罗湘萍 刘光辉

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海∥第一作者,副教授)

城市轨道交通车辆转向架柔性构架研究*

罗湘萍 刘光辉

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海∥第一作者,副教授)

针对转向架柔性构架技术进行了专题研究,分析了实现构架柔性的不同方式。提出了一种弹性铰接式双“T”型柔性构架方案,其扭曲刚度可低至0.03 kN/mm。采用Abaqus软件分析了电机悬挂方式和抗侧滚扭杆装置对柔性构架的干涉。仿真分析表明,基于双“T”型柔性构架平台的永磁直驱电机弹性悬挂,优选三点架悬方式;为降低抗侧滚扭杆装置对构架柔性的影响,抗侧滚扭杆装置的安装位置应尽量靠近构架纵向中心位置。

转向架; 柔性构架; 电机悬挂方式; 抗侧滚扭杆装置

传统的轨道交通车辆转向架普遍采用刚性构架。构架横梁和侧梁刚性固接在一起,仅依靠一系悬挂的柔度来缓和线路扭曲的影响。一系悬挂的柔度越大,其适应线路扭曲的能力越强。然而,基于一系一定柔度的前提下,若线路扭曲过大,则转向架的轮重减载率将超标。这将严重影响转向架运行的安全性,极大限制轨道交通车辆适应线路的能力。

对于采用直线电机的地铁车辆转向架,为降低簧下质量,直线电机宜采用架悬；受直线电机与感应板间气隙条件的限制,一系悬挂需设置较大的刚度。对于采用永磁直驱电机架悬的地铁车辆转向架,为满足轮对与空心轴间的空间变位能力,轮对和空心轴间需要留有一定间隙,且间隙的大小与空重车载重的变化量和一系悬挂的刚度有关:空重车载重变化越大,一系悬挂的刚度越小,所需间隙就越大。增大的间隙使得空心轴的尺寸增加,永磁电机的尺寸也会随之增加,但永磁电机的外部尺寸还受到转向架结构和车辆限界的限制。为降低空心轴和电机的尺寸,采用永磁直驱电机架悬的地铁车辆转向架拟将一系悬挂刚度设置得比现有转向架略高。但一系悬挂刚度的增大将会降低转向架对线路扭曲的适应能力。

为弥补和强化转向架适应线路扭曲的能力,提高列车通过曲线的安全性能,可通过改变构架的结构形式或构架采用高强度弹性材料等方式,突破传统刚性构架一系悬挂四点支撑的超静定约束受力,使得构架一系悬挂的四点支撑中的任何一点受到线路扭曲抬降时,另外三点支撑的载荷变化尽可能小。即减小线路扭曲带来的一系悬挂挠度变化,让构架自身也承担一部分的线路扭曲量。本文定义依靠自身结构来承担一部分线路扭曲量的构架称之为柔性构架。

1 现有柔性构架技术

国内外多家轨道交通车辆公司在此领域开展了柔性构架的技术研究。如某公司设计的柔性构架(见图1)采用了柔性横梁结构[1]。左右侧梁的中部通过4片钢板组成的柔性横梁固接在一起,从柔性横梁的端面看,4片钢板呈X形辐射状分布。该设计实现了左右侧梁间的无摩擦式柔性连接,便于左右刚性侧梁相对点头运动,以提高转向架对线路扭曲的适应能力。柔性横梁的扭转刚度可通过调整4块钢板的几何参数使其在满足强度前提下获得较小值。但该柔性横梁结构上很难设计电机安装座及齿轮箱吊座,因此无法实现电机、联轴器和齿轮箱驱动方案的集成设计。

日本川崎重工业公司开发了采用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)弹簧板的轨道交通车辆转向架“efWING”(见图2)。该新型转向架将侧梁和一系悬挂的功能整合到弓形CFRP弹簧板中,大大降低了其当量一系悬挂刚度,从而增强了其适应线路扭曲的能力。该新型转向架是未来轨道交通车辆转向架发展的一个方向,但受技术及成本的限制,现阶段仍无法推广使用。

