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（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

專題研究

27 t軸重貨車軸箱懸掛特性研究*

熊 芯，姜 成，苗曉雨，王新銳，張?zhí)鞁?/p>

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

27 t軸重貨車轉向架均采用了軸箱懸掛橡膠堆，旨在降低輪軌的沖擊動作用力，但實際的效果有待試驗數據的驗證。本文利用既有線27 t軸重貨車適應性的試驗數據，從軸箱加速度譜、側架加速度譜、加速度擴大倍率、單位激勵下軸頭加速度譜等方面入手，對27 t軸重貨車軸頭加速度、側架加速度、軸箱懸掛的特性進行研究。結果表明27 t軸重貨車軸箱懸掛能有效降低中頻段的側架加速度，但低頻段側架加速度沒有明顯降低。

27 t軸重；加速度；功率譜

2012年7月16日原鐵道部下發(fā)了《大軸重鐵路貨車總體技術條件（暫行）》，隨即，27 t軸重貨車的發(fā)展全面啟動。目前，27 t軸重貨車已相繼完成靜強度試驗、動力學性能試驗、線路適應性試驗，隨著這些試驗的完成，27 t軸重貨車尤其是27 t軸重貨車轉向架在性能方面進行的技術創(chuàng)新得以從試驗的角度進行驗證。

27 t軸重貨車采用了下交叉支撐轉向架DZ1、擺動式轉向架DZ2及副構架式徑向轉向架DZ33種27 t軸重貨車轉向架，3種27 t軸重貨車轉向架均采用了軸箱懸掛橡膠堆，旨在降低輪軌的沖擊動作用力。本文將利用試驗數據對27 t軸重貨車轉向架軸箱橡膠堆的加速度特性進行研究，分析的頻率范圍為中低頻（小于1 000 Hz），驗證其輪軌動力作用特征。

1 分析參數

軸箱懸掛橡膠堆在軸頭承載鞍與側架之間，理論上合適的參數能有效降低從承載鞍傳遞上來的輪軌動作用力，但實際上橡膠堆的參數會與理論有一定差別，最終的效果需要從試驗來驗證，這些驗證可以從不同分析參數來研究。

1.1 加速度擴大倍率η

加速度擴大倍率η是指軸箱懸掛之上的加速度譜與軸箱懸掛之下的加速度譜之比，反映了從車輪傳上來的動力作用通過軸箱懸掛之后的變化。如果加速度擴大倍率小于1表示動力作用有減弱；如果遠小于1，表示有明顯減弱。

當不需要考慮車體固有頻率的影響時，對于單固有頻率的橡膠堆加速度擴大倍率η為［1］

其中m、k、c分別為側架的質量、橡膠堆的剛度、阻尼。

考慮車體單固有頻率的影響時，對于單固有頻率的橡膠堆加速度擴大倍率η為

其中M、K、C分別為簡化的橡膠堆以上振動系統的質量、剛度、阻尼。

對于多個固有頻率的橡膠堆加速度擴大倍率η為

對于更復雜的情況不再一一敘述。

通過測試軸箱橡膠堆正下方承載鞍加速度和橡膠堆正上方側架加速度可以得到合成的橡膠堆的加速度擴大倍率η，由此可以判斷軸箱橡膠堆的減振效果。

1.2 加速度譜p

加速度譜p是實測的軸頭加速度譜或側架加速度譜，加速度譜p反映的是轉向架對試驗線路的適應性，在不同的試驗線路結果會有一定差別。

對于貨車和軌道綜合系統，軸頭加速度a與輪軌力F之間有如式（4）關系：

1.3 單位激勵下軸頭加速度譜H

單位激勵下的軸頭加速度譜H，即軸頭加速度對激勵位移的傳遞函數。

加速度譜p在不同的試驗線路結果會有一定差別，為了得到不同線路的一致結果，需要分離出單位激勵下的軸頭加速度譜。

對于貨車和軌道綜合系統，軸頭加速度a與線路激勵位移r之間有如式（5）關系［2］：

其中αkH、αr、αw分別為單位輪軌力下的接觸區(qū)位移導納、鋼軌位移導納、車輪位移導納。單位位移激勵下的軸頭加速度譜H為：

歸一化后的|H0|可以使用下列方法確定。

因為，其對于確定速度下的功率譜有如式（7）關系對于軌道功率譜有如式（8）關系［3］

Pr為車輛速度v對應的時間頻率域位移輸入功率譜密度；Pf為空間頻率域位移輸入功率譜密度（軌道譜密度）。

定義G（ω，Ω）如下：

則有，

即，由pa（ω）|v＝vi可以得到G（ω，Ω），而G（ω，Ω）是f（ω）和g（Ω）的積，對G（ω，Ω）可以直接分離后得到歸一化后的|H0（ω）|2。

2 試驗驗證結果分析

2013年7—11月間在長沙進行了27 t軸重貨車線路適應性試驗，在本次試驗中，對27 t軸重貨車轉向架軸箱懸掛特性進行了試驗驗證，試驗測試了配裝3種27 t軸重貨車主型轉向架的敞車、配裝23 t軸重轉K6轉向架的C70比較車。

