李亨利，李 芾，廖 軍，張顯鋒，吳 暢，祝 笈

（1 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031；2 南車(chē)眉山車(chē)輛有限公司，四川眉山620032）

綜合技術(shù)研究

轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架承載鞍結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)性能研究*

李亨利1，2，李 芾1，廖 軍2，張顯鋒2，吳 暢2，祝 笈2

（1 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031；2 南車(chē)眉山車(chē)輛有限公司，四川眉山620032）

轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架是我國(guó)至今唯一投入商業(yè)運(yùn)用的貨車(chē)副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架。為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行性能，對(duì)轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架與U形副構(gòu)架鑄造一體式的承載鞍系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。分離U形副構(gòu)架和承載鞍功能，設(shè)置獨(dú)立的承載鞍和承載鞍彈性墊?，F(xiàn)采用理論分析、動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算和線路試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)優(yōu)化承載鞍系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。仿真結(jié)果表明當(dāng)承載鞍彈性墊剛度在30 MN/m以上時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能基本無(wú)影響，僅起定位板或磨耗板的功能；動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)表明承載鞍系統(tǒng)優(yōu)化后車(chē)輛整體動(dòng)力學(xué)性能得到改善。

轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架；徑向轉(zhuǎn)向架；承載鞍系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)；線路試驗(yàn)

轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架是在我國(guó)發(fā)展重載提速技術(shù)的背景下，引進(jìn)南非徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)自主研發(fā)的一種貨車(chē)自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架2007年8月定型，并于同年12月開(kāi)始小批量裝車(chē)使用。迄今，轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架已安全運(yùn)行了6年，并經(jīng)歷了3次全面檢修，表現(xiàn)出了良好的技術(shù)特性。為適應(yīng)近年來(lái)我國(guó)重載貨車(chē)轉(zhuǎn)向架大部件無(wú)磨耗、無(wú)焊接，適應(yīng)壽命管理的目標(biāo)，逐步推行換件修和狀態(tài)修的新要求，南車(chē)眉山車(chē)輛有限公司對(duì)轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的承載鞍系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期進(jìn)一步完善副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)，提高轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的使用性能。

1 承載鞍結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖1 轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架承載鞍系統(tǒng)優(yōu)化

轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架原型承載鞍與U形副構(gòu)架鑄造為一體，U形副構(gòu)架直接裝配在軸承上，垂向力通過(guò)前后布置的軸箱橡膠堆傳遞給承載鞍，如圖1（a）所示。此結(jié)構(gòu)一方面不可避免直接金屬磨耗，當(dāng)承載鞍面磨耗后只能對(duì)U形副構(gòu)架進(jìn)行選配或焊補(bǔ)；另一方面承載鞍結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于提高制造效率。我國(guó)新頒布的鐵路貨車(chē)運(yùn)用規(guī)程不再允許對(duì)承載鞍焊補(bǔ)進(jìn)行維修，在實(shí)際運(yùn)用對(duì)個(gè)別有磨耗的U形副構(gòu)架只能實(shí)施選配或換件修。為此，優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了獨(dú)立的承載鞍，實(shí)現(xiàn)U形副構(gòu)架體與承載鞍功能上的分離，并在U形副構(gòu)架與承載鞍之間增設(shè)了承載鞍彈性墊，承載鞍裝配于U形副構(gòu)架體承載鞍導(dǎo)框中，與U形副構(gòu)架設(shè)置縱向、橫向間隙。承載鞍彈性墊裝配于承載鞍頂面實(shí)現(xiàn)輪對(duì)彈性定位，垂向力通過(guò)承載鞍彈性墊傳遞給承載鞍，從而構(gòu)成新的承載鞍系統(tǒng)，如圖1（b）所示。該承載鞍系統(tǒng)與現(xiàn)有主型轉(zhuǎn)向架完全相同，在承載鞍磨耗到限時(shí)，僅需更換承載鞍，從而實(shí)現(xiàn)了U形副構(gòu)架全壽命周期內(nèi)無(wú)直接金屬磨耗，方便了U形副構(gòu)架的壽命管理。同時(shí)，由于承載鞍彈性墊的彈性適應(yīng)性，一定程度上也提高了U形副構(gòu)架的裝配工藝性。

