1、文章编号：1673-0291（2023）01-0126-08DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20220048第 47 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.47 No.1Feb.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY基于缩比模型的独立车轮转向架蛇行运动研究吴庆 1，王文静 1，杨超 1，黄鹏 2（1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044；2.中铁合肥新型交通产业投资有限公司，合肥 231600）摘要：独立车轮可绕车轴自由转动，轮轴之间的刚性耦合被解除，导致轮轨纵向蠕滑力消失.轮轴系
2、统在直线上难以自动对中，其导向问题亟须解决.通过将麦弗逊悬架结构应用于独立车轮转向架，并采用相似理论论证缩比模型的可行性，建立同侧转动轴线呈“V”字形倾斜的独立车轮转向架 1/20比例模型，并制作样机进行直线运行试验，同时开展全尺寸转向架模型动力学仿真.研究结果表明：新的独立车轮转向架在直线上能够重现蛇行运动现象，仿真结果与缩比试验结果相吻合，并且随着运行速度的提升，独立轮对的蛇行运动愈发剧烈；在轮轴系统中安装刚度为 7.5 MN/m 的横向弹簧，能够使转向架前轴横向运动幅值和频率分别降低 72%和 79%；通过调整一系悬挂参数和横向弹簧刚度，可以实现转向架的直线自动对中.关键词：机车车辆；独
3、立车轮转向架；缩比试验；蛇行运动中图分类号：U271.7 文献标志码：AResearch on hunting motion of independent wheel bogie based on scale modelWU Qing1,WANG Wenjing1,YANG Chao1,HUANG Peng2（1.School of Mechanical and Electronic Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China；2.China Railway New Communication Inv
4、estment Co.,Ltd.,Hefei 231600,China）Abstract:The independent wheel can rotate freely around the axle,and the rigid coupling between the wheels and axles is released,leading to the disappearance of the longitudinal creep force of the wheel tracks.The wheel-axle system is difficult to be automatically
5、 aligned in a straight line,and its guiding problem needs to be solved urgently.This paper applies the MacPherson suspension structure to the independent wheel bogies,and uses similar theory to demonstrate the feasibility of the scale model.A 1/20 scale model of the independent wheel bogie with an“V
6、”shaped tilted rotation axis on the same side is established,a prototype is built for linear operation test,and the dynamic simulation of the full-scale bogie model is carried out.The results show that the new independent wheel bogie can reproduce the hunting motion phenomenon in a straight line,and
7、 the simulation results are consistent 收稿日期：2022-03-15；修回日期：2022-07-17基金项目：国家重点研发计划（2021YFB3400703-06）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（P2021J003）；中央高校基本科研业务费专项资金（2021RC248，2021RC249）Foundation items:National Key R&D Plan（2021YFB3400703-06）；Science and Technology R&D Program of China State Railway Group Co.，Ltd
8、.（P2021J003）；Fundamental Research Funds for the Central Universities（2021RC248，2021RC249）第一作者：吴庆（1999），男，安徽金寨人，博士生.研究方向为轨道车辆强度与可靠性.email：.通信作者：杨超（1988），男，江苏盐城人，副教授，博士.email：.引用格式：吴庆，王文静，杨超，等.基于缩比模型的独立车轮转向架蛇行运动研究 J.北京交通大学学报，2023，47（1）：126-133.WU Qing，WANG Wenjing，YANG Chao，et al.Research on hunting m
