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基于 EN 14363 标准的主动转向架稳定性和安全性分析
摘要：曲线轮对的攻角是影响铁道车辆安全行驶和曲线通过性能的重要参数。大迎角 (AOA) 运行会加剧磨损、噪音和出轨风险，因此，减少 AOA 对防止不良后果至关重要。在这方面，采用被动和主动方法来控制轨道车辆的横向运动。本文通过动力学建模的方法研究了一种新型的包括 fve 车在内的单轮主动转向轮对转向架 S5D95 的性能。使用 SIMPACK 软件进行模拟，然后根据 EN14363 标准对所得结果进行评价。分析表明，考虑转向机构后，车轮的侧向力、脱轨系数和侧向加速度均有明显改善。与传统转向架相比，主动转向架具有结构简单、运行安全、行驶质量高等优点。
关键词：主动转向;转向;转向架;迎角;铁路;动态安全;防脱轨
1 引言
实心轮对包括两个圆锥形或侧形车轮，它们通过实心轴刚性连接在一起，当轮对在近似纯滚动条件下的曲线上运动时，轮对的锥度通过横向运动改变两轮的滚动半径。因此，这种圆锥形倾向于在切线和大半径曲线上产生振荡。在铁道车辆中，这些振荡幅度的增加直接促进了移动速度的增加，而交互式轮轨接触具有严格的大振荡，这种现象被称为捕猎，在传统的铁道车辆中，通过增加转向架的刚度和阻尼，使用横向和纵向弹簧和阻尼器来稳定轮对，尽管提供的刚度通过在轮对与径向曲线之间形成一个称为攻角 (AOA) 的角度对轮对的弯曲性能产生严重的不利影响。
近年来，设计者主要关心的是在商业轮对的稳定性和弯曲性能之间取得平衡。关于这一点，实施了不同的方法，例如采用独立旋转轮对 (IRW)，其中轮子可以在其轴上自由旋转，如西班牙Talgo的轮对。消除轮子之间的旋转约束可以消除（或显著降低）曲线上的纵向爬电距离，但另一方面，轮对失去了自然弯曲和居中。最重要的是，不稳定仍然存在与 IRW 在切线轨道，但在更高的速度。实心车轴采用被动和主动两种方式，以改善铁道车辆的曲线通过性能。在被动方法中，通过在轮对和转向架构架之间附加一些连接来降低转向架的弯曲刚度，从而减小了 AOA。虽然这种方法部分地改善了轮子的运动，降低了列车在切线轨道上的临界速度，但其应用仅限于货车。相反，在过去的十年中，主动控制方法受到了更多的关注，它采用执行器来减少 AOA。Pearson 等人研究了高速铁路车辆主动稳定控制系统的最优控制和经典控制策略。该系统的目的是提供一个转向架，稳定在高速，而不需要重型二次偏航阻尼器（这些也形成了噪声传输的不良路径）。Perez 等人9 研究了通过主动控制改善常规铁道车辆安装转向架和实心轮对的弯曲性能。采用最优控制技术对各种可能的控制目标进行了考虑和实现，并在理想的确定性轨道上对不同控制策略的性能进行了比较研究。
Mei 等人提供了一个全面的评估机电车辆控制和主动控制策略的有轨轮对的主动转向与无轴。研究表明，所提出的有轨车辆主动控制方案解决了传统无源车辆在稳定性和曲线通过性能之间难以权衡的问题。提出了一种有轨车辆主动转向模态控制方案。采用模态分解方法，得到了独立的车辆横向和偏航模态，为两种模态控制器的分别开发奠定了基础。研究表明，采用主动控制可以显著改善车辆的曲线性能，固体轴轮对的自然弯曲作用可以在控制力所及的范围内保持。主动控制方法克服了被动控制方法的缺陷，是一种很有前途的控制轨道车辆横向振动的方法。对此，作者研制了一种新的单轮对转向架的列车装置，然后应用一种主动控制方法来减少 AOA。下一步，根据 EN14363 标准，通过在 SIMPACK 软件中开发的模型，对训练集的运行安全性和乘坐特性进行了评估。
