軸箱彈簧剛度對(duì)車(chē)輛運(yùn)行性能影響研究

樊云霞 劉春艷 王青權(quán)

（北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

軸箱彈簧剛度對(duì)車(chē)輛運(yùn)行性能影響研究

樊云霞 劉春艷 王青權(quán)

（北車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能是驗(yàn)證車(chē)輛性能的重要指標(biāo)之一。軸箱彈簧作為轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，其剛度對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行安全性能影響較大。以某地鐵車(chē)輛為例，通過(guò)改變軸箱彈簧的橫向和縱向剛度來(lái)分析車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過(guò)性能的變化規(guī)律，同時(shí)也展示了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真分析在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用，為產(chǎn)品研發(fā)提供重要的理論依據(jù)。

地鐵；車(chē)輛動(dòng)力學(xué)；軸箱彈簧；懸掛參數(shù)

First-author'saddressChangchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，130062，Changchun，China

隨著城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)軌道車(chē)輛的研究也越來(lái)越深。車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能是驗(yàn)證車(chē)輛性能的重要指標(biāo)之一。車(chē)輛在軌道上運(yùn)行時(shí)，軌道的不平順、鋼軌磨耗等會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛的振動(dòng)，同樣會(huì)加大通過(guò)曲線的危險(xiǎn)。轉(zhuǎn)向架的作用就是保證車(chē)輛有良好的穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性，使車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

軸箱彈簧作為轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，其剛度對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行安全性能影響較大。一般在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)合項(xiàng)目的要求，均進(jìn)行車(chē)輛動(dòng)力學(xué)分析，獲得一組較好的、能夠?qū)崿F(xiàn)的轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)，盡可能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。

本文以某地鐵車(chē)輛為例，對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析，主要分析了軸箱彈簧的剛度對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性能的影響。

1 模型介紹

1.1 設(shè)計(jì)模型

軸箱彈簧有很多種類(lèi)型，本文選用了橡膠堆定位形式。轉(zhuǎn)向架幾何模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架幾何模型

1.2 動(dòng)力學(xué)分析模型

軌道交通車(chē)輛及其轉(zhuǎn)向架本身是一個(gè)非常復(fù)雜的多體系統(tǒng)，其復(fù)雜性不但表現(xiàn)在各部件之間的相互作用力和相對(duì)位移上，更表現(xiàn)在多向非線性上。因此，仿真計(jì)算模型只能根據(jù)研究的主要目的和要求，對(duì)一些次要的因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)募俣ê秃?jiǎn)化，而對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響較大的主要因素則盡可能做出符合實(shí)際情況的模擬。本例采用動(dòng)力學(xué)軟件Simpack創(chuàng)建車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，其動(dòng)力學(xué)模型示意圖如圖2所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建立仿真模型時(shí)作了以下假定：

（1）把車(chē)輛的各零部件，如車(chē)體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對(duì)等均看作剛體，不計(jì)這些部件本身的彈性變形。

（2）忽略了相鄰車(chē)輛之間相互作用的影響。

（3）假設(shè)車(chē)輛勻速運(yùn)動(dòng)，不考慮變速情況下的影響。

圖2 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

整車(chē)系統(tǒng)由1個(gè)車(chē)體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)軸箱共計(jì)15個(gè)剛體組成。在計(jì)算車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、橫向及垂向運(yùn)行平穩(wěn)性及曲線通過(guò)能力時(shí)取整車(chē)模型。車(chē)體取6個(gè)自由度，即橫向、垂向、縱向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架取6個(gè)自由度，即橫向、垂向、縱向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭；輪對(duì)取6個(gè)自由度，即橫向、垂向、縱向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭；軸箱取1個(gè)自由度，即點(diǎn)頭。整個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)共計(jì)50個(gè)自由度，垂向、橫向耦合在一起。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

車(chē)輛系統(tǒng)蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)存在著密切的關(guān)系，還受到輪軌接觸幾何關(guān)系和車(chē)輛的初始狀態(tài)的影響。一般情況下，定義車(chē)輛系統(tǒng)的蛇行失穩(wěn)臨界速度為系統(tǒng)首次出現(xiàn)蛇行的極限環(huán)運(yùn)動(dòng)（等幅振動(dòng)）時(shí)的最低運(yùn)行速度。

