下一代双层高速列车转向架动力学研究

史炎

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031）

0 引言

高速列车的蛇行运动失稳不仅使车辆的运行性能恶化、旅客的舒适度降低，作用在车辆各部件的动载荷加大，会使轮对严重击打钢轨，损伤车辆及轨道，甚至造成脱轨事故[1-2]。采用独立旋转车轮能有效地解决此类问题，由于独立旋转车轮理论上不存在纵向蠕滑力及其产生的回转力矩，因此消除了传统轮对的蛇行现象[3]，显著提高了车辆的临界速度[4]。由于独立旋转车轮中间轴可做成曲轴，有效降低了轨道车辆的地板高度便于上下客、实现低站台设计[5]。德国宇航中心开发的下一代高速列车将采用独立旋转车轮转向架[6]，可望实现双层高速列车的构想。高速列车采用双层方式可以在同等列车断面高度下搭乘更多的旅客，单位能耗可运输更多的乘客，将极大改善高速列车的运用经济性[7-8]。

通过对刚体轮对和独立旋转车轮的轮轨蠕滑现象的差异性研究，作者提出了摩擦耦合独立旋转车轮（FCIRW）研究方案，以高速大半径曲线为研究目标，获得了FCIRW比较满意的高速动力学性能。

1 FCIRW转向架

1.1 结构

横向耦合独立旋转车轮是将已经解耦的左、右车轮重新耦合起来[9],将刚度和阻尼引入可独立旋转的两轮之间,使得独立旋转车轮轮对获得与传统刚体轮对相仿的导向能力。如图1所示，左右车轮上分别固定有摩擦盘，分别与副轮对上的摩擦轮组成摩擦副将左右车轮的转速耦合在一起。

图1 FCIRW结构示意图

1.2 导向机理

如图2所示，摩擦耦合独立旋转车轮以速度V沿直线轨道匀速前行，车轮以角速度ω绕其轴线旋转；y、ψ、φ分别表示轮对的横移、摇头角和侧滚角；rL、rR分别为左右车轮的滚动圆半径；r0为左右车轮的名义滚动圆半径，r0=V/ω；λ为车轮踏面锥度，则有[10]：

摩擦轮和摩擦盘之间的滑移可大可小，无滑移则同刚体轮对；完全滑移则同独立旋转车轮；更多时介于两者之间。

图2 蠕滑力作用下的横移和摇头

1）无滑移。

若摩擦轮和摩擦盘之间无滑动，左、右车轮转速相同，ωL=ωR=ω，βL=βR=0,摩擦耦合独立旋转车轮与刚体轮对导向机理完全相同。左、右车轮的纵向蠕滑力如下[11]：

可见左、右车轮上作用着的纵向蠕滑力大小相等，方向相反，由此组成的纵向蠕滑力矩为

左、右车轮的横向蠕滑力为

横向耦合方式不影响独立旋转车轮横向蠕滑力（下同）。

2）完全滑移。

若左、右车轮完全解耦，摩擦耦合独立旋转车轮与独立旋转车轮的导向机理完全相同，

ωLrL=ωRrR=V，纵向蠕滑力矩为

3）不完全滑移。

ωL=ω+βL；ωR=ω+βR，左、右车轮的纵向蠕滑力如下：

2 动力学模型

以两轴转向架为研究对象，运用SIMPACK多体动力学软件建立了各个分析对象的整车动力学模型，FCIRW和独立旋转车轮（IRW）两种转向架车辆的悬挂参数，见

表1 转向架的结构参数

图4 FCIRW转向架动力学模型

FCIRW转向架动力学模型如图3所示，在独立旋转车轮（IRW）转向架的基础上增加副轮对，两个摩擦轮组成的副轮对放置在簧下，副轮对铰接在车轴上。为简化建模，用直轴代替了曲轴。

3 分析结果

主要从冲角、轮轨横向力和磨耗功率等方面分析转向架的性能，轮轨接触力和蠕滑率的关系使用FASTSIM算法[13]。车轮磨耗功率P反映了轮轨踏面上的磨耗，忽略车轮的自旋蠕滑，按以下公式计算[14]:

整车摩耗功率是所有8个车轮磨耗功率之代数和，反映了整个车辆的轮轨磨耗水平。

3.1 临界速度对比

图4 FCIRW车辆、CRH2车辆临界速度

在无二系减震器的情况下，让车辆通过一段受到美国AAR五级轨道谱激扰的直线轨道，再通过一段无激扰的平顺轨道，若第一位轮对横向振动收敛，则逐渐提高车速重复上述过程直到第一位轮对横向振动不收敛，此时的车速就是车辆的非线性临界速度。