图 1由 Helmut 和 Sommerer 设计的 S5D95 整车
2 车辆模型
本节介绍列车及其建模特点（图 1）。这列火车有五辆带单轮对转向架的货车。如图 2 所示，由 Helmut 和 Sommerer设计的转向架通过第一、第三和第五辆货车提供牵引力。牵引轮对用粗体圈表示。采用以下公式计算直接施加到轮对的牵引力大小：
其中 N 为 0 ~ 8 槽口节气门设置；Pmax (W) 为机车最大牵引功率；Temax (N) 为机车最大牵引力；v (m s) 为列车速度；kf (Ns m) 为转矩降低 7。根据研究详情，将上述公式转换为以下公式：
图 3 显示了牵引力与列车速度的关系。如图 2 所示，根据 UIC 编码，将每个货车之间的距离设置为 60 cm。
图 2具有测量点的车厢集示意图
图 3对轮对施加牵引力
图 4货车间联轴器部件
图 5牵引齿轮的刚度
如图 4 所示。在这一模型中，只对牵引齿轮进行建模，并假定其他部件是刚性的。牵引齿轮的刚度如图 5 所示，而牵引齿轮的阻尼为 7000 ns m，转向架的主悬架包括橡胶金属元件，连接在转向架之间车架和轴箱，被替换为等效弹簧，如图 6 所示。此外，包含空气弹簧的二次悬挂系统直接连接到车体上。列车质量和悬挂特性分别列于表 1 和表 2。
图 6转向架俯视图
表 1序列质量特性
表 2列车悬挂特性
C 和 D 分别是悬挂系统的刚度和阻尼系数
由于转向架上没有摇枕，转向架的牵引力直接转移到车体上。因此，相对于转向架构架使用了相对于转向架构架的相对自由度的转向臂，如图 6 和图 7 所示，转向架构架允许在其他方向上进行偏航运动；转向臂能够在相对于车身的垂直方向上移动。如图 6 所示，转向臂的两侧通过两个牵引杆与车身相连，将牵引力或制动力传递给车身。此外，该臂用于施加控制力以减少 AOA。关于这一点，在转向臂和转向架构架之间放置一个执行器，如有必要，将施加控制力（见图 6）。在这些特点之上，转向臂对转向架的稳定性起着重要的作用。从图 6 和图 7 中可以看出，连接到车体的两个牵引杆作为垂直和侧向弹簧，消除了对转向架施加的振动。此外，采用以下组件对二级悬挂系统进行建模：
一个横向阻尼器，阻尼为 22,500 Ns/m。
两个纵向阻尼器，阻尼为 7500 Ns/m。
一个防侧倾杆，刚度为 1,000,000 Nm/rad。
两个反俯仰杆，刚度为 3,800,000 Nm/rad。
两个外侧挡块，间隙为 15 mm。
图 8 显示了前轮对的横向位移与货车速度，可以看出，货车的临界速度等于 43m 秒。
图 7转向架示意图
图 8货车稳定性分析
图 9攻角测量示意图
图 10控制系统示意图
3 控制方法
AOA 最简单的方法是在转向架构架或轮对上施加与其数值成正比的力或力矩。在这种方法中，每个时间步骤中 AOA 的评价是最关键的问题。到目前为止，已经有不同的方法来确定这一参数，例如，路边监测和卡尔曼滤波器。在本研究中，AOA 是通过一个控制系统获得的，其中传感器被连接到轴箱上。这样，通过测量水平距离 e1 和 e2，可以使用以下公式计算 AOA（见图 9）
当列车通过具有直线、过渡段和曲线段的轨道时，识别列车在每一时刻的位置至关重要。因此，当列车通过曲线时，控制系统必须被激活。在这方面，第二步的控制系统的设计是评估其能力，以确定沿轨道曲线半径。在此模型中，对于曲线当半径小于 5000 m 时，控制系统启动。使用以下公式确定曲线半径：
在上述公式中，y 是车身质心的横向加速度，v 是列车的速度，1r 是曲线的曲率。对于该算法，当列车在半径小于 5000m 的曲线上运行时，控制系统被激活。此外，曲率的轨道半径可以通过卫星系统或铁路路旁特殊部件获得.
