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1、摘 要:根据杭侧滚扭杆装置扭转原理，对地铁车辆抗侧滚扭杆进行了结构设计和计算，并建立了抗侧滚扭杆动力学模型。当车辆以 80km/h运行时，分析了杭侧滚扭杆装置对横向平稳性、垂向平稳性、脱杭系数、倾覆系数、柔性系数、浮心高度的影响关键词:轨道车辆;抗侧滚扭杆;设计;动力学性能 1抗侧滚扭杆装置结构设计和计算 抗侧滚扭杆装置主要由扭杆、扭臂、可调节连杆和橡胶金属球铰关节等零部件组成!。可调节扭杆通过橡胶轴承连于车体上，而扭杆和扭臂为过盈配合连接，扭臂与可调节连杆通过橡胶球关节连接，可调节连杆和转向架构架通过橡胶球关节铰接。如图1所示。1.1工作原理 当转向架左右弹簧发生相反方向的垂直位移时，即当车
2、体侧滚时，水平放置的2个扭杆臂相对扭杆分别有l个相反的力和力矩作用，使弹性扭杆承受扭矩而产生扭转变形，起扭杆弹簧作用。扭杆弹簧的反扭矩，总是与车体产生侧滚角位移的方向相反，以约束车体的侧滚运动。当左右2个弹簧为同方向垂直位移时(即车体垂向平动时)，因扭杆两端为转轴同轴承支承，两扭臂只使扭杆产生同向转动，而不发生扭杆弹簧作用，不影响车体的浮动、横摆等振动，即不影响中央悬挂装置的中央弹簧的柔软弹J胜，如图2所示。 在车辆转向架抗侧滚扭杆装置中，主要有2个受力部件，即扭杆和扭臂二扭杆主要产生抗扭杆力矩来抑制车辆的侧滚运动，减小车体侧滚角，从而提高车辆的抗侧滚性能;扭臂主要传递扭杆力矩在球关节轴向上满
3、足一定旋转角度的要求下，当车体相对转向架产生横向、纵向和垂向上的运动时，可通过调节可调节连杆两端的橡胶金属球关节的各向运动来满足其运动。在可调节扭杆的两端设置了橡胶轴承，主要用来支承扭杆装置，由于自身的弹性变形可起隔振、缓冲并可满足扭杆一定量的位移要求。1.2结构设计 根据车辆通过曲线和道岔的计算，抗侧滚扭杆的刚度由扭杆的刚度和安装侧滚扭杆后车体增加的狈幼滚刚度。由于抗侧滚扭杆受力沿截面径向递减，设计成空心虽能减少重量，但会使扭力矩增大_因此，在设计中尽量将扭杆设计成等截面实心圆杆，扭杆的计算刚度可由以下公式得出: 式中:br为扭杆的名义长度;Kr为扭杆的扭转刚度;l为扭臂的有效长度;b为扭杆
4、有效长度;G为材料剪切弹性模量;d为等截面实心圆杆直径。 由上式公式可知，扭杆的刚度与扭杆名义长度成正比，与扭杆有效长度成反比。因此扭杆长度越长，扭杆的侧滚刚度越大。抗侧滚扭杆最佳刚度如何选取，应根据车辆结构及车体重心高低、运行速度、转向架结构及悬挂参数、线路条件以及通过道岔型号等诸多因素来选取。抗侧滚扭杆的扭杆刚度一般为1.5一 2MNm/rad。1.3扭杆 作为一个主要受力杆件，扭杆利用扭杆的扭转弹性变形起到弹簧作用，以增加车辆的侧滚刚度。扭杆一般采用优质合金钢或者热轧弹簧钢，如42CrMo38CrMnALA，40CrNiMoA，45CrNIMoVA，5OCrVA等。如何选取扭杆材质，则根
5、据转向架结构及悬挂参数、运行速度、线路条件等因素综合考虑。1.4扭杆和扭臂的连接方式 扭杆和扭臂的连接方式主要有2种，即圆柱面过盈连接配合和圆锥面过盈连接配合。前者结构简单，加工方便，不宜多次拆装。后者是利用包容件和被包容件相对轴向位移压紧获得过盈配合，利用液压装人和拆下，压合距离短，装拆方便，装拆时结合面不易擦伤，但结合面加工不便。 2抗侧滚扭杆对车辆动力学性能的影响2.1建立抗侧滚动力学模型 本文中的地铁车辆动力学模型为l个车体C、2个转向架B、4个轮对W组成。构架和轮对之间通过一系悬挂连接，由叠层橡胶弹簧定位，构架和转向架通过二系悬挂连接。二系悬挂由2个横向布置的空气弹簧、l个抗侧滚扭杆
6、、1个横向减震器、l个横向止档组成。模型中轮轨蠕滑率用kalker简化理论进行计算，其中轨距为 1435mm，轮对采用LM磨耗型踏面。建立车辆系统的动力学模型时，充分考虑了轮轨非线性蠕滑、轮轨踏面和轨面间非线性轮轨接触几何关系以及二系横向止档的非线性。 如图3为为抗侧滚扭杆动力学模型。整个车体的侧滚刚度由一系悬挂刚度Kl和二系悬挂刚度K2串联而成，K2由二系空气弹簧K2和抗侧滚扭杆Kt并联而成，则此车体的侧滚刚度可由下K=k1+(k2-1+kt-1)得出。2.2平稳性指标 平稳性指标作为国际上广泛来评价车辆运行性能的重要方法，不仅受车辆本身限制，还与乘客对振动环境的敏感度有关，在国内主要用Sp
7、erling平稳性指标来评价车辆运行的平稳性等级2。通常采用美国五级线路谱作为轨道输人扰来计算平稳性指标。在建立好抗侧滚扭杆动力学模型后，为使车辆的实际动态响应效果能够较完整的反映，车辆先在一段50m无激扰直线轨道上运行。当车辆以恒定速度运行时，从车辆运行50m后开始取值来计算平稳性指标，GB5599一85规定了平稳性指标计算方法和计算采样点。当车辆以80km/h在直线上运行时，抗侧滚扭杆刚度对车辆横向平稳性和垂向平稳性影响如图4所示。 由图4可知，是否安装抗侧滚扭杆装置对车辆平稳性影响比较大，可抗侧滚扭杆刚度对平稳性影响不大，安装抗侧滚扭杆并不能改善车辆的横向平稳性和垂向平稳性。因此，为了简
8、化转向架的结构设计以及维修成本，越来越多的城轨车辆尤其是地铁车辆可考虑是否安装抗侧滚扭杆装置。2.3柔度系数 在轨面超高为D的线路上，一静止车辆悬挂上倾斜的车体与线路轨平面垂线间形成夹角为占，角与线路超高角n之间的比值为柔度系数3，即s=/n，可用计算或实测求得柔度系数。对于地铁车辆模型来说，可考虑运行状态。柔度系数不仅影响车辆抗侧滚性能，也影响着车辆的动态限界。UIC505一5规定，s应不大于0.4，欧洲S小于0.3。曲线设置为直线段50m+进缓和曲线30m+圆曲线120m+出缓和曲线30m十直线段50m组成，曲线超高80mm，圆曲线半径为500mm，曲线全长 1000m，顺坡率为2%。 经
9、过动力学仿真(动力学分析软件sIMPACK)计算得到如图5所示结果:安装抗侧滚扭杆后，柔度系数Smax=0.15;未安装抗侧滚扭杆，柔度系数smax=0.39。由此可见，安装抗侧滚扭杆后，车辆的柔度系数大大降低。2.4倾覆系数 当车辆在曲线上运行时，由于各横向力的影响，使得车辆一侧增载，另一侧减载。当车辆在脱离钢轨瞬间时，即各种横向力在最不利组合作用下，使得车辆外侧侧轮和轨道间无垂向分力，此时车辆就有倾覆的危险4。设车辆转向架外侧车辆所受载荷为p2，内侧车辆所受载荷为p1，则倾覆系数D= ,当p1=0时，倾覆系数D=1，即倾覆的临界值。GB5599一85规定D应小于0.8。 当上述车辆通过上述
10、曲线时，计算结果为如图6所示。由图中可知，未安装抗侧滚扭杆的车辆倾覆系数最大值明显比安装后倾覆系数最大值要小。2.5脱轨系数 用脱轨系数来评定车辆曲线上车轮脱轨稳定性，它是动力学性能分析中一个非常重要的运行安全陛指标5。 上述车辆通过上述曲线时的计算结果如图7所示。由此可见，安装抗侧滚扭杆后脱轨系数最大值比未安装抗侧滚扭杆的最大值明显增大，而且其最大值出现在缓和曲线和圆曲线交接处附近。2.6浮心高度 用浮心高度来评价弹簧上的车辆抗倾覆稳定，这种方法是前苏联根据浮心理论建立起一种方法。若Hm，为车体浮心高度.浮心高度的计算公式 ，车体的重心高度为Hc。二者的关系如表1所示。 由浮心高度的计算公式可知，增大一系、二系弹簧垂向刚度、抗侧滚扭杆刚度和横向跨距可增加车体的浮心高度。由上述车辆为例计算出的车体浮心高度为:有抗侧滚扭杆时为4.79m;无抗侧滚扭杆时为 3.86m。 由此可见，安装抗侧滚扭杆后可增加车辆的抗倾覆稳定性。