图4是两种车辆第一位轮对横向位移变化曲线，FCIRW车辆临界速度是400 km/h，激扰过后16 s复位。IRW车辆临界速度要高于FCIRW车辆，但是无自动复位功能，激扰过后最终偏向轨道一侧。

3.2 FCIRW轮对直线复位性能分析

让FCIRW车辆以200km/h的速度通过一段曲线，车轮向曲线外横向位移，并贴靠外轨行驶。当车辆出曲线进入直线时，考察第一位轮对的横向运动情况和左右车轮的纵向蠕滑力，通过计算车轮在直线上的最终横向位移的变化情况来考察轮对的直线对中能力。曲线设置如下：半径3000 m，无超高。

图5 纵向蠕滑力与横向位移关系

从图5可知，轮对复位前左右车轮始终存在纵向蠕滑力，它们方向相反形成复原力矩。轮对出曲线进入直线段时，纵向蠕滑力初始值达到95.4 N/-94.6 N，随着轮对向中心靠近，纵向蠕滑力逐渐减小直至为零。此现象表明轮对复位所需的纵向蠕滑力不需要很大，此例中少于100 N。

表2 曲线路况

3.3 曲线导向性能比较

两种转向架高速通过曲线时，曲线工况选用的参数见表2。为了清晰比对分析，没有施加轨道谱，计算了车辆惰行工况下前转向架第一位轮对的曲线导向性能。

车辆高速通过大半径曲线时，2种转向架第一位轮对冲角、整车磨耗功率相近，差别不明显。由于FCIRW独立旋转车轮轮对有纵向蠕滑力的辅助作用，存在复位力矩，故其轮轴横向力优于IRW。

图6 曲线通过性能

独立旋转车轮有2个显著的缺点：在曲线上导向能力差；在直线上不能自动对中。前一个缺点已由高速铁路设计规范（TB10621-2009）解决，高速铁路最小曲线半径不低于2.8 km。独立旋转车轮大半径曲线导向问题已不重要，在3 km曲线半径上速度为300km/h时FCIRW转向架冲角数量级为10-2。在直线上，FCIRW具有自动复位功能，解决了纯独立旋转车轮自动对中问题。

4 结语

1）研究表明，要使轮对在直线上自动复位，纵向蠕滑力不需要太大；而在曲线上较小的纵向蠕滑力不足以提供导向作用，但可以从线路设计上解决。由于存在纵向蠕滑力，FCIRW具有刚体轮对在直线上自动复位的功能，解决了独立旋转车轮贴靠轨道一侧行驶的问题。

2）FCIRW转向架是无动力转向架，结构简单，可以改变高速列车都是动车组的单一形式。FCIRW具有独立旋转车轮的所有优点，轮距比刚性轮对好调节，易实现变轨距。

[1] 张洪,虞大联,马利军.高速列车中的动力学问题研究[J].机车电传动,2010(5):9-14.

[2] 张洪,杨国桢.关于客车转向架的脱轨和轮重减载问题[J].铁道车辆,2005,43(6):10-16.

[3] 沈钢,王福天.轮对蛇行失稳导致脱轨的机理研究[J].上海铁道大学学报,2000,21(8):1-6.

[4] 李芾,黄运华,傅茂海.车轮耦合方式发展及其导向机理[J].机车电传动,2006(2):1-4.

[5] 张丽平,李芾,黄运华.国外城市轻轨发展及应用概况[J].国外铁道车辆,2001,38(3):1-6.

[6] 刘晓宇.采用独立旋转车轮列车的导向性能研究[D].成都:西南交通大学,2015:1-20.

[7] KURZECK B,HECKMANN A.Mechatronic track guidance on disturbed track:the trade-off between actuator performance and wheel wear[J].Vehicle System Dynamics,2014,52(sup1):109-124.

[8] WINTER J.NextGeneration Train-NGTTakingcareof passengers[C]//Railway Interiorsexpo.DLR,2011.

[9] 王欢,戴焕云,池茂儒.国外100%低地板轻轨车辆发展概述[J].国外铁道车辆,2012,49(2):1-10.

[10]陈泽深.独立车轮转向架的导向原理[J].铁道机车车辆,1999(1):1-6.

[11]聂依照.轻轨车辆独立旋转车轮转向架导向技术研究[D].成都:西南交通大学,2015.

[12] 程迪,程海涛.CRH2动车组动力学性能分析[J].机车电传动,2010(3):18-21.

[13]PIOTROWSKI J.Kalker's algorithm Fastsim solves tangential contact problems with slip-dependent friction and friction anisotropy[J].Vehicle System Dynamics,2010,48(7):869-889.

[14]POLACH O.Curving and stability optimisation of locomotive bogies using interconnected wheelsets [J].Vehicle System Dynamics,2004,41:53-62.