孟買地鐵車輛轉(zhuǎn)向架牽引拉桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

周 睿

(南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210032,南京∥高級(jí)工程師)

南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司為印度孟買生產(chǎn)的地鐵1號(hào)線車輛已正式下線。通過(guò)科研院校的共同努力,擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地鐵A型車輛轉(zhuǎn)向架也得以首次運(yùn)用。孟買地鐵車輛轉(zhuǎn)向架采用了“三無(wú)”結(jié)構(gòu)、空氣彈簧、盤型制動(dòng)等成熟的先進(jìn)結(jié)構(gòu)形式。其轉(zhuǎn)向架與車體間的牽引方式采用了單牽引拉桿結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、功能全面的特點(diǎn)。本文針對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要及孟買線路的特點(diǎn),進(jìn)行了相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析計(jì)算。

1 牽引裝置的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

車輛牽引裝置主要起連接車體與轉(zhuǎn)向架,以及傳遞牽引力、制動(dòng)力等作用[1]。根據(jù)孟買地鐵車輛轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要,采用單牽引拉桿裝置。其主要組成部分為：通過(guò)8個(gè)M24螺栓安裝于車體枕梁的中心銷座,兩端設(shè)置的牽引橡膠彈性節(jié)點(diǎn)的單牽引拉桿,安裝于中心銷底部的防過(guò)充止擋座。單牽引拉桿的牽引裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

采用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的牽引裝置滿足了以下的功能設(shè)計(jì)：

1)采用單牽引拉桿方式傳遞縱向牽引力與制動(dòng)力。單牽引拉桿的兩端設(shè)置了橡膠彈性節(jié)點(diǎn),既保證有足夠的縱向牽引剛度,又降低了橫向及豎向附加剛度。單牽引拉桿兩端分別連接中心銷座與構(gòu)架安裝座。

圖1 單牽引拉桿的牽引裝置結(jié)構(gòu)圖

2)中心銷兩側(cè)面與安裝于轉(zhuǎn)向架橫梁中部的橫向擋保持一定間隙,作為橫向止擋的限位面。

3)由于高度閥異常等原因?qū)е驴諝鈴椈蛇^(guò)度充風(fēng)使車體上升時(shí),防過(guò)充止擋座與構(gòu)架橫梁下平面接觸,以阻止車體的過(guò)度上升。當(dāng)車輪磨耗需在空氣彈簧下加墊調(diào)整時(shí),只需將止擋安裝螺栓下的調(diào)整墊移至止擋與中心銷安裝面處。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、便于維護(hù)。

4)根據(jù)地鐵車輛運(yùn)輸方式的需要,對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)后,該防過(guò)充止擋座同時(shí)起到了整體起吊轉(zhuǎn)向架作用。

2 牽引拉桿參數(shù)對(duì)車輛運(yùn)行性能的影響

單牽引拉桿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,免磨耗,易于維護(hù)。但根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),其相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì),如節(jié)點(diǎn)剛度、拉桿長(zhǎng)度、前后位置等,對(duì)車輛運(yùn)行性能特別是對(duì)曲線通過(guò)性能有較大的影響。因此,在轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)該部分進(jìn)行了專門的分析計(jì)算,以保證安全運(yùn)營(yíng)的要求。

2.1 單牽引拉桿結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)

采用整車動(dòng)力學(xué)性能分析方法[2],并與主要供應(yīng)商技術(shù)確認(rèn)后,確定了單牽引拉桿的有關(guān)性能參數(shù)(詳見(jiàn)表1)。

表1 單牽引拉桿結(jié)構(gòu)主要性能參數(shù)表

2.2 牽引拉桿節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)車輛振動(dòng)模態(tài)的影響

由于在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中需考慮各種相關(guān)因素,很難在各種工況下均將牽引拉桿的高度設(shè)置在轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架中心,因此采用的牽引拉桿結(jié)構(gòu)會(huì)將相關(guān)的縱向振動(dòng)與豎向振動(dòng)通過(guò)構(gòu)架發(fā)生弱耦合,也會(huì)使車體的彈性體模態(tài)與構(gòu)架縱向振動(dòng)發(fā)生耦合。為避免這種耦合帶來(lái)的共振現(xiàn)象,需進(jìn)行分析計(jì)算,將構(gòu)架的縱向振動(dòng)固有頻率與構(gòu)架的點(diǎn)頭振動(dòng)固有頻率和車體的低階模態(tài)頻率分離開(kāi)。

根據(jù)下式

可分別計(jì)算出當(dāng)牽引拉桿節(jié)點(diǎn)剛度為 50 MN/m時(shí),動(dòng)車、拖車構(gòu)架的縱向振動(dòng)固有頻率值 f(見(jiàn)表2)。從表2可見(jiàn)：拖車轉(zhuǎn)向架的縱向與點(diǎn)頭振動(dòng)頻率比為1.088 6,已接近1,易發(fā)生共振問(wèn)題;但構(gòu)架的點(diǎn)頭阻尼比達(dá)46%左右,有足夠的阻尼,即使縱向阻尼很小,也不易引發(fā)共振。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的點(diǎn)頭與縱向振動(dòng)頻率比為1.420,已大于 1.414,不會(huì)發(fā)生共振問(wèn)題。

表2 動(dòng)車、拖車構(gòu)架的振動(dòng)固有頻率值及振動(dòng)頻率比

構(gòu)架的縱向振動(dòng)也會(huì)與車體的低階彈性體模態(tài)發(fā)生耦合。設(shè)計(jì)的孟買地鐵車輛的車體一階彈性體模態(tài)頻率在7.6 Hz左右,因此構(gòu)架縱向振動(dòng)固有頻率與車體模態(tài)有一定的余量,不會(huì)發(fā)生共振問(wèn)題。

