CN101204963B - 独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构 - Google Patents

Abstract

一种独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构，以前、后车体铰接点成中心对称的方式设置两个相同的弹性耦合机构。单个弹性耦合机构的结构为：直角转臂BCD的C点销接在后单轴转向架上，连杆AB的B端经球铰连接在直角转臂BCD的B端上，连杆AB的A端经球铰与前单轴转向架连接，连杆DE的D端经球铰连接在直角转臂BCD的D端上，连杆DE的E端经球铰与缸筒中的活塞连接，活塞上、下部的缸筒空间中分别设有处于压缩状态的两个弹簧，缸筒固定在后单轴转向架上，且连杆AB、DE的长度相等，直角转臂的两臂长度相等。本发明所述独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构，结构合理、导向性能好、从工程应用角度解决了独立轮对的导向难题。

Description

独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构

技术领域

本发明涉及一种铁道车辆用的独立轮对转向架，具体来说是在现有独立轮对单轴转向架之间设置一柔性耦合径向调节机构，以改善独立轮对转向架的导向性能。

背景技术

随着经济的繁荣和城市人口的不断剧增，城市轨道交通的发展前景非常看好。城市轨道交通中的轻轨车辆通常要求采用低地板面的结构要求，而低地板面车辆的转向架通常都采用独立轮对。这主要是因为独立轮对的左右车轮可以围绕着车轴自由转动而车轴无需转动，所以可以把独立轮对的车轴做成下凹形的，从而可以降低车辆地板面的高度。

但是，由于独立轮对左右车轮相对于其车轴各自独立自由回转，所以在纵向不产生蠕滑力，而纵向蠕滑力在轮对的导向中又起着十分关键的作用，因此独立轮对的导向性能较差，主要表现为：在直线上，独立轮对不易对中，容易贴靠轨道一侧运行；在曲线上，独立轮对的冲角较大，容易发生轮缘贴靠。这样，一方面会加重独立轮对的车轮磨耗；另一方面，独立轮对的脱轨隐患增大。

现有的独立轮对转向架主要分为两大类，一类是独立轮对两轴转向架，另一类是独立轮对单轴转向架，它们的导向性能都存在先天缺陷。

图1是独立轮对两轴转向架通过曲线时的情形，由于I、II位轮对受同一构架的约束，轮对I通常相对于径向线形成正冲角，而轮对II通常相对于径向线形成负冲角，也就是说，I、II位轮对在曲线上展开不足。

图2是独立轮对单轴转向架通过曲线时的情形，I、II位轮对不再受同一构架的约束，而是分别受前后车体的约束，由于轮对I处于前面车体的后端，而轮对II处于后面车体的前端，所以轮对I通常相对于径向线形成负冲角，而轮对II通常相对于径向线形成正冲角，也就是说，I、II位轮对在曲线上展开过度。

转向架的前后轮对在曲线上不管是展开不足还是展开过度都对曲线通过不利。独立轮对两轴转向架的I、II位轮对在曲线上展开不足是因为刚性构架对它们的约束过大；独立轮对单轴转向架的I、II位轮对在曲线上展开过渡是因为它们之间缺乏必要的约束。于是发明人曾提出了独立轮对耦合转向架的观念(即在前、后独立轮对单轴转向架之间连接一抗摇头的耦合弹性元件)，并申请了发明专利(专利申请号为CN200410035861.X)，如图3所示。这种独立轮对耦合转向架恰好可以弥补独立轮对两轴转向架和独立轮对单轴转向架的不足之处：当给耦合转向架的耦合元件选取一个适当的摇头刚度值时就可使I、II位轮对在曲线上展开适度而趋于径向位置。

前述发明专利(专利申请号为CN200410035861.X)只对耦合转向架的导向原理进行了分析，没有对独立轮对耦合转向架的耦合机构进行具体设计，而只是在前后两个单轴转向架之间的左右两侧直接用两根纵向布置的弹簧来示意性的代表耦合元件。

在前后两个单轴转向架之间的左右两侧直接用两根纵向布置的弹簧来作为耦合机构，虽然在理论上讲得通，但在实际应用中并不现实，因为在实际工程中这样布置钢弹簧存在以下几方面的困难：

(1)在前述发明专利(专利申请号为CN200410035861.X)的理论推导中假定了耦合元件只提供纵向刚度，而其他方向的刚度都趋于0，只有钢弹簧两端通过球铰的形式与前后构架相连，并且前后铰接点的纵向跨距还要比较大时，这种假设才能成立，这样两端为球铰约束的钢弹簧在受力状态下的稳定性存在问题；

