高速车辆拖动式独立车轮轮对的研究(待续)

独立车轮转向架在高速车辆中有良好的发展前景,但由于缺乏直线复位和曲线转向能力,长期没有得到普及和推广.本文通过理论分析和动力学计算表明,采取适当措施使独立车轮轮对以拖动的形式前进,可以有效解决独立车轮的导向问题.拖动式独立车轮轮对在直线上复位可靠,在曲线上借助径向调节装置能够近似地处于轨道的径向位置,与传统轮对比较,其横向动力学性能大为改善.     

独立旋转车轮转向架曲线通过性能研究

独立旋转车轮能够消除轮轨间的纵向蠕滑，理论上不存在蛇行运动，故在直线上可以获得较高的临界,基曲线上可使因纵向蠕滑而产生的轮轨噪音消失。与传统轮对相比，独立旋转车轮缺乏由纵向蠕滑力而产生的导向力矩，故在曲线上无自导向功能，基本上只能靠轮缘导向。曲线通过性能是车辆动力学研究领域中的重要课题之一。车辆由直线进入曲线，特别是通过缓和曲线时，由于受到线路的各种激扰，轮轨间将产生复杂的作用力，对车辆的曲线通过性能产生极大的影响。本文建立独立旋转车轮转向架车辆的动力学计算模型，模拟实际线路，利用数值模拟方法对车辆通过曲线的全过程进行动态仿真计算，得出独立旋转车轮转向架和传统轮对转向架曲线通过的动力学响应值。通过对两种转向架曲线通过时的轮轨横向力，脱轨稳定性及轮轨磨耗等动力学性能进行分析比较，提出了独立旋转车轮转向架曲线通过时所存在的问题。     

独立旋转车轮动力学性能研究

独立旋转车轮的结构型式与传统轮对相比具有很大的差别，在直线和曲线上的轮轨接触动力学性能也有明显差异。独立旋转车轮理论上不存在纵向蠕滑，具有较高的临界速度和较低的轮轨磨耗，其直线对中性能和曲线导向性能较差。利用计算机仿真，对独立旋转车轮和传统轮对的动力学性能进行了比较分析。     

弹性阻尼耦合轮对动力学特性分析

耦合轮对左右车轮间是通过耦合度可变的耦合器连接的,既不完全固结,也不可相对独立旋转,因此其动力学性能也有别于二者。现建立弹性阻尼耦合轮对(EDCW)车辆的动力学模型,系统地分析了其直线稳定性和曲线通过性能。研究发现,选择适当的耦合度时,全部轮对均为EDCW的车辆系统动力学性能居于传统轮对和独立旋转车轮车辆系统之间。在直线上的临界速度小于独立旋转车轮而大于传统轮对,在曲线上的导向性能劣于传统轮对而优于独立旋转车轮,其直线上临界速度的提高是以曲线上导向能力的下降为前提的。研制一种具有主动控制性能的耦合器,使其在高速时具有小耦合度,在低速和通过曲线时具有大耦合度,可以很好地满足当今铁路发展的需求。     

轨道车辆独立车轮的动力学分析

建立了轨道车辆独立车轮轮组的动力学方程，并通过对一列既包括传统轮对，又 包括独立车轮轮组的轻轨车辆的线性稳定性分析和动态曲线通过计算，对独立车轮轮组与传统轮对的动力学特点进行了比较。计算表明，独立车轮是解决小半径曲线通过问题有效措施，它的稳定性可通过采用等效锥度较大的磨耗型踏面来保证。     

新型独立车轮动车组导向机理的研究

由于简单的独立车轮结构不具备复位和导向功能，绝大多数独立车轮转向架模型没有投入实际工程使用，究其原因是对独立车轮导向机理认识不够，缺乏解决复位功能的有效办法，Talgo列车是成功应用独立车轮的唯一范例，本文以Talgo列车为原型，进行独立车轮转向架的导向机理研究，分析解决独立车轮复位和导向能力的措施，以独立车轮转向架的实际设计和应用提供理论基础，首先分析铁道车辆传统刚性连接轮对蛇行运动的产生机理，进而研究独立车轮轮对的复位和导向原理，参照Talgo列车的独立轮对导向结构，建立了新型独立轮对动车组的多体动力学数值计算模型，应用作者者研制的车辆多体系动力学程序，进而横向稳定性和稳定曲线通过性能的计算分析，结果表明该模型具有很好的稳定性和曲线通过能力，研究表明，为了使独立车轮具有复位和导向能力，关键措施有两点：一是采用合理的导向机构和相关参数以实现独立轮对的异向功能，二是采用大锥度轮对踏面以保证轮对的横移复位。     

