城市轨道交通车辆转向架双T型铰接式柔性构架动力学特性仿真研究
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摘要：现阶段，随着城市人口密集程度加大，空间条件限制了城市轨道交通线路缓和曲线的长度，从而加剧了现有城市轨道交通线路的扭曲程度。由于城市轨道交通车辆具有较大空重车变化，为控制车辆地板面高度，需设置较大的一系竖向刚度。而传统刚性构架仅依靠一系悬挂适应线路扭曲，在一系竖向刚度较大且无法进一步减小的前提下，其适应线路扭曲的能力受限。当车辆通过大扭曲线路时，轮重减载率超标，行车安全难以得到保障。近年来，柔性构架技术成为解决上述矛盾的一种有效途径。业界针对柔性构架主要有以下几种设计方法：①用强度大、刚度低的新型材料制作纵梁；②改变横梁结构形式；③左右侧梁解耦，采用铰接式连接。本文涉及的柔性构架方案将整体H型构架解耦成雙T型构架。但此种结构形式不可避免地改变了同一构架前后轮对间的耦合关系，故其对车辆运行稳定性的影响有待研究。
关键词：城市轨道交通车辆；转向架双T型铰接式；柔性构架动力学；特性仿真研究
引言
基于城市轨道交通车辆转向架双T型铰接式柔性构架方案，进行了与其相关的动力学特性仿真研究。通过建立柔性构架的仿真模型，分析柔性构架对扭曲线路的适应性及运行稳定性，研究了铰接橡胶节点刚度对动力学特性的影响。结果表明，相较传统刚性构架，所述柔性构架在具有较高线路扭曲适应性的同时，其运行稳定性并未明显降低。验证了该方案的可行性，并为其工程化运用提供了参考。
1双T型铰接式柔性构架方案及其仿真模型
所述的柔性构架方案需具备以下技术特征：①较低的扭转刚度，保证车辆具有足够的曲线通过安全性；②较高的抗菱刚度，保证车辆具有较好的运行稳定性；③承受和传递车体到轮对的竖向力、横向力和纵向力。根据上述要求，提出一种双T型铰接式柔性构架方案。横梁管一端与侧梁刚性连接，形成T型结构，另一端与另一T型结构的侧梁通过橡胶关节连接。两T型构架通过两个橡胶关节铰接成H型构架。该方案通过合理布置弹性铰接环节将左右T型构架解耦，使构架左、右侧梁具有相对自由扭曲的能力，从而降低构架扭曲刚度。本文一系列动力学特性研究均基于此方案开展。橡胶关节提供了其铰接轴相对于侧梁的各向刚度，所述橡胶关节具有扭转及偏转刚度低、轴向及径向刚度大的特点。
2柔性构架对扭曲线路的适应性
2.1柔性转向架的扭曲刚度
柔性转向架整体的扭曲刚度由一系悬挂竖向刚度、橡胶节点的扭转及偏转刚度共同确定。当橡胶节点扭转、偏转刚度减小直至趋于零时，转向架整体扭曲刚度随之减小直至为零；而当橡胶节点扭转、偏转刚度增大直至趋于无穷大时，转向架整体扭曲刚度也随之增大直至与传统H型构架趋于一致。此外，对于柔性构架，橡胶结点的加入可等效看成在一系悬挂上串联了某一刚度的弹簧，进而显著降低总体扭曲刚度。根据上述分析可知，柔性转向架不再仅依靠一系悬挂适应线路扭曲，故柔性构架方案可在理论上显著提高转向架扭曲线路适应能力。
2.2柔性构架的线路扭曲适应性
分析柔性构架对扭曲线路的适应性时，以EN14363：2005中规定的分析线路扭曲时的轨道参数为基础，设置一系列具有不同扭曲率的仿真线路。曲线半径为150m，超高45mm，中间包含一段长度为d、扭曲率为0.09/d的超高变化区段，直至超高变为-45mm。整段曲线前后各有一段长为30m的直线线路，线路的缓和曲线长度为20m，圆曲线长度为110m，超高变化点前后的圆曲线长度为（55m-d/2），出缓和曲线长度为20m。车辆通过速度为10km/h。