(2)这样布置弹簧要求钢弹簧既能发生拉伸变形又能发生压缩变形，这样在钢弹簧两端的定位连接部位就要做特殊处理，在工程中实现起来比较麻烦；

(3)钢弹簧两端分别连接在前后构架上，钢弹簧在重力的作用下会自然下垂，这样会影响弹簧的正常工作。

发明内容

本发明的目的是为了促进独立轮对耦合转向架的工程应用而设计出的一种结构合理的独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构，是在列车前、后车体相邻端部下面的前、后独立轮对采用单轴转向架，而前、后单轴转向架之间以前、后车体铰接点成中心对称的方式设置有两个相同的弹性耦合机构，上述单个弹性耦合机构由直角转臂BCD、连杆AB、连杆DE、弹簧装置(弹簧装置包含缸筒、缸筒盖、活塞、两组弹簧)组成，直角转臂BCD的C点销接在后单轴转向架上，缸筒固定在后单轴转向架上，连杆AB的B端经球铰连接在直角转臂BCD的B端上，连杆AB的A端经球铰与前单轴转向架连接，连杆DE的D端经球铰连接在直角转臂BCD的D端上，连杆DE的E端经球铰与设置在缸筒中的活塞连接，活塞上、下部的缸筒空间中分别设有处于压缩状态的两个弹簧，弹簧的预压缩量通过缸筒盖与缸筒之间的螺纹来调节好后进行锁紧，在上述机构中，连杆AB的长度等于连杆DE的长度，直角转臂的两臂长度相等。

上述弹性耦合机构中，AC的距离等于CE的距离。

上述两个弹簧完全相同，且压缩状态相同。

下面叙述本发明的工作原理。

耦合刚度的理论推导：

图6是独立轮对柔性耦合径向转向架在列车中的安装示意图，图中只画了三节车，对于多节车也是可以的，只要在车与车的铰接处就可安装独立轮对柔性耦合径向转向架。图6中列车两端的转向架为常规整体轮对转向架，中间的两个转向架为独立轮对柔性耦合径向转向架，独立轮对的导向性能比常规整体轮对差，所以本文的主要目的是解决独立轮对转向架的导向性能。

由于单轴转向架的一系悬挂刚度远大于二系悬挂刚度，所以在作理论分析时可把轮对和构架看作一个整体。由于独立轮对理论上不存在纵向蠕滑力，所以耦合转向架中的前后两个单轴转向架所受的摇头偏转力矩主要是耦合元件产生的力矩M_czi和二系悬挂系统产生的力矩M_szi，并且当列车稳态通过曲线时，这两个力矩之和应该为0，所以可得轮对摇头运动方程：

M_szi+M_czi＝0    (1)

其中：

$M_{\mathrm{szi}}=-2K_{\mathrm{sx}}{B_s}^2[{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{Bi}}-{\mathrm{\ψ}}_c+{(-1)}^i\frac{l}{R}]---\left(2\right)$

$M_{\mathrm{sci}}={(-1)}^{i}2K_{\mathrm{cx}}{B_c}^2[{(-1)}^{i+1}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{Bi}}-{(-1)}^{i+1}{\mathrm{\ψ}}_{B(i\±1)}+\frac{2b}{R}]---\left(3\right)$

式中，K_sx为转向架一侧二系悬挂纵向刚度，K_cx为转向架一侧纵向耦合刚度，B_s为二系悬挂横向跨距之半，B_c为耦合元件横向跨距之半，l为车辆名义定距之半，b为耦合转向架车辆名义轴距之半，R为圆曲线半径，ψ_B为构架摇头角，ψ_c为车体摇头角。

考虑到轮对的位移和悬挂变形比车辆的名义定距2l要小得多，因此可以认为车体的中央部分近似与圆曲线相切，即ψ_c≈0。当列车稳态通过圆曲线时，为了使耦合走行部的前后轮对完全处于径向位置，必有：ψ_Bi＝ψ_B(i+1)＝0，所以根据式(1)～式(3)可得：

$2K_{\mathrm{cx}}{B_c}^2\frac{2b}{R}=2K_{\mathrm{sx}}{B_s}^2\frac{l}{R}---\left(4\right)$

即：

$K_{\mathrm{cx}}={\left(\frac{B_s}{B_c}\right)}^2\frac{l}{2b}{K}_{\mathrm{sx}}---\left(5\right)$

