抗侧滚扭杆对轨道车辆抗侧滚性能的影响研究

抗侧滚扭杆对轨道车辆抗侧滚性能的影响研究 抗侧滚扭杆对轨道车辆抗侧滚性能的影响 研究 第3O卷第5期 2007年9月20日 电力机车与城轨车辆 EkctricLocomotives&MassTransitVehicles V01.3ONo.5 Sept.20th,2007 ?研究开发? 抗侧滚扭杆对轨道车辆抗侧滚性能的 影响研究 段华东 (中国南车集团株洲电力机车有限公司,湖南株洲412001) 摘要:抗侧滚扭杆主要用来增加车辆的抗侧滚刚度.文章建立车辆的抗侧滚动力学模型,介绍车辆抗侧滚性能的评 判方法,并着重分析和计算了扭杆对车辆侧滚角度,柔性系数,倾覆系数,浮心高度的影响. 关键词:抗侧滚扭杆;轨道车辆;抗侧滚性能;刚度 中图分类号:U260.331+6文献标识码:A文章编号:1672—1187(2o07)05—0014—03 Astudyoftheimpactonanti-rollperformof railwayvehiclebyanti-rollbar DUANHua—dong (CSRZhuzhouElectricLocomotiveCo.,Ltd.,Zhuzhon412001,China) Abstract:Anti-rollbarismountedtoenhancethestiffnessofvehicles.Thispaperbuildsdynamicmodelo fanti-rollbar,and introducessomewaysofvaluatinganti-rollperform.Thispaperanalyzesandcalculatestheimpactonroll angle,flexibilitycoefficient, rollcoefficient,heightofbuoyancycenterofvehiclesbyanti—rollbaremphatically. Keywords:anti-rollbar;railwayvehicle;anti-rollperform;stiffness 随着对轨道车辆的运行平稳性和旅客舒适性要求越 来越高,车辆的抗侧滚性能也得大力提高,其主要措施就 是增加转向架二系悬挂的抗侧滚刚度.研究表明,二系悬 挂的抗侧滚刚度主要取决于二系弹簧的垂向刚度和横向 间距.其发展最初是以降低二系弹簧的垂向刚度,同时增 加二系弹簧的横向间距来保持车辆抗侧滚刚度不变;后 来随着轨道车辆的逐步提速,采用了大挠度和低垂向刚 度的空气弹簧以改善车辆的运行平稳性,但是受转向架 结构和车辆限界的限制,再也不能靠增加空气弹簧的横 向间距来保证车辆的抗侧滚性能,只能通过外侧悬挂来 增加车辆的抗侧滚刚度,其通常采用的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 就是安装抗 侧滚扭杆.抗侧滚扭杆避免了对车辆伸缩,横摆,点头,摇 头及浮沉等振动的动力学影响,只抑制车辆的侧滚振动. 实践运用证明抗侧滚扭杆不仅可减缓车体侧滚振动,而 且还能起到限制车体向上产生过大位移的安全作用. 抗侧滚扭杆主要包括扭杆,杠杆和连杆.整个装置中 扭杆是主要受力件,车体侧滚时,弹性扭杆因承受扭矩而 发生扭转变形.扭杆的作用就是提供抗扭转反力矩抵抗 车体的侧滚,从而减小车体侧滚倾角,提高车辆的倾覆安 全性.本文建立了车辆的抗侧滚动力学模型,介绍了车辆 抗侧滚性能的评判方法,并着重分析和计算了扭杆对车 辆侧滚角度,柔性系数,倾覆系数,浮心高度的影响. 1建立抗侧滚动力学模型 轨道车辆一般采用一系和二系悬挂系统,其抗侧滚 刚度主要由一系和二系抗侧滚刚度组成.图1是带有抗 侧滚扭杆的车辆抗侧滚动力学模型,它由单节车的车体 和前后两个转向架组成.实际上车体质量腹远大于转向 架构架质量眠,二系悬挂垂向刚度也均小于一系悬挂垂 向刚度,当车辆载荷变化时,二系悬挂的垂向位移变化就 会相对柔和,这样可有效减缓车辆的垂向振动.