高速车辆拖动式独立车轮轮对的研究(续完)

2.3 直线运行的动态特性 2.3.1 模型结构和参数说明 轮对、轴箱、车体的结构和连接型式、悬挂方式和悬挂参数都直接决定着车体和轮对的动力学性能.在计算拖动式独立车轮轮对直线动态性能的同时,以传统刚性轮对替换其中的独立车轮轮对作为对比模型.结构和参数简化如下:     

带径向机构的铰接式单轴转向架独立轮对导向特点分析

研究了带径向机构的铰接式单轴转向架独立轮对导向特点。理论上分析了传统轮对和独立轮对的导向原理,在SIMPACK中建立了5节编组的Talgo列车动力学模型。结合Talgo列车三角拖动式结构研究了独立轮对的对中性能。对比了带径向机构的独立轮对、不带径向机构的独立轮对以及传统轮对在曲线通过时的轮对冲角、磨耗指数、脱轨系数和车轮横向力,指出径向机构可以有效降低轮对冲角和车轮磨耗,并分析了不同轮对脱轨系数差异较大的原因。     

采用独立车轮的直线电机轨道车辆的动力学分析

建立采用独立车轮的直线电机轨道车辆的动力学计算模型,采用符合直线感应电机驱动车辆特点和独立车轮特点的一系、二系悬挂设计,并对直线电机悬挂、独立车轮等关键部件进行了分析。在此基础上运用Simpack多体动力学仿真软件分析了该计算模型的曲线通过性能及运行平稳性等动力学性能。     

独立车轮转向架车辆曲线通过性能研究

基于ADAMS／Rail模块，建立独立车轮转向架车辆和传统轮对转向架车辆的仿真模型，并比较两者的曲线通过性能。独立车轮轮重减载率和弹簧振动在曲线通过时比传统轮对式更快趋于稳定状态，磨耗水平较低，适合城市轨道交通，但容易向一侧偏转；独立车轮脱轨系数较传统轮对大，建议加大对独立车轮新型转向架的研究力度。     

耦合轮对的发展

分析了铁道车辆传统的固定轮对和独立旋转车轮在车辆动力学性能中的优势和弊端，在介绍了国外从独立旋转车轮到耦合轮对的研究过程中，还提出了另一种耦合轮对方案－－磁流体耦合轮对。分析表明，由于磁流体耦合轮对的可控性，将会使车辆动力学性能得到大幅度提高。     

自调节独立车轮走行部的动力学性能

自调节独立车轮走行部具有依靠重力刚度使车轮回复到径向位置的能力。建立自调节独立车轮走行部的运动方程,并采用踏面斜率的泰勒级数对重力复原力的表达式进行简化。自调节独立车轮轮副的摇头运动类似于单摆,其频率取决于接触点的踏面锥度。为衰减轮副的摇头运动,需设置一附加阻尼,阻尼比要达到0.5。提高自调节独立车轮的复位能力,需要车轮踏面具有较高的锥度,使用接触角踏面反推法设计了适合于自调节车轮走行部的踏面,建立相应的车辆横向动力学简化模型。仿真分析表明,自调节车轮走行部具有理想的通过曲线性能。     

城轨车辆弹性车轮参数优化及其线路适应性研究

通过建立弹性车轮车辆—轨道耦合系统模型,推导出系统运动微分方程;利用Simpack动力学软件建立弹性车轮车辆动力学模型,并基于车辆的运行平稳性和曲线通过性能对弹性元件的径向刚度和垂向刚度进行优化。利用优化后的刚度对弹性车轮与刚性车轮在不同的轨道线路上的适应性进行研究。结果表明,弹性元件径向刚度和横向刚度的比率在0.75~1.5范围内取值能得到较理想的动力学性能;轨道线路条件越差,弹性车轮的作用越明显。     

