转向架设计的思考方法及新的尝试

铁道车辆焊接构架

12

文章编号:1002 7610(2008)04 0012 04

结构 设计

转向架设计的思考方法及新的尝试

城取 岳夫,等(日)

摘 要:介绍了转向架设计中所考虑的主要问题,以及如何处理系统中的平衡关系,同时阐述了利用计算机进行转向架辅助设计的3种新方法。

关键词:转向架;设计;日本

中图分类号:U270.331 文献标识码:B

TheThinkingMethodforDesignofBogiesandNewAttempts

城取 岳夫,etal.(Japan)

Abstract:Describedaremainproblemsconsideredindesignofbogies,andhowtodealwiththebalancerelationsinthesystem.Inthemeantime,threenewCADmethodsfordesignofbogiesareexpounded.

Keywords:bogie;design;Japan

1 概述

本文首先说明铁道车辆转向架设计中应考虑的主要问题。然后,以运动特性为例,介绍在转向架设计中所进行的新尝试,即利用计算机选择设计方案的新方法。

设计转向架时,除了考虑强度特性外,还应考虑车辆的运动特性。

(3)蛇行运动稳定性

蛇行运动是由于铁道车辆的车轮踏面带有斜度而

产生的现象。

要合理确定轴箱纵向、横向定位刚度以及空气弹簧横向刚度,以保证车辆在正常运营速度范围内不至于发生蛇行失稳现象。(4)横向力

所谓横向力是指车轮沿横向挤压钢轨所产生的力,一旦横向力增大,有时会引起钢轨扣件脱落(失效)。另外,还会降低车辆的曲线通过性能,并加剧车轮与钢轨的磨损。因此,为保证轮轨间具有较小的横向作用力,应慎重选取轴箱的纵向、横向定位刚度,以及空气弹簧纵向刚度、抗蛇行减振器的阻尼系数等参数值。

(5)车辆限界

一旦车辆位移超过车辆限界尺寸,将引起车辆与建筑物的干涉,因此,既应考虑横向止挡的间隙,还要保证空气弹簧的横向刚度及横向橡胶止挡的刚度值不能太小。

(6)零部件之间的干涉,零部件的容许位移

不仅应该注意车辆与建筑物的干涉,而且还应该注意车辆各零部件之间的干涉。此外,

要使电动机与

(其他参考文献略)

2 转向架设计中考虑的主要问题

转向架设计中应考虑的主要问题包括:(1)脱轨安全性

要求铁道车辆在小半径曲线上低速运行时不至于

脱轨,应计算出脱轨系数的临界值,以确定轴箱垂向定位刚度等参数。所谓脱轨系数,就是利用车轮横向作用力求出的相对于脱轨的安全裕度值。其中,车轮横向力是根据轮缘角等车辆技术参数计算得出的。

(2)抗倾覆安全性

要求采用对抗倾覆来说具有足够安全性的倾覆临界值计算公式,以确定轴箱垂向定位刚度及车体的垂向支承刚度。

收稿日期:2007 07 10

[2]

[1]

彭惠民 译自 鉄道車両 技術

!121,15~20

铁道车辆焊接构架

转向架设计的思考方法及新的尝试 城取 岳夫,等(日)

13

齿轮装置之间的弹性连接(弹性联轴节)等不超过零部件的容许位移,应该使轴箱的垂向定位刚度取较大的值。

(7)车站站台阶梯差

从无障碍要求来看,也必须满足站台阶梯差容许值要求(方便旅客上下)。特别是通勤电动车,由于空车与满员时的质量差别较大,所以,如果轴箱垂向刚度过低,当车辆满员时,车体便会下沉,致使车门与车站站台的阶梯差加大。

(8)乘坐舒适度

乘坐舒适度必须良好。因此,除了满足上述(1)~(7)项的要求外,还应选定满足乘坐舒适度良好要求的弹簧刚度以及减振器阻尼系数。

3 有待协调处理的关系

满足上述(1)~(8)项要求的技术参数往往是矛盾的,这就需要协调处理彼此之间的关系。转向架设计的难处就在于处理好这些互相协调的关系。因为如果满足一方面的要求时,另一方面的要求就可能不能满足。例如,如果使空气弹簧横向刚度及横向橡胶止挡的刚度取的较低,则乘坐舒适度较好,但当车辆通过曲线时,抑制车体由于离心力导致车辆朝曲线外侧移动的力就变小,所以,车辆就会超出车辆限界。另外,为了提高抗蛇行运动稳定性,就应当增大轴箱的纵向、横向定位刚度,但这会导

致轮轨横向力增大。设计人员应该一方面

协调处理好必须考虑的关系,同时应综合确定各方面评价为最优的技术参数值。

将上述问题大致归纳为垂向系统以及横向系统的协调关系问题(图1、图2)。

而且,由于运行区间等的限制,还必须附加考虑问题的优先顺序以及容许限度。

4.1 基于线性加权和评价函数的协调处理

之所以称为线性,是指参数能够形成比例关系。通过构造与横向力成比例、评价为很差的函数,以及与横向振动舒适度成比例、评价为很差的函数,并进行加权处理,根据加权之和来评价计算机设计方案,将最优解作为最终选定方案。加权过程中,通过比较横向力与横向振动舒适度,决定对哪一方面加权多少,并予以调整。公式(1)为评价函数,该式用于测定设计方案的低劣程度,所以,该值小表明是良好的设计。

评价=w#横向力的计算结果+

(1-w)#横向振动舒适度的计算结果

(1)