為提高轉(zhuǎn)向架的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化水平，優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架接口尺寸、性能參數(shù)和適用標(biāo)準(zhǔn)完全一致。輪軸、側(cè)架、搖枕、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、彈性旁承和中央懸掛裝置等部件也沒(méi)有變化，而僅對(duì)承載鞍和U形副構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變。改進(jìn)的U形副構(gòu)架增加設(shè)置了承載鞍導(dǎo)框、導(dǎo)框凸臺(tái)、承載鞍彈性墊卡槽等結(jié)構(gòu)，使之滿(mǎn)足體式承載鞍及橡膠墊的裝配要求，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。依據(jù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和理論研究的結(jié)果，新結(jié)構(gòu)優(yōu)化了副構(gòu)架各截面的尺寸，以改善副構(gòu)架的鑄造工藝性，減小鑄造缺陷。另一方面，新型U形副構(gòu)架進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，僅需加工副構(gòu)架承載鞍導(dǎo)框頂部的平面與兩個(gè)凸臺(tái)，承載鞍面加工精度要求不高，加工量減小，大幅度提高了制造生產(chǎn)率，有利于加工質(zhì)量的控制，精度更容易得到保證。

圖2 改進(jìn)的U形副構(gòu)架體

2 新承載鞍系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

2.1 輪對(duì)等效剛度的改變

A.H.Wickens指出，轉(zhuǎn)向架所有懸掛系統(tǒng)從水平特征上分析，都可以歸結(jié)為前后輪對(duì)的相互連接關(guān)系，主要表征參數(shù)為輪對(duì)之間的抗剪剛度和抗彎剛度?？辜魟偠榷x為前輪對(duì)作橫向位移時(shí)，后輪對(duì)作用于前輪對(duì)的彈性復(fù)原力與兩輪對(duì)橫向相對(duì)位移的比值?？箯潉偠鹊母拍钆c此類(lèi)似，定義為前后輪對(duì)相對(duì)搖頭時(shí)彈性復(fù)原力矩與相對(duì)搖頭角度的比值。

對(duì)于僅有承載鞍橡膠墊定位的普通轉(zhuǎn)向架，前后輪對(duì)抗剪剛度ks1和抗彎剛度kb1可表示為［1－3］：

式中b為同一輪對(duì)軸箱定位距離；l為軸距；k1x和k1y分別為承載鞍橡膠墊縱向剛度和橫向剛度。

原型轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架輪對(duì)間抗剪剛度ks和抗彎剛度kb為軸箱懸掛等效剛度與輪對(duì)徑向裝置等效剛度并聯(lián)剛度：

式中ks3和kb3為輪對(duì)徑向裝置提供的抗剪和抗彎剛度。同時(shí)由于式（1）和式（2）反映了軸箱定位剛度與抗剪和抗彎剛度的關(guān)系，承載鞍彈性墊提供的輪對(duì)抗剪剛度ks2和抗彎剛度kb2應(yīng)具有與其相同的表達(dá)式。而改進(jìn)承載鞍系統(tǒng)轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架輪對(duì)間總剛度應(yīng)為軸箱懸掛等效剛度與承載鞍彈性墊剛度產(chǎn)生的等效剛度串聯(lián)，再與輪對(duì)徑向裝置提供的等效剛度并聯(lián)，因此，新承載鞍系統(tǒng)的轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)抗剪剛度k′s和抗彎剛度k′b可表示為：

式中k2x和k2y分別為承載鞍彈性墊縱向和橫向剛度。對(duì)比式（3）～式（6）可知，新承載鞍系統(tǒng)中輪對(duì)徑向裝置的作用力須由U形副構(gòu)架先傳遞給承載鞍彈性墊，再傳遞給承載鞍和輪軸形成對(duì)輪對(duì)運(yùn)動(dòng)的約束，引起了轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)間等效抗剪和抗彎剛度的變化，從而將會(huì)影響轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能。