弹性车轮动力学复合模型及其性能研究

为深入研究轻轨车辆弹性车轮的动力学作用,基于压剪复合型弹性车轮的结构,在弹性车轮动力学传统模型的基础上,综合考虑弹性车轮轮芯相对于轮毂的6个自由度,建立弹性车轮动力学复合模型。利用多体动力学软件SIMPACK进行仿真计算,对比分析传统模型和复合模型下弹性车轮车辆以及刚性车轮车辆的临界速度、平稳性、曲线通过性能和轮轨磨耗等指标。结果表明:由于传统模型未考虑车轮与车轴之间的偏转刚度和轮对两车轮之间的扭转刚度,因此计算误差较大;采用复合模型得到的弹性车轮车辆的临界速度、运行平稳性指标,以及通过小半径曲线时的轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率等较刚性车轮车辆都有不同程度的降低;弹性车轮车辆的轮轨磨耗情况在直线通过时与刚性车轮车辆的相似,而曲线通过时相比刚性车轮车辆降低了约5.3%。     

导向转向架

以下介绍一些导向转向架的功能及种类。 1 铁道车轮的导向功能 　　自行车和汽车通过弯道一般是使前轮先转向，当然，操纵后轮也行，人们称此为导向。这时，前后轮走行的轨迹不同。但铁道车辆的前后轮在同一轨道上，前后轮都需导向功能。同时，铁道车辆不像汽车那样有司机掌握方向盘，线路又必须有弯道。为使在曲线上顺利地转动，将左右车轮做成一体，用滚圆弧形酒桶的原理使与钢轨接触的轮径连续变化，从而实现自动旋转滚动导向。换言之，车轮踏面上带有斜度，通过曲线时因离心力轮对向外轨移动。外轨上车轮比内轨上车轮轮径大，以较长的圆周转动。可期望轮对处于与曲线成直角的径向位置(冲角为0)，实现自导向。这就是轮对自导向功能。     

机车通过曲线道岔时轮对过盈配合面的应力及微动滑移分布特性

机车轮对从直线钢轨导向曲线道岔平稳运行时,轮对过盈配合面应力及微动滑移分布特性比直线行驶状态复杂得多,给机车轮对安全运行带来了安全隐患。基于Abaqus软件模拟机车轮对平稳通过曲线道岔的运行过程,比较直线行驶和过曲线道岔时过盈配合面应力分布特性以及机车通过曲线道岔不同位置时过盈配合面应力分布特性,并比较过盈配合面周向和轴向微动滑移分布特性以及不同曲线道岔位置时微动滑移特性。研究结果表明:直线行驶和曲线行驶径向应力最大值都出现在配合面中部,直线行驶时径向应力在距离两侧0~30 mm的范围由外向内突然变小;轮对在曲线道岔平稳运行时,过盈配合面内侧径向应力值逐渐变大,外侧径向应力逐渐变小,内外侧径向应力差值变大;轮对在曲线道岔运行时的周向和轴向滑移幅度随着行驶时间的增加逐渐变大,过盈配合面两侧滑移值远大于中间滑移值,且曲线道岔运行距离越长滑移越明显。     

独立旋转车轮导向机理研究

讨论了对导向产生影响的轮轨作用力;比较分析了传统轮对和独立旋转车轮的导向机理.结果表明传统轮对虽存在蛇行运动,但具有较好的导向性能;独立旋转车轮不存在蛇行运动,但其直线上自动对中性能和曲线上的导向性能不如传统轮对.     

国外独立轮转向架的研究和发展

介绍了欧洲和美、日等国独立轮转向架的研究和发展情况。理论和试验研究表明,独立轮转向架无论是蛇行运动稳定性还是曲线通过性能,比传统转向架都有一定的优势,而且噪声低,轮轨磨耗少。阐述了只要解决好直线上的车轮横向复原和曲线上的车轮导向等问题,独立轮转向架技术具有较好的市场前景。     

公用轴独立旋转车轮转向架偏移研究

通过建立公用轴独立旋转车轮转向架车辆在直线上的横向动力学模型，模拟实际线路，利用新型快速数值积分法进行动态仿真，得出其4条轮对、2个构架和车体的偏移情况。     

车轮耦合方式发展及其导向机理

详细分析了传统轮对、独立旋转车轮及耦合轮对等3种不同模式轮轨系统的导向机理,认为传统轮对虽然存在蛇行运动,但其自身却具有直线上的自动对中能力和曲线上的自动导向能力．应用也较广;独立旋转车轮虽然不存在蛇行运动．但在直线上的自动复原能力不如传统轮对．近年来在城市轨道车辆上被广泛采用;耦合轮对兼具前二者的优点．但其工程化尚有难度,相信不久的将来会成功地应用于铁道车辆中。