CN101219669A - 独立轮对单轴转向架弹性耦合装置 - Google Patents

Abstract

一种独立轮对单轴转向架弹性耦合装置，适用于城市轻轨地板车辆，包括固联在前、后车体上的前、后单轴转向架，前、后单轴转向架上沿、其纵向中线两侧对称地设置有两组弹性耦合机构，其单组结构为：结构相同的两个缸筒分别固定在前、后单轴转向架上，缸筒内的两个活塞之间经球铰铰接有一根连杆，且两缸筒内活塞左、右两侧分别设有处于预压缩状态的两根弹簧。它克服了现有独立轮对两轴转向架在曲线上展开不足以及独立轮对单轴转向架在曲线上展开过度的弊端，能够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。

Description

独立轮对单轴转向架弹性耦合装置

技术领域

本发明涉及列车车体转向架之间的车铰连接机构，具体来说是用于城市轻轨低地板车辆独立轮对单轴转向架的弹性耦合装置，以解决独立轮对两轴转向架通过曲线时展开不足，以及独立轮对单轴转向架通过曲线时展开过度的问题，使独立轮对在曲线上展开适度而趋向径向位置。

背景技术

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，因此城市轻轨低地板车辆通常都采用独立轮对。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。

而独立轮对两轴转向架和独立轮对单轴转向架在导向性能方面均存在各自的不足之处，二者的导向性能对比如下：

图1示出的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示出的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。

针对独立轮对的导向难题，本发明人曾提出“一种独立轮对单轴转向架柔性耦合机构”(专利申请号2006200367488)的技术方案，它通过在独立轮对单轴转向架上设置适当的约束、从根本上解决了现有独立轮对两轴转向架和独立轮对单轴转向架存在的导向性能差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构改进的独立轮对单轴转向架弹性耦合装置，以更好地实现工程化、从而彻底地解决独立轮对的导向难题。

本发明的目的是这样实现的：一种独立轮对单轴转向架弹性耦合装置，包括固联在前、后车体上的前、后单轴转向架，前、后单轴转向架上沿、其纵向中线两侧对称地设置有两组弹性耦合机构，其单组结构为：结构相同的两个缸筒分别固定在前、后单轴转向架上，缸筒内的两个活塞之间经球铰铰接有一根连杆，且两缸筒内活塞左、右两侧分别设有处于预压缩状态的两根弹簧。

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；而(图3所示)独立轮对柔性耦合转向架恰好可以弥补前两种转向架的不足之处：当我们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有可能使I、II位轮对在曲线上展开适度而趋于径向位置。

上述独立轮对柔性耦合转向架的耦合刚度(摇头刚度值)的理论推导如下：

1、耦合刚度的确定

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：

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

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

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为前、后单轴转向架的轴距之半，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：

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

即：

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

从上式可以看出，车辆名义定距之半l、前、后单轴转向架的轴距之半b、二系悬挂横向跨距B_s之半、耦合元件横向跨距B_c之半都是结构参数，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。

2、耦合机构的实现

上面推导出了独立轮对单轴转向架柔性耦合行走部前后轮对趋于径向位置时耦合元件纵向刚度K_cx需满足的表达关系式，下面将提出一种具体的耦合机构。

直接在前后两个单轴转向架之间的左右两侧连接两根纵向布置的钢弹簧，理论上虽然讲得通，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)在前面的理论推导中假定了耦合元件只提供的纵向刚度，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)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。

鉴于此，本发明提出了上述弹性耦合装置的技术方案。

每组弹性耦合机构的前后缸筒分别固定在前后构架上；连杆的两端分别通过球关节与前后活塞连接；连杆长度调节及锁紧机构主要对连杆的长度进行调节(满足不同轴距转向架的需要)和锁紧。另一套相同的弹性耦合装置对称布置在转向架的另一侧。

缸筒固定在前后构架上，把弹簧放置在缸筒内，这样就不用把弹簧悬垂在两个转向架之间；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。

缸筒内的弹簧均预压缩一定位移，保证活塞在有效的工作正负行程范围内，所有弹簧都处于压缩状态，这样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，所以弹簧的稳定性不成问题了。