德国西门子公司的Syntegra永磁直驱转向架(见图3)采用了柔性构架技术[2]。该柔性构架属于铰接式构架,将左右侧梁和横梁通过销铰连接而成,可实现左右侧梁相对于横梁无约束的反向点头,极大降低了构架的扭曲刚度,从而实现了构架的柔性功能。某公司设计的直线电机转向架(见图4)采用了“双T”型铰接式柔性构架[3],其铰接装置对角布置在构架横梁和侧梁连接处,使得构架左右侧梁具有柔性的连接点以适应线路的扭曲,提高构架承受线路扭曲的能力。但由于该构架铰接采用的橡胶关节装置横向刚度较小,不足以通过横梁来传递横向力,故需在构架两侧梁间增加中心辅助横梁来传递横向力。而这又使得结构过于复杂。

图1 X形柔性横梁构架

图2 川崎“efWING”转向架

图3 西门子Syntegra转向架

图4 铰接式直线电机转向架构架

为解决以上问题,本文设计了一种结构简单且能实现直驱电机架悬的弹性铰接式双“T”型柔性构架,并使用Abaqus软件分析了电机架悬和安装抗侧滚扭杆对柔性构架的干涉性。

2 柔性构架设计与扭曲刚度分析

柔性构架通过改变构架的结构形式或采用新材料等方式,使得构架一系悬挂四点支撑中的一点相对于其它三点形成的平面在垂直方向上可相对自由地运动。柔性构架刚度计算简图如图5所示。当构架的某一点支撑在轴颈中心位置处受到力F时,受载端产生δ的位移。构架的扭曲刚度即为产生单位位移的力,可用来评价构架的柔性效果。构架的扭曲刚度采用式(1)进行计算。

文献[4-5]也均采用式(1)的形式来定义构架的扭曲刚度。采用该定义计算扭曲刚度的数值时,可直接采用由有限元方法或试验得到的构架上对应于轴颈中心位置的垂向弹性变形,而不必再转换到扭转角位移。而且,该定义的单位与轴箱弹簧垂向刚度一致,便于计算刚度串联后轴箱弹簧和构架的变形分布[5]。

(1)

图5 构架扭曲刚度计算方法

柔性构架除应满足较低扭曲刚度要求之外,还应满足轨道交通车辆对构架的基本要求,为转向架各零部件提供安装基础,并承受和传递车体到轮对的垂向力、横向力和纵向力。柔性构架的设计将围绕上述要求展开,将构架横梁和侧梁解耦,把构架分解为两个或多个部件,并合理布置弹性铰接环节,使得构架左右侧梁具有相对自由扭转的能力,以实现构架的低扭曲刚度。

为满足柔性构架的各项要求,用于铰接式柔性构架的橡胶关节应具有扭转和偏转刚度低、径向和横向刚度大的特点。基于此原则,本文设计了一种新型的橡胶关节装置(见图6)。

图6 橡胶关节装置示意图

该橡胶关节装置主要由橡胶关节、铰接轴、安装座、端部螺栓、内外端盖和橡胶密封圈组成。铰接轴与构架横梁焊接连接。并通过端部螺栓和橡胶关节连接,安装座与构架侧梁焊接连接。橡胶关节的橡胶断面呈开口相对的双“U”型,不仅易于橡胶关节的偏转变形,保证其有较低的偏转刚度,而且,其“U”型边还增大了橡胶关节的径向和横向刚度。本文提出的两种不同铰接点布置形式铰接式柔性构架方案均采用此橡胶关节装置。

2.1 四点铰接式柔性构架

为实现构架的柔性,一种方案是采用4个橡胶关节将横梁与侧梁铰接(见图7),以充分利用橡胶关节扭转刚度和偏转刚度低、径向和横向刚度大的特性。该方案的箱形横梁既能承受电机座和齿轮箱吊座的悬臂扭矩,也能传递横向力和纵向力,较易实现驱动方案的集成设计。

