周義昌，王開云，呂凱凱，楊 敏，姚 力

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031;2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

基于低動力作用的高速鐵路客貨共運的貨車選型研究

周義昌1，王開云1，呂凱凱1，楊 敏1，姚 力2

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031;2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

寬軌距；客貨共運；貨車選型；三大件式轉(zhuǎn)向架；構架式轉(zhuǎn)向架

某高速鐵路項目是歐亞高速運輸走廊的試點項目，有著寬軌距(1 520 mm)、超高速(400 km/h)和客貨混運的特點。由于貨車與客車的車輛結構動力性能存在較大差異，運營速差明顯，所以對軌道結構的動力作用水平也不盡相同，這給設計時車輛的選型，尤其是貨車選型帶來了極大的技術挑戰(zhàn)。

在客貨共運線路上，選擇合適的貨車類型可以有效地降低輪軌動態(tài)相互作用，減小車輛對軌道結構的動力作用。針對客貨混運和貨車選型問題，國內(nèi)外學者做了大量基礎性的研究工作：王開云[1]研究了福廈鐵路高低速客貨混運時的動力學性能；王福[2]、雷曉燕等[3]分析了客貨混運線路重載運輸條件下的軌道結構振動情況；彭東輝[4]對客貨混運線路CRTS I型無砟軌道動力學性能進行了評價，并提出了合適的軌道設計參數(shù)；王勇等[5]、黃孝亮[6]建立了傳統(tǒng)三大件式轉(zhuǎn)向架貨車的動力學分析模型；Roy E Smith[7]比較了迫導向貨車轉(zhuǎn)向架與標準三大件轉(zhuǎn)向架的動力學性能；程平[8]、王勇等[9]研究了構架式轉(zhuǎn)向架貨車的動力學性能和懸掛參數(shù)。然而，關于在客貨共運高速鐵路上貨車與軌道低動力作用的研究并不多見。

為了使重載貨車在高速鐵路軌道上能安全、平穩(wěn)地運行，本文將從貨車和軌道整體大系統(tǒng)的角度、運用TTISIM[10]動力學仿真軟件，研究三大件式貨車和構架式貨車在高速鐵路CRTS III型無砟軌道上的輪軌動力學性能指標，并與高速動車組作用下的性能指標進行對比分析，為高速鐵路客貨共線的貨車選型提供理論依據(jù)。

1 2種類型貨車轉(zhuǎn)向架

1.1 傳統(tǒng)的三大件式轉(zhuǎn)向架貨車

傳統(tǒng)貨車采用三大件式轉(zhuǎn)向架，典型結構如圖1所示。轉(zhuǎn)向架的構架是由左右兩個獨立的側架與一個搖枕組成的三大件結構。每一側架聯(lián)系前后兩個輪對一側的軸箱，左右兩個側架之間在中央部位用一根橫向放置的搖枕聯(lián)系在一起。搖枕和側架可有上下方向的相對移動，而前后、左右方向的相對位移則限制在間隙容許范圍之內(nèi)，一般移動量很小。懸掛系統(tǒng)采用一系中央懸掛，彈簧減振裝置主要包括彈簧和摩擦楔塊減振器[11]。

圖1 三大件式轉(zhuǎn)向架

1.2 新型快捷構架式轉(zhuǎn)向架貨車

新型快捷貨車采用的是構架式轉(zhuǎn)向架，圖2給出了其中一種類型的轉(zhuǎn)向架。其主要結構特點為：為減輕簧下質(zhì)量，采用兩系懸掛裝置，軸箱懸掛由兩側彈簧和軸箱頂部螺旋鋼彈簧組成，此為一系懸掛；中央懸掛裝置采用橡膠堆彈簧，位于轉(zhuǎn)向架側梁中部和搖枕中間，此為二系懸掛；軸箱和構架之間安裝了垂向液壓減振器，與摩擦減振器相比無磨耗且性能穩(wěn)定；采用常接觸彈性旁承，提供一定的回轉(zhuǎn)阻力矩以限制搖枕和車體之間的搖頭運動，以提高車輛的運動穩(wěn)定性。

