CN110843840B - 具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架及刚度计算方法 - Google Patents

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Abstract

具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架，属于轨道车辆设计制造技术领域。本发明为了保证车辆在直线和曲线运行时具有良好的运行平稳性、曲线通过性以及抗蛇形能力并有效降低轮轨磨耗，减少运营维护成本。该机械悬浮式二系悬挂装置由正刚度单元、负刚度单元组成。正刚度单元为传统二系悬挂弹簧，提供垂向、纵向、横向的刚度；负刚度单元由水平弹簧，竖直导杆，滚动轴杆，轴承，滑块滑轨，直线轴承等组成，该单元机构在纵向、横向能够保持自由滑动，且只提供垂向的负刚度特性，负刚度单元机构与车体采用球铰连接，以保证车体具有伸缩、横移、沉浮、侧滚、点头、摇头6个自由度。具有更好的隔振性能；机械悬浮式转向架能极大程度提升车辆直线运行的垂向平稳性，改善车辆运行的横向平稳性。

Description

具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架及 刚度计算方法
技术领域
本发明涉及一种具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架(简称机械悬浮式转向架)，属于轨道车辆设计制造技术领域。
背景技术
重载快捷铁路货车转向架设计是实现铁路货运跨越式发展的关键核心技术，尽管我国高铁技术已取得巨大进步，交通运输得到高速发展，但由于高铁建设以及运营维护成本较高，很难在全国范围内开展高铁货物运输，即使开展也只适用于小件或高附加值商品运输。而普通线路运输具有建设、运营维护成本低，运营里程占比大，运输量大等优点，是我国最主要的货物运输方式；但普通线路货物运输的时效性已不能满足社会和经济发展需求。因此，研究既有普通线路重载快捷转向架对全面提升我国铁路货运能力，满足我国经济发展需求以及提高铁路货运的经济效益具有重要意义。
尽管我国已经掌握了普通线路货车转向架、牵引和制动等关键核心技术，但由于既有普通线路等级条件的限制以及车辆二系悬挂刚度的影响，快速行驶的车辆很难在复杂振动环境下仍保持低动力特性，从而导致车辆系统受到轨道不平顺带来的轮轨力增大和蛇行运动加剧，并产生严重轮轨磨耗，不仅损害铁路轨道，而且使列车动力学性能恶化。同时，转向架轴重的增加会导致轮轨磨耗加剧，增加运营维护成本；而且改变轮轨接触关系，对列车运行稳定性、安全性及系统各部件使用寿命都会产生较大影响。因此，针对传统转向架二系悬挂存在的问题，研发设计出新型低动力转向架，对保障我国铁路货运能力具有重大的战略和经济意义。
发明内容
本发明提供一种具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架，以为了保证车辆在直线和曲线运行时具有良好的运行平稳性、曲线通过性以及抗蛇形能力并有效降低轮轨磨耗，减少运营维护成本。
本发明采用如下技术方案:
一种具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架，所述转向架包括正刚度单元、负刚度单元；
正刚度单元包括两个二系线性悬挂弹簧(传统线性悬挂弹簧)，用于向轮轨提供垂向、纵向、横向的刚度；
负刚度单元位于两个二系线性悬挂弹簧之间；
负刚度单元在轮轨纵向、横向能够保持自由滑动，且只提供垂向的负刚度特性，负刚度单元与车体采用球铰连接，用于保证车体具有伸缩、横移、沉浮、侧滚、点头、摇头6个自由度；