但是车辆 受外力作用车体发生侧滚振动时,因为二系弹簧的抗侧 滚刚度太小,会使车体与转向架的两侧产生足够大的 高度差,这种高度差会导致车辆超出动态包络线许可的 收稿日期:2007一Ol—l5 作者简介:段华东,2005年获南京航空航天大学机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及理论专业硕士学位,现从事轨道 车辆转向架设计工作. 一 14— 段华东?抗侧滚扭杆对轨道车辆抗侧滚性能的影响研究?2007年第5期 运动范围,车辆甚至有倾覆的危险.在车体和转向架之间 安装抗侧滚扭杆后,扭杆的抗侧滚刚度K可显着增加二 系悬挂的抗侧滚刚度.并且不会对二系悬挂的纵向,横向 和垂向刚度产生影响.因此安装抗侧滚扭杆是提高车辆 抗侧滚性能的有效方案. 图1车辆的抗侧滚动力学模型 2抗侧滚刚度 车辆的抗侧滚刚度是车体侧滚单位角度所需的力 矩,常用单位是MN?m/rad.分析图1模型可得以下结 论:1)车辆的抗侧滚刚度由前后两个转向架的抗侧滚刚 度并联得到;2)转向架的抗侧滚刚度由一系弹簧的抗侧 滚刚度K和二系弹簧的抗侧滚刚度K串联得到;3)抗 侧滚扭杆的抗侧滚刚度K是与二系弹簧的抗侧滚刚度 并联的,因此能够增加二系弹簧的抗侧滚刚度,从而增加 车辆的抗侧滚刚度. 转向架二系弹簧的抗侧滚刚度由下面 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 得到: 2 K2=2b2C2 式中:为二系弹簧的垂向刚度;6为二系弹簧横向跨距 的一半. 扭杆的刚度由扭杆本身的扭转刚度K和扭杆的抗侧 滚刚度组成,其中扭杆的抗侧滚刚度起决定作用.扭杆的 抗侧滚刚度由下列公式得到: K=K/z;K=叮rdG/32L(考虑等截面扭杆) 式中:G为剪切弹性模数;为扭杆的名义长度;z为杠杆 有效长度;d为扭杆直径;为扭杆有效长度. 由上述公式可知增加二系弹簧的垂向刚度和横向跨 距,增加扭杆的名义长度,增加扭杆直径,减小扭杆有效长 度,减小杠杆有效长度都能增加二系悬挂的抗侧滚刚度. 3抗侧滚性能的评判方法 车辆在侧向力作用下会发生一定程度的侧滚 振动,此时车辆的抗侧滚刚度越大,车辆的侧滚角 就越小.侧向力包括未平衡的离心力和风力,离心 力在曲线区段或侧向通过道岔时产生,风力则在 任何区段上都可能产生.通常认为离心力和风力 在同一方向达到最大值时是最不利的情况,并采 用这种情况来评判车辆的抗侧滚性能是否足够. 对车辆的抗侧滚性能评判通常没有严格的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和要 求.在国内,主要运用倾覆系数来评判车辆的抗侧滚性 能;在国外,则是通过柔性系数和浮心高度来分析车辆的 抗侧滚性能.在此除了结合国内国外的评判方法外,还引 入侧滚角度来评判车辆的抗侧滚性能.下面将通过计算 和分析来研究抗侧滚扭杆对车辆侧滚角度,柔性系数 .s,倾覆系数D,浮心高度日的影响. 4扭杆对抗侧滚性能的影响 4.1扭杆对侧滚角度的影响 通过对车辆的抗侧滚动力学模型分析可知:提高车 辆抗侧滚性能的实质就是要控制车体的侧滚角度,因 此侧滚角度能很好地评定车辆的抗侧滚性能.轨道车辆 通过曲线和道岔时,由于各种力的作用,车体的侧滚角度 会越大,这样不仅会对人体舒适性产生不良影响,而且会 导致车辆的倾覆.前面介绍过抗侧滚扭杆能减小侧滚角 度,下面的计算能很好地证明这一点. 1)某型转向架以53km/h速度侧向通过12号道岔 时: 有抗侧滚扭杆=?0.707.; 无抗侧滚扭杆=?1.654.. 2)该型转向架以150km/h速度通过R=1500m,超 高h=100mm曲线时: 有抗侧滚扭杆=?0.388.; 无抗侧滚扭杆=?1.251.. 3)该型转向架以高速 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 未平衡离心力达到0.1g, 侧向风力达到540N/m,当离心力和风力同时作用时: 有抗侧滚扭杆=?2.55.; 无抗侧滚扭杆=?5.32.. 