楊春雷 ，黃運(yùn)華 ，李 芾

（1.湖北民族大學(xué)新材料與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

眾所周知，質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良的運(yùn)輸裝備是實(shí)現(xiàn)鐵路重載運(yùn)輸發(fā)展的重要支撐和保證，其中轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)性能又是影響車輛整體運(yùn)行性能的技術(shù)關(guān)鍵和核心.因此，開發(fā)研制出滿足我國鐵路重載要求的大軸重貨車轉(zhuǎn)向架是順利實(shí)現(xiàn)我國鐵路重載運(yùn)輸?shù)那疤醄1-2].我國在借鑒國外大軸重轉(zhuǎn)向架實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過科研人員和鐵路工程技術(shù)人員的探索和研究，在20 世紀(jì)90年代，開發(fā)出了25 t 軸重的交叉支撐轉(zhuǎn)向架（K6）和副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架（K7）[3-5]，滿足了當(dāng)時我國鐵路貨運(yùn)120 km/h 的提速技術(shù)要求和大秦線的煤炭運(yùn)輸需求.近年來，為進(jìn)一步提高鐵路重載裝備性能和貨運(yùn)能力，在既有轉(zhuǎn)向架技術(shù)的基礎(chǔ)上，又相應(yīng)開發(fā)了27 t 軸重的交叉支撐轉(zhuǎn)向架和副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架[6-7].

但軸重提高必然帶來輪軌響應(yīng)加劇的問題，特別是重載引起的曲線段輪軌磨耗和鋼軌疲勞傷損是鐵路重載運(yùn)輸?shù)耐怀鰡栴}，已成為世界重載鐵路運(yùn)輸國家普遍面臨的工程難題[8].國內(nèi)外眾多理論研究和實(shí)驗(yàn)表明，采用徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)是解決曲線段輪軌動力問題的有效措施[9-21].由此，本文基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，針對我國目前研制并投入應(yīng)用的交叉支撐式轉(zhuǎn)向架和副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架這兩種重載貨車轉(zhuǎn)向架的實(shí)際結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)，分別建立了車輛-軌道耦合動力學(xué)分析模型，對曲線通過動態(tài)作用下的輪軌磨耗特性與普通三大件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了對比仿真分析.

1 重載貨車-軌道耦合動力學(xué)模型

重載貨車轉(zhuǎn)向架為了降低輪軌垂向動力作用，不再采用傳統(tǒng)貨車轉(zhuǎn)向架單一中央懸掛的懸掛方式，而在側(cè)架和車軸連接處增設(shè)了軸箱彈性橡膠墊，形成二系懸掛降低簧下質(zhì)量.本文的分析模型直接采用作者在文獻(xiàn)[21]已建立的重載貨車-軌道動力學(xué)模型.為使計(jì)算合理，建模時全面考慮了重載貨車具體結(jié)構(gòu)特性和其非線性環(huán)節(jié).車輛模型主要由1 個車體、2 個搖枕、4 個側(cè)架和4 個輪對組成，軌道模型則由左右鋼軌、軌枕和離散的道床塊組成.對兩種轉(zhuǎn)向架中分別連接左右側(cè)架的交叉支撐裝置和連接前后副構(gòu)架的交叉拉桿則采用縱向和橫向剛度兩向剛度來進(jìn)行彈性模擬，如圖1所示，其質(zhì)量則分別等效到左右側(cè)架和前后輪對.整個車輛-軌道耦合模型、自由度和圖中的各符號定義請?jiān)斠娢墨I(xiàn)[21]，這里不再贅述.

圖1 側(cè)架交叉支撐裝置和副構(gòu)架連接交叉拉桿的二維剛度模擬Fig.1 2D stiffness models of the side-frame cross braced appliance and sub-frame connecting cross-bar

2 輪軌動力作用仿真分析比較

2.1 仿真計(jì)算工況

仿真計(jì)算工況設(shè)置如表1所示.車輛選用軸重為27 t 分別裝用3 種轉(zhuǎn)向架的運(yùn)煤敞車的重車工況，車輛參數(shù)按實(shí)際參數(shù)選取.曲線線路參數(shù)設(shè)置參照我國Ⅰ級客貨混線線路實(shí)際和我國大秦運(yùn)煤專線、朔黃煤運(yùn)專線等重載線路以及我國頒布施行的《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10625—2017）[22]中關(guān)于新建重載線路的要求，曲線半徑取R= 400～1 500 m；緩和曲線和圓曲線長度按《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定中的困難工況選取，最小取值40 m；運(yùn)行速度按重載車輛運(yùn)行80 km/h 和100 km/h 速度等級計(jì)算；外軌超高最高不超過150 mm；線路激擾則考慮無線路不平順激擾和京哈、京廣、京滬3 大重載提速干線譜激擾兩種工況.

