关于SDB-80型地铁车辆转向架是否设置抗侧滚扭杆的分析

吕晓俊

关于SDB-80型地铁车辆转向架是否设置抗侧滚扭杆的分析

吕晓俊

为了设计出既能保证车辆具有良好垂向振动性能，又能提高抗侧滚性能需要的转向架，可以采取在转向架中央悬挂装置中设置抗侧滚扭杆的方法，也可以通过加大空气弹簧或钢弹簧的横向间距来实现。探讨在某种成熟应用的转向架上增设抗侧滚扭杆对其动力学性能的影响，从车辆运行的平稳性、安全性及限界要求等方面，以目前广泛应用于国内地铁车辆的SDB-80型转向架为例，对其是否需要增设抗侧滚扭杆进行分析。

转向架；抗侧滚扭杆；平稳性；安全性；限界；SDB-80

为了改善车辆的垂向振动性能，需要相当柔软的垂向悬挂装置，这使得车体侧滚振动的角刚度也随之变得相对柔软，以致运行中的车辆车体侧滚角角位移增大，舒适性变差。故需要设计出既能保证车辆具有良好垂向振动性能，又能提高抗侧滚性能需要的转向架。

1 SDB-80型转向架简介

SDB-80型转向架是南车青岛四方机车车辆股份有限公司设计生产的应用于国内时速80 km等级地铁车辆的转向架。该转向架为无摇枕转向架，采用钢板焊接H形构架，外置式轴箱，一系悬挂采用圆锥橡胶弹簧，二系悬挂采用空气弹簧、横向减振器，不设置抗侧滚扭杆，采用弹性无磨耗Z字形布置的牵引装置，基础制动采用踏面制动等，分为动车转向架和拖车转向架。

该转向架的基本参数如下。

轴距：2 200 mm；

新轮直径：840 mm；

轮对内侧距：（1 353±2）mm；

空气弹簧横向间距：1 850 mm；

空气弹簧有效直径：540 mm；

最大轴重：14 t；

运行平稳性：≤2．5；

轮重减载率：≤0．6。

由上述参数可以看出，该转向架空气弹簧跨距较大，大跨距的空气弹簧同样可以增大车辆的角刚度，从而增强抗侧滚性能，使车辆具有良好的垂向振动性能和抗侧滚性能。目前，不设置抗侧滚扭杆的SDB-80型转向架在国内10余条地铁线路上运营情况良好，最长的运营时间已超过10年。

2 转向架是否设置抗侧滚扭杆对比分析

对无抗侧滚扭杆的SDB-80型转向架和设置抗侧滚扭杆的SDB-80型转向架从车辆运行平稳性、安全性及符合限界情况进行对比分析。

2.1 计算模型及工况

计算采用42个自由度的整车模型，非线性模型中考虑横向止挡的非线性特性，抗侧滚扭杆以车体抗侧滚刚度的形式建模，当抗侧滚刚度为0，表示不设置抗侧滚扭杆。当抗侧滚刚度取1．2 MN·m/rad时表示设置抗侧滚扭杆。轨道谱为美国5级线路谱，包括高低不平顺、水平不平顺、方向不平顺和轨距不平顺。

计算选取了符合GB 5599—1985第2．1．4条规定的AW0工况，而且对评价平稳性指标、蛇行稳定性指标、脱轨系数等而言，AW0工况是最恶劣的工况，下述结果均为车辆AW0工况下运行的计算结果。

2.2 车辆运行平稳性

2.2.1 垂向动力学

抗侧滚扭杆对垂向平稳性指标的影响。车辆速度越高振动越剧烈，平稳性指标越大即平稳性越差。动、拖车有无抗侧滚扭杆的车体垂向加速度分析见图1。

有无抗侧滚装置下车体在前后转向架中心地板面高度的垂向平稳性指标见表1。其中有抗侧滚扭杆时抗侧滚扭杆刚度为1．2 MN·m/rad。

上述动力学仿真计算结果表明，v=88 km/h速度下的垂向平稳性指标都小于2．5，属于优级。拖车：有抗侧滚扭杆比无抗侧滚扭杆时垂向平稳性指标高0．001；动车：有抗侧滚扭杆比无抗侧滚扭杆时垂向平稳性指标高0．005。

2.2.2 横向动力学

（1）抗侧滚扭杆对横向蛇行稳定性的影响。拖车非线性临界速度和动车非线性临界速度的计算结果见图2，纵坐标为一位轮对收敛或发散后的横移振动幅值，车辆的非线性临界速度均为160 km/h。

上述对拖车非线性临界速度和动车非线性临界速度的计算结果表明，有无抗侧滚扭杆对车辆非线性临界速度没有任何影响。

（2）抗侧滚扭杆对横向平稳性指标的影响（见图3）。其中有抗侧滚扭杆时抗侧滚扭杆刚度为1．2 MN·m/rad。有无抗侧滚扭杆下车体在转向架中心地板面高度处的横向平稳性指标见表2。

