直接驅動轉向架的動力學性能分析

朱建偉,叢一新

(大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)*

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直接驅動轉向架的動力學性能分析

朱建偉,叢一新

(大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)*

運用多體系統動力學軟件SIMPACK建立了鉸接式直接驅動轉向架的車輛系統動力學模型，通過仿真計算分析了三角桿縱向剛度和橫向剛度與車輛臨界速度的關系，并對二系懸掛垂向剛度和垂向阻尼的參數進行了優選.最后分析了整車曲線通過性，結果表明直接驅動轉向架具有良好的動力學性能，能滿足運行的需要.

直接驅動轉向架；二系懸掛；曲線通過能性

0 引言

隨著城市的建設，對城市軌道車輛的要求不再只考慮速度、舒適性、平穩性和安全性，車輛全壽命周期(LCC)也很重要[1].轉向架結構參數和傳動技術對降低LCC起重要作用，研究分析新型的轉向架已成為必要的課題.德國西門子公司開發的新型動力轉向架具有結構緊湊，質量輕，LCC低等有優點，本文參照這一轉向架分析直接驅動轉向架的動力學性能.

1 直接驅動轉向架結構

直接驅動轉向架(既西門子Syntegra轉向架)是一種新型轉向架，其主要特點為：取消了傳統齒輪傳動機構，采用三相交流永磁同步電機作為牽引電機，將驅動裝置、基礎制動裝置和輪對做成整體式輪對單元機構，減少了部件的數量和磨耗，降低了簧下質量，使轉向架輕量化；而構架采用H型鉸接構架，由1橫梁和2側梁鉸接而成，橫梁承受所有水平方向的力，側梁只傳遞垂向力，加上其特殊的輪對內側定位方式，照就其獨特的力的傳遞模式[2].參照圖1建立轉向架動力學模型，模型參數是參照我國現有地鐵車輛和Syntegra轉向架結構擬定的，主要參數如下：輪對質量1 250 kg，牽引電機450 kg，車體額定載荷工況下質量32 000 kg，輪對轉動慣量520/86/20(x/y/z),kg·m2,車體額定載荷工況下轉動慣量56 000/2 000 000/2 000 000(x/y/z)，kg·m2,新輪直徑690 mm，軸距1 600 mm，定距15 700 mm，一系懸掛裝置和三角桿橫向間距1 100 mm，二系空氣彈簧橫向間距2 000 mm，一系懸掛垂向剛度1.5 MN/m，三角桿縱橫向剛度4/2(x/y)，MN/m,空氣彈簧三向剛度0.18/0.18/1.2(x/y/z)，MN/m,空氣彈簧靜撓度100 mm， 二系橫向阻尼40 kN·s/m，二系垂

圖1 Syntegra轉向架

圖2 整車直接驅動轉向架模型

向阻尼36 kN·s/m.鑒于此轉向架用于城市軌道車輛，最大運行速度是100 km/h，本文采用國內60 kg軌道的LMA型磨耗性踏面[3]，整車模型如圖2.

2 三角桿定位方式的動力學性能分析

由于直驅轉向架是輪對內側軸箱定位方式，在結構上就直接限定了一系懸掛裝置的安裝位置和橫向尺寸，考慮到安裝空間和材料的性能，故將一系彈簧設定成相對輪對左右對稱和三角桿拉板式定位結構[4].在力的傳遞上，一系彈簧主要傳遞垂向力，水平方向力大部分由與構架橫梁、電機輪對軸箱鉸接在一起的三角桿傳遞.三角桿在結構上有導向定位功能，傳遞縱向力和橫向力，對車輛的動力學性能影響很大.

在分析其三角桿與非線性臨界速度關系時，使用美國標準AAR5軌道譜，在直線上添加50 m橫向激勵，讓其在光滑軌道上運行300 m后，觀察第一輪對的橫位移，判斷不同剛度下的臨界速度值.當設三角桿橫向剛度為Ky=2 MN/m時，圖3是整車非線性臨界速度隨Kx的變化趨勢，可以看出三角桿的縱向剛度對車輛臨界速度Vcr影響很大，隨著Kx的變大，Vcr呈增大的趨勢；在Kx小于10 MN/m時，Vcr變化趨勢很大；但在Kx大于10 MN/m后，Vcr增加趨勢變緩，最后穩定在220 km/h左右.考慮整車整體性能的發揮，取Kx=4 MN/m，此時Vcr約為160 km/h.圖4為當Kx=4 MN/m時，Vcr隨Ky的變化情況，可見Ky有著和Kx相同的變化趨勢.這里取Ky=3 MN/m，此時Vcr約為163 km/h.

圖3 Vcr隨Kx的變化

圖4 Vcr隨Ky的變化

由此可見采用三角桿軸箱定位方式可在不需要添加抗蛇形減震器的情況下就能滿足車輛對運行速度的要求，這對減少構件數量，輕量化轉向架有幫助，保證了車輛的動力學性能.

3 二系空氣彈簧直線動力學性能分析

通過前文SIMPACK仿真分析可知，車輛臨界速度為163 km/h，考慮城市軌道車輛最高運行速度在80～100 km/h，在直線動力學分析時取最高速度為100 km/h，改變二系空氣彈簧垂向剛度Kz和垂向阻尼Dz的參數，分別計算出第一輪對左側車輪的輪軸橫向力和輪軌垂向力，第一輪對上牽引電機的三個方向的加速度值及前端車輛地板上的橫向平穩性和垂向平穩性.

