呂曉俊

關(guān)于SDB-80型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架是否設(shè)置抗側(cè)滾扭桿的分析

呂曉俊

為了設(shè)計(jì)出既能保證車輛具有良好垂向振動(dòng)性能，又能提高抗側(cè)滾性能需要的轉(zhuǎn)向架，可以采取在轉(zhuǎn)向架中央懸掛裝置中設(shè)置抗側(cè)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(shí)現(xiàn)。探討在某種成熟應(yīng)用的轉(zhuǎn)向架上增設(shè)抗側(cè)滾扭桿對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能的影響，從車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、安全性及限界要求等方面，以目前廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)地鐵車輛的SDB-80型轉(zhuǎn)向架為例，對(duì)其是否需要增設(shè)抗側(cè)滾扭桿進(jìn)行分析。

轉(zhuǎn)向架；抗側(cè)滾扭桿；平穩(wěn)性；安全性；限界；SDB-80

為了改善車輛的垂向振動(dòng)性能，需要相當(dāng)柔軟的垂向懸掛裝置，這使得車體側(cè)滾振動(dòng)的角剛度也隨之變得相對(duì)柔軟，以致運(yùn)行中的車輛車體側(cè)滾角角位移增大，舒適性變差。故需要設(shè)計(jì)出既能保證車輛具有良好垂向振動(dòng)性能，又能提高抗側(cè)滾性能需要的轉(zhuǎn)向架。

1 SDB-80型轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)介

SDB-80型轉(zhuǎn)向架是南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)時(shí)速80 km等級(jí)地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架為無搖枕轉(zhuǎn)向架，采用鋼板焊接H形構(gòu)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(shè)置抗側(cè)滾扭桿，采用彈性無磨耗Z字形布置的牽引裝置，基礎(chǔ)制動(dòng)采用踏面制動(dòng)等，分為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架。

該轉(zhuǎn)向架的基本參數(shù)如下。

軸距：2 200 mm；

新輪直徑：840 mm；

輪對(duì)內(nèi)側(cè)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(yùn)行平穩(wěn)性：≤2．5；

輪重減載率：≤0．6。

由上述參數(shù)可以看出，該轉(zhuǎn)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(qiáng)抗側(cè)滾性能，使車輛具有良好的垂向振動(dòng)性能和抗側(cè)滾性能。目前，不設(shè)置抗側(cè)滾扭桿的SDB-80型轉(zhuǎn)向架在國(guó)內(nèi)10余條地鐵線路上運(yùn)營(yíng)情況良好，最長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間已超過10年。

2 轉(zhuǎn)向架是否設(shè)置抗側(cè)滾扭桿對(duì)比分析

對(duì)無抗側(cè)滾扭桿的SDB-80型轉(zhuǎn)向架和設(shè)置抗側(cè)滾扭桿的SDB-80型轉(zhuǎn)向架從車輛運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性及符合限界情況進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 計(jì)算模型及工況

計(jì)算采用42個(gè)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(cè)滾扭桿以車體抗側(cè)滾剛度的形式建模，當(dāng)抗側(cè)滾剛度為0，表示不設(shè)置抗側(cè)滾扭桿。當(dāng)抗側(cè)滾剛度取1．2 MN·m/rad時(shí)表示設(shè)置抗側(cè)滾扭桿。軌道譜為美國(guó)5級(jí)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(jì)算選取了符合GB 5599—1985第2．1．4條規(guī)定的AW0工況，而且對(duì)評(píng)價(jià)平穩(wěn)性指標(biāo)、蛇行穩(wěn)定性指標(biāo)、脫軌系數(shù)等而言，AW0工況是最惡劣的工況，下述結(jié)果均為車輛AW0工況下運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果。

2.2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性

2.2.1 垂向動(dòng)力學(xué)

抗側(cè)滾扭桿對(duì)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響。車輛速度越高振動(dòng)越劇烈，平穩(wěn)性指標(biāo)越大即平穩(wěn)性越差。動(dòng)、拖車有無抗側(cè)滾扭桿的車體垂向加速度分析見圖1。

有無抗側(cè)滾裝置下車體在前后轉(zhuǎn)向架中心地板面高度的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)見表1。其中有抗側(cè)滾扭桿時(shí)抗側(cè)滾扭桿剛度為1．2 MN·m/rad。

上述動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果表明，v=88 km/h速度下的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)都小于2．5，屬于優(yōu)級(jí)。拖車：有抗側(cè)滾扭桿比無抗側(cè)滾扭桿時(shí)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)高0．001；動(dòng)車：有抗側(cè)滾扭桿比無抗側(cè)滾扭桿時(shí)垂向平穩(wěn)性指標(biāo)高0．005。

2.2.2 橫向動(dòng)力學(xué)

（1）抗側(cè)滾扭桿對(duì)橫向蛇行穩(wěn)定性的影響。拖車非線性臨界速度和動(dòng)車非線性臨界速度的計(jì)算結(jié)果見圖2，縱坐標(biāo)為一位輪對(duì)收斂或發(fā)散后的橫移振動(dòng)幅值，車輛的非線性臨界速度均為160 km/h。

上述對(duì)拖車非線性臨界速度和動(dòng)車非線性臨界速度的計(jì)算結(jié)果表明，有無抗側(cè)滾扭桿對(duì)車輛非線性臨界速度沒有任何影響。

