一種120km/h速度等級A型地鐵懸掛系統匹配及避免共振方案設計

蒲生

摘要：分析了一種120km/h速度等級A型地鐵懸掛系統設計的主要依據，對A型地鐵懸掛系統進行了彈簧剛度選擇及懸掛系統的結構設計。根據振型計算及阻尼參數的優化分析，兩系懸掛系統的綜合匹配，確定了該A型地鐵避免共振方案，懸掛裝置能充分減小振動和沖擊的傳遞，轉向架及其各部件的固有頻率與車體及安裝其上的設備的固有頻率分散，有效避免共振。

Abstract： The main basis for the design of a type A subway suspension system with a 120km/h speed class was analyzed， and the type A subway suspension system was analyzed. The spring stiffness selection and the structural design of the suspension system were systematically performed. According to the vibration mode calculation and the optimization analysis of the damping parameters， and the comprehensive matching of the two-series suspension system， the type A subway? resonance avoidance scheme is determined. The suspension device can fully reduce the transmission of vibration and shock. The natural frequency of the bogie and its components is dispersed with the natural frequency of the vehicle body and the equipment on which it is mounted， thus effectively avoiding resonance.

關鍵詞：A型地鐵;懸掛系統;匹配;避免共振

Key words： A-type subway;suspension system;match;avoid resonance

中圖分類號：U270.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）35-0172-03

1? 概述

地鐵是用于城市內的軌道交通工具，根據GB5599-85要求，新造客車運行平穩性等級為優、不低于1級（垂向和橫向運行平穩性指標均<2.5）;經過150，000km運行后，列車運行平穩性等級為良、不低于二級（其垂向和橫向平穩性指標應≤2.75）。

轉向架的主要功能是支撐車體，傳遞牽引和制動力，緩和振動和沖擊，提高乘坐舒適性。為保證列車的舒適性，在轉向架上設有一套減振系統，隔離輪軌耦合系統產生的振動。目前地鐵轉向架上成熟的懸掛系統都采用兩級懸掛系統，即一系懸掛和二系懸掛，一系懸掛主要為橡膠堆或金屬螺旋彈簧，二系懸掛主要為無搖枕空氣彈簧。

懸掛系統設計主要依據車輛的重量和軌道條件，車輛重量分為簧上重量（上部車體包括乘客）和簧間重量（轉向架），懸掛系統垂向剛度的確定主要依據車輛重量，而懸掛系統的橫向和縱向剛度的確定主要依據線路條件、車輛重量和運營速度。國內100km/h速度等級以上的車輛主要用于城市的交通，一般都是座椅少，站立位多，額定定員按6人/平方米，超員載荷按9人/平方米。

2? A型地鐵懸掛系統匹配

2.1 彈簧剛度選擇

該種120km/h的A型地鐵為了適應列車高速運動，提高穩定性和舒適性，一系懸掛裝置需要具有較高的橫向和縱向剛度，以抑制轉向架的橫向晃動，提高抗蛇形運行能力。列車運行速度越高，輪軌耦合系統的瞬態沖擊越大，為有效的隔離輪軌系統這種沖擊，需要一系懸掛相對柔軟些。因此，要求設計出來的一系懸掛裝置縱向和橫向剛度較大，而垂向剛度較小。

在車輛軸重一定的情況下，列車速度對懸掛系統影響最大，一般來說，同類型地鐵車輛運行速度越快，垂向剛度要求越小而橫向和縱向剛度要求越大，目前運營的80km/h地鐵車輛，垂向剛度一般在1～2MN/m左右，橫向和縱向剛度3～10MN/m左右，根據轉向架具體的結構，剛度有一定的變化。國內外關于速度與剛度關系分析見圖1所示。

根據已成功運營的地鐵轉向架懸掛系統的剛度和列車運行的速度，選擇一個合適的一系懸掛和二系懸掛剛度范圍。通過模擬運營工況，對以下動力學評定指標進行計算，驗證懸掛系統的剛度是否滿足標準GB5599-85對動力學的要求。

①車輛蛇行運動穩定性的臨界速度Vcr（km/h）;

②車輛在直線上運行時的橫向和垂向平穩性指標Wzy、Wzz以及最大橫向和垂向加速度Ay、Az;