2.2 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能仿真

為研究引入承載鞍彈性墊對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響程度，并優(yōu)選承載鞍彈性墊的剛度，以裝配轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的C70EF型敞車(chē)為研究對(duì)象，建立車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算。模型中承載鞍、U形副構(gòu)架均為獨(dú)立的剛體，承載鞍彈性墊和作用于U形副構(gòu)架的連接桿抽象為以連接剛度表示的力函數(shù)，車(chē)輛計(jì)算模型如圖3所示。計(jì)算中，線路不平順等級(jí)為AAR5，彈性墊縱向、橫向剛度初值取均為35 MN/m，而剛度值取無(wú)窮大時(shí)，可等效認(rèn)為是原型轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架承載鞍與U形副構(gòu)架鑄造一體的值。

圖3 C70EF型敞車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

圖4為承載鞍彈性墊剛度對(duì)車(chē)輛臨界速度的影響。車(chē)輛臨界速度隨承載鞍彈性墊縱向和橫向剛度增加而升高，當(dāng)承載鞍剛度小于20 MN/m時(shí)，車(chē)輛臨界速度變化梯度較大，在25 MN/m以上變化時(shí)對(duì)車(chē)輛臨界速度影響較小，剛度取30 MN/m左右的車(chē)輛穩(wěn)定性與原型轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架相近。車(chē)輛以速度100 km/h運(yùn)行時(shí)車(chē)輛的橫向平穩(wěn)性如圖5所示，承載鞍縱向、橫向剛度越大，車(chē)輛平穩(wěn)性更好，且其作用規(guī)律與臨界速度相近，剛度在30 MN/m以上時(shí)即基本接近原型轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的水平。另一方面，由于平穩(wěn)性指標(biāo)是反映車(chē)輛直線動(dòng)力學(xué)的一個(gè)綜合指標(biāo)，也代表了承載鞍彈性墊剛度對(duì)車(chē)體加速度大小的影響趨勢(shì)；同時(shí)，車(chē)輛垂向動(dòng)力學(xué)性能的變化也相近，在此不再贅述。

從計(jì)算結(jié)果還可知，承載鞍彈性墊縱向剛度對(duì)車(chē)輛直線運(yùn)行性能的影響大于橫向剛度，其與普通轉(zhuǎn)向架承載鞍定位剛度對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能影響的規(guī)律一致。此外，結(jié)合式（5）和式（6）分析，縱向剛度對(duì)于輪對(duì)抗剪和抗彎剛度都有影響，而橫向剛度對(duì)抗彎剛度無(wú)影響，因而其對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響處于次要地位。

圖6和圖7為車(chē)輛以速度70 km/h、通過(guò)半徑300 m、預(yù)設(shè)線路超高120 mm曲線時(shí)，輪對(duì)沖角和輪軌橫向力最大值的計(jì)算結(jié)果，一定范圍內(nèi)較小的承載鞍彈性墊剛度值對(duì)轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能具有有益的影響。通常認(rèn)為副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架是通過(guò)降低輪對(duì)沖角來(lái)改善輪軌接觸狀態(tài)和降低輪軌磨耗的，因此輪對(duì)沖角是衡量轉(zhuǎn)向架徑向性能的主要指標(biāo)。承載鞍彈性墊剛度越大，輪對(duì)沖角越大，轉(zhuǎn)向架徑向性能反而有所下降，這與軸箱懸掛剛度對(duì)原型轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能影響的規(guī)律一致［4］。此外，輪對(duì)沖角在承載鞍彈性墊剛度小于15 MN/m時(shí)，變化十分明顯，大于該值時(shí)變化十分平緩并逐漸逼近原型轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架。另從車(chē)輛曲線運(yùn)行安全性分析，圖7表明輪軌橫向力也與承載鞍彈性墊剛度同步上升，且由于車(chē)輛以較大欠超高通過(guò)小半徑曲線時(shí)，外側(cè)車(chē)輪均貼向鋼軌，縱向和橫向剛度的影響程度相似。

圖4 車(chē)輛臨界速度

圖5 車(chē)體橫向平穩(wěn)性

圖6 輪對(duì)沖角

圖7 輪軌橫向力

綜合以上分析，當(dāng)承載鞍彈性墊縱向、橫向剛度取值在30 MN/m以上時(shí)，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的變化很小，車(chē)輛臨界速度和直線運(yùn)行性能接近原型轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架，曲線通過(guò)性能還略有改善。實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于承載鞍彈性墊剛度取值相對(duì)軸箱懸掛剛度大一個(gè)數(shù)量級(jí)，其影響轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的懸掛功能可以忽略不計(jì)，而主要發(fā)揮定位板或磨耗墊的作用。

