城市轨道交通车辆转向架柔性构架研究

城市轨道交通车辆转向架柔性构架研究

罗海松 冯发亮

中车广东轨道交通车辆有限公司 广东 江门 529000

摘要：伴随城市人口密集程度加剧，空间条件对城市轨道交通曲线长度形成限制，加大城轨交通线路扭曲现象，当城轨车辆经过扭曲程度较大线路时，车辆轮重减载率将超标，对城轨交通车辆的安全稳定行车造成影响，为处理此问题，转向架柔性构架产生，本文首先针对转向架柔性构架加以阐述，其次对转向架柔性构架的扭曲刚度、结构展开具体研究，望为城轨交通车辆转向架柔性构架的进一步完善提供参考。

关键词：城市轨道交通车辆；转向架；柔性构架

以往轨道交通车辆转向架通常选取刚性构架，刚性连接为构架横梁及侧梁间连接方式，线路扭曲影响缓和方式仅为一系悬挂柔度，线路扭曲适应能力伴随一系悬挂柔度增大而加强。具体运行时，一定柔度条件下，一旦线路产生扭曲过度现象，则会使得转向架轮重减载率超出规定标准，严重影响转向架的安全运行，对轨道交通车辆线路适应能力形成一定限制，为保障轨道交通车辆运行安全，改进传统转向架尤为必要。

1.转向架柔性构架阐述

早期城轨车辆中，多以直流电机实现牵引系统，伴随电力电子技术不断发展，由可变电压逆变器所控制的异步电机牵引系统在城轨车辆设计中得以广泛应用，代替直流牵引机系统。异步电机同直流电机相较而言，前者无换向器，且维修较少，可实现小型轻量化。伴随近几年永磁材料性能的提升及成本的减少，加之永磁同步电机所具备的高功率密度、高效率等优势，引起车辆牵引系统相关研究人员的关注，并着手将永磁同步电机应用至商业或工程运作阶段。以此为基础所设计转向架柔性构架所具备优势如下：一为摘除齿轮传递装置，缩短转向架轴间距，减缓经小半径曲线冲角，大幅增强曲线通过能力。二为抗扭转刚度减小，以构架所具备的弹性变形实现顺坡及三角坑的顺应，此构架存在质量小、一系悬挂简化等特点，适用于城轨车辆。

2.转向架柔性构架研究

2.1转向架柔性构架扭曲刚度分析

柔性构架借助新材料引入、构架结构变化等措施，促使构架一系悬挂四点支撑中的某一点同其他三点构成的平面于垂直方向中可完成相对自由的运动。如图1即为柔性构架刚度计算简图。

图1柔性构架刚度计算简图

若构架中某一点支撑于轴径中间部位受力F作用，此时受载端将会发生δ的位移。而产生单位位移的力则为构架扭曲刚度，以此可对构架柔性状态加以评价，所应用计算式如下：

K=F/δ

以此定义对扭曲刚度加以计算时，可以试验方式，或有限元方式获取构架上同轴径中心位置相对应的垂向弹性变形，无需转移至扭转角位移。同时，定义单位应等同于轴箱弹簧刚度，为轴箱弹簧变形分布及刚度串联后构架的计算提供条件。柔性构架不仅应满足扭曲刚度要求，同时还应使轨道交通车辆满足柔性构架的基本需求，同时还应为各零部件在转向架中的安装提供相应基础，实现车体-车轮间垂向力及纵向力的传递、承载。所设计柔性构架需满足上述要求，将构架侧梁、横梁解耦，拆分构架产生多个零部件，对弹性铰接环节予以合理设置，促使构架左右侧梁具备相对自由扭转能力，具备相应扭曲刚度，此外，为满足柔性构架所提出的多种实际要求，使得应用于铰接式柔性构架中的橡胶关节须存在较大横向刚度、低偏转刚度等特点，以此为原则，本研究设计一类新型橡胶关节装置，此装置主要由橡胶密封圈、端部螺栓、橡胶关节、铰接轴构成，构架横梁、铰接轴二者相连，橡胶关节间以端部螺栓相连，构架侧梁、安装座间以焊接方式相连，橡胶关节橡胶断面为开口相对的双“U”型，在便于橡胶关节的偏转变形同时，还可保障偏转刚度处于较低水平。

2.2转向架柔性结构设计

2.2.1四点铰接式柔性构架

为提升构架柔性，构架侧梁、横梁间多以4个橡胶关节连接，将橡胶关节所具备的横向刚度大、径向刚度大及扭转刚度低等特点予以充分利用。遵循此方案所设计的箱形横梁除可承受齿轮箱吊座、电机座悬臂扭矩外，也可实现纵向力、横向力的传递，也可完成驱动方案集成设计。为对构架柔性效果予以分析，可以Abaqus软件对柔性构架有限元模型加以构建，获取构架扭曲刚度，同现有整体构架扭曲刚度相等。据分析，构架中橡胶件并未产生扭转变形、偏转现象，仅产生单一变形现象。同时，橡胶件径向变形能力薄弱、径向刚度较大，由此可见，此设计方案并未将橡胶关节特性予以充分利用，难以同设计要求相满足，因此，构架柔性难以得以实现。

2.2.2“双T”型柔性构架

对四点铰接式柔性构架予以进一步分析可发现，箱形横梁将橡胶关节均限定于相同平面内，位于同一侧侧梁2个橡胶关节装置间存在一定距离，仅能凭借橡胶关节间所存在的微小径向变形量为构架提供扭曲刚度。故可以2根横梁圆管替代箱形横梁，将箱形横梁针对橡胶关节装置所产生过度束缚予以解除，构架侧梁、横梁连接处均设置橡胶关节装置对角，组成“T”型柔性构架。同四点铰接式柔性构架相较而言，此方案所设计构架中的橡胶关节装置可实现横向力的传递，无需设计中心辅助横梁，也可简化结构。同理构建双“T”型柔性构架有限元模型，并以此展开计算，获得构架扭曲刚度，,结合计算结果可知，双“T”型柔性架构与原有构架相比，在构架扭曲刚度方面，前者仅为原有构架的1/60，具备较强的柔性效果，同时也可提供充足扭曲刚度，也并未对构架稳定性造成较大影响。

结束语：综上所述，为对城轨交通车辆适应线路扭曲能力加以弥补、强化，并对城轨交通车辆曲线通过安全性予以保障，可借助改变构架结构，或改进构架组成材料等方式加以改进，促使所改进结构可承载部分线路扭曲量，保障行车安全，此构架被称之为柔性构架，本文即针对城市轨道交通车辆转向架柔性构架展开研究，望借此为城轨交通车辆转向架柔性构架的改进提供参考。

参考文献：

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