对冲角，而冲角对车辆运行安全性影响显著。车辆通过曲线时，作用在系统的力包括悬挂系统的弹性复原力，轮轨间的蠕滑力、离心力和外轨超高引起的横向分力，轮缘接触钢轨时还会产生轮缘力。在轮缘不接触钢轨的情况下，车辆要依靠踏面上的蠕滑力进行导向。为清楚地说明转臂回转效应对转向架通过曲线时轮轨蠕滑力的影响，首先对无转臂转向架的曲线通过进行受力分析。图2为无转臂转向架以欠超高状态通过曲线时的受力情况。图2中，O为线路曲线半径；V为车辆速度；i表示转向架前后轮对，i=1,2;FLxi、FRxi分别为左、右车轮的纵向蠕滑力；Fyi为轮对横向蠕滑力；ywi、Ψwi分别为轮对横移量和摇头角。由文献可知，车辆通过曲线时，前后轮对左右车轮的纵向蠕滑力和横向蠕滑力的近似计算分别为式（1）、式（2）中：q为欠超高引起的轮重变化率；f11、f22分别为纵向和横向蠕滑系数；λ为踏面等效锥度；r0为车轮标称半径。由纵向蠕滑力合成的蠕滑力矩为式中，b为左右车轮滚动圆跨距之半。由式（1）～式（3）可知，曲线轨道参数及车辆通过速度一定时，纵向蠕滑力及回转蠕滑力矩只与轮对横移量有关，合成蠕滑力矩的方向与轮对横移量符号相反；横向蠕滑力只与摇头角相关，且符号相同。转向架以欠超高的运行状态进入曲线后，受离心力作用，轮对向曲线外侧移动，产生纵向蠕滑力FLxi和FRxi，合成回转力矩Mzi克服一系水平弹簧悬挂力矩，使轮对产生正的摇头角，横向蠕滑力Fyi为正。同时，由于二系悬挂产生摇头角变位，轮对要实现自动导向，须提供附加的蠕滑力矩，此时转向架2个轮对曲线外侧偏移，构架及轮对摇头角均为正。根据车辆稳态曲线通过理论，前后轮对的摇头角位移为式（4）和式（5）中：W为车辆轴重；θd为超高不足角度；lt为转向架轴距之半；kpy为轴箱悬挂横向刚度；Ψb为构架摇头角。可见，曲线参数设置及车辆通过速度一定时，轮对摇头角与一系悬挂横向刚度及构架摇头角也有极大关联。构架摇头角为正，则后轮对的摇头角要大于前轮对。以转臂式定位转向架单轮对为研究对象，分析欠超高条件下轮对通过曲线轨道时转臂回转对轮对运动状态的影响。图3为转臂式转向架单轮对通过曲线示意图。轮对处于图1中右侧车轮的位置。由于轮对左、右侧转臂回转角度的差异主要由构架侧滚引起，故此处仅考虑构架侧滚角φt。图3中，F′pLx、F′pRx为转臂回转引起的一系悬挂纵向力；d为一系悬挂横向跨距之半。由于车辆处于欠超高运行状态，车体及构架会发生偏向曲线外侧的侧滚，转臂回转使橡胶节点处产生附加的纵向作用力。转臂回转引起的几何变化见图4。图4中，L为转臂长度；α为转臂回转角度；β为回转后转臂相对于轨面的倾角；Δx为转臂回转引起的橡胶节点纵向压缩量。图4中，当构架发生侧滚后，位于曲线外侧车轮的转臂倾角由θ减小α至β，同时位于曲线内侧车轮的转臂倾角由θ增至θ+α，且满足几何关系则由图4可见，图3中轮对左右侧转臂回转引起的一系悬挂纵向作用力可表示为式中，kpx为橡胶节点的径向刚度。根据作用在轮对上的蠕滑力与一系悬挂弹性复原力平衡的条件，列出轮对摇头和横移的运动方程：式中：Mw为轮对质量；g为重力加速度。式（7）表明，转臂回转产生的纵向弹性复原力矩使得轮对发生正向横移，以产生足够的蠕滑力矩与该弹性复原力矩平衡。同时，由式（8）可知，轮对顺时针转动一个摇头角，形成的横向蠕滑力才能与轮对横移引起的弹性复原力平衡。可见，由于转臂回转，产生的附加弹性复原力会使一位轮对摇头角继续增大，并使轮对向曲线内侧横动。考虑转臂时的转向架受力分析见图5。构架侧滚引起位于曲线外侧车轮的转臂向下偏转的角度大于内侧车轮的转臂，此时，由于转臂回转使得前轮对的摇头角更大，前轮对在轮轨接触点位置产生更大的横向蠕滑力Fy1，迫使轮对向曲线内侧偏移，同时带动构架横移，且前轮对承担了车辆系统较大的未平衡离心力；同时，转臂回转使后轮对摇头角减小，后轮对趋于径向位置，产生的横向蠕滑力Fy2降低，后轮对分担的未平衡离心力也减小。轮对的横移与一系悬挂横向刚度及构架横移有关，一系横向刚度越大，轮对与构架的相对位移越受限制，这里不做讨论，仅考察kpy较大的情况。由此可见，轮对向内侧移动减小了外轮轮缘贴靠钢轨的几率，保证了一定条件下高速行车的安全性。