图7 四点铰接式柔性构架

为分析构架的柔性效果,采用Abaqus软件建立了柔性构架的有限元模型。计算得到的构架扭曲刚度为2.01 kN/mm,和现有整体构架的扭曲刚度基本相同。经分析，橡胶件几乎没有偏转和扭转变形,仅为单一径向变形(见图8)；而橡胶件的径向刚度较大且径向变形能力有限。可见，该方案未能充分利用橡胶关节的特性,无法满足设计要求,故不能实现构架的柔性。

图8 构架受载的位移云图

2.2 “双T”型柔性构架

进一步分析四点铰接式构架可知,箱形横梁将4个橡胶关节装置约束在同一平面内,而且同一侧梁的2个橡胶关节装置跨开一定的距离,只能依靠橡胶关节微小的径向变形量来提供构架的扭曲刚度。因此,将箱形横梁替换为2根横梁圆管,解除箱形横梁对橡胶关节装置的过度约束,将橡胶关节装置对角布置在构架横梁和侧梁连接处而形成双“T”型柔性构架(见图9)。和图4的铰接式直线电机转向架构架相比较,本构架采用的橡胶关节装置可以传递横向力,因而不再需要中心辅助横梁,结构得到了简化。

图9 双“T”型柔性构架

同理建立双“T”型柔性构架的有限元模型进行计算,得到构架的扭曲刚度为0.03 kN/mm,抗菱刚度为3.56×103MN·mm/rad。构架受载的位移云图见图10-11。计算结果表明,双“T”型柔性构架的扭曲刚度仅为现有整体构架扭曲刚度的1/60,柔性效果十分明显,并能提供足够的抗菱刚度,其稳定性也未降低。

图10 双“T”型柔性构架扭曲位移云图

图11 双“T”型柔性构架抗菱位移云图

该双“T”型柔性构架充分利用了橡胶关节扭转和偏转刚度低,且径向和横向刚度大的特点。当构架受到扭曲载荷时,对角布置的2个橡胶关节出现较大的偏转变形,不再处于同一高度上。这使得该构架的扭曲刚度很低。当构架受到菱形变位载荷时,2个橡胶关节的偏转变形较小。由于橡胶关节径向和横向刚度大,因此,该构架具有较大的抗菱刚度。

3 电机架悬对构架柔性的影响

双“T”型柔性构架通过左右侧梁解耦的方式实现了构架的柔性,将构架由1个刚性平面结构变为通过橡胶关节连接的2个平面结构。构架是转向架其它零部件的安装基础,任何在柔性构架2个平面结构间建立连接关系的零部件均会对构架解耦产生影响,即对构架的柔性产生干涉效应。

永磁电机通过橡胶元件弹性架悬于构架上,需在2个“T”型框架间建立连接关系。为选择合适的电机架悬方式,利用Abaqus软件进行非线性有限元计算，得到电机不同架悬方式下构架扭曲刚度比较结果(见图12、图13及表1)。

图12 电机三点架悬下构架受扭位移云图

图13 电机四点架悬下构架受扭位移云图

表1 双“T”型构架扭曲刚度计算结果对比表

由表1可知,永磁电机弹性架悬于构架会对双“T”型构架的柔性产生干涉。永磁电机三点架悬时的干涉程度较低;永磁电机四点架悬时的干涉程度很高。因此基于双“T”型柔性构架平台的永磁电机悬挂,应选择三点弹性架悬方式。

4 抗侧滚扭杆装置对构架柔性的影响

由于抗侧滚扭杆装置利用金属弹性杆发生扭转变形时提供的反力矩,来抑制车辆的侧滚振动,同时又不影响车辆的伸缩、横摆、点头、摇头及沉浮等振动,因此，其在轨道交通车辆上得到广泛应用。抗侧滚扭杆装置布置在构架和车体之间,而构架左右侧梁通过车体建立了连接关系。这势必将对柔性构架扭曲形成干涉。

抗侧滚扭杆装置主要由连杆、扭臂、扭杆、安装座和橡胶球关节等组成。由于双“T”型柔性构架的2根横梁管端部对角布置有橡胶铰接关节装置,故扭杆无法采用贯穿横梁管的安装方式。基于轨道交通车辆限界的考虑,选择车体安装扭杆的方式。

