關于SDB-80型地鐵車輛轉向架是否設置抗側滾扭桿的分析

呂曉俊

關于SDB-80型地鐵車輛轉向架是否設置抗側滾扭桿的分析

呂曉俊

為了設計出既能保證車輛具有良好垂向振動性能，又能提高抗側滾性能需要的轉向架，可以采取在轉向架中央懸掛裝置中設置抗側滾扭桿的方法，也可以通過加大空氣彈簧或鋼彈簧的橫向間距來實現。探討在某種成熟應用的轉向架上增設抗側滾扭桿對其動力學性能的影響，從車輛運行的平穩性、安全性及限界要求等方面，以目前廣泛應用于國內地鐵車輛的SDB-80型轉向架為例，對其是否需要增設抗側滾扭桿進行分析。

轉向架；抗側滾扭桿；平穩性；安全性；限界；SDB-80

為了改善車輛的垂向振動性能，需要相當柔軟的垂向懸掛裝置，這使得車體側滾振動的角剛度也隨之變得相對柔軟，以致運行中的車輛車體側滾角角位移增大，舒適性變差。故需要設計出既能保證車輛具有良好垂向振動性能，又能提高抗側滾性能需要的轉向架。

1 SDB-80型轉向架簡介

SDB-80型轉向架是南車青島四方機車車輛股份有限公司設計生產的應用于國內時速80 km等級地鐵車輛的轉向架。該轉向架為無搖枕轉向架，采用鋼板焊接H形構架，外置式軸箱，一系懸掛采用圓錐橡膠彈簧，二系懸掛采用空氣彈簧、橫向減振器，不設置抗側滾扭桿，采用彈性無磨耗Z字形布置的牽引裝置，基礎制動采用踏面制動等，分為動車轉向架和拖車轉向架。

該轉向架的基本參數如下。

軸距：2 200 mm；

新輪直徑：840 mm；

輪對內側距：（1 353±2）mm；

空氣彈簧橫向間距：1 850 mm；

空氣彈簧有效直徑：540 mm；

最大軸重：14 t；

運行平穩性：≤2．5；

輪重減載率：≤0．6。

由上述參數可以看出，該轉向架空氣彈簧跨距較大，大跨距的空氣彈簧同樣可以增大車輛的角剛度，從而增強抗側滾性能，使車輛具有良好的垂向振動性能和抗側滾性能。目前，不設置抗側滾扭桿的SDB-80型轉向架在國內10余條地鐵線路上運營情況良好，最長的運營時間已超過10年。

2 轉向架是否設置抗側滾扭桿對比分析

對無抗側滾扭桿的SDB-80型轉向架和設置抗側滾扭桿的SDB-80型轉向架從車輛運行平穩性、安全性及符合限界情況進行對比分析。

2.1 計算模型及工況

計算采用42個自由度的整車模型，非線性模型中考慮橫向止擋的非線性特性，抗側滾扭桿以車體抗側滾剛度的形式建模，當抗側滾剛度為0，表示不設置抗側滾扭桿。當抗側滾剛度取1．2 MN·m/rad時表示設置抗側滾扭桿。軌道譜為美國5級線路譜，包括高低不平順、水平不平順、方向不平順和軌距不平順。

計算選取了符合GB 5599—1985第2．1．4條規定的AW0工況，而且對評價平穩性指標、蛇行穩定性指標、脫軌系數等而言，AW0工況是最惡劣的工況，下述結果均為車輛AW0工況下運行的計算結果。

2.2 車輛運行平穩性

2.2.1 垂向動力學

抗側滾扭桿對垂向平穩性指標的影響。車輛速度越高振動越劇烈，平穩性指標越大即平穩性越差。動、拖車有無抗側滾扭桿的車體垂向加速度分析見圖1。

有無抗側滾裝置下車體在前后轉向架中心地板面高度的垂向平穩性指標見表1。其中有抗側滾扭桿時抗側滾扭桿剛度為1．2 MN·m/rad。

上述動力學仿真計算結果表明，v=88 km/h速度下的垂向平穩性指標都小于2．5，屬于優級。拖車：有抗側滾扭桿比無抗側滾扭桿時垂向平穩性指標高0．001；動車：有抗側滾扭桿比無抗側滾扭桿時垂向平穩性指標高0．005。

2.2.2 橫向動力學

（1）抗側滾扭桿對橫向蛇行穩定性的影響。拖車非線性臨界速度和動車非線性臨界速度的計算結果見圖2，縱坐標為一位輪對收斂或發散后的橫移振動幅值，車輛的非線性臨界速度均為160 km/h。

上述對拖車非線性臨界速度和動車非線性臨界速度的計算結果表明，有無抗側滾扭桿對車輛非線性臨界速度沒有任何影響。

（2）抗側滾扭桿對橫向平穩性指標的影響（見圖3）。其中有抗側滾扭桿時抗側滾扭桿剛度為1．2 MN·m/rad。有無抗側滾扭桿下車體在轉向架中心地板面高度處的橫向平穩性指標見表2。

