高速自适应转向架主动径向动力学性能分析

冯永华，公衍军，田师峤，罗湘萍

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.同济大学，上海 200092)

为实现铁路高速化，修建新的高标准线路，加大轨道曲线半径，采用整体式道床等是最直接的途径。目前我国高速铁路“八纵八横”已初具规模，然而随着高速铁路网络密度的增加，与既有干线铁路网络的交织也愈发紧密，从而导致在某些区域修建高速铁路的必要性与经济性之间的矛盾日益尖锐。为满足我国全局运输网络的高效能、一体化发展需求，实现高速铁路与既有线路的跨线运行模式，提高列车对不同线路的适应性，采用具有自适应功能的转向架是有效途径之一。这种自适应体现在转向架既能保证在高速铁路上高速运行的稳定性，又能解决在既有小曲线线路上的轮轨磨耗问题。而传统采用被动悬挂的转向架无法满足自适应的要求，因此主动径向装置作为一种可以有效解决上述矛盾的技术，便运用在了自适应转向架上。

近年来轮对主动径向概念的提出为转向架的进一步发展提供了方向。Mei等[1-6]对转向架主动径向的控制策略进行了深入研究，对比了纯滚线控制、轮对摇头力矩控制、轮对相对摇头角控制3种不同控制策略下的径向效果。结果表明，3种控制模式均能大幅提高转向架的曲线通过性能，使轮对以较合理的姿态通过曲线，最佳地利用轮轨间的蠕滑力，减小轮轨磨耗。并且尝试将构架和轮对的摇头、横移解耦，采用模态控制器进行径向控制，简化了控制器的复杂度，亦取得不错的效果。沈钢[7-8]在国内率先进行了主动径向的理论研究，并初步设计了具备主动径向功能的转向架方案。近年来随着电子、液压、计算机等基础工业技术的进步，对主动径向系统研究也逐渐从理论转向工程实践。Matsumoto等[9-11]在车体和转向架构架之间布置了一个主动导向机构，当车辆通过曲线时，作动装置将转向架构架调整到转向架的径向导向位置，从而提高了转向架的曲线通过性能，同时还将主动径向技术与磨耗型踏面优化相结合，对主动径向转向架进行了多体动力学计算和滚动台试验，成果显著。Hur等[12-15]完成了适用于城轨车辆的主动径向系统理论研究、转向架比例模型验证、样机试制及线路试验，取得了较好的效果。田师峤等[16-18]研究了电液伺服作动器动态响应特性对主动径向功能的影响，并基于配备有主动径向功能的实物样车完成了不同径向率下的主动径向效果验证试验。

但上述工程研究均是针对运行速度较低的城轨车辆，无法满足设计时速超过300 km的高速动车组的运用需求。因此，本文基于标准动车组平台提出了一种适用于高速自适应转向架的主动径向装置。首先通过轴箱结构改造并合理布置作动器，设计了轴箱定位与主动径向功能集成的结构方案，分析了上述功能的实现原理并给出了方案的关键技术特征。随后建立了动力学联合仿真模型来分析自适应转向架的曲线通过性能。最后针对驱动液压缸可能出现的泄漏现象，分析了其对转向架运行稳定性的影响。

1 主动径向装置及一系悬挂方案设计

1.1 设计方案

图1为适用于自适应转向架的主动径向装置及一系悬挂方案三维结构。由图1可见，该方案包括轴箱体、悬挂元件、驱动液压缸(以下简称液压缸)、液压缸轴箱安装座及液压缸构架安装座等。在轴箱体靠近构架的内侧面设计液压缸轴箱安装座，用于连接液压缸。在构架下盖板对应位置设置液压缸构架安装座。液压缸两端有橡胶关节，通过轴箱安装座及构架安装座与轴箱体和构架相连。

1.构架侧梁；2.轴箱定位橡胶弹簧；3.液压缸构架安装座；4.驱动液压缸；5.液压缸自锁阀；6.液压缸轴箱安装座；7.轴箱体。

1.2 关键技术特征

图2为主动径向装置实现轴箱定位及主动径向功能的原理，由图2可知：

(1) 液压缸不动作时，由自锁阀实现被动自锁，此时其可作为纵向辅助拉杆进行辅助定位；

(2) 液压缸动作时，可驱动轴箱体绕顶端的轴箱定位橡胶弹簧偏摆从而进行轮对与转向架间的纵向位移调整。由于偏转点在顶端的轴箱定位橡胶弹簧附近，故由于偏转行为形成的纵向位移较小。在不考虑牵引力、制动力的前提下，液压缸动作时的外负载仅为顶端的轴箱定位橡胶弹簧及一系螺旋钢弹簧的悬挂纵向复原力。而一系螺旋钢弹簧的剪切刚度为较小值，其具体数值在后续给出。综上所述，采用此种液压缸参与轮对定位的主动径向模式，可以大大降低其动作时的输出力，有利于液压缸结构的小型化、轻量化。