2高速客车模型建立针对上述转臂式转向架通过曲线的特点，不考虑线路不平顺的变化，本节计算并比较转臂长度L及转臂倾角θ分别在0～0.6m和0～4°范围内变化时高速客车通过大半径曲线的动力学性能。利用SIMPACK动力学仿真软件建立高速客车模型。模型包括以下刚体：1个车体、2个构架、4条轮对和8个转臂轴箱。全车共有50个自由度，并考虑轮轨接触力和悬挂力的非线性特性。表1为高速客车主要的悬挂及结构参数。转向架通过曲线的计算工况设置：线路直线长度为500m；缓和曲线长为600m；超高为120mm；圆曲线半径为5000m；客车运行速度为300km/h，而通过曲线时的均衡速度为225km/h。下面给出转臂式转向架通过曲线时的位移时间响应和不同转臂结构参数下前转向架各部件的运动状态及作用于轮对的蠕滑力比较。2.1转臂长度和倾角设转臂结构参数L=0.6m、θ=4°，所对应的转臂式转向架在欠超高状态下通过曲线时的运动位移响应见图6。从图6中可见，转向架的各向位移均为正值，前轮对的摇头角及横移量最大，其次是构架，后轮对相应的各位移量最小，且趋于径向位置。轮对的运动姿态与上述分析结果一致。可见，轴箱转臂的回转效应对转向架通过曲线时的运动状态影响极大。图7和图8分别表示转向架各部件的横移量与摇头角随转臂长度及倾角的变化关系。从图7和图8可知，随着L和θ的增大，构架及其轮对均由向曲线外侧偏移逐渐改变为向曲线内侧偏移，其中构架及前轮对的偏移量要大于后轮对；但转臂回转对前后轮对的摇头角位移影响刚好相反，随着L、θ的增加，前轮对的摇头角逐渐增大，而后轮对摇头角减小。当L在0～0.2m范围内变化时，转向架各部分位移随着转臂的加长迅速改变，相对于转臂倾角，此时转臂长度对各部件位移的影响起主要作用。当L>0.2m后，转臂倾角θ的改变也会引起各部件位移的明显变化。例如，L=0.0m时，转臂倾角不起作用，即对转向架的曲线通过性能无影响；L=0.6m时，θ由0°增至4°，前后轮对分别向曲线内侧偏移了6.5mm和4.8mm，相应的摇头角分别变化了0.51mrad和0.35mrad。分析可知，转臂长度和转臂倾角的改变不同程度地影响转向架在曲线上的运动姿态，这直接关系转向架轮对的轮轨作用力分配。2.2横向压缩变形分析轮对运动状态的改变，表明作用于各轮对横向蠕滑力及蠕滑力矩也随之变化。图9、图10分别给出了转臂长度及倾角对前后轮对横向蠕滑力和蠕滑力矩的影响。由图9可知，横向蠕滑力与轮对摇头角的变化规律一致。不考虑转臂时，后轮对的横向蠕滑力要高于前轮对，随着转臂长度和倾角的增大，后轮对趋于径向位置，而前轮对的正向摇头角不断增大，前轮对的轮轨接触点处产生更大的横向蠕滑力，如：L=0，θ=0°时，前后轮对的横向蠕滑力分别为4kN和12kN，而当L=0.6m，θ=4°时，两者分别达到15.5和0.91kN。从图10可见，前后轮对的蠕滑力矩随转臂结构参数的增大均逐渐变为负值，其变化规律与前后轮对各自横移量的变化趋势相反。前轮对蠕滑力矩的数值要大于后轮对的相应值。例如：不考虑转臂，即L=0时，前后轮对的蠕滑力矩分别为6.2kN·m和5.3kN·m，而L=0.6m，θ=4°时，两者分别达到-10.5kN·m和-6.5kN·m。综合以上分析，对于转臂定位式转向架，通过调整转臂长度和倾角可实现转向架各轮对横向作用力分配。转臂长度及倾角越大，构架侧滚支撑开转向架前后轮对的效果越明显，导致前轮对的正向摇头角更大，使前轮对产生了相当大的横向蠕滑力，而降低了后轮对的横向蠕滑力。同时，为实现蠕滑导向，前轮对的蠕滑力矩也随着横向位移的增加而增大，这会加剧前轮对踏面的磨耗，缩短旋轮周期。因此，转臂的结构参数适当，可使前后轮对尽量在径向位置附近，改善高速客车的曲线通过性能。3转臂长度和倾角的影响本文比较了转臂定位式转向架和无转臂转向架通过曲线时的受力状况。根据本文的理论分析，由于转臂的回转效应，转臂式定位转向架在欠超高状态下通过大半径曲线时，构架发生较大侧滚的条件下，轴箱转臂支撑开转向架前后轮对，导致前轮对的正向摇头角增大，后轮对正向摇头角降低，且前后轮对均向曲线内侧偏移，前轮对的偏移程度要高于后轮对，降低了高速行车条件下外轮轮缘贴靠钢轨的几率。