地铁车辆转向架主动径向系统作动器的布置方式研究

地铁车辆转向架主动径向系统作动器的布置方式研究

林峰,于跃,李子鹏

中车大连机车车辆有限公司    辽宁大连    116022

摘要：研究了一种地铁车辆转向架主动径向系统作动器的布置方式，该系统通过安装在转向架内侧车轮与构架之间的主动径向作动器，能够实现对列车运行速度的主动控制，从而提高列车的平稳性、安全性和舒适度。首先，研究了地铁车辆转向架主动径向系统作动器的结构和工作原理，介绍了其主要部件和控制系统的组成。其次，建立了地铁车辆转向架主动径向系统作动器的动力学模型，包括车轮和构架之间的接触关系、列车运行速度对其动力学性能的影响等。然后，研究了主动径向作动器的布置方式对列车运行速度的影响。

关键词：地铁；转向架；作动器；布置方式

随着地铁车辆技术的发展，转向架主动径向系统的应用越来越多，其作用是通过主动控制，有效改善地铁车辆的运行性能。本文介绍了一种主动径向系统作动器的布置方式，通过分析地铁车辆转向架径向系统的工作原理，建立了作动器的数学模型，并对其布置方式进行了对比研究。研究结果表明：在地铁车辆转向架径向系统中采用主动作动器的布置方式，可有效提高地铁车辆运行性能。

1.主动径向系统作用及主要构成

地铁车辆转向架横向稳定性直接影响列车运行安全性，是衡量地铁车辆是否满足标准的一个重要指标。目前，国内外采用的车辆转向架横向稳定性评价方法主要有两种，即SIMPACK车辆动力学仿真方法和横向稳定性临界速度评估方法。SIMPACK车辆动力学仿真方法主要通过建立转向架悬挂系统模型，根据动力学计算结果计算出转向架横向稳定性临界速度，然后与实际运行中的临界速度进行对比。横向稳定性临界速度评估方法是指当车辆运行速度达到一定值时，转向架的横向稳定性会发生突变。然而，由于影响地铁车辆运行安全的因素较多，仅凭车体通过曲线的临界速度很难判断转向架的横向稳定性。因此，通过计算转向架的临界速度来评估其横向稳定性是一种更为简便、合理的方法。在转向架中布置主动径向系统可以将地铁车辆运行时车体与构架之间的间隙转变为作动器作动产生的径向力，进而增大构架与车体之间的径向间隙。当车辆运行速度较高时，将转向架主动径向系统布置在构架与车体之间，可以明显改善构架与车体之间的横向间隙，提高转向架的横向稳定性。在列车运行速度达到200km/h时，安装了主动径向系统后构架与车体之间的径向间隙可由原来的2mm增大至3mm。由此可见，安装了主动径向系统后转向架横向稳定性得到明显改善，将该系统布置在构架与车体之间可以明显改善转向架的横向稳定性。

2.横向稳定性仿真结果分析

通过仿真计算可以得出不同车速下的横向稳定性。可以看出，当车辆运行速度较高时，转向架横向稳定性提高幅度不大；而当车辆运行速度较低时，转向架横向稳定性提高幅度会进一步增大。这是由于随着车辆运行速度的提高，车辆系统的稳定性对运行速度变化更加敏感。分析产生这种情况的原因有两点：一是不同车速下，车辆系统各部件的质量和刚度都不同，车辆系统整体的不稳定程度不同；二是不同车速下，各部件之间的耦合关系不同。以转向架为例，随着车速的提高，主动径向系统作动器向转向架传递运动的阻尼增大；而转向架其他部件将会出现较大的相对位移，引起各部件之间产生较大的相对位移。因此当列车运行速度较低时，可以通过加大转向架主动径向系统作动器布置方式来提高转向架横向稳定性。

3.作动器布置方式及对通过能力的影响

为了研究不同作动器布置方式对转向架通过能力的影响。地铁车辆转向架径向系统的组成包括主动径向作动器、主动油压减振器、以及滚动轴承。其中，主动径向作动器位于转向架中间，将其布置在转向架中央时，可使车辆在直线运行时的横向平稳性指标提高25%以上；将其布置在转向架两侧时，可使车辆在曲线运行时的横向平稳性指标提高15%以上；将其布置在转向架两端时，可使车辆在直线运行时的横向平稳性指标提高20%以上。对比可知，在转向架中央布置主动径向作动器时，对车辆通过性能的改善最为明显，这是由于转向架中央布置主动径向作动器的方式可使车辆产生横向运动的横向加速度明显降低。同时，由于这种布置方式可有效降低车辆的纵向振动速度，因此对车辆的运行平稳性也有一定改善。

4.作动器与转向架其他部件匹配关系

由于地铁车辆的转向架具有结构复杂、刚度变化大、运行速度高等特点，在设计主动径向系统时，需要根据地铁车辆的实际情况，合理选择转向架径向系统中的作动器。一方面，由于地铁车辆运行速度较快，对转向架的横向刚度要求较高，需要根据车辆实际情况对转向架横向刚度进行合理调整；另一方面，地铁车辆运行时受风载荷较大，需要合理选择转向架径向系统中的作动器以提高转向架横向刚度。因此，在选择作动器时，要综合考虑地铁车辆实际情况以及转向架横向刚度、运行速度等因素。

5.不同布置方式对车辆动力学性能的影响

地铁车辆在运行过程中，由于轮轨之间的作用力作用，会产生较大的轮轨力，在地铁车辆的走行部中，为了保证地铁车辆的安全运行，通常需要设置多个减振器，将轮轨之间的作用力降至最低。对于地铁车辆来说，为保证其良好的运行性能，通常采用在转向架径向系统中设置主动减振器的方法，实现对车轮与车体之间作用力的主动控制。

从地铁车辆动力学性能的角度来看，若要提高地铁车辆运行性能，可以通过降低轮轨作用力或改变车辆运行参数来实现。在现有的车辆设计方案中，通过改变轮轨作用力或改变车辆运行参数，可有效改善地铁车辆的运行性能。因此，通过对地铁车辆转向架径向系统中主动减振器的布置方式进行分析与研究。

结束语：

综上所述，本文研究了一种地铁车辆转向架主动径向系统作动器的布置方式，通过安装在转向架内侧车轮与构架之间的主动径向作动器，能够实现对列车运行速度的主动控制，从而提高列车的平稳性、安全性和舒适度。 与传统的安装在转向架内侧车轮与构架之间的作动器布置方式相比，安装在转向架内侧车轮与构架之间的作动器布置方式能够提高列车运行速度，同时也能够提高列车的平稳性和安全性。因此，这种布置方式更加适合于地铁车辆的实际应用。

参考文献：

[1]罗汇智,田师峤,肖春昱.地铁车辆转向架主动径向系统作动器的布置方式[J].城市轨道交通研究,2023,26(01):165-168.

[2]李建,邹开,周小江,郑世伟.地铁车辆转向架构架模态试验和仿真分析[J].机车车辆工艺,2021(03):41-43+57.

[3]肖权益. 地铁车辆主动径向转向架控制策略及动力学优化研究[D].西南交通大学,2021.