種子發芽的最適溫度為28～32℃，最高溫度35℃，最低溫度15℃。幼苗期生長最適溫度為白天20～25℃。夜間18～20℃最高溫度為25～28℃，最低溫度為13～15℃，不高于18℃。從破心到定植前7～10天，進行低溫鍛煉白天瓜苗要保持在20～25℃，夜間在13～15℃，有利于雌花分化且降低雌花節位。

上述動力學仿真計算結果表明，v=88 km/h速度下的橫向平穩性指標都小于2．5，屬于優級。拖車：有抗側滾扭桿比無抗側滾扭桿時橫向平穩性指標高0．001；動車：有抗側滾扭桿比無抗側滾扭桿時橫向平穩性指標高0．005。

2.3 車輛運行安全性

2.3.1 抗側滾扭桿對動態曲線通過的影響

由于動車曲線通過性能較拖車更為惡劣，因此僅計算動車曲線通過工況。車輛動態曲線通過計算工況見表3。

根據GB/T 5599―1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，輪軸橫向力H允許限度采用以下標準評定：

圖2 有無抗側滾扭桿的車輛非線性臨界速度計算結果

式中：Pst1、Pst2為左右側車輪的靜載荷。

車輛AW0工況：H≤34．85 kN。

車輛以表3中的條件通過美國5級譜不平順曲線軌道，各輪對的輪軸橫向力H（2 m平滑）、脫軌系數Y/Q（0．05 s平滑）、輪重減載率△P/P（2 m平滑）及整車磨耗功率（2 m平滑）的最大值分別見表4—表6。

2.3.2 抗側滾扭桿對傾覆安全性的影響

圖3 有無抗側滾扭桿的車體橫向加速度分析

表2 v＝88 km/h速度下的橫向平穩性指標

傾覆系數用于鑒定車輛在側向風力、離心力、橫向振動慣性力的同時作用下是否會導致車輛傾覆，其傾覆的臨界條件為：

式中：D——傾覆系數；

Pd——車輛同一側車輪的動載荷；

Pst——相應車輪的靜載荷。

表3 車輛動態曲線通過計算工況

表4 動車各輪對動態曲線通過動力學指標最大值（R=150 m）

表5 動車各輪對動態曲線通過動力學指標最大值（R=300 m）

表6 動車各輪對動態曲線通過動力學指標最大值（R=800 m）

按照GB/T 5599—1985的要求，傾覆系數應滿足D＜0．8的要求。

車體下平面距軌面高度為900 mm，9級風速約為24．5 m/s，則風壓為：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3。

在上述曲線線路工況下，拖車欠超高運行，車體在離心力的作用下向曲線外側傾斜，故風力應加在曲線內側側墻的形心上，并且在車輛運行過程中，風力時刻與側墻相垂直。拖車、動車在有無抗側滾扭桿時傾覆系數的最大值見表7—表10。

上述動力學仿真計算結果表明，不同曲線工況下有抗側滾扭桿時的傾覆系數略低于無抗側滾扭桿時的傾覆系數值，但都小于標準要求的0．8，滿足要求。

2.4 車輛限界

根據UlC 505-5規程，按照柔度系數最新計算公式得出不設置抗側滾扭桿的轉向架柔度系數s=0．385 997，小于標準規定值0．4。該值取決于轉向架及車體簧上部分質量及其重心高度，二系彈簧上支承面高度，車輛一、二系彈簧垂向剛度，二系彈簧橫向剛度，轉向架側滾角剛度及轉向架一、二系懸掛的橫向距離等。

根據車輛的動態包絡線計算，在無抗側滾扭桿的情況下，車輛動態包絡線滿足CJJ 96—2003《地鐵限界標準》規定的車輛限界要求。

表7 拖車在AW0時不同曲線半徑下的傾覆系數

表8 動車在AW0時不同曲線半徑下的傾覆系數

表9 拖車在AW3時不同曲線半徑下的傾覆系數

表10 動車在AW3時不同曲線半徑下的傾覆系數

3 結束語

抗側滾扭桿裝置存在零部件多、結構復雜、故障率高、日常使用維護及檢修成本高等缺點。每套抗側滾扭桿質量約140 kg。上述研究表明，在現有國內地鐵使用環境下，不設置抗側滾扭桿的SDB-80型轉向架能夠滿足車輛運行平穩性、安全性及限界要求。

[1] 嚴雋耄． 車輛工程[M]． 北京：中國鐵道出版社，2006．

[2] UIC 505-5 規程505-1～505-4 通用基礎條件、注釋及其規定[S]，1977．

[3] GB 5599—1985 鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范[S]．

呂曉俊：南車青島四方機車車輛股份有限公司，工程師，?山東?青島，266111

責任編輯苑曉蒙

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1672-061X（2014）04-0091-05