1),2)的计算只考虑离心力的静态计算,未考虑风力 及动态响应,如考虑动态响应其侧滚角度也将相应增加; 1),2)和3)的计算结果表明,抗侧滚扭杆的安装能大幅 度减小车体的侧滚角度. 4.2扭杆对柔性系数的影响 根据UIC505—5标准,车辆静止停在超高角度为6的 线路上时,车辆横断面中心线与线路横断面上垂直于轨 平面中心线之间的夹角与6的比值.s不得大于0.4,欧 洲的高速列车柔性系数均小于0.3. 装有抗侧滚扭杆的车辆柔性系数计算公式为: 一 2C12 + 2C12 + 等凡216,6b,L 卅 公式中各符号的定义见表1,表1还列出了该型转向 电力机车与城轨车辆?2007年第5期 架的参数数值. 表1某型转向架的基本参数 计算结果如下: 有抗侧滚扭杆S=0.055; 无抗侧滚扭杆S=0.218. 还计算了另外一型转向架的柔性系数,结果如下: 有抗侧滚扭杆S=0.148; 无抗侧滚扭杆S=0.397. 显而易见安装了抗侧滚扭杆后,车辆的柔性系数大 为减少. 4_3扭杆对倾覆系数的影响 倾覆系数D也是评定轨道车辆抗侧滚性能的一项动 力学性能指标.车辆在曲线上运行时,由于离心力,风力, 线路超高引起的重力横向分量以及横向振动惯性力等作 用,车辆的一侧车轮减载,另一侧车轮加载.通常当各种 横向力在最不利作用时,车辆一侧车轮与钢轨之间的垂 向作用力减少为零时车辆发生倾覆. 在GB5599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴 定规范》中倾覆系数D有具体定义,设转向架左车轮的载 荷为P2,右车轮的载荷为只,则D的计算公式为: D—P P 2-PI 根据公式分析:当右车轮失载(只=0)时,倾覆系数 D=I.车辆处在倾覆的临界状态.为确保车辆抗倾覆的安 全性.GB5599—85规定倾覆系数D应小于0.8. 1)当转向架以53km/h速度通过12号道岔时: 有抗侧滚扭杆D=0.7996<0.8; 无抗侧滚扭杆D=0.8656>0.8. 2)当转向架以80km/h速度通过R=I500m,超高 h=70mm曲线时: 一 16一 有抗侧滚扭杆D=0.4996<0.8; 无抗侧滚扭杆D=0.8024>0.8. 计算结果显示,该型转向架如果没有安装抗侧滚扭 杆,其倾覆系数D超过了标准规定的0.8要求,抗倾覆安 全f生不合格;如果安装抗侧滚扭杆,则能满足标准要求. 4.4扭杆对浮心高度的影响 浮心高度是前苏联仿照船舶浮心理论建立的一种 车体在弹簧上抗倾覆稳定性的评定方法.若令为车体 浮心高度,为车体重心高度,当H>Hc时车体具有抗 倾覆稳定性;<no时车体丧失了抗倾覆稳定性;= 时为稳定和失稳的临界状态.对于两系悬挂车辆,为确 保车辆在弹簧上具有足够的抗倾覆稳定性,如果车辆安 装了抗侧滚扭杆,则规定: - H>2m 其中Hm:?!. (2c2+46:c1)M2g 由公式可见,增加一,二系弹簧的垂向刚度和横向跨 距均可增加浮心高度,同样增加抗侧滚扭杆也可增加浮 心高度.下面以某型转向架为例计算浮心高度: 有抗侧滚扭杆H=4.63m; 无抗侧滚扭杆H=3.6m. 由此可见,增加抗侧滚扭杆可增加浮心高度,从而加 强车辆的抗倾覆稳定性. 5结束语 上述研究表明,安装抗侧滚扭杆对侧滚角度,柔性系 数,倾覆系数,浮心高度等各项动力学性能指标都有较大 影响:安装抗侧滚扭杆后,侧滚角度减少了40%,60%, 柔性系数减少了60%以上,倾覆系数减少了8%以上;浮 心高度增加了大约30%,这些都证明了抗侧滚扭杆能显 着提高车辆的动力学性能尤其是抗侧滚性能. 参考文献: 【1】严隽耄.车辆工程【M】.北京:中国铁道出版社,1999. 【2】周若湘,匡若华.抗侧滚扭杆装置在城市轨道车辆中的应用叨.城 市轨道车辆,2001(12). 【3】姜建东,付茂海,李芾.客车转向架抗侧滚扭杆装置特性分析【J】.铁 道机车车辆,2004(5). [4】UIC505—5OI一1977,规程505—1,5O5_4,通用基础条件,注释及其 规定【S】. 【5】GB5599—85,铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[s】.