则通过改变超高变化区段d的长度，可得到具有不同扭曲率的线路，以此分析柔性构架对线路扭曲的适应能力。相较传统刚性构架，柔性构架在车辆通过扭曲线路时具有较小的轮重减载率，且随线路扭曲率增大，该方案的优势愈发明显；当线路扭曲率为5‰时，刚性构架的轮重减载率达到限值，而此时柔性构架的轮重减载率仍有一定余量。因此，柔性构架方案对扭曲线路的适应性优于传统刚性构架。传统刚性构架仅依靠一系悬挂适应线路扭曲，而采取柔性构架方案后，转向架适应扭曲线路的能力对一系刚度的依赖度将显著降低。故需研究当一系悬挂变形能力不足时，刚、柔性构架的扭曲线路适应性。线路扭曲率为3‰的条件下，仅改变一系竖向刚度所得最大轮重减载率。横轴一系竖向刚度比例系数为仿真计算中所取一系竖向刚度值与方案设计值之比。相较传统刚性构架，柔性构架方案在车辆通过相同扭曲率的线路时具有较小的轮重减载率，且随一系竖向刚度增大，该方案的优势愈发明显。由此说明，对于某些要求具有较大一系竖向刚度的转向架，采用柔性构架方案仍可使其具备较好的扭曲线路适应能力。
2.3橡胶节点刚度对构架线路扭曲适应能力的影响
转向架整体的扭曲刚度与橡胶节点的扭转及偏转刚度有关，而其大小对转向架线路扭曲适应能力的影响仍需作进一步的研究。横轴刚度比例系数为仿真计算中所取橡胶节点各项刚度值与方案设计值之比。结果表明，在一定变化范围内，轮重减载率随橡胶节点扭转及偏转的提高虽略有增大，但上升幅度仅限于0.01的小范围内。因此，在该方案的工程化运用过程中，转向架对线路扭曲的适应性能并非制约橡胶节点刚度设计及优化的关键环节。
3柔性构架对车辆运行稳定性的影响
3.1柔性构架的车辆运行稳定性
柔性构架方案将整体H型构架解耦为左右双T型构架，使得左右构架具有相对纵向自由度，亦在一定程度上改变了同转向架两轮对间的耦合关系，故可能对车辆运行稳定性产生不利影响。因此，需计算所述柔性构架方案的非线性临界速度，并进一步与传统刚性构架进行对比分析。计算模型采用无不平顺的平直R60轨道及LMA磨耗型踏面。经计算，刚性构架的非线性临界速度为150km/h，柔性构架的非线性临界速度为152km/h。可见，相较刚性构架，橡胶结点的加入并未降低转向架的稳定性。
3.2橡胶节点刚度对车辆运行稳定性的影响
橡胶节点的径向刚度将对转向架整体抗剪刚度产生影响，进而影响车辆运行稳定性。当橡胶节点的径向刚度为8MN/m时，车辆具有最优的运行稳定性；而进一步增大橡胶节点径向刚度，对车辆运行稳定性影响不大。故为确保满足转向架运行稳定性的需求，橡胶节点的径向刚度应不低于8MN/m。
结语
（1）双T型铰接式柔性构架可提高车辆适应线路扭曲的能力，且该优势随线路扭曲程度增大愈发明显。（2）对于某些要求具有较大一系竖向刚度的转向架，采用柔性构架方案仍可使其具备较好的扭曲线路适应能力。（3）铰接橡胶节点刚度对车辆线路扭曲适应能力无显著影响，线路扭曲的适应能力并非制约橡胶节点刚度设计及优化的关键环节。（4）双T型铰接式柔性构架对车辆运行稳定性不会造成明显不利的影响。（5）考虑满足转向架运行稳定性的需求，橡胶节点的径向刚度不应低于8MN/m。上述仿真成果验证了双T型铰接式柔性构架的有效性及安全性，并可为其工程化运用提供一定参考。
参考文献
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（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）
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