从上式可以看出，车辆名义定距之半l、耦合转向架名义轴距之半b、二系悬挂横向跨距之B_s半、耦合元件横向跨距之B_c半都是结构参数，一旦结构确定了，这些值就是恒定值，所以耦合刚度K_cx的选取主要与二系悬挂刚度K_sx有关。式(5)还有一个更重要的特点是耦合刚度K_cx的选取与曲线半径R无关，这正是独立车轮耦合转向架的绝妙之处，因为这将意味着：不管线路的曲线半径大小，只要耦合刚度K_cx与二系悬挂刚度K_sx匹配合理，独立车轮耦合转向架就能在悬挂系统和弹性耦合元件的作用下自动调节前后轮对趋于径向位置。

鉴于此，同时针对现有技术存在的问题，本发明人发明了上述弹性耦合机构，它由两根连杆、一根转臂以及弹簧装置组成，其中弹簧装置又由缸筒，活塞以及两根弹簧组成。安装时，两个弹性耦合机构以前、后车体铰接点成中心对称的方式布置在前、后单轴转向架之间。

本发明耦合机构的导向原理：

当列车通过曲线时，如图7所示，前后转向架外侧铰接点A点和C点之间的距离会伸长，从而带动转臂BCD围绕着C点顺时针方向转动，这样C点和E点之间的距离也会伸长(C点和E点之间伸长的长度与A点和C点之间伸长的长度相等)，这样耦合机构中的弹簧装置的作用就相当于直接在点A点和C点安装相等刚度弹簧的作用；前后转向架内侧铰接点A’和C’之间的距离会缩短，从而带动转臂B’C’D’围绕着C’点逆时针方向转动，这样C’点和E’点之间的距离也会缩短(C’点和E’点之间缩短的长度与A’点和C’点之间缩短的长度相等)，这样耦合机构中的弹簧装置的作用就相当于直接在点A’点和C’点安装相等刚度弹簧的作用。这样就不用把弹簧悬垂在两个转向架之间，而消除了前述在两个单轴转向架之间直接纵向布置两根钢弹簧的弊病。

通过前面的理论分析得知，只要转向架每侧的耦合刚度K_cx(在这里等效于弹簧装置提供的综合刚度)与二系悬挂刚度K_sx满足公式(5)，独立车轮耦合转向架就能在悬挂系统和弹性耦合元件的作用下自动调节前后轮对趋于径向位置。这就是独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构的导向原理。

本发明柔性耦合径向调节机构具有以下优点：

1、本发明通过一套三连杆机构把前后两个独立轮对单轴转向架耦合元件铰接点之间的的纵向位移转化为横向位移，从而避免了在前后两个独立轮对单轴转向架之间直接安装弹簧装置，这样就可解决直接在前后两个独立轮对单轴转向架之间直接安装弹簧的工程实现难题。

2、本发明的三连杆机构自身各杆件的连接以及与前、后单轴转向架、弹簧装置的活塞之间的连接都是球铰接方式，可以实现只在前后两个独立轮对单轴转向架之间提供纵向刚度，而其他方向的刚度都趋于0的理论假设前提。

3、本发明的弹簧装置由缸筒，活塞以及两根预压缩的弹簧组成，并保证在活塞的有效工作正负行程范围内，两根弹簧都处于压缩状态，这样钢弹簧两端的定位就非常容易工程实现。

4、本发明解决了独立轮对的导向难题，在柔性耦合径向调节机构的作用下，独立轮对柔性耦合转向架的前后轮对同时自动趋于径向位置，从而可降低轮轨噪声、减轻轮轨磨耗、提高行车安全性。

本发明独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构能够迫使相互耦合的两个独立轮对单轴转向架的前后轮对同时趋于径向位置，从而彻底解决独立轮对的导向难题，相信随着独立轮对柔性耦合径向转向架的研制成功，将会给城市轻轨低地板车辆的发展开辟一片广阔的新天地甚至还可能带来巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是现有独立轮对两轴转向架通过曲线时的导向示意图；