2.2 輪軌動力作用比較分析

2.2.1 無線路不平順激擾時曲線通過特性比較分析輪對搖頭角定義為輪對軸線與線路中心線法線方向的偏轉(zhuǎn)角度.在仿真計(jì)算時，常用輪對搖頭角指標(biāo)來衡量和評價車輛的徑向能力.圖2是裝用3 種轉(zhuǎn)向架的重載貨車以80 km/h 速度通過R= 600 m的曲線時，車輛各輪對搖頭角的變化比較.由圖2可見，車輛進(jìn)入曲線后，輪對開始出現(xiàn)搖頭，且搖頭角隨曲線曲率增大而增大；車輛的導(dǎo)向輪對出現(xiàn)負(fù)搖頭，而非導(dǎo)向輪對出現(xiàn)正搖頭.從搖頭角大小比較來看，側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架的輪對搖頭角最大，導(dǎo)向和非導(dǎo)向輪對的搖頭角分別為- 0.081 85°和0.045 34°，普通三大件轉(zhuǎn)向架的值分別為- 0.078 79°和0.021 84°，而副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架最小，其值分別為- 0.047 37°和0.029 92°，幾乎只有側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架的一半.

表1 仿真計(jì)算工況Tab.1 Simulation working conditions

圖2 R600 m 曲線通過時的輪對搖頭角比較（無線路不平順激擾）Fig.2 Comparisons of yaws of wheel-sets during negotiating R600 m curve (without track irregularity excitation)

最理想的徑向轉(zhuǎn)向架就是車輛通過曲線時，轉(zhuǎn)向架輪對均處于徑向位置，即呈“外八字”形狀，使輪對的軸向與曲線的徑向重合.所以，比較轉(zhuǎn)向架前后輪對的搖頭角差值能進(jìn)一步反映（及前后輪對同步性）轉(zhuǎn)向架的徑向能力.圖3（a）是裝用3 種轉(zhuǎn)向架的重載貨車通過R= 400 m 曲線時，其前后輪對搖頭角差值的比較.由圖可見，在小半徑曲線工況時（R= 400 m），副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架的前后輪對搖頭角差值遠(yuǎn)小于另外兩種轉(zhuǎn)向架，說明其徑向能力最好；而側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架的前后輪對搖頭角差值甚至超過了普通三大件轉(zhuǎn)向架.這說明單從轉(zhuǎn)向架徑向能力比較來看，副構(gòu)架徑向能力最好，而側(cè)架交叉轉(zhuǎn)向架最差.圖3（b）是3 種轉(zhuǎn)向架通過不同半徑曲線時，轉(zhuǎn)向架前后輪對搖頭角最大差值比較.從圖可見，在R= 400～1 000 m 范圍內(nèi)，側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架的前后輪對搖頭角差值最大，而副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架的最小.但隨著曲線半徑加大，前后輪對搖頭角差值下降，且各轉(zhuǎn)向架之間的差異減小.特別是在R＞ 1 000 m 后，前后輪對搖頭角差值變化甚微.這說明徑向轉(zhuǎn)向架主要適用于小半徑曲線線路，且曲線半徑越小，徑向效果就越明顯.

提高轉(zhuǎn)向架徑向能力的最終目的是實(shí)現(xiàn)車輛曲線通過時的低動力作用.為進(jìn)一步驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架的徑向能力是否能有效降低輪軌動力作用，本文以輪軌橫向力和輪軌磨耗功（定義為輪軌蠕滑力與蠕滑率的乘積）這兩個常用的輪軌動力評價指標(biāo)來進(jìn)行比較分析.

圖3 各轉(zhuǎn)向架前后輪對搖頭角的差值比較（無線路不平順激擾）Fig.3 Comparison yaw D-value of the front and back wheel-sets of different bogies (without track irregularity excitation)

圖4 各轉(zhuǎn)向架輪軌橫向力比較（無線路不平順激擾）Fig.4 Comparison wheel/rail lateral force of different bogies (without track irregularity excitation)

圖4（a）是車輛通過R= 400 m 的曲線時，各轉(zhuