Design of a 120km/h Speed Class A-type Subway Suspension System Matching and Resonance Avoiding Scheme
蒲生 PU Sheng
（黄冈师范学院，黄冈 438000）
（Huanggang Normal University，Huanggang 438000，China）
摘要：分析了一种120km/h速度等级A型地铁悬挂系统设计的主要依据，对A型地铁悬挂系统进行了弹簧刚度选择及悬挂系统的结构设计。根据振型计算及阻尼参数的优化分析，两系悬挂系统的综合匹配，确定了该A型地铁避免共振方案，悬挂装置能充分减小振动和冲击的传递，转向架及其各部件的固有频率与车体及安装其上的设备的固有频率分散，有效避免共振。
Abstract: The main basis for the design of a type A subway suspension system with a 120km/h speed class was analyzed, and the type A subway suspension system was analyzed. The spring stiffness selection and the structural design of the suspension system were systematically performed. According to the vibration mode calculation and the optimization analysis of the damping parameters, and the comprehensive matching of the two-series suspension system, the type A subway resonance avoidance scheme is determined. The suspension device can fully reduce the transmission of vibration and shock. The natural frequency of the bogie and its components is dispersed with the natural frequency of the vehicle body and the equipment on which it is mounted, thus effectively avoiding resonance.
关键词：A型地铁；悬挂系统；匹配；避免共振
Key words: A-type subway；suspension system；match；avoid resonance
中图分类号：U270.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0172-03
1 概述
地铁是用于城市内的轨道交通工具，根据GB5599-85要求，新造客车运行平稳性等级为优、不低于1级（垂向和横向运行平稳性指标均＜2.5）；经过150，000km运行后，列车运行平稳性等级为良、不低于二级（其垂向和横向平稳性指标应≤2.75）。
转向架的主要功能是支撑车体，传递牵引和制动力，缓和振动和冲击，提高乘坐舒适性。为保证列车的舒适性，在转向架上设有一套减振系统，隔离轮轨耦合系统产生的振动。目前地铁转向架上成熟的悬挂系统都采用两级悬挂系统，即一系悬挂和二系悬挂，一系悬挂主要为橡胶堆或金属螺旋弹簧，二系悬挂主要为无摇枕空气弹簧。
悬挂系统设计主要依据车辆的重量和轨道条件，车辆重量分为簧上重量（上部车体包括乘客）和簧间重量（转向架），悬挂系统垂向刚度的确定主要依据车辆重量，而悬挂系统的横向和纵向刚度的确定主要依据线路条件、车辆重量和运营速度。国内100km/h速度等级以上的车辆主要用于城市的交通，一般都是座椅少，站立位多，额定定员按6人/平方米，超员载荷按9人/平方米。
2 A型地铁悬挂系统匹配
2.1 弹簧刚度选择
该种120km/h的A型地铁为了适应列车高速运动，提高稳定性和舒适性，一系悬挂装置需要具有较高的横向和纵向刚度，以抑制转向架的横向晃动，提高抗蛇形运行能力。列车运行速度越高，轮轨耦合系统的瞬态冲击越大，为有效的隔离轮轨系统这种冲击，需要一系悬挂相对柔软些。因此，要求设计出来的一系悬挂装置纵向和横向刚度较大，而垂向刚度较小。
在车辆轴重一定的情况下，列车速度对悬挂系统影响最大，一般来说，同类型地铁车辆运行速度越快，垂向刚度要求越小而横向和纵向刚度要求越大，目前运营的80km/h地铁车辆，垂向刚度一般在1～2MN/m左右，横向和纵向刚度3～10MN/m左右，根据转向架具体的结构，刚度有一定的变化。国内外关于速度与刚度关系分析见图1所示。