式(1)中:w 加权值。

最初,为确定加权值,研究了改变加权值时,稳态(3、

4 转向架设计的新尝试

在转向架设计中,为满足应考虑的多种要求,就需要确定很多技术参数。以往,确定这些技术参数时往往根据经验,反复计算,直至找出完全达到应该考虑指标的技术参数。事实上,可以考虑能否用计算机完成这类复杂的设计计算。到目前为止,已经尝试了几种方法,比较了其优、缺点,下面作一简单

铁道车辆焊接构架

14

图4),由此进行加权。对于评价极端低劣的情况,就可以确定相应的裕度,0 7左右可判定为良好。使用大型计算机,

上述工作只需几十分钟时间。

国外铁道车辆 第45卷第4期2008年7月

4.3 利用功用图进行协调处理

4.2 根据希求水平进行协调处理

上述基于线性函数的评价简单明了。但有时候,为使函数线性化,如果稍微改变加权值,则选定结果可能会发生很大的变化。为了改正这种情况,可以采用比线性函数复杂的其他函数的方法。此外,不是根据对选定结果进行尝试处理而确定加权,而是提出一种方案,即根据对要求达到何种程度(称为希求水平)来确定加权值

[3]

以前所进行的研究存在一个问题,即虽然作为最佳方案而选出了1个方案,但该方案以外的设计方案是怎样的?其评价到底如何呢?也就是说,很有必要说明该方案的确是最佳设计方案。此外,如果采用不属于最佳方案的其他设计方案,则由于牵强于某些运动特性,仍很有可能用于现行产品上,所以,也需要了解最佳方案以外的车辆运动特性。

为了观察最优化方案本身,将x轴、y轴设定为评价值,可以绘出各设计方案的评价值所形成的图形(下文称为功用图)。

具体来讲,在功用图中,通过改变全部要素中的各种技术参数值,计算2种运动特性,将第1种运动特性的计算结果描绘成曲线的x坐标;将第2种运动特性的计算结果描绘成曲线的y坐标。这种方法,预计需要大量的计算时间,所以,必须在计算方法方面下功夫,以缩短计算时间。在开展研究工作的第一阶段,对计算全部供选择设计用运动特性到底需要多长时间进行了研究。

以图7给出的功用图为例,将转向架蛇行失稳临界速度的计算结果作为x坐标;将曲线通过性能的目y。该方法已成功应用于确定空气弹簧的

横向刚度及横向减振器的阻尼系数等。采用的评价函数见式(2)。该评价函数测定%未完成率&,所以,要寻找使该值最小所对应的设计方案。具体来讲,不是研究全部转向架零件,而是针对空气弹簧横向刚度、横向止挡及横向减振器,确定无论车辆速度快慢,均可满足要求的一些技术参数值。图5、图6为部分计算结果。该评价函数较容易确定,很适合于转向架的设计问题。评价=max(对于速度300km/h的横向振动舒适度计算结果要求的未完成率,对于速度50km/h的横向振动舒适度计算结果要求的未完成率)

(2)

式(2)中:max(A,B)中取最大值。

若只用转向架3个参数来评估转向架的性能,即

铁道车辆焊接构架

转向架设计的思考方法及新的尝试 城取 岳夫,等(日)

15

为了缩短计算时间,应该提高CPU的运算速度,也可以利用多个CPU通过并行处理等方式,大幅度提高计算速度。表1列出了3种方法的比较结果。

蛇行失稳临界速度高的评价结果为好,而稳态横向力低的评价结果为好,所以,图7中右下方的曲线称为好的设计方案。处于曲线(描点)群右下方边界的曲线称为良好评价的组合。这在最优化理论上称为帕雷托(Pareto)最优解。如果比较该曲线的邻近曲线,则曲线上1个计算结果比邻近曲线上点的计算结果好,而另

表1 转向架设计过程中计算机辅助方法的比较

优点

基于线性加权和评价函数的协调处理基于希求水平的协调处理基于功用图的协调处理

评价函数简单加权值选定较容易能比较、研究各设计方案

缺点

加权值选定有问题不能比较、研究各设计方案

需要大量计算时间

一计算结果比邻近曲线上点的计

算结果差,其优劣程度非常容易观察出来,也容易进行协调处理。另外,在目前考虑的技术参数值范围内,到底是不是获得良好评价也能一目了然。图7对应于1440个技术参数的组合,分别计算蛇行失稳临界速度及稳态横向力,使用大型计算机需耗时2h30min

。

5 结束语

本文介绍了利用计算机进行转向架方案设计的3种方法。关于转向架设计的新尝试,在计算时间及可获取技术信息方面,各有优、缺点。将来,设计人员可以根据需要进行选择。

参考文献

:

刘阳春 译自 RRR 2006,

!2,22~25

图7 转向架蛇行失稳临界速度与稳态横向力的功用图

刘宏友 校

法国国营铁路展示其双制式AGC列车

由香槟 阿登大区、交通管理局及车辆制造商共同举办的一个特别活动上,法国国营铁路(SNCF)展示了由庞巴迪公司生产的内燃/电动双制式AGC列车。

这种列车可以同时在内燃动力以及直流1500V和交流25kV制式下运行。这就意味着该类型列车实际上可以在法国任何地方运行,且能在运行过程中变换动力模式。SNCF将把这些混合动力AGC列车

梁 洁 提供李 莉 校

投放到巴黎 特鲁瓦 Culmont之间的香槟 阿登大区线,以及另一条Culmont 圣迪迪耶 维特里线上运行。

RhineNeckar运输公司向庞巴迪追加订购轻轨车

德国交通运营商RhineNeckar运输公司(RNV)向庞巴迪订购19辆总价值5200万欧元的低地板轻轨车。这是继1998年签订的36辆有轨电车原始订单后的可选订单。车辆的设计与前一批类似,并配有高,梁 洁 提供李 莉 校

乘客进入。这些轻轨车预计将于2009年7月 2010年5月间交付使用。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9oh4.html