圖2 構架式轉(zhuǎn)向架

圖3 三大件式轉(zhuǎn)向架貨車-Ⅲ型板式無砟軌道耦合動力學模型端視圖

圖4 構架式轉(zhuǎn)向架貨車-Ⅲ型板式無砟軌道耦合動力學模型側視圖

模型中：均把鋼軌視為彈性點支承基礎上的Bernoulli-Euler梁，分別考慮左、右鋼軌的垂向、橫向及轉(zhuǎn)動自由度；軌道板和混凝土底座垂向視為彈性基礎上的彈性薄板，橫向視為剛體運動，考慮其平動和轉(zhuǎn)動自由度；輪軌之間的法向作用力由赫茲非線性彈性接觸理論確定，切向蠕滑力由蠕滑理論確定。

3 輪軌動力響應特征分析

為了對比分析不同貨車對軌道的動力作用性能，設置了2種計算工況：1 000 m的直線軌道和半徑10 000 m、超高150 mm、緩和曲線長度570 m、圓曲線長度600 m的曲線軌道，貨車車輛的運行速度是160 km/h。隨機不平順激擾選用的是中國高速軌道標準譜。另外，為了更好地反映2種類型貨車的輪軌動力作用，以軸重17 t、時速400 km的高速動車作用下的輪軌動力學性能指標為參照。

3.1 車輛與軌道動態(tài)作用評價指標限值

為了研究寬軌距客貨共運條件下的車輛與軌道系統(tǒng)的動力學性能，選取了輪軌垂向力、輪軌橫向力、鋼軌垂向和橫向動態(tài)位移、軌距動態(tài)擴大量5項指標作為車輛與軌道動態(tài)作用的評價指標。

根據(jù)我國《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》(GB5599—85)[13]和《高速鐵路設計規(guī)范(試行)》(TB10621—2014)[14]，各評價指標的限值如表1所示。

表1 評價指標限值

3.2 輪軌動態(tài)作用力

以第1位輪對為例，圖5和圖6分別給出了高速動車、三大件式轉(zhuǎn)向架貨車和構架式轉(zhuǎn)向架貨車在直線和曲線工況下各輪軌動態(tài)作用力的最大值。

圖5 直線工況下3種車型的輪軌力最大值

圖6 曲線工況下3種車型的輪軌力最大值

從圖5可知：直線工況下，3種車型與軌道間的輪軌垂向和橫向力均滿足安全性要求；三大件式轉(zhuǎn)向架貨車輪軌垂向力的最大值接近160 kN，遠大于高速動車和構架式轉(zhuǎn)向架貨車的輪軌垂向力；高速動車和構架式轉(zhuǎn)向架貨車輪軌垂向力的最大值均在120 kN左右，輪軌橫向力都不超過15 kN，相差不大。如圖6所示：相比于直線工況，曲線工況下3種車型的輪軌動態(tài)作用力最大值均有不同程度的增加，其中，三大件式轉(zhuǎn)向架貨車輪軌垂向力的最大值超過了安全限值170 kN，不利于車輛的安全運行。

綜合來看，無論是直線工況還是曲線工況，三大件式轉(zhuǎn)向架貨車的輪軌動態(tài)作用力最大值都明顯大于其余2種車型；構架式轉(zhuǎn)向架貨車的輪軌垂向和橫向力最大值與高速動車的比較接近。因此，選擇構架式轉(zhuǎn)向架貨車與高速動車共線運行有利于車輛的安全運行。

3.3 鋼軌振動位移

表2給出了3種車型通過直線軌道時鋼軌的振動位移及軌距動態(tài)擴大量的最大值。由計算結果可知：三大件式轉(zhuǎn)向架貨車的軌距動態(tài)擴大量為2.47 mm，明顯高于其余2種車型；與三大件式轉(zhuǎn)向架貨車相比，構架式轉(zhuǎn)向架貨車作用下的鋼軌橫向振動位移減少了1 mm左右，鋼軌垂向振動位移下降了0.2 mm左右，軌距動態(tài)擴大量顯著降低，滿足軌道結構運用要求；而高速動車作用下的鋼軌振動位移與構架式轉(zhuǎn)向架貨車作用下的鋼軌振動位移相差不大。由此可知：在直線工況下，構架式轉(zhuǎn)向架貨車對軌道結構的動力作用明顯小于三大件式轉(zhuǎn)向架貨車對軌道結構的動力作用，構架式轉(zhuǎn)向架貨車在直線軌道的性能明顯要優(yōu)于三大件式轉(zhuǎn)向架貨車。