（2）抗側(cè)滾扭桿對(duì)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)的影響（見圖3）。其中有抗側(cè)滾扭桿時(shí)抗側(cè)滾扭桿剛度為1．2 MN·m/rad。有無抗側(cè)滾扭桿下車體在轉(zhuǎn)向架中心地板面高度處的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)見表2。

種子發(fā)芽的最適溫度為28～32℃，最高溫度35℃，最低溫度15℃。幼苗期生長(zhǎng)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(jìn)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(jié)位。

上述動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果表明，v=88 km/h速度下的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)都小于2．5，屬于優(yōu)級(jí)。拖車：有抗側(cè)滾扭桿比無抗側(cè)滾扭桿時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)高0．001；動(dòng)車：有抗側(cè)滾扭桿比無抗側(cè)滾扭桿時(shí)橫向平穩(wěn)性指標(biāo)高0．005。

2.3 車輛運(yùn)行安全性

2.3.1 抗側(cè)滾扭桿對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過的影響

由于動(dòng)車曲線通過性能較拖車更為惡劣，因此僅計(jì)算動(dòng)車曲線通過工況。車輛動(dòng)態(tài)曲線通過計(jì)算工況見表3。

根據(jù)GB/T 5599―1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，輪軸橫向力H允許限度采用以下標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定：

圖2 有無抗側(cè)滾扭桿的車輛非線性臨界速度計(jì)算結(jié)果

式中：Pst1、Pst2為左右側(cè)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(guó)5級(jí)譜不平順曲線軌道，各輪對(duì)的輪軸橫向力H（2 m平滑）、脫軌系數(shù)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(cè)滾扭桿對(duì)傾覆安全性的影響

圖3 有無抗側(cè)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(wěn)性指標(biāo)

傾覆系數(shù)用于鑒定車輛在側(cè)向風(fēng)力、離心力、橫向振動(dòng)慣性力的同時(shí)作用下是否會(huì)導(dǎo)致車輛傾覆，其傾覆的臨界條件為：

式中：D——傾覆系數(shù)；

Pd——車輛同一側(cè)車輪的動(dòng)載荷；

Pst——相應(yīng)車輪的靜載荷。

表3 車輛動(dòng)態(tài)曲線通過計(jì)算工況

表4 動(dòng)車各輪對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值（R=150 m）

表5 動(dòng)車各輪對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值（R=300 m）

表6 動(dòng)車各輪對(duì)動(dòng)態(tài)曲線通過動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值（R=800 m）

按照GB/T 5599—1985的要求，傾覆系數(shù)應(yīng)滿足D＜0．8的要求。

車體下平面距軌面高度為900 mm，9級(jí)風(fēng)速約為24．5 m/s，則風(fēng)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(yùn)行，車體在離心力的作用下向曲線外側(cè)傾斜，故風(fēng)力應(yīng)加在曲線內(nèi)側(cè)側(cè)墻的形心上，并且在車輛運(yùn)行過程中，風(fēng)力時(shí)刻與側(cè)墻相垂直。拖車、動(dòng)車在有無抗側(cè)滾扭桿時(shí)傾覆系數(shù)的最大值見表7—表10。

上述動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果表明，不同曲線工況下有抗側(cè)滾扭桿時(shí)的傾覆系數(shù)略低于無抗側(cè)滾扭桿時(shí)的傾覆系數(shù)值，但都小于標(biāo)準(zhǔn)要求的0．8，滿足要求。

2.4 車輛限界

根據(jù)UlC 505-5規(guī)程，按照柔度系數(shù)最新計(jì)算公式得出不設(shè)置抗側(cè)滾扭桿的轉(zhuǎn)向架柔度系數(shù)s=0．385 997，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值0．4。該值取決于轉(zhuǎn)向架及車體簧上部分質(zhì)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(zhuǎn)向架側(cè)滾角剛度及轉(zhuǎn)向架一、二系懸掛的橫向距離等。

根據(jù)車輛的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線計(jì)算，在無抗側(cè)滾扭桿的情況下，車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線滿足CJJ 96—2003《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的車輛限界要求。

表7 拖車在AW0時(shí)不同曲線半徑下的傾覆系數(shù)

表8 動(dòng)車在AW0時(shí)不同曲線半徑下的傾覆系數(shù)

表9 拖車在AW3時(shí)不同曲線半徑下的傾覆系數(shù)

表10 動(dòng)車在AW3時(shí)不同曲線半徑下的傾覆系數(shù)

3 結(jié)束語

抗側(cè)滾扭桿裝置存在零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、日常使用維護(hù)及檢修成本高等缺點(diǎn)。每套抗側(cè)滾扭桿質(zhì)量約140 kg。上述研究表明，在現(xiàn)有國(guó)內(nèi)地鐵使用環(huán)境下，不設(shè)置抗側(cè)滾扭桿的SDB-80型轉(zhuǎn)向架能夠滿足車輛運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性及限界要求。

[1] 嚴(yán)雋耄． 車輛工程[M]． 北京：中國(guó)鐵道出版社，2006．

[2] UIC 505-5 規(guī)程505-1～505-4 通用基礎(chǔ)條件、注釋及其規(guī)定[S]，1977．

[3] GB 5599—1985 鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S]．

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

責(zé)任編輯苑曉蒙

U231

A

1672-061X（2014）04-0091-05