9、otion of independent wheel bogie based on scale model J.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（1）：126-133.（in Chinese）吴庆等：基于缩比模型的独立车轮转向架蛇行运动研究第 1 期with the scalability testing results.With the increase of the running speed,the hunting motion of the independent wheelset becomes increasingly i
10、ntense.Installing a transverse spring with a stiffness of 7.5 MN/m in the axle system can reduce the amplitude and frequency of the front axle transverse motion for bogie by 72%and 79%,respectively.By adjusting a series of suspension parameters and the lateral spring stiffness,the bogie can be autom
11、atically aligned in a straight line.Keywords:rolling stock；independent wheel bogie；scalability testing；hunting motion独立轮对不同于传统轮对，解除了车轮与车轴之间的刚性耦合，轮轴之间能够发生相对运动，两侧车轮可以绕着车轴自由转动.因其车轮独立旋转、车轴形态能够改变，独立车轮转向架可用于 100%低地板轻轨车，缓解城市交通堵塞；也可用于变轨距转向架，解决不同轨距铁路互联互通的问题13.然而独立轮对本身难以自动对中，容易贴靠一侧轨道运行，造成车轮不均匀磨耗，增加脱轨风险，其导向问题亟
12、须解决36.为解决这一困扰独立轮对发展的世界性难题，各国研究人员都提出一系列导向技术，Frederich 等7率先研制出 EDF 和 EEF 两种自导向径向调节独立车轮转向架，其中，EDF 将左右两个独立车轮轮座相互铰接，依靠重力复原力，实现直线上的横移与偏转复位；而 EEF 则是一款单轴转向架，其左右两独立车轮分别绕各自构架外侧的垂向回转中心旋转，通过轮轨蠕滑力的作用，使得车轮能够产生绕垂向转动的复原力矩，实现转向架的自动对中.阿尔斯通公司1所研制的 Arpge型动力转向架，通过横向耦合机构将左右车轮重新耦合，使 轮 对 获 得 一 定 的 自 动 对 中 能 力；西 门 子 公司1Comb
13、ino 系列转向架，则是采用牵引电机纵向布置、同侧前后独立车轮纵向耦合起来的方式，重获回转力矩，实现导向功能；Talgo 列车2采用铰接式单轴转向架，在轮对外侧安装与前后车体相连的导向结构，通过车体与转向架之间以及车体与车体之间的转角迫使轮对趋于径向位置，从而获得导向能力；池茂儒等89提出了一种将 2个独立车轮单轴转向架用抗摇头弹性元件连接起来的新型独立轮对柔性耦合径向转向架，其具有较好的直线对中性能.Suda等10提出了反锥度踏面车轮的解决方法，通过仿真和模拟试验证明其结构不仅能实现自动导向，而且使转向架整体结构得到简化.Wikens等11研发出一种主动控制独立车轮状态的导向技术，根据车轮相
14、对轨道的横向位移反馈量控制独立轮对的摇头角度，较大地提升独立轮对的导向性能；Mei等12提出了基于车轮转速差和车轮摇头角度反馈控制的主动导向控制策略，将独立车轮的导向性能与运行稳定性进行集成控制；任利惠等1314则开展了以左右两侧独立车轮转速差为反馈量的主动导向控制方法研究，并成功实现独立车轮转向架的直线自动对中.然而这些导向技术，由于没能完全解决独立车轮导向问题，或是结构过于复杂，难以推广普及8.本文通过借鉴汽车的麦弗逊悬架结构，设计出一种同侧转动轴线呈“V”字形倾斜的独立车轮转向架，并通过 1/20缩比实验和全尺寸动力学模型仿真，重现独立车轮转向架蛇行运动现象.1 转向架概念设计传统轮对将
15、左右两侧车轮压装在同一根车轴上，车轮与车轴刚性固结，转速和摇头角度完全相同.轮对在受到横向扰动后偏离轨道中心，产生一种横向移动和绕铅垂轴转动的耦合运动45，即如图 1所示的蛇行运动.受轮轨蠕滑力的作用，轮对蛇行运动逐渐收敛，趋于平衡位置，因此传统轮对转向架具有自动对中的能力.独立轮对通过轴承将左右两侧车轮与车轴联接，两侧车轮可以绕着车轴自由转动，转速不尽相同，轮对的横移和摇头运动也不再耦合.轮对受到横向扰动，由于轮轨间不存在纵向蠕滑力，缺少复原力矩，导致轮对难以回到轨道中心，如图 2 所示，只能偏向轨道一侧行驶，出现轮对“偏磨”现象12，因此传统独立车轮转向架不会出现蛇行运动现象，也不具有自动
16、对中的能力.结合传统轮对和独立轮对的导向机理，并依据杨超等15提出的自动对中的独立车轮径向转向架，设计出一种同侧转动轴线呈“V”字形倾斜的独立车轮转向架.汽车麦弗逊悬架结构如图 3所示，新型独立车轮转向架部分结构设计借鉴其主销轴线向后倾图 1传统轮对蛇行运动示意图Fig.1Schematic diagram of traditional wheelsethunting motion127北京交通大学学报第 47 卷斜特征.具有主销后倾角的车轮，主销轴线与地面的交点落在车轮与地面交点之前，如图 4所示，车轮向前行驶时，受到某一方向的激扰而发生偏转，车轮与地面之间产生作用力 G，绕主销轴线生成与偏转方向相反的回正力矩 T，使得车轮能够自动回正.转向架通过轴承将车轮与车轴进行连接，车轴做成下凹型的轴桥，结构如图 5（a）所示.前后 2个独立轮轴组件的位置如图 5（b）所示，其左右两侧各有一条与竖直垂线存在夹角的转动轴线，左右两侧轴线之间相互平行，前后独立轮轴系统的同侧转动轴线呈“V”字形倾斜.左右两侧轴箱通过横向杆相连，使轴桥两侧的车轮横向耦合，摇头角度相同.在车轮受到横向扰动发生偏移后，轮