在車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算中，考慮了軸箱彈簧的橫向剛度和垂向剛度對(duì)臨界速度的影響，計(jì)算時(shí)對(duì)其進(jìn)行了不同參數(shù)的研究。AW0為動(dòng)車(chē)的空車(chē)工況，AW3為動(dòng)車(chē)的超載工況。計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，軸箱彈簧的橫向剛度對(duì)車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性有一定的影響。當(dāng)車(chē)輛在AW0狀態(tài)下，軸箱橫向剛度在5～6 MN/m時(shí)車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能最好；當(dāng)車(chē)輛在AW3狀態(tài)下，軸箱橫向剛度在7 MN/m左右時(shí)車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能最好。

2.2 曲線通過(guò)能力分析

在曲線通過(guò)能力的計(jì)算中，考慮了車(chē)輛以60 km/h速度通過(guò)曲線半徑300 m、超高120 mm的曲線，激擾譜選用美國(guó)5級(jí)線路譜。計(jì)算結(jié)果如圖5和6所示。

圖3 蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性隨軸箱彈簧橫向剛度變化規(guī)律

圖4 蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性隨軸箱彈簧垂向剛度變化規(guī)律

從計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，隨著軸箱彈簧橫向剛度的變大，車(chē)輛的曲線通過(guò)能力逐漸變差；隨著軸箱彈簧垂向剛度的變大，車(chē)輛的輪軸橫向力和輪重減載率2個(gè)指標(biāo)變差，而對(duì)脫軌系數(shù)影響很小。軸箱定位剛度的增大，不利于車(chē)輛全通過(guò)曲線。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本項(xiàng)目在軸箱彈簧橫向剛度為6 MN/m、垂向剛度為1.32 MN/m的狀態(tài)下，進(jìn)行了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)線路測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果與仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示。從對(duì)比結(jié)果看，測(cè)試結(jié)果和分析誤差均在可接受范圍之內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真分析方法的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

上述動(dòng)力學(xué)計(jì)算是通過(guò)改變軸箱彈簧的橫向剛度和垂向剛度參數(shù)，來(lái)分析對(duì)車(chē)輛蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、曲線通過(guò)能力的影響。目前，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)在城市軌道交通客車(chē)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程有著大量的應(yīng)用，通過(guò)分析各重要懸掛參數(shù)的變化對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)不同性能指標(biāo)的影響規(guī)律，可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)提供重要的理論依據(jù)。

圖5 曲線通過(guò)能力隨軸箱彈簧橫向剛度變化規(guī)律

圖6 曲線通過(guò)能力隨軸箱彈簧垂向剛度變化規(guī)律

圖7 測(cè)試結(jié)果與仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)比

今后，不斷完善車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型更好地模擬車(chē)輛系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用和車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際情況，是車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真分析發(fā)展的必然趨勢(shì)。

［1］ 任尊松.車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

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

［3］ 嚴(yán)雋耄.車(chē)輛工程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

［4］ 繆炳榮.SIMPACK動(dòng)力學(xué)分析高級(jí)教程［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

［5］ GB/T 14894—2005城市軌道交通車(chē)輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則［S］.

Effect of Axlebox Spring Stiffness on Vehicle Operating Performance

Fan Yunxia，Liu Chunyan，Wang Qingquan

Vehicle dynamics performance is one of the important indicators to verify the vehicle performance.The axlebox spring is a key part of the bogie，its stiffness has greater influence on vehicle running safety.In this paper，a subway car is taken as the example，by changing the vertical stiffness and horizontal stiffness of the axlebox spring，the change regulation of the stability of vehicle operation and curve passing performance are analyzed，the vehicle dynamicssimulation analysis applied in the product research and development process is verified，which provides an important theoretical basis for product development.

metro；vehicle dynamics；axlebox spring；suspension parameter

U 270.331+.4

2013-08-07）