表2 直線工況鋼軌振動位移的最大值

曲線工況下鋼軌振動位移的最大值由表3列出。與直線工況相比，3種車型作用下的鋼軌橫向振動位移最大值均有不同程度的增加；與高速動車相比，三大件式轉(zhuǎn)向架貨車作用下的鋼軌橫向振動位移增大了6倍之多，垂向振動位移增加了0.35 mm左右，軌距動態(tài)擴大量增大了9倍左右，無法滿足高速鐵路的線路要求；與直線工況的情況相似，三大件式轉(zhuǎn)向架貨車作用下的鋼軌橫向、垂向振動位移和軌距動態(tài)擴大量都明顯大于構架式轉(zhuǎn)向架貨車作用下的鋼軌動態(tài)位移指標。

從鋼軌振動位移來看，三大件式轉(zhuǎn)向架貨車作用下的軌距動態(tài)擴大量指標偏大，不能滿足線路要求；采用構架式轉(zhuǎn)向架貨車時，可減少對軌道結構的破壞作用。

表3 曲線工況鋼軌振動位移的最大值 mm

4 結論

本文針對寬軌距客貨共運高速線路上貨車的選型問題，對比分析了高速動車、三大件式轉(zhuǎn)向架貨車和構架式轉(zhuǎn)向架貨車的輪軌動態(tài)相互作用特征。分析結果表明：無論是直線工況還是曲線工況，三大件式轉(zhuǎn)向架貨車作用下的輪軌力和鋼軌振動位移均明顯大于高速動車和構架式轉(zhuǎn)向架貨車，部分指標存在超限情況，不利于車輛的安全運行；構架式轉(zhuǎn)向架貨車與高速動車作用下的輪軌動態(tài)響應比較接近，且明顯低于各自限值。因此，在客貨共運高速鐵路上，應選擇構架式轉(zhuǎn)向架貨車為貨運車輛運營模式。

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[13] GB/T 5599—1985,鐵道車輛動力學性能評價和試驗鑒定規(guī)范[S].

[14] TB 10621—2014,高速鐵路設計規(guī)范[S].

(責任編輯林 芳)

ResearchontheSelectionofFreightVehiclesforMixedPassengerandFreightRailwaysBasedonLowDynamicInteractions

ZHOU Yichang1, WANG Kaiyun1, LYU Kaikai1, YANG Min1, YAO Li2

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031, China)

To select the freight vehicle for high speed railways with wide gauge and passenger and freight traffic, the dynamic responses of the vehicle/track systems are investigated for the high speed vehicle, the freight vehicle with the three-piece bogie and the freight vehicle with the frame bogie. The wheel/rail forces and the displacements of the rail are focused on for the freight vehicles with the three-piece bogie and the frame bogie. The TTISIM simulation software is adopted, based on the theory of vehicle-track coupled dynamics. The result shows that the safety index of wheel/rail of the three-piece vehicle is obviously higher than that of the freight vehicle with the frame bogie, and the maximum of the vertical force has exceeded the limit. Furthermore, frame-bogie vehicle has less influence on the track compared with the three-piece bogie vehicle. Consequently, it is rational to choose the frame-bogie vehicle for railways with passenger and freight traffic.

wide gauge; passenger and freight traffic; selection of freight trains; three-piece bogie; frame-bogies

2017-07-26

四川省科技計劃資助項目(2016GZ0333)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重大課題(2016G002-A)

周義昌(1993—)，男，河南濟源人，碩士研究生，主要從事輪軌動力學研究，E-mail:18043197625@163.com； 通訊作者 王開云(1974—)，男，江西萍鄉(xiāng)人，博士，研究員，博士生導師，主要從事機車車輛-軌道耦合動力學研究，E-mail: kywang@swjtu.edu.cn。

周義昌，王開云，呂凱凱，等.基于低動力作用的高速鐵路客貨共運的貨車選型研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(10):66-70.

formatZHOU Yichang, WANG Kaiyun, LYU Kaikai, et al.Research on the Selection of Freight Vehicles for Mixed Passenger and Freight Railways Based on Low Dynamic Interactions[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):66-70.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.011

U211.5

A

1674-8425(2017)10-0066-05