负刚度单元包括竖直导杆、滚动轴杆、轴承、端部支撑块、水平弹簧、顶层滑块滑轨、中间层滑块滑轨、底层滑块滑轨、底板、中间层板、直线轴承和顶层外框；
每个线性悬挂弹簧的顶部与车体连接，其底部用于与转向架构架连接；
负刚度单元的顶部通过竖直导杆与车体上端采取球铰连接，负刚度单元的底部由底板固接于转向架构架上；
竖直导杆、滚动轴杆以及轴承位于两个端部支撑块之间，
顶层外框通过中间层板设置在底板上，两个端部支撑块安装在顶层外框的底板上，直线轴承安装在顶层外框的底板上；
竖直导杆两侧具有半径为R的半圆弧，每个滚动轴杆(半径为r)与相对应的半圆弧保持纯滚动；每个滚动轴杆与对应的轴承紧固配合，在两侧的滚动轴杆的作用下以及直线轴承的约束作用下，位于中间的竖直导杆沿着垂直方向运动；每个水平弹簧一端与端部支撑块固定连接，另一端与顶层外框固定连接；端部支撑块底部通过顶层滑块滑轨保证水平弹簧能沿着水平方向自由滑动；中间层板上端设有在中间层滑块滑轨，底板的下端设有底层滑块滑轨，在中间层滑块滑轨以及底层滑块滑轨的作用下，负刚度单元机构可以在纵向、横向保持自由滑动。
进一步地，顶层滑块滑轨包括顶层滑块和顶层滑轨，中间层滑块滑轨包括中间层滑块和中间层滑轨，底层滑块滑轨包括底层滑块和底层滑轨；
端部支撑块底部与顶层滑块固定连接，保证水平弹簧能沿着顶层滑轨自由滑动，顶层滑轨安装在顶层外框的底板上；
中间层滑轨安装在中间层板的上端面上，位于中间层滑轨内中间层滑块设置在顶层外框下部；
底层滑轨安装在中间层板的下端面上，位于底层滑轨内底层滑块设置在底板的凹槽内。
进一步地，所述负刚度单元以竖直导杆的轴线为中心，镜像对称。
进一步地，所述顶层外框由两个三角形体以及连接二者的底板构成。
上述具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架的刚度计算方法，
设滚动轴杆的圆心与竖直导杆的圆弧圆心在同一水平面时，水平压簧压缩量为△l；传统二系悬挂弹簧的刚度为K2，水平压簧刚度为K1；车体质量为M，
初始状态时，传统线性悬挂弹簧压至某一距离δ0，使竖直导杆的圆弧圆心与滚动轴杆圆心处于同一水平面，确保传统线性悬挂弹簧恢复力完全抵消车体的重力，即8K2δ0＝Mg；
每节车厢下端放置两个转向架，每个转向架左右对称布置机械悬浮式二系悬挂系统；
当车体向上运动到某一距离Z时，车体受到的回复力可表示为：
Figure GDA0002585597520000031
二系悬挂刚度为：
Figure GDA0002585597520000032
令
Figure GDA0002585597520000033
则
Figure GDA0002585597520000034
通过设置系统内部参数b和c可以有效降低系统动刚度，从而实现低频，超低频或低至0频的隔振。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供设计一种采用机械悬浮式二系悬挂的重载快捷铁路货车转向架，该机械悬浮式二系悬挂装置由正刚度单元、负刚度单元组成。正刚度单元为传统二系悬挂弹簧，提供垂向、纵向、横向的刚度；负刚度单元由水平弹簧，竖直导杆，滚动轴杆，轴承，滑块滑轨，直线轴承等组成，该单元机构在纵向、横向能够保持自由滑动，且只提供垂向的负刚度特性，负刚度单元机构与车体采用球铰连接，以保证车体具有伸缩、横移、沉浮、侧滚、点头、摇头6个自由度。所述的负刚度单元与正刚度单元并联组合，经参数优化配置，可构造出具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架。
所述的负刚度单元机构底部与转向架构架连接，顶部由竖直导杆与车体采用球铰连接。
所述的水平弹簧不局限于机械弹簧标准件，也可以是弹簧非标件，或者其它能产生等效线性弹力的零件，如气体弹簧、电磁铁等等。