图2是现有独立轮对单轴转向架通过曲线时的导向的示意图；

图3是现有独立轮对耦合转向架通过曲线时的导向示意图；

图4是本发明单个柔性耦合径向调节机构示意图；

图4-1是图4所示弹簧装置的放大图；

图5是本发明柔性耦合径向调节机构在转向架上的安装示意图；

图6是独立轮对柔性耦合径向转向架在列车中的安装示意图；

图7是独立轮对柔性耦合径向转向架通过曲线时的导向原理示意图。

具体实施方式

图4、图4-1示出，单个弹性耦合机构由直角转臂BCD、连杆AB、连杆DE以及弹簧装置组成.其中弹簧装置又由缸筒5(含缸盖)、活塞6以及两个弹簧7、8组成.处于压缩状态的两个弹簧7、8分别置于活塞6上、下部的缸筒空间中.参见图5，安装时，在列车前、后车体1、2相邻端部下面的前、后独立轮对采用单轴转向架，在前、后单轴转向架3、4之间，以前、后车体铰接点成中心对称的方式设置两个相同的弹性耦合机构.单个弹性耦合机构的结构为：直角转臂BCD的C点销接在后单轴转向架4上，连杆AB的B端经球铰连接在直角转臂BCD的B端上，连杆AB的A端经球铰与前单轴转向架3连接，连杆DE的D端经球铰连接在直角转臂BCD的D端上，缸筒固定在后单轴转向架4上，连杆DE的E端经球铰与设置在缸筒5中的活塞6连接，活塞6上、下部的缸筒空间中分别设有处于压缩状态的两个弹簧7、8；且上述机构中，连杆AB的长度等于连杆DE的长度，直角转臂的两臂长度相等.弹性耦合机构中，AC的距离等于CE的距离.两个弹簧7、8完全相同(即弹簧的所有物理、力学参数相同，如材料、直径、钢丝粗细、圈数以及刚度等相同)，且压缩状态相同.两个弹性耦合机构的耦合刚度K_cx满足下述表达式：其中：K_cx为耦合刚度，B_s为二系悬挂横向跨距之半，B_c为耦合元件横向跨距之半，K_sx为二系悬挂刚度，b为耦合转向架名义轴距之半，l为车辆名义定距之半。

参见图7，在运动过程中，当A点与C点之间的距离发生变化时，会带动转臂BCD围绕着C点发生转动，从而使C点与E点之间的距离发生相同的变化，这样通过耦合机构ABCDE就把前后转向架耦合元件铰接点之间的的纵向位移转化为一种横向位移，这样就不用把弹簧悬垂在两个转向架之间，而直接横向安装在一个转向架上，而作用效果是相同的(相当于为前后转向架提供了纵向等效刚度)；由于连杆AB的两端都是球铰连接，这恰好可以满足前面理论推导中的假设：耦合元件只提供纵向刚度，而其他方向的刚度都趋于0。

弹簧装置中的弹簧7和弹簧8应预压缩一定位移，保证活塞在有效的工作正负行程范围内，弹簧7和弹簧8都处于压缩状态，这样钢弹簧两端的定位就非常容易；弹簧两端的约束不再是球铰约束，而是固定约束，所以弹簧的稳定性大大提高；弹簧7和弹簧8相当于并联作用，这样钢弹簧的簧条直径和外廓尺寸可适当做小一些。

Claims (4)

1.一种独立轮对单轴转向架柔性耦合径向调节机构，其特征在于，在列车前、后车体(1、2)相邻端部下面的前、后独立轮对采用单轴转向架(3、4)，在前、后单轴转向架(3、4)之间、以前、后车体(1、2)铰接点成中心对称的方式设置有两个相同的弹性耦合机构，单个弹性耦合机构的结构为：直角转臂BCD的C点销接在后单轴转向架(4)上，连杆AB的B端经球铰连接在直角转臂BCD的B端上，连杆AB的A端经球铰与前单轴转向架(3)连接，连杆DE的D端经球铰连接在直角转臂BCD的D端上，缸筒(5)固定在后单轴转向架(4)上，连杆DE的E端经球铰与缸筒(5)中的活塞(6)连接，活塞(6)上、下部的缸筒空间中分别设有处于压缩状态的两个弹簧(7、8)；且上述机构中，连杆AB的长度等于连杆DE的长度，直角转臂的两臂长度相等。

2.根据权利要求1所述柔性耦合径向调节机构，其特征在于，所述弹性耦合机构中，AC的距离等于CE的距离。

3.根据权利要求2所述柔性耦合径向调节机构，其特征在于，所述两个弹簧(7、8)完全相同，且压缩状态相同。

4.根据权利要求1或2或3所述柔性耦合径向调节机构，其特征在于，所述两个弹性耦合机构的耦合刚度K_cx满足下述表达式：

$K_{\mathrm{cx}}={\left(\frac{B_s}{B_c}\right)}^2\frac{l}{2b}{K}_{\mathrm{sx}}$

其中：K_cx为耦合机构中弹簧装置的等效刚度，

B_s为二系悬挂横向跨距之半，

B_c为耦合元件横向跨距之半，

K_sx为二系悬挂纵向刚度，

b为耦合转向架名义轴距之半，

l为车辆名义定距之半。

Images