4.1 扭杆抗侧滚刚度对构架柔性的影响

通常扭杆为圆柱体，其扭转刚度为:

(2)

式中:

T——扭杆所受扭矩载荷;

φ——扭杆两端相对转角;

G——材料的剪切模量;

μ——材料的泊松比;

E——材料的弹性模量;

Ip——极惯性矩;

L——扭杆的有效工作长度;

R——扭杆的半径。

扭杆对车体的抗侧滚刚度为:

(3)

式中:

b——扭杆安装座横向跨距;

a——扭臂长度。

建立扭杆关联柔性构架与车体的有限元计算模型如图14所示。在不改变扭杆连杆连接于侧梁纵向位置的情况下,分别计算扭杆不同抗侧滚刚度下构架的扭曲刚度。计算结果见表2。

图14 柔性构架有限元计算模型

表2 扭杆不同刚度下构架扭曲刚度计算结果

由表2可知,抗侧滚扭杆装置对柔性构架扭曲刚度有一定的影响。且抗侧滚刚度越大,对柔性构架扭曲刚度的影响也越大。因此抗侧滚刚度不宜设置过大。

4.2 扭杆安装位置对构架柔性的影响

在不改变扭杆抗侧滚刚度的情况下,分别计算连杆距构架中心不同纵向距离时构架的扭曲刚度。计算结果见表3。

由表3可知,扭杆的安装位置对柔性构架扭曲刚度有一定的影响。连杆距构架中心纵向距离越大,对柔性构架扭曲刚度的影响也越大,因此扭杆应尽可能趋于构架中心安装。

表3 扭杆不同安装位置下构架扭曲刚度计算结果

5 结论

本文所设计的弹性铰接式柔性构架扭曲刚度可低至0.03 kN/mm,其抗菱刚度也能维持较大值,且具有结构简单、安全可靠、维护方便等优点。

通过仿真计算分析电机悬挂方式、抗侧滚扭杆装置的抗侧滚刚度和安装位置等对构架柔性的影响,得出以下结论:

(1) 基于双“T”型柔性构架平台的永磁电机悬挂,应选择三点架悬方式。

(2) 扭杆的抗侧滚刚度对构架柔性有一定影响,在满足动力学性能和限界的前提下尽可能选择较小值。

(3) 为降低抗侧滚扭杆装置安装位置对构架柔性的影响,扭杆应尽可能趋于构架中心安装。

[1] 楚永萍,唐永明,冯遵委,等.轨道车辆柔性转向架:201210237379.9[P].2013-03-20.

[2] STEIMEL A.Power-electronics issue of modern electric railway systems[J].Advances in Electrical & Computer Engineering,2010,10(2):3-10.

[3] 龚明,宋晓文,李言义,等.铰接构架直线电机转向架:200810089229.1[P].2009-10-28.

[4] 宋烨,邬平波,贾璐.扭转刚度测试方法及对构架疲劳强度影响[J].机械工程学报,2015(20):164-170.

[5] 安琪.高速动车组转向架柔性构架动态特性研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[6] 赵洪伦.轨道车辆结构与设计[M].北京:中国铁道出版社,2009.

On the Flexible Frame of Urban Mass Transit Vehicle Bogie

LUO Xiangping, LIU Guanghui

Flexible bogie frame technology is studied additionally, the different ways to realize the flexibility of bogie frame are analyzed. An elastic articulated double "T" flexible bogie frame is proposed, the torsional stiffness of which could be lowed to 0.03 kN/mm. Then, Abaqus software is used to analyze the interference of the motor suspension mode and the anti-roll torsion bar on flexible bogie frame. Simulation results show that the direct-driven permanent magnet motor flexibly suspension based on double "T" flexible bogie frame platform prefers three point suspension. In order to reduce the influence of the anti-roll torsion bar on the flexible bogie frame,the installation position of the anti-roll bar should be as close as possible to the longitudinal center of the bogie frame.

bogie; flexible frame; motor suspension mode; anti-roll torsion bar

Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

*国家科技支撑计划项目(2015BAG12B01-21)

U 270.331

10.16037/j.1007-869x.2017.03.004

2016-06-22)