本发明具有以下有益效果：本发明的转向架保证车辆在直线和曲线运行时具有良好的运行平稳性、曲线通过性以及抗蛇形能力并有效降低了轮轨磨耗，减少了运营维护成本。该机械悬浮式二系悬挂装置由正刚度单元、负刚度单元组成。正刚度单元为传统二系悬挂弹簧，提供垂向、纵向、横向的刚度；负刚度单元由水平弹簧，竖直导杆，滚动轴杆，轴承，滑块滑轨，直线轴承等组成，该单元机构在纵向、横向能够保持自由滑动，且只提供垂向的负刚度特性，负刚度单元机构与车体采用球铰连接，以保证车体具有伸缩、横移、沉浮、侧滚、点头、摇头6个自由度。所述的负刚度单元与正刚度单元并联组合，经参数优化配置，可构造出具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架。与现有技术相比，机械悬浮式转向架在直线和曲线运行时具有良好的运行平稳性、曲线通过性以及抗蛇形能力并有效降低了轮轨磨耗，减少了运营维护成本。本发明是一种用于既有线路的具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架，简称机械悬浮式转向架。
与传统转向架相比，本发明具有以下优点：
(1)机械悬浮式转向架具有更好的隔振性能；
(2)机械悬浮式转向架能极大程度提升车辆直线运行的垂向平稳性，改善车辆运行的横向平稳性；
(3)机械悬浮式转向架的曲线通过性(包括脱轨系数，轮重减载率，轮轨横向力，轮轴横向力)得到明显改善；
(4)机械悬浮式转向架具有优良的动力特性，轮轨磨耗明显降低；
(5)机械悬浮式转向架具有良好的抗蛇形能力，车辆运行临界速度得到提高。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的机械悬浮式二系悬挂系统，其中：1-传统二系悬挂弹簧、2-竖直导杆、3-滚动轴杆、4-轴承、5-端部支撑块、6-水平弹簧、7-顶层滑块滑轨、8-中间层滑块滑轨、9-底层滑块滑轨、10-底板、11-中间层板、12-直线轴承、13-顶层外框。
图2为本发明实施例1提供的机械悬浮式转向架，其中：14-车体、15-转向架构架、16-一系轴向悬挂。转向架其他部件及装置省略。
图3本发明实施例1提供的机械悬浮式转向架二系悬挂系统垂向恢复力-位移(f-z)曲线图。
图4为本发明实施例1提供的机械悬浮式转向架二系悬挂系统刚度-位移(k-z)曲线图。
图5为阻尼相同时，传统线性悬挂系统与机械悬浮式二系悬挂系统传递率对比图。
图6为一组某机车转向架使用该机械悬浮式二系悬挂系统前后车辆行驶的平稳性仿真结果对比图。
图7为一组某机车转向架使用该二系机械悬浮悬挂系统前后车辆曲线通过性(R＝500m)仿真结果对比图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1至7对本发明的技术方案进行更加详细的说明。优选实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施过程和具体操作过程以及相应的仿真结果，但本发明的保护范围不限于下述的实例，更不能理解为对本发明的限制。本领域的技术人员利用本发明构思所获得的所有其他实施例均属于本发明的保护之列。
具体实施方案如下：
设计一种采用机械悬浮式二系悬挂的重载快捷铁路货车转向架，该机械悬浮式二系悬挂装置由正刚度单元、负刚度单元组成。正刚度单元由传统二系悬挂弹簧1构成，提供垂向、纵向、横向的刚度；负刚度单元由竖直导杆2，滚动轴杆3，轴承4，端部支撑块5、水平弹簧6，顶层滑块7-1滑轨7-2，中间层滑块8-1滑轨8-2，底层滑块9-1滑轨9-2，底板10，中间层板11，直线轴承12，顶层外框13组成；该单元机构在纵向、横向能够保持自由滑动，且只提供垂向的负刚度特性，负刚度单元机构与车体采用球铰连接，以保证车体具有伸缩、横移、沉浮、侧滚、点头、摇头6个自由度。所述的负刚度单元与正刚度单元并联组合，经参数优化配置，可构造出具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架。