由图2(a)可知，顶端的轴箱定位橡胶弹簧及液压缸轴箱安装座距离车轴中心线的距离分别为z1和z2，轴箱定位橡胶弹簧的纵向刚度为k1，液压缸两端橡胶关节的纵向刚度为k2，一系螺旋钢弹簧的纵向刚度为k3。为实现液压缸被动自锁时对轴箱体下摆行为的约束，z1、z2、k1、k2及轴箱的纵向定位刚度kpx应满足下式：

(1)

1.构架侧梁；2.轴箱定位橡胶弹簧；3.轴箱体；4.液压缸轴箱安装座；5.驱动液压缸；6液压缸构架安装座。

为保证转向架的运行稳定性，kpx=36 MN/m，k3=1 MN/m；由结构设计要求z1=280 mm，z2=70 mm。由式(1)可计算出k1=7 MN/m，k2=28 MN/m。

图2(b)为自适应转向架轴箱主动连接机构进行主动纵向位移调整时的工作原理。当液压缸动作时，可驱动轴箱体绕顶端的轴箱定位橡胶弹簧偏摆从而调整轮对与转向架间的纵向位移。当液压缸动作时，顶端轴箱定位橡胶弹簧处的纵向位移为x1，产生的悬挂反力为F1，轴箱中心线处纵向位移为x2，产生的悬挂反力为F2，液压缸动作位移为x3，液压缸输出力为F3。根据几何关系、受力关系并结合能量法可得下列方程：

(2)

为使转向架通过曲线时的磨耗最小，轴箱中心线的最优纵向位移如式(3)所示[20]：

(3)

式中：a——一系横向跨距之半；

b——转向架轴距之半；

R——曲线半径。

把各参数代入式(3)可求得液压缸动作位移x3为：

(4)

2 自适应转向架曲线通过性能分析

2.1 动力学模型

在SIMPACK&Simulink中建立具备主动径向功能的整车动力学模型，如图3所示。在SIMPACK中采用40号驱动铰模拟液压缸，其中该驱动铰的位移在Simulink中计算。其方法为：根据SIMPACK的仿真数据得到车辆的实时位置，Simulink结合线路数据库获取实时线路曲线半径R，再由式(4)计算出各液压缸的动作位移，并考虑液压缸响应滞后时间100 ms[21]，最后将液压缸的动作位移x3输入至SIMPACK中，形成如图3(b)所示的仿真闭环。

整车动力学模型关键仿真参数如表1所示。

结合转向架结构参数可计算出轮对处于径向位置时液压缸的动作位移x3=2.7 mm。再结合式(2)可求得无牵引力、制动力时的液压缸输出力F3=1.9 kN。

2.2 仿真结果分析

自适应转向架分别以被动模式(液压缸不动作)及主动径向模式(液压缸动作)通过曲线时液压缸输出力、轮对横移量、轮对冲角、轮轨横向力、轮对磨耗数如图4所示。由图4可知：

(1) 主动径向模式下，液压缸输出力约为2.1 kN，与计算的理论值较为接近，误差原因可能是在SIMPACK中，轮对轴箱具有6个自由度的运动，而理论计算中只考虑了纵向平移与旋转2个自由度；

(2) 主动径向模式下，导向轴轮对横移量由被动模式下的9.4 mm变为9.1 mm，跟从轴轮对横移量由被动模式下的-0.6 mm变为8.1 mm。即前后轴均朝外轨偏移至纯滚线附近，改变了被动模式下前后轮对以较大横移量通过曲线的姿态；

(3) 主动径向模式下，导向轴轮对冲角由被动模式下的8.0 mrad变为0.3 mrad，跟从轴轮对冲角由被动模式下的0.5 mrad变为0.3 mrad。导向轴轮对冲角大幅降低，跟从轴轮对亦处于小冲角状态。结合轮对横移量可知，主动径向模式下前后轮对均以较为理想姿态通过曲线；