③車輛通過曲線時的輪軌橫向力Q（kN）、輪軸橫向力H（kN）、 脫軌系數Q/P、輪重減載率？駐P/P、傾覆系數D以及輪軌磨耗指數Wt。

初選的一系懸掛剛度和二系懸掛范圍值有很多組合滿足動力學要求，通過優化計算，選擇一組最優的剛度組合，根據轉向架動力學性能計算報告（如圖1所示）顯示，動力學性能參數都滿足標準GB5599-85的要求。

2.2 懸掛系統的結構

2.2.1 一系懸掛

該種120km/h的A型地鐵的一系懸掛由螺旋彈簧、橡膠墊、轉臂橡膠關節和垂向減振器組成，結構如圖2所示。其中一系懸掛的縱向和橫向剛度主要由轉臂橡膠關節承擔，解決了螺旋彈簧縱橫向剛度較小的問題;垂向剛度主要由金屬螺旋彈簧承擔。采用這種懸掛方式具有軸箱各向定位相對獨立，三向定位剛度解藕，彈簧使用壽命長等優點，保證車輛具有良好的動力學性能，還確保了軸的徑向定位而使轉向架的擺動盡量小。

2.2.2 二系懸掛

高速轉向架設計要盡可能降低車輛的主振動自振頻率，在垂向振動性能方面，起決定作用的是彈簧懸掛系統的總靜撓度及其在兩系懸掛中的分配比例，對于高速轉向架，一般總希望把彈簧懸掛系統設計得盡可能柔軟些，并把絕大部分的柔度分配于二系懸掛部分。對于橫向振動方面同樣需要較大的相對柔度，并集中在二系懸掛系統;因此，需要二系懸掛系統具有較小的橫向和垂向剛度，較大的撓度。隨著空氣簧的出現和技術的成熟，空氣彈簧結構簡單，能提供大的當量靜撓度，成為現在地鐵車輛的轉向架關鍵部件之一。同時，為了保證車輛運行在限界范圍內，需要設置抗側滾扭力桿。在轉向架與車體之間設橫向止擋，橫向止擋與牽引裝置之間留有一定的自由間隙和彈性間隙，為提高車輛的抗蛇形運動性能，有效的釋放橫向擺動的能量，高速地鐵的自由間隙相對較大。

3? A型地鐵避免共振

方案

3.1 概述

一系懸掛系統采用螺旋鋼彈簧加橡膠墊以及垂向油壓減振器，一系懸掛采用金屬螺旋彈簧剛度穩定性好，能夠有效隔離輪軌作用的傳遞，橡膠墊對振動特別是高頻振動有很強的衰減能力，可以保證較低結構噪聲傳遞水平，垂向油壓減振器衰減了垂向振動。二系懸掛采用低剛度大撓度的空氣彈簧，并設有橫向油壓減振器和二系垂向油壓減振器，車輛在運行時大大減小了振動，避免了共振，從而提高了車輛的運行平穩性、舒適性和通過曲線能力。二系懸掛系統不僅能夠防止垂向偏移而且有利于車體的橫向偏移。橫向止擋彈性地限制超出正常自由范圍的橫向變形，其剛性止擋能限制整個的橫向位移。因此，二系懸掛系統的設計也確保了車輛運行在動態包絡線內。

3.2 振型計算及阻尼參數的優化分析

根據振型的阻尼比初步優化一、二系阻尼是振型計算的目的之一。計算分別針對拖車和動車（M），以及空車工況（AW0）和重車（AW2）工況。以下無特殊指出，一般將AW2工況稱為重車工況。表1為拖車主要振型的固有振動特征參數，運行速度為10km/h。左側為無任何阻尼時的固有振動頻率，右側為給定一、二系阻尼時的各主要振型的頻率和阻尼比。

表2為動車主要振型的固有振動特征參數，左側為無任何阻尼時的固有振動頻率，右側為阻尼給定一、二系阻尼時的各主要振型的頻率和阻尼比。

4? 結束語

基于上述兩系懸掛系統的綜合匹配，懸掛裝置能充分減小振動和沖擊的傳遞，轉向架及其各部件的固有頻率與車體及安裝其上的設備的固有頻率分散，有效避免共振。

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