传统线性悬挂弹簧1的顶部与车体14连接，底部与转向架构架连接。
负刚度单元顶部由竖直导杆2与车体14上端采取球铰连接；底部由底板10固结于转向架构架15上。
水平弹簧6一端与端部支撑块5固定连接，另一端与顶层外框13固定连接；
端部支撑块5底部与滑块7-1固定连接，保证水平弹簧6能沿着水平滑轨7-2自由滑动；
滚动轴杆3与轴承4紧固配合，在两侧的滚动轴杆3的作用下以及直线轴承12的约束作用下，中间竖直导杆2沿着垂直方向运动；
在中间层滑块滑轨8以及底层滑块滑轨9的设计下，负刚度单元机构可以在纵向、横向保持自由滑动；
竖直导杆2两端有半径为R的半圆弧，滚动轴杆3(半径为r)与相对应的半圆弧保持纯滚动；
滚动轴杆3的圆心与竖直导杆2的圆弧圆心在同一水平面时，水平压簧6压缩量为△l；传统二系悬挂弹簧1的刚度为K2，水平压簧6刚度为K1。
初始状态时，传统线性悬挂弹簧1压至某一距离δ0，使竖直导杆2的圆弧圆心与滚动轴杆3圆心处于同一水平面，确保传统线性悬挂弹簧1恢复力完全抵消车体(车体质量为M)的重力，即8K2δ0＝Mg(每节车厢下端放置两个转向架，每个转向架左右对称布置机械悬浮式二系悬挂系统)。当车体向上运动到某一距离Z时，车体受到的回复力可表示为：
Figure GDA0002585597520000061
二系悬挂刚度为：
Figure GDA0002585597520000062
令
Figure GDA0002585597520000063
则
Figure GDA0002585597520000064
机械悬浮式转向架二系悬挂系统垂向恢复力-位移(F-Z)曲线图、机械悬浮式二系悬挂系统刚度-位移(K-Z)曲线图、传统线性悬挂系统与机械悬浮式二系悬挂系统传递率比较图分别为3-5所示。其中垂向弹簧刚度2K2为12MN/m。理论分析结果显示：合理地设置系统内部参数b和c可以有效降低系统动刚度，从而实现低频，超低频(低至0频)隔振。
图6-7分别为某机车转向架运用该机械悬浮式二系悬挂系统前后车辆行驶的平稳性和曲线通过性(R＝500m)仿真结果比较图。
仿真结果显示：机械悬浮式二系悬挂系统可以大程度地降低空、重车起始隔振频率，极大程度增大共振峰值衰减值，车辆运行平稳性得到极大程度提高；
机械悬浮式二系悬挂转向架空车运行平稳性远好于传统转向架重载的运行平稳性；
在曲线运行时，机械悬浮式二系悬挂转向架可以大幅度降低轮重减载率，且明显降低轮轨横向作用力及脱轨系数，提高了小曲线半径通过性。
当机械悬浮式二系悬挂系统运用于实际车辆转向架时，机械悬浮式二系悬挂系统的最佳参数配比，需根据机车车辆以及转向架具体实际情况，通过仿真计算以及试验方能确定。
本发明还可有其他实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架，其特征在于，所述转向架包括正刚度单元、负刚度单元；
正刚度单元包括两个二系线性悬挂弹簧(1)，用于向轮轨提供垂向、纵向、横向的刚度；
负刚度单元位于两个二系线性悬挂弹簧(1)之间；
负刚度单元在轮轨纵向、横向能够保持自由滑动，且只提供垂向的负刚度特性，负刚度单元与车体采用球铰连接，用于保证车体具有伸缩、横移、沉浮、侧滚、点头、摇头6个自由度；
负刚度单元包括竖直导杆(2)、滚动轴杆(3)、轴承(4)、端部支撑块(5)、水平弹簧(6)、顶层滑块滑轨(7)、中间层滑块滑轨(8)、底层滑块滑轨(9)、底板(10)、中间层板(11)、直线轴承(12)和顶层外框(13)；
