高速自适应转向架主动径向动力学性能分析.docx

? ? 高速自适应转向架主动径向动力学性能分析 ? ? 冯永华，公衍军，田师峤，罗湘萍 (1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.同济大学，上海 200092) 为实现铁路高速化，修建新的高标准线路，加大轨道曲线半径，采用整体式道床等是最直接的途径。目前我国高速铁路“八纵八横”已初具规模，然而随着高速铁路网络密度的增加，与既有干线铁路网络的交织也愈发紧密，从而导致在某些区域修建高速铁路的必要性与经济性之间的矛盾日益尖锐。为满足我国全局运输网络的高效能、一体化发展需求，实现高速铁路与既有线路的跨线运行模式，提高列车对不同线路的适应性，采用具有自适应功能的转向架是有效途径之一。这种自适应体现在转向架既能保证在高速铁路上高速运行的稳定性，又能解决在既有小曲线线路上的轮轨磨耗问题。而传统采用被动悬挂的转向架无法满足自适应的要求，因此主动径向装置作为一种可以有效解决上述矛盾的技术，便运用在了自适应转向架上。 近年来轮对主动径向概念的提出为转向架的进一步发展提供了方向。Mei等[1-6]对转向架主动径向的控制策略进行了深入研究，对比了纯滚线控制、轮对摇头力矩控制、轮对相对摇头角控制3种不同控制策略下的径向效果。结果表明，3种控制模式均能大幅提高转向架的曲线通过性能，使轮对以较合理的姿态通过曲线，最佳地利用轮轨间的蠕滑力，减小轮轨磨耗。并且尝试将构架和轮对的摇头、横移解耦，采用模态控制器进行径向控制，简化了控制器的复杂度，亦取得不错的效果。沈钢[7-8]在国内率先进行了主动径向的理论研究，并初步设计了具备主动径向功能的转向架方案。近年来随着电子、液压、计算机等基础工业技术的进步，对主动径向系统研究也逐渐从理论转向工程实践。Matsumoto等[9-11]在车体和转向架构架之间布置了一个主动导向机构，当车辆通过曲线时，作动装置将转向架构架调整到转向架的径向导向位置，从而提高了转向架的曲线通过性能，同时还将主动径向技术与磨耗型踏面优化相结合，对主动径向转向架进行了多体动力学计算和滚动台试验，成果显著。Hur等[12-15]完成了适用于城轨车辆的主动径向系统理论研究、转向架比例模型验证、样机试制及线路试验，取得了较好的效果。田师峤等[16-18]研究了电液伺服作动器动态响应特性对主动径向功能的影响，并基于配备有主动径向功能的实物样车完成了不同径向率下的主动径向效果验证试验。 但上述工程研究均是针对运行速度较低的城轨车辆，无法满足设计时速超过300 km的高速动车组的运用需求。因此，本文基于标准动车组平台提出了一种适用于高速自适应转向架的主动径向装置。首先通过轴箱结构改造并合理布置作动器，设计了轴箱定位与主动径向功能集成的结构方案，分析了上述功能的实现原理并给出了方案的关键技术特征。随后建立了动力学联合仿真模型来分析自适应转向架的曲线通过性能。最后针对驱动液压缸可能出现的泄漏现象，分析了其对转向架运行稳定性的影响。 1 主动径向装置及一系悬挂方案设计 1.1 设计方案 图1为适用于自适应转向架的主动径向装置及一系悬挂方案三维结构。由图1可见，该方案包括轴箱体、悬挂元件、驱动液压缸(以下简称液压缸)、液压缸轴箱安装座及液压缸构架安装座等。在轴箱体靠近构架的内侧面设计液压缸轴箱安装座，用于连接液压缸。在构架下盖板对应位置设置液压缸构架安装座。液压缸两端有橡胶关节，通过轴箱安装座及构架安装座与轴箱体和构架相连。 1.构架侧梁；2.轴箱定位橡胶弹簧；3.液压缸构架安装座；4.驱动液压缸；5.液压缸自锁阀；6.液压缸轴箱安装座；7.轴箱体。 1.2 关键技术特征 图2为主动径向装置实现轴箱定位及主动径向功能的原理，由图2可知： (1) 液压缸不动作时，由自锁阀实现被动自锁，此时其可作为纵向辅助拉杆进行辅助定位； (2) 液压缸动作时，可驱动轴箱体绕顶端的轴箱定位橡胶弹簧偏摆从而进行轮对与转向架间的纵向位移调整。由于偏转点在顶端的轴箱定位橡胶弹簧附近，故由于偏转行为形成的纵向位移较小。在不考虑牵引力、制动力的前提下，液压缸动作时的外负载仅为顶端的轴箱定位橡胶弹簧及一系螺旋钢弹簧的悬挂纵向复原力。而一系螺旋钢弹簧的剪切刚度为较小值，其具体数值在后续给出。综上所述，采用此种液压缸参与轮对定位的主动径向模式，可以大大降低其动作时的输出力，有利于液压缸结构的小型化、轻量化。 由图2(a)可知，顶端的轴箱定位橡胶弹簧及液压缸轴箱安装座距离车轴中心线的距离分别为z1和z2，轴箱定位橡胶弹簧的纵向刚度为k1，液压缸两端橡胶关节的纵向刚度为k2，一系螺旋钢弹簧的纵向刚度为k3。为实现液压缸被动自锁时对轴箱体下摆行为的约束，z1、z2、k1、k2及轴箱的纵向定位刚度kpx应满足下式： (1) 1.构架侧梁；2.轴箱定位橡胶弹簧；3.轴箱体；4