3.1 Kz對車輛動力學性能的影響

表1中給出的是當Dz為36 kN·s/m時，Kz從0.3 MN/m增加到2.1 MN/m，計算的各項動力學統計指標最大值.從表1中，可以看到隨著Kz的增大，車輛的橫向平穩性、輪軸橫向力、電機各向加速度都無明顯變化，輪軌垂向力和垂向平穩性有增大的趨勢，其垂向平穩性變化最大.根據GB5599-85的評價標準：平穩性指數W<2.5時，平穩性為一級；2.5

表1 Kz對車輛動力學性能的影響

3.2 Dz對車輛動力學性能影響

當Kz為1.2 MN/m時，計算Dz從10～50 kN·s/m的各項動力學統計最大值.結果表明Dz的變化對輪軸橫向力、橫向平穩性、電機加速度幾乎沒有影響.圖5、圖6分別是輪軌垂向力和垂向平穩性隨Dz的變化曲線.由圖5可知，輪軌垂向力在Dz小于23 kN·s/m時，隨著Dz的增大而減小；當Dz大于23 kN·s/m時，輪軌垂向力隨著Dz的增大而上下波動，趨于平穩.由圖6可知，在Dz小于28 kN·s/m，垂向平穩性隨著Dz的增大而減小，當Dz大于28 kN·s/m時，垂向平穩性隨著Dz的增大而增大.這表明，二系垂向減震器系數只有在一定范圍內才起衰減振動的作用.當阻尼系數超過一定數值，抑制振幅的作用將會減弱，在垂向上表現出與垂向剛度相似的垂向特性.參考平穩性指標和阻尼特性，二系垂向阻尼系數優選為28 kN·s/m.

圖5 輪軌垂向力與Dz的關系

圖6 垂向平穩性與Dz的關系

4 曲線動力學性能分析

曲線通過性是評判車輛安全性的一個重要指標，參照GB 50157-2013《地鐵設計規范》中關于A型車在正線上通過困難地段設定曲線參數：直線50 m—緩和曲線60 m—R300 m的圓曲線150 m—緩和曲線60 m—直線50 m，曲線超高150 mm，通過速度60 km/h[6].為更真實模擬現實情況，計算時對曲線添加軌道不平順，軌道譜采用美國AAR5.在分析曲線通過性時，是用各項動力學參數的最大值作為評判車輛通過曲線的動力性能的好壞的標準，而不是采用統計指標.

計算點取第一輪對外側輪對的輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率和輪軌垂向力，分別如圖7～圖10.由圖可知，輪軸橫向力最大值(以下最大值都取絕對值)不超過20 kN，脫軌系數最大值不超過0.30，輪重減載率和輪軌垂向力有相似的垂向特性，且輪重減載率最大值不超過0.39.都小于GB5599-85的相關標準值：輪軸橫向力47.37 kN，脫軌系數1.0，輪重減載率0.6[5].

圖7 第一輪對外側輪對輪軸橫向力

圖8 第一輪對外側輪對脫軌系數

圖9 第一輪對外側輪對輪重減載率

圖10 第一輪對外側輪對輪軌垂向力

5 結論

通過動力學建模和對結構參數的仿真分析，可知直接驅動轉向架這一新型轉向架具有可行性.通過優化一系、二系結構參數，能使車輛具有較高的運行安全速度，安全余度可達到0.63，保證了車輛對運行速度的要求，具有較好的運行平穩性和曲線通過能力，能滿足運行的要求.

[1]王勃洪. 創新的直接傳動動力轉向架Syntegra[J]. 機車電傳動，2007(2):44- 51.

[2]周勇,黃志輝. 直驅轉向架結構形式對車輛動力學性能影響分析[J]. 鐵道車輛,2012(12):1- 4.

[3]黃志輝,許俊峰. 直驅轉向架結構特點與應用展望[J]. 機車電傳動， 2013(4)：60- 62.

[4]周勇,黃志輝. 直驅轉向架一系懸掛設計分析 [J]. 機車電傳動， 2012(3)：23- 25.

[5]中華人民共和國鐵道部.GB5599-85鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范[S].北京：中國標準出版社，1985.

[6]中華人民共和國建設部.GB50157-2013地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

Analysis of Direct Drive Bogie Dynamic Performance

ZHU Jianwei,CONG Yixin

(School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)

Vehicle system dynamic models of the direct drive bogie were established based on SIMPACK. With the simulation calculation, the relationship between non-critical speed and the longitudinal stiffness and lateral stiffness of the triangle rod was analyzed, and the main parameters were selected for the secondary suspension system of the direct drive bogie. The passing curve capability of the vehicle′s was finally analyzed. The result shows excellent dynamic performances which could meet the need of running.

direct drive bogie; secondary suspension; passing curve capability

1673- 9590(2017)01- 0034- 04

2015-12-01

朱建偉(1957-)，男，副教授，碩士，主要從事機車牽引與傳動控制的研究

A

E- mail:neatzhu@djtu.edu.cn.