本发明转向架每侧的纵向耦合刚度K_cx(等效于每侧弹性耦合装置提供的综合刚度)与二系悬挂纵向刚度K_sx满足公式(5)，因此，当列车通过曲线时，本发明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向径向位置，从而解决独立轮对的导向难题。

本发明独立轮对单轴转向架弹性耦合装置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示意图；

图2是现有独立轮对单轴转向架通过曲线时的示意图；

图3是现有独立轮对耦合转向架的通过曲线时的示意图；

图4是本发明的单组弹性耦合机构的结构图；

图5是本发明独立轮对单轴转向架弹性耦合装置的安装示意图。

图6是图5所示本发明通过曲线时的示意图。

具体实施方式

图4示出，单组弹性耦合机构由两个弹簧装置和连杆组成，其中弹簧装置又由缸筒、活塞以及两个弹簧组成，其结构为：两个缸筒6、8内活塞5、7左、右两侧设有处于预压缩状态的两根弹簧1、2、3、4。连杆13经球铰连接在两个活塞5、7之间。

参见图5，前、后单轴转向架11、12分别固联在前、后车体9、10上，前、后单轴转向架11、12上沿其纵向中线两侧对称地设置有如图4所示相同结构的两组弹性耦合机构，即两组耦合机构的四个缸筒两两地分别固定在前、后单轴转向架上。为了适应前、后车体上两单轴转向架的不同间距，可采用连杆调节及锁紧结构14，以调整连杆长度并将其锁定，并使缸筒内所有弹簧均处于预压缩状态。

耦合装置的导向原理

如图5所示，本发明中，当在曲线上通过时，前后转向架外侧(曲线中线外侧)弹性耦合机构两缸筒近端的两个弹簧1.4(指前一缸筒活塞后部的弹簧和后一缸筒活塞前部的弹簧，下同)会被活塞压缩，而两缸筒外端的两个弹簧2.3(指前一缸筒活塞前部的弹簧和后一缸筒活塞后部的弹簧，下同)会自动放松；而前后转向架内侧弹性耦合机构两缸筒外端的两个弹簧会被活塞压缩，另外两个弹簧2、3会自动放松。缸筒内被活塞隔开的两组弹簧相当于并联作用，但连杆两端弹簧装置又是串联作用，所以弹性耦合装置的综合刚度就等于缸筒内一组弹簧的刚度。

因此要求钢筒内每组弹簧的刚度应按公式(5)设计。为了保证柔性耦合径向转向架通过曲线时弹性耦合装置的弹簧不被压死及其径向功能，弹性耦合装置钢筒内的每组弹簧的可压缩量应大于(b为前、后单轴转向架的轴距之半，Bc为左右弹性耦合装置的横向跨距之半，R为列车运行轨道的最小曲线半径)。

Claims (4)

1.一种独立轮对单轴转向架弹性耦合装置，包括固联在前、后车体(9、10)上的前、后单轴转向架(11、12)，其特征是：所述前、后单轴转向架(11、12)上沿其纵向中线两侧对称地设置有两组弹性耦合机构，其单组结构为：结构相同的两个缸筒(6、8)分别固定在前、后单轴转向架(11、12)上，缸筒(6、8)内的两个活塞(5、7)之间经球铰铰接有一根连杆(13)，且两缸筒内活塞左、右两侧分别设有处于预压缩状态的两根弹簧。

2.根据权利要求1所述独立轮对单轴转向架弹性耦合装置，其特征是：所述安装有两组弹性耦合机构的前、后单轴转向架(11、12)的转向架一侧纵向耦合刚度K_cx与转向架一侧二系悬挂纵向刚度K_sx之间的关系由下式决定：

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

3.根据权利要求1或2所述独立轮对单轴转向架弹性耦合装置，其特征是：还具有连杆长度调节及锁紧机构(14)。

4.根据权利要求3所述独立轮对单轴转向架弹性耦合装置，其特征是：所述两缸筒(6、8)内所有弹簧的压缩量大于其中，b为前、后单轴转向架的轴距之半，Bc为两组弹性耦合机构的横向跨距之半，R为列车运行轨道的最小曲线半径。

Images