4 試驗(yàn)及分析

為說(shuō)明改進(jìn)承載鞍系統(tǒng)的實(shí)際效果，對(duì)比承載鞍系統(tǒng)改進(jìn)前后兩次線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果。2011年5月在哈爾濱鐵路局管內(nèi)的齊齊哈爾南至泰康站和龍江站區(qū)間，裝配改進(jìn)承載鞍系統(tǒng)轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的C70EF型敞車(chē)進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)；以及2007年9月在濟(jì)南鐵路局管內(nèi)的沙嶺莊站至高密站，裝配原型轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的C70F型敞車(chē)進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)［5-6］。兩次試驗(yàn)在速度131 km/h范圍內(nèi)，車(chē)輛各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均符合GB/T 5599－1985《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的規(guī)定，試驗(yàn)的部分結(jié)果如圖8～圖10所示。除去兩次試驗(yàn)線路和試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性的因素，轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架承載鞍系統(tǒng)改進(jìn)后，空、重車(chē)動(dòng)力學(xué)性能與原型轉(zhuǎn)向架相差不大，甚至還有所提高：空車(chē)直線性能略好于原型轉(zhuǎn)向架，重車(chē)直線性能較原型稍差（圖8，圖9）；空重車(chē)曲線通過(guò)性能均有所提高，車(chē)輛輪軸橫向力減小較為明顯，如圖10所示。

圖8 車(chē)體橫向平穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果

圖9 車(chē)體橫向加速度最大值試驗(yàn)結(jié)果

圖10 車(chē)輛輪軸橫向力最大值試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架承載鞍系統(tǒng)的改進(jìn)是在總結(jié)原來(lái)轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架運(yùn)用、檢修經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)果。該設(shè)計(jì)一方面提高了U形副構(gòu)架和承載鞍的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和工藝水平，還保持了轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架作為貨車(chē)徑向轉(zhuǎn)向架的性能優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升了轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性，豐富了副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架的技術(shù)內(nèi)涵。

［1］ 陳澤深，王成國(guó).鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)與控制［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

［2］ A.H.Wickens.Static and Dynamic Instabilities of Bogie Railway Vehicles with Linkage Steered Wheelsets［J］.Vehicle System Dynamics，1996，26（1）：1-16

［3］ Scheffel.H.Curving and stability analysis of self-steering bogies having a variable yaw constraint［J］.Vehicle System Dynamics，1994，23（suppl）：425-436

［4］ 李亨利，黃運(yùn)華.轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能研究［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2009，29（4）：26-29.

［5］ 四方車(chē)輛研究所.中國(guó)南車(chē)集團(tuán)眉山車(chē)輛廠C80B、C70敞車(chē)（裝用轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架）動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)報(bào)告［R］.青島，2007.

［6］ 四方車(chē)輛研究所.南車(chē)眉山車(chē)輛有限公司70 t級(jí)通用敞車(chē)動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)報(bào)告［R］.青島，2011.

ZK7 Type Bogie Adapter Structure Optimization and Dynamic Performance Research

LI Hengli1，2，LI Fu1，LIAO Jun2，ZHANG Xianfeng2，WU Chang2，ZHU Ji2
（1 Department of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China；2 CSR Meishan Rolling Stock Co.，Ltd.，Meishan 620032 Sichuan，China）

ZK7 type bogie is the only commercial operation freight radial bogie in China.The adapter and U type sub-frame are casting incorporate in the bogie prototype.In order to improve the bogie application performance，the new adapter system design separates thefunction of adapter and sub-frame，and the independent adapter and adapter elasticity pad are set.In this paper，the dynamic performance of optimization design is researched based on theory analysis，simulation and field test.The simulation results show that there is nearly no effects on the dynamic performance when the adapter pad stiffness is up to 30 MN/m，and it is only a wear pad.And the field test indicates that the new adapter system can improve the dynamic performance slightly.

ZK7 type bogie；radial bogie；adapter system；dynamic；field test

U270.331＋.7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.01

1008－7842（2014）03－0001－04

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50975238）；四川省科技支撐計(jì)劃（2013GZX0142）；青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51005190）

1—）男，博士生（

2013－10－21）