每个二系线性悬挂弹簧(1)的顶部与车体(14)连接，其底部用于与转向架构架(15)连接；
负刚度单元的顶部通过竖直导杆(2)与车体(14)上端采取球铰连接，负刚度单元的底部由底板(10)固接于转向架构架(15)上；
竖直导杆(2)、滚动轴杆(3)以及轴承(4)位于两个端部支撑块(5)之间，
顶层外框(13)通过中间层板(11)设置在底板(10)上，两个端部支撑块(5)安装在顶层外框(13)的底板上，直线轴承(12)安装在顶层外框(13)的底板上；
竖直导杆(2)两侧具有半径为R的半圆弧，每个滚动轴杆(3)与相对应的半圆弧保持纯滚动；每个滚动轴杆(3)与对应的轴承(4)紧固配合，在两侧的滚动轴杆(3)的作用下以及直线轴承(12)的约束作用下，位于中间的竖直导杆(2)沿着垂直方向运动；每个水平弹簧(6)一端与端部支撑块(5)固定连接，另一端与顶层外框(13)固定连接；端部支撑块(5)底部通过顶层滑块滑轨(7)保证水平弹簧(6)能沿着水平方向自由滑动；中间层板(11)上端设有在中间层滑块滑轨(8)，底板(10)的下端设有底层滑块滑轨(9)，在中间层滑块滑轨(8)以及底层滑块滑轨(9)的作用下，负刚度单元机构可以在纵向、横向保持自由滑动。
2.根据权利要求1所述的一种具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架，其特征在于，顶层滑块滑轨(7)包括顶层滑块(7-1)和顶层滑轨(7-2)，中间层滑块滑轨(8)包括中间层滑块(8-1)和中间层滑轨(8-2)，底层滑块滑轨(9)包括底层滑块(9-1)和底层滑轨(9-2)；
端部支撑块(5)底部与顶层滑块(7-1)固定连接，保证水平弹簧(6)能沿着顶层滑轨(7-2)自由滑动，顶层滑轨(7-2)安装在顶层外框(13)的底板上；
中间层滑轨(8-2)安装在中间层板(11)的上端面上，位于中间层滑轨(8-2)内中间层滑块(8-1)设置在顶层外框(13)下部；
底层滑轨(9-2)安装在中间层板(11)的下端面上，位于底层滑轨(9-2)内底层滑块(9-1)设置在底板(10)的凹槽内。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架，其特征在于，所述负刚度单元以竖直导杆(2)的轴线为中心，镜像对称。
4.根据权利要求3所述的一种具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架，其特征在于，所述顶层外框(13)由两个三角形体以及连接二者的底板构成。
5.一种权利要求1-4中任意一项权利要求所述具有机械悬浮式二系悬挂装置的重载快捷铁路货车转向架的刚度计算方法，其特征在于：
设滚动轴杆(3)的圆心与竖直导杆(2)的圆弧圆心在同一水平面时，水平压簧(6)压缩量为Δl；二系线性悬挂弹簧(1)的刚度为K2，水平压簧(6)刚度为K1；车体质量为M，
初始状态时，二系线性悬挂弹簧(1)压至某一距离δ0，使竖直导杆(2)的圆弧圆心与滚动轴杆(3)圆心处于同一水平面，确保二系线性悬挂弹簧(1)恢复力完全抵消车体的重力，即8K2δ0＝Mg；
每节车厢下端放置两个转向架，每个转向架左右对称布置机械悬浮式二系悬挂系统；
当车体向上运动到某一距离Z时，车体受到的回复力可表示为：
Figure FDA0002647261760000021
二系悬挂刚度为：
Figure FDA0002647261760000022
令
Figure FDA0002647261760000023
则
Figure FDA0002647261760000031
通过设置系统内部参数b和c可以有效降低系统动刚度，从而实现低频，超低频或低至0频的隔振。
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