种子发芽的最适温度为28～32℃，最高温度35℃，最低温度15℃。幼苗期生长最适温度为白天20～25℃。夜间18～20℃最高温度为25～28℃，最低温度为13～15℃，不高于18℃。从破心到定植前7～10天，进行低温锻炼白天瓜苗要保持在20～25℃，夜间在13～15℃，有利于雌花分化且降低雌花节位。

上述动力学仿真计算结果表明，v=88 km/h速度下的横向平稳性指标都小于2．5，属于优级。拖车：有抗侧滚扭杆比无抗侧滚扭杆时横向平稳性指标高0．001；动车：有抗侧滚扭杆比无抗侧滚扭杆时横向平稳性指标高0．005。

2.3 车辆运行安全性

2.3.1 抗侧滚扭杆对动态曲线通过的影响

由于动车曲线通过性能较拖车更为恶劣，因此仅计算动车曲线通过工况。车辆动态曲线通过计算工况见表3。

根据GB/T 5599―1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，轮轴横向力H允许限度采用以下标准评定：

图2 有无抗侧滚扭杆的车辆非线性临界速度计算结果

式中：Pst1、Pst2为左右侧车轮的静载荷。

车辆AW0工况：H≤34．85 kN。

车辆以表3中的条件通过美国5级谱不平顺曲线轨道，各轮对的轮轴横向力H（2 m平滑）、脱轨系数Y/Q（0．05 s平滑）、轮重减载率△P/P（2 m平滑）及整车磨耗功率（2 m平滑）的最大值分别见表4—表6。

2.3.2 抗侧滚扭杆对倾覆安全性的影响

图3 有无抗侧滚扭杆的车体横向加速度分析

表2 v＝88 km/h速度下的横向平稳性指标

倾覆系数用于鉴定车辆在侧向风力、离心力、横向振动惯性力的同时作用下是否会导致车辆倾覆，其倾覆的临界条件为：

式中：D——倾覆系数；

Pd——车辆同一侧车轮的动载荷；

Pst——相应车轮的静载荷。

表3 车辆动态曲线通过计算工况

表4 动车各轮对动态曲线通过动力学指标最大值（R=150 m）

表5 动车各轮对动态曲线通过动力学指标最大值（R=300 m）

表6 动车各轮对动态曲线通过动力学指标最大值（R=800 m）

按照GB/T 5599—1985的要求，倾覆系数应满足D＜0．8的要求。

车体下平面距轨面高度为900 mm，9级风速约为24．5 m/s，则风压为：

式中：ρ为空气密度，kg/m3。

在上述曲线线路工况下，拖车欠超高运行，车体在离心力的作用下向曲线外侧倾斜，故风力应加在曲线内侧侧墙的形心上，并且在车辆运行过程中，风力时刻与侧墙相垂直。拖车、动车在有无抗侧滚扭杆时倾覆系数的最大值见表7—表10。

上述动力学仿真计算结果表明，不同曲线工况下有抗侧滚扭杆时的倾覆系数略低于无抗侧滚扭杆时的倾覆系数值，但都小于标准要求的0．8，满足要求。

2.4 车辆限界

根据UlC 505-5规程，按照柔度系数最新计算公式得出不设置抗侧滚扭杆的转向架柔度系数s=0．385 997，小于标准规定值0．4。该值取决于转向架及车体簧上部分质量及其重心高度，二系弹簧上支承面高度，车辆一、二系弹簧垂向刚度，二系弹簧横向刚度，转向架侧滚角刚度及转向架一、二系悬挂的横向距离等。

根据车辆的动态包络线计算，在无抗侧滚扭杆的情况下，车辆动态包络线满足CJJ 96—2003《地铁限界标准》规定的车辆限界要求。

表7 拖车在AW0时不同曲线半径下的倾覆系数

表8 动车在AW0时不同曲线半径下的倾覆系数

表9 拖车在AW3时不同曲线半径下的倾覆系数

表10 动车在AW3时不同曲线半径下的倾覆系数

3 结束语

抗侧滚扭杆装置存在零部件多、结构复杂、故障率高、日常使用维护及检修成本高等缺点。每套抗侧滚扭杆质量约140 kg。上述研究表明，在现有国内地铁使用环境下，不设置抗侧滚扭杆的SDB-80型转向架能够满足车辆运行平稳性、安全性及限界要求。

[1] 严隽耄． 车辆工程[M]． 北京：中国铁道出版社，2006．

[2] UIC 505-5 规程505-1～505-4 通用基础条件、注释及其规定[S]，1977．

[3] GB 5599—1985 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S]．

吕晓俊：南车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师， 山东 青岛，266111

责任编辑苑晓蒙

U231

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1672-061X（2014）04-0091-05