(4) 主动径向模式下，导向轴轮对外侧轮轨横向力由被动模式下的23.0 kN降至10.8 kN，导向轴轮对内侧轮轨横向力由被动模式下的-8.9 kN降至-2.6 kN。导向轴内外侧轮轨横向力均大幅降低，由于主动径向功能对车辆垂向动力学性能几乎没有影响[20]，因此随着轮轨横向力的降低，轮轨脱轨系数也会降低，从而提高了曲线通过的安全性；

(5) 主动径向模式下，导向轴轮对磨耗数由被动模式下的174.8 N降至16.4 N，跟从轴轮对磨耗数由被动模式下的50.7 N降至3.7 N。导向轴与跟从轴的轮对磨耗数均大幅降低。

图4 自适应转向架以被动模式及主动径向模式通过曲线时各性能指标结果

图5为自适应转向架车辆通过不同半径的曲线时各性能指标结果。由图5可知，主动径向模式下自适应转向架的曲线通过性能相对于被动模式显著提高。

图5 自适应转向架车辆通过不同半径的曲线时各性能指标结果

3 主动径向装置对车辆运行稳定性的影响分析

3.1 液压缸泄漏对轴箱定位功能的影响

液压缸依靠油路的密封性实现自锁，进而保证轮对的纵向定位功能。但任何油路均无法做到长时间100%密封，液压油泄漏后可能在液压缸内部形成空腔。在空腔内，液压缸活塞杆可自由移动，最终导致轴箱在此范围内失去纵向定位刚度。当空腔形成后，液压缸提供的等效纵向定位刚度特性曲线如图6所示。本文利用上节所建立的SIMPACK动力学模型研究空腔长度Δx对车辆运行稳定性的影响。

图6 液压缸等效纵向定位刚度特性曲线

3.2 仿真结果分析

空腔长度Δx=0.25 mm时，轮对横移量随速度变化的典型曲线如图7所示。轮对横移量在速度为226.2 km/h时收敛，此速度即为车辆的非线性临界速度。

图7 轮对横移量随速度变化的典型曲线

不同液压缸内空腔长度下的车辆非线性临界速度计算结果如图8所示。

图8 不同液压缸内空腔长度下的车辆非线性临界速度

由图8可知：

(1) 液压缸内部无空腔时，可实现轮对的可靠定位，车辆非线性临界速度可达1 069 km/h，满足高速自适应转向架运行稳定性的需要。

(2) 随着空腔长度的增大，车辆非线性临界速度逐渐降低。空腔长度从0增大至0.25 mm时，非线性临界速度从1 069 km/h迅速降低至226.2 km/h，降幅高达78.8%，说明车辆的运行稳定性对空腔长度十分敏感。空腔长度从0.25 mm增大至2.5 mm时，车辆非线性临界速度从215.3 km/h缓慢降低至113.2 km/h。尤其当空腔长度大于1.5 mm后，车辆非线性临界速度逐渐趋近纵向定位刚度为0时的车辆非线性临界速度。说明空腔长度大于1.5 mm后，液压缸提供的纵向定位刚度几乎为0。

上述计算结果表明，在实际运用过程中，应严格避免液压缸内出现过大的空腔。

4 结论

(1) 设计了适用于自适应转向架的主动径向装置，该装置可同时满足轮对轴箱所需的定位功能，亦能实现曲线上轮对的主动径向功能。

(2) 建立了具备主动径向功能的整车联合仿真模型，对车辆通过曲线时的性能进行了计算。结果表明，主动径向模式下，轮对中心处于纯滚线附近，轮对冲角几乎为0，轮对以较好的姿态通过曲线，导向轴轮对内外侧轮轨横向力大幅降低，轮对磨耗数大幅降低，显著提高了转向架的曲线通过性能。

(3) 因驱动液压缸的油路无法做到长时间100%密封，导致液压缸被动自锁一定时间后油缸内部存在空腔，活塞杆在此空腔区域可以自由移动，从而使得轮对在此范围内失去纵向定位刚度。而车辆运行稳定性对空腔长度十分敏感：当空腔长度Δx=0.25 mm时，车辆非线性临界速度从1 069 km/h降至226.2 km/h，已无法满足高速运行稳定性；当Δx>1.5 mm时，液压缸提供的纵向定位刚度几乎为0。因此应严格避免使用过程中液压缸内出现过大的空腔。