动车组转向架参数对小半径曲线通过性能影响的分析

苏 建 崔大宾 西南交通大学机械工程学院

唐继烈 王正权 上海铁路局科研所

动车组转向架参数对小半径曲线通过性能影响的分析

苏 建 崔大宾 西南交通大学机械工程学院

唐继烈 王正权 上海铁路局科研所

分析CRH1型动车组转向架的转臂定位刚度、抗蛇形减振器阻尼、空簧水平刚度和转向架轴距，对直线运行临界速度与小半径曲线通过性能的影响。经计算分析，需对转向架参数进行较大的调整才能改善小半径曲线通过性能，但考虑到直线运行性能要求，这对既有动车组来说实现较困难。

动车组；转向架参数；小半径曲线；通过性能

转向架参数是影响列车动力学性能的主要因素。目前对动车组转向架参数的选择主要目的是提高其直线稳定性，对小半径曲线通过能力研究较少。在铁路网中不可避免地存在小半径曲线，由此产生的轮轨及钢轨侧磨已经成为影响铁路运营成本的重要问题之一。

本为以CRH1B型动车组为研究对象，讨论了一二系主要悬挂参数（如转臂定位刚度、抗蛇形减振器阻尼、空簧水平刚度和转向架轴距）对车辆系统直线运行性能（临界速度）与小半径曲线通过性能的影响，并给出了这些参数的影响规律。计算中小半径曲线参数设置如表1所示。

表1 小半径曲线参数

1　转臂定位刚度的影响

从近几十年的研究中可以知道，影响车辆运行中轮对蛇形稳定性的主要有一系悬挂中轮对的剪切刚度和弯曲刚度，如图1所示。

图1 轮对的运动模式

对目前在动车组（如本论文研究对象CRH1）中常用的转臂式轴箱定位来说，转臂节点横向定位刚度就相当于轮对剪切刚度，节点纵向定位刚度就相当于轮对弯曲刚度。在进行高速列车设计时，为保证其拥有足够高的蛇行稳定性，必须同时对相邻轮对的弯曲刚度和剪切刚度进行选择匹配。在匹配弯曲刚度和剪切刚度时，如果一个刚度选较小值，另一个约束刚度就必须选择较大值，反之亦然。选取合适的刚度组合要同时考虑车辆的直线运行性能和曲线通过能力，合适的刚度组合可以优化车辆运行特性。

图2 转臂定位刚度对临界速度的影响

从图2中可以看出，车辆的临界速度随转臂节点纵向刚度减小先增大后减小。这是因为，在一定范围内（0～10MN/m）增大轮对的纵向定位刚度，可以有效抑制轮对的弯曲运动模式，从而阻止轮对蛇形的运动，以此提高车辆系统的临界速度。但是，轮对纵向刚度不能选择太小，因为临界速度对纵向定位刚度变化很敏感，如果纵向刚度太小，随着车辆的运行纵向刚度会进一步减小，从而使其临界速度迅速降低，严重影响行车安全，这是考虑车辆安全的冗余设计。然而弯曲刚度较大，轮对在通过过曲线时，轮对产生的摇头角较小，轮轨的蠕滑力不足以使轮对恢复对中位置，就可能会导致轮缘与钢轨贴靠，增加轮缘磨耗，因此弯曲刚度不宜过大。横向定位刚度对动车组稳定性影响较小，随横向刚度的减小临界速度缓慢增大。但横向刚度（即剪切刚度）过小会使一系横向不能有效定位，给行车安全带来隐患。

图3 转臂定位刚度对曲线通过性能的影响

列车通过曲线时，为使轮对稳态通过曲线，要求转臂节点纵向刚度尽可能小，从而避免轮轨冲角过大及轮缘贴靠。从图3中可以看出，纵向定位刚度对轮轨冲角和轮轨横向力有较大影响。轮对冲角最大值和轮轨横向力最大值随转臂纵向定位刚度的增大呈明显上升趋势，但在纵向定位刚度增大到一定值时，两者最大值都基本不再变化并趋于稳定。这主要是因为轮对的纵向定位刚度对其摇头形式起着决定性作用。在通过小半径曲线时，越大的纵向定位刚度，就会使轮对越难以发生摇头运动，从而引起较大的轮轨冲角，以至发生轮缘与钢轨贴靠，进而又进一步增大轮轨横向力，加剧轮缘磨耗。而横向定位刚度的改变对轮对冲角和轮轨横向力影响很小。计算结果还表明，可以通过适当减小轮对纵向定位刚度来降低轮对冲角。