在控制系统中有许多不同的方法来施加控制力或力矩。由于主悬架系统刚度较高，不建议在轮对中安装控制执行器。因此，致动器安装在框架和转向臂之间。采用补偿超前-滞后相位和适当的增益，使控制系统能将 AOA 降低到所需值。图 10 为控制系统示意图。通过 Matlab 中的 SISO 调整设计控制器参数，如下所示：
其中 Kc 试错法得到 2.8 107。
对于在半径为 600 m 的弯曲路径上以 35 ms 的速度通过的列车，控制系统对 AOA 的降低如图 11 所示
图 11每个轮对的攻角
4 模拟与分析
根据 EN14363 标准进行了动态和静态试验，以确定列车的性能。本研究利用开发的模型在 SIMPACK 软件中进行了静态试验（扭转试验）以及所有动态试验，并将所得结果与允许值进行了比较。
4.1 扭曲试验
由于在铁路轨道中不可避免地存在扭结，所以做这个静态试验是为了保证列车在通过扭结区时的安全性。扭曲通常在水平轨道和倾斜轨道之间的过渡段以及交叉水平偏差。在这个测试中以2.77 ms 的速度被认为是在半径为 150 m 的曲线上移动的列车，其中符号在曲线的中间发生变化，如图 12所示。根据 EN14363 标准，应在执行的模拟 14 中测量以下值：
-内轮和外轮上的导向力，即被测轮对的 Yi 和 Yo。
- C 对内轮和外轮的垂直车轮力，即受试轮对的 Qi 和 Qo。
-前轮对的攻角。
-在整个曲线中，由被测车轮组控制的导向轮的车轮升力 Z。
图 12测试轮的一般布局
图 13列车对扭弯的安全性
在下一步，脱轨系数的每个车轮在每个时刻计算的比率 (yq)。有轨车辆被认为是安全的，防止出轨，如果是。Y Qlim 的值为1.2，对于法氏角和 0.36 的摩擦系数，定义为 1.2。如果该值超过容许量级，则通过检查 Zmax 来检查有轨车辆的性能，对于 Zmax Zlim 5 mm，车辆不会面临出轨。图 13 显示了攻角和出轨系数。很明显，前轮对的出轨系数达到了 0.59，小于 1.2 的限值。
表 3每个测试区域的列车速度
4.2 动态检测
应检查所有新型或改进型车辆的动态特性。可以考虑使用两种不同的测量方法进行动态试验：
-正常测量方法。
-简化测量方法。
在本研究中，使用了常规的测量方法，包括对车辆运行安全性、轨道载荷和乘坐特性的评估。
图 14轮对导向力之和的最大值与最小值
图 15每轮脱轨系数的最大值和最小值
为评估采用常规测量方法时的列车动态性能，确定以下值至关重要：
1. 导向力 Y，横向测量方向。
2. 车轮力 Q，垂直测量方向。
3. 轮对导向力 Y 之和。
4. 导向力车轮力的商 Y Q。
5. 前、后（转向架顶部）车体的横向及纵向加速度，即 y 及 z。
运行安全限值 Y 和 Y Q 的推导值对确定运行安全至关重要。用 Y 值来评价铁道车辆对轨道偏移的安全性。前轮 Y Q 的比值是判断轮缘爬上钢轨是否脱轨的安全指标。
可通过公式计算导向力的最大值。
Q0 是列车的静态轴重，设定为 93.6kn。然后：
轨道载荷极限值车轮力的最大值可通过公式计算。
乘坐特性限值为评估轨道车辆的乘坐特性，使用了以下加速度：
在每个车身的前部和后部区域以及转向架上方测量这些数量（见图 2）。
图 16轮对中导向力之和的最大值
执行了测试区域动态测试，以便分析四个不同测试区域中的运行特性：
-直线和半径非常大的曲线。
-大半径曲线。
-小半径 (400mr600m) 的曲线。
-半径非常小的曲线 (250m R lt; 400m)。
因此，进行了脱气测试区域的模拟，并获得了脉冲串的速度，如表 3 所示。
4.2.1 运行安全性
图 14 显示了每个轮对中总导向力的最大值和最小值。可以看出，第一汽车车体的前轮对在试验 4 区，其中对轮对的侧向力达到 61 千牛顿最关键的情况发生。相应的横向力在控制安排中降低到44.29 kN，低于限值 (72.4 kN)，因此，列车可以安全运行。此外，观察到第一个和最后一个在这四个地区，货车的状况都比其他货车差。图 15 显示了每个车轮的最大和最小脱轨系数。结果表明，第一轮对的左轮是最关键的轮，脱轨概率最高的区域在第二试验段，此时列车通过半径为 900 m、速度为 43 ms 的曲线，此时与传统转向架相关的脱轨系数为0.668，而转向转向架的脱轨系数提高到0.425此外，发现脱轨发生在 1 号轮对上的可能性比四个试验区的其他轮对上的可能性大。图 16 显示了与轮对中的引导力总和相关的 RMS 最大值。可以看出，1 号和 9 号轮对的作用力在列车速度为 24 ms 的试验区域 4 中达到最大，低于其他区域的作用力。
4.2.2 轨道加载
图 17 显示了对轮子施加的最大垂直力。需要注意的是，控制系统有一个对垂直力的影响很小，因为控制系统在垂直方向上不施加任何载荷。分析期间测得的 1 号轮对左轮的最大垂直力在 161 kN 左右，根据 EN14363 标准，车轮和钢轨表面的垂直载荷限值为 183.6 kN。此外，当进出曲线时，垂直力达到最大值。通过将所得数据与标准中的允许值进行比较，很明显，在最差情况下产生的垂直载荷小于极限值。
图 17车轮垂直力最大值
图 18货车最大和最小加速
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资料编号：[1859]
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