2.3 牽引拉桿橫向分力對(duì)車輛曲線通過(guò)性能的影響

為了模擬分析當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)曲線時(shí)牽引拉桿的影響,作出車體、轉(zhuǎn)向架、牽引拉桿相對(duì)位置示意圖,見(jiàn)圖2。前轉(zhuǎn)向架中心(理論位置在O點(diǎn))所在的曲線徑向角為θ,實(shí)際轉(zhuǎn)向架中心位于D點(diǎn),搖頭角為ψ;車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架中心的橫移量為y,車體的偏轉(zhuǎn)角為α。可得車體與轉(zhuǎn)向架之間的偏角β為：

圖2 前轉(zhuǎn)向架的曲線通過(guò)位置及牽引拉桿位置

圖2 中的牽引拉桿為 AB,AC長(zhǎng)為L(zhǎng)1,DB長(zhǎng)為L(zhǎng)2,根據(jù)幾何關(guān)系可以求得以C點(diǎn)為原點(diǎn)的A點(diǎn)坐標(biāo)為(-L1cos α,-L1sin α),B 點(diǎn)坐標(biāo)為(L2cos(β-α),-y-L2sin(β-α))。則可以求得 AB 與水平線的傾角δ值：

設(shè)作用在牽引拉桿上的力為T,則可以求出橫向(徑向)分力F為：

已知L1=250 mm;L2=260 mm;孟買地鐵的線路曲線半徑R=80～400 m。在不同曲線半徑和二系橫向偏移量(-20～20 mm)的工況下,求得牽引拉桿的橫向分力系數(shù)(見(jiàn)圖3)。由圖3可見(jiàn),最大的橫向分力出現(xiàn)在曲線半徑為80 m處;當(dāng)二系橫向偏移為-20 mm(車體向內(nèi))時(shí),橫向分力為牽引桿軸向力的0.09倍。牽引工況時(shí),對(duì)于前轉(zhuǎn)向架為拉力、橫向分力系數(shù)為負(fù)值時(shí),橫向分力指向曲線內(nèi)側(cè);制動(dòng)工況時(shí),對(duì)于前轉(zhuǎn)向架為壓力、橫向分力系數(shù)為負(fù)值時(shí),橫向分力指向曲線外側(cè)。對(duì)于后轉(zhuǎn)向架,由于結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱布置,橫向分力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果也是對(duì)稱的,其橫向分力最大值與前轉(zhuǎn)向架一致。

圖3 不同曲線半徑和二系橫向偏移下的牽引拉桿橫向分力系數(shù)

車輛通過(guò)相關(guān)動(dòng)態(tài)曲線的計(jì)算分析表明：在分別考慮了牽引工況(AW0)和制動(dòng)工況(AW4)兩個(gè)極端條件下,比較有無(wú)牽引拉桿的橫向分力作用后,車輛的主要曲線通過(guò)性能指標(biāo)(如輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重增減載、輪對(duì)橫移量、輪對(duì)沖角等)幾乎沒(méi)有變化。因此,車輛通過(guò)曲線時(shí)牽引拉桿產(chǎn)生的橫向分力對(duì)車輛的性能指標(biāo)基本沒(méi)有影響,唯一變化較大的是二系橫向動(dòng)繞度(見(jiàn)圖4和圖5所示)。

2.4 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證在所選的單牽引拉桿裝置參數(shù)下的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性,針對(duì)不同速度下的拖車和動(dòng)車進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算條件為：①車輛載荷在AW0工況下;②計(jì)算速度范圍為10～120 km/h;③加速度的測(cè)點(diǎn)在前后中心銷上方側(cè)面1 m處和車體中心側(cè)面1 m處;④輸入譜為美國(guó)AAR五級(jí)線路不平順譜。

圖4 有牽引拉桿橫向分力作用下(牽引工況下)

圖5 無(wú)牽引拉桿橫向分力作用下(牽引工況下)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6～9。由圖6～9可見(jiàn)：當(dāng)速度為100 km/h時(shí),拖車豎向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為2.400 7,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的最大值為2.229 4,均小于2.5;動(dòng)車豎向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為2.498 7,橫向平穩(wěn)性指標(biāo)最大值為2.290 3,仍小于2.5。上述指標(biāo)均屬優(yōu)級(jí)水平。

圖6 豎向平穩(wěn)性指標(biāo)(拖車)

圖7 豎向平穩(wěn)性指標(biāo)(動(dòng)車)

圖8 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)(拖車)

3 結(jié)語(yǔ)

1)孟買地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的單牽引拉桿裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),且功能全面,具有較好的工藝性和一定的先進(jìn)性。

圖9 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)(動(dòng)車)

2)單牽引拉桿裝置已有效地將構(gòu)架縱向振動(dòng)固有頻率與構(gòu)架的點(diǎn)頭振動(dòng)固有頻率同車體的低階模態(tài)頻率分離開(kāi),避免了由于耦合帶來(lái)的共振現(xiàn)象。

3)在優(yōu)選的參數(shù)下,車輛通過(guò)曲線時(shí)單牽引拉桿引起的橫向分力對(duì)各項(xiàng)安全性能指標(biāo)基本沒(méi)有影響。

4)在優(yōu)選的參數(shù)下,車輛的豎向、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均為優(yōu)級(jí)。

[1] 陸超,羅式輝,姚遠(yuǎn).單牽引桿布置方式對(duì)機(jī)車曲線通過(guò)性能的影響[J].鐵道機(jī)車車輛 2008(3)：8.

[2] 王福天.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1994.