2.1 加速度擴大倍率η

圖1給出了側架、軸頭的垂向加速度擴大倍率η。根據試驗結果，對比27 t軸重貨車和C70比較車：27 t軸重貨車軸箱懸掛能有效降低中頻段（200～1 000 Hz）的側架加速度，但低頻段（＜200 Hz）側架加速度沒有明顯降低。

根據加速度譜和加速度擴大倍率圖，200 Hz是一個分界頻率。頻率在200 Hz以內，27 t軸重貨車傳遞函數大于C70比較車的，27 t軸重貨車傳遞函數在低頻段（＜200 Hz）以內有部分超過1；頻率在中頻段（200～1 000 Hz）以上，27 t軸重貨車傳遞函數均明顯小于C70比較車（個別車個別峰值除外），在中頻段，側架加速度比軸頭加速度減少約80%。

2.2 加速度譜

圖2、圖3給出了側架、軸頭垂向加速度的幅值譜。根據試驗結果，對比27 t軸重貨車和C70比較車：軸頭加速度沒有一致的差別，在不同頻率范圍均有交叉；側架加速度頻率中頻段（200～1 000 Hz），27 t軸重貨車明顯小于C70比較車，在該頻率范圍內能顯著降低側架加速度值。

圖1 軸頭垂向加速度擴大倍率對比

圖2 側架垂向加速度功率譜對比

圖3 軸頭垂向加速度功率譜對比

圖4給出了同一次試驗時不同車型（轉向架均為同一27 t軸重轉向架）側架垂向加速度的幅值譜。根據試驗結果，對于敞車、棚車、罐車，在中低頻段（＜1 000 Hz），側架加速度譜與車型關系不大，與轉向架參數和線路條件關系更密切。對于平車在300～1 000 Hz的頻率范圍內，側架加速度譜與其他車型差別較大。

圖4 不同車型（同一轉向架）側架垂向加速度功率譜對比

2.3 單位激勵下軸頭加速度譜

線路激勵的大小直接影響軸頭加速度的大小，使用上述1.3節(jié)方法可以分離出單位激勵下的加速度譜，這樣可以對不同線路的試驗結果進行比較分析。

根據兩次試驗結果，側架和軸頭加速度在不同試驗線路條件下結果基本一致。相比較而言，軸頭加速度個別峰值大小有較大差異，見圖5、圖6。

同時，對單位激勵下軸頭、側架加速度的27 t軸重貨車與C70比較車進行對比，也有上述相同的結果。因此，前述結果也是轉向架的自身特征，不論何種線路條件均有一致結果。

3 結束語

通過對27 t軸重貨車加速度試驗數據進行分析，比較了27 t軸重貨車和C70比較車的試驗結果，得出了27 t軸重貨車采用軸箱懸掛橡膠堆后的加速度變化規(guī)律。在不同線路條件下均有結論：27 t軸重貨車軸箱懸掛能有效降低中頻段（200～1 000 Hz）的側架加速度，側架加速度比軸頭加速度減小約80%；但低頻段（＜200 Hz）側架加速度沒有明顯降低。

［1］ 李德葆，陸秋海.工程振動試驗分析［M］.北京：清華大學出版社.

［2］ S.L.Grassie，R.W.Gregory，K.L.Johnson.The behaviour of railway wheelsets and track at high frequencies of excitation［J］.Journal Mechanical Engineering Science，24（2）1982.

［3］ 康 熊，曾宇清.車輛振動加速度響應分析的速度—頻域方法［J］.中國鐵道科學，2012，33（1）：60-70.

Study on Axle-box Suspension’s Characteristics of 27 t Axle Load Wagons

XIONG Xin，JIANG Cheng，MIAO Xiaoyu，WANG Xinrui，ZH ANG Tianying
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

In order to reduce the wheel-rail force，rubber stack is adopted in the axle-box suspension for 27 t axle load bogies，but the actual effect remains to be verification by test.Using the data of 27 t axle load adaptability test，from the axle-box acceleration spectrum，side frame acceleration spectrum，transfer rate of acceleration，axle-box acceleration spectrum by unit excitation head and other aspects，the characteristic of 27 t axle load wagon axle acceleration，side frame acceleration，and transfer characteristic of axle-box suspension is studied.The results show that the 27 t axle load wagon axle box suspension can effectively reduce the middle frequency side frame acceleration，but the low frequency side frame acceleration is not obviously reduced.

27 t axle load；acceleration；power spectrum

圖6 單位激勵下側架加速度不同試驗對比

U272

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.06

1008－7842（2014）04－0029－05

*鐵道部科技開發(fā)計劃（2012J008－A）

?）男，副研究員（

2013－12－11）