根据已成功运营的地铁转向架悬挂系统的刚度和列车运行的速度，选择一个合适的一系悬挂和二系悬挂刚度范围。通过模拟运营工况，对以下动力学评定指标进行计算，验证悬挂系统的刚度是否满足标准GB5599-85对动力学的要求。
①车辆蛇行运动稳定性的临界速度Vcr（km/h）；
②车辆在直线上运行时的横向和垂向平稳性指标Wzy、Wzz以及最大横向和垂向加速度Ay、Az；
③车辆通过曲线时的轮轨横向力Q（kN）、轮轴横向力H（kN）、 脱轨系数Q/P、轮重减载率?驻P/P、倾覆系数D以及轮轨磨耗指数Wt。
初选的一系悬挂刚度和二系悬挂范围值有很多组合满足动力学要求，通过优化计算，选择一组最优的刚度组合，根据转向架动力学性能计算报告（如图1所示）显示，动力学性能参数都满足标准GB5599-85的要求。
2.2 悬挂系统的结构
2.2.1 一系悬挂
该种120km/h的A型地铁的一系悬挂由螺旋弹簧、橡胶垫、转臂橡胶关节和垂向减振器组成，结构如图2所示。其中一系悬挂的纵向和横向刚度主要由转臂橡胶关节承担，解决了螺旋弹簧纵横向刚度较小的问题；垂向刚度主要由金属螺旋弹簧承担。采用这种悬挂方式具有轴箱各向定位相对独立，三向定位刚度解藕，弹簧使用寿命长等优点，保证车辆具有良好的动力学性能，还确保了轴的径向定位而使转向架的摆动尽量小。
2.2.2 二系悬挂
高速转向架设计要尽可能降低车辆的主振动自振频率，在垂向振动性能方面，起决定作用的是弹簧悬挂系统的总静挠度及其在两系悬挂中的分配比例，对于高速转向架，一般总希望把弹簧悬挂系统设计得尽可能柔软些，并把绝大部分的柔度分配于二系悬挂部分。对于横向振动方面同样需要较大的相对柔度，并集中在二系悬挂系统；因此，需要二系悬挂系统具有较小的横向和垂向刚度，较大的挠度。随着空气簧的出现和技术的成熟，空气弹簧结构简单，能提供大的当量静挠度，成为现在地铁车辆的转向架关键部件之一。同时，为了保证车辆运行在限界范围内，需要设置抗侧滚扭力杆。在转向架与车体之间设横向止挡，横向止挡与牵引装置之间留有一定的自由间隙和弹性间隙，为提高车辆的抗蛇形运动性能，有效的释放横向摆动的能量，高速地铁的自由间隙相对较大。
3 A型地铁避免共振
方案
3.1 概述
一系悬挂系统采用螺旋钢弹簧加橡胶垫以及垂向油压减振器，一系悬挂采用金属螺旋弹簧刚度稳定性好，能够有效隔离轮轨作用的传递，橡胶垫对振动特别是高频振动有很强的衰减能力，可以保证较低结构噪声传递水平，垂向油压减振器衰减了垂向振动。二系悬挂采用低刚度大挠度的空气弹簧，并设有横向油压减振器和二系垂向油压减振器，车辆在运行时大大减小了振动，避免了共振，从而提高了车辆的运行平稳性、舒适性和通过曲线能力。二系悬挂系统不仅能够防止垂向偏移而且有利于车体的横向偏移。横向止挡弹性地限制超出正常自由范围的横向变形，其刚性止挡能限制整个的横向位移。因此，二系悬挂系统的设计也确保了车辆运行在动态包络线内。
3.2 振型计算及阻尼参数的优化分析
根据振型的阻尼比初步优化一、二系阻尼是振型计算的目的之一。计算分别针对拖车和动车（M），以及空车工况（AW0）和重车（AW2）工况。以下无特殊指出，一般将AW2工况称为重车工况。表1为拖车主要振型的固有振动特征参数，运行速度为10km/h。左侧为无任何阻尼时的固有振动频率，右侧为给定一、二系阻尼时的各主要振型的频率和阻尼比。
表2为动车主要振型的固有振动特征参数，左侧为无任何阻尼时的固有振动频率，右侧为阻尼给定一、二系阻尼时的各主要振型的频率和阻尼比。
4 结束语
基于上述两系悬挂系统的综合匹配，悬挂装置能充分减小振动和冲击的传递，转向架及其各部件的固有频率与车体及安装其上的设备的固有频率分散，有效避免共振。
参考文献：
[1]KUBA T，LUGNER P．Dynamic behaviour of tram-ways with different kinds of bogies[J]．Veh Syst Dyn,2012,50(SI):277－289．
[2]沈利人译.车辆系统动力学[Ｍ]．成都：西南交通大学出版社，1998.
[3]朱向阳．A 型地铁车辆 ZM A 080 型转向架悬挂系统[J]．电力机车与城轨车辆，2008（4）：12-15．
[4]黄运华，等.120km/h B型地铁车辆动力学性能研究[J]．机车电传动，2009（5）：43-46．
[5]孟宏，翟婉明，王开云．二系悬挂对机车动力学性能的影响[Ｊ]．铁道机车车辆，2005，25（5）：1-4．
[6]周长城，于曰伟，等．地铁二系垂向悬挂系统最佳阻尼比的解析计算[Ｊ]．上海交通大学学报，2017，51（3）：353－358．
[7]NGUYEN H C,SONE A,IBA D,et al.Design of passive suspension system of railway vehicies via control theory[J]. Journal of System Design and Dynamics, 2008, 2(2):518-527. |