2　抗蛇形减振器的影响

抗蛇形减振器已成为高速列车转向架上必备的元器件。抗蛇行减振器的特性主要体现在三个参数上：卸荷速度，卸荷力与串联刚度。必须精心设计抗蛇行减振器的卸荷速度与卸荷力使其既能保证列车的临界速度，又具备良好的曲线通过能力。

图4 抗蛇行减振器对临界速度的影响

从图4中可以看出，减小卸荷速度或增大卸荷力都可以提高车辆的临界速度。但在卸荷速度增大到一定值和卸荷力减小到一定值时，它们对临界速度的影响变得不明显。实际上，抗蛇行减振器第一阻尼系数（卸荷前卸荷力与卸荷速度之商）越大，构架与车体之间的相对摇头运动就越困难，越有利于提高车辆的临界速度。

图5 抗蛇行减振器对曲线通过性能的影响

从图5中可以看出，减小卸荷速度与增大卸荷力都会降低车辆的小半径曲线通过性能，这与对临界速度的影响相反。这是因为在通过曲线时，提高第一阻尼系数会导致转向架与车体之间的摇头运动变得困难，从而减小前后构架相对于车体的摇头幅度，增大轮对与钢轨的冲角。但冲角和轮轨横向力变化幅值在计算范围内变化都较小，这可能是因为在计算小半径曲线时，车辆的速度都设置的较低，而抗蛇行减振器则是在两个连接结构体之间相对速度差较大时减振效果才较明显。因此，在通过小半径曲线时，虽然构架与车体之间相对摇头较大，但由于相对摇头速度较低，对车辆通过小半径曲线影响较小。

3　空气弹簧的影响

空气弹簧水平刚度对临界速度的影响如图6所示。可以看出，随空气弹簧水平刚度的增大，车辆临界速度总体呈上升趋势，且上升幅值较小。如图7所示，通过小半径曲线时，轮轨冲角和轮轨横向力随空气弹簧水平刚度的增大都呈上升趋势，且趋势趋于线性增长。另外，空气弹簧水平刚度与车辆系统的横向平稳性指标有直接关系，因此需慎重选取。

图6 空簧刚度对临界速度的影响

图7 空簧刚度对曲线通过性能的影响

4　轴距的影响

轴距是转向架设计中一个重要的参数，其对车辆的动力学性能有较大影响。而CRH1的轴距为2.7 m，比常见高速转向架的2.5 m长0.2 m，因此有必要对轴距变化产生的影响进行计算。图8为轴距对车辆临界速度的影响，可以看出，随轴距的增大，临界速度总体呈上升趋势。这说明轴距越大，车辆直线运行越稳定。但轴距越大，曲线通过性能就越差。

图8 轴距对临界速度的影响

为分析车辆低速通过小半径曲线时轴距对轮缘磨耗和钢轨侧磨的影响，计算了不同轴距下车辆通过小半径曲线轮轨冲角和轮轨横向力的变化，如图9所示。从图中可以看出，随轴距的增大，轮轨冲角基本呈线性增长趋势，说明轴距越大，轮对越难以趋向径向位置导致冲角越大；而轴距对轮轨横向力几乎没有影响，这主要是因为在不同轴距下，轮缘与钢轨贴靠现象均已经发生，且提供了绝大多数轮对摇头所需的回转力。因此，仅从轴距方面进行调整难以有效降低轮轨横向力，因为轮对摇头主要由一系纵向定位刚度决定。

图9 轴距对曲线通过性能的影响

5　结束语

经计算分析可知：一系定位刚度对临界速度和小半径曲线通过性能（如轮对冲角和轮轨横向力）有较大影响；抗蛇行减振器对临界速度有较大影响，但对小半径曲线通过性能影响较小；空气弹簧对临界速度和轮轨横向力有较大影响，对轮对冲角影响较小；轴距对临界速度和轮对冲角影响较明显，对轮轨横向力影响较小。总的来说，通过改变转向架参数可以提高小半径曲线通过性能，但需要对各参数进行较大调整才能实现，这对既有动车组来说很难实现。

［1］王福天.车辆系统动力学［M］.中国铁道出版社.1994.

［2］崔大宾.高速车轮踏面设计方法研究［D］.西南交通大学.2013.

［3］修源.高速列车抗蛇行减振器主动控制研究［D］.西南交通大学.2015.

［4］李芾.傅茂海.黄运华.车辆径向转向架发展及其动力学特性［J］.交通运输工程学报.2003.（1）∶1-6.

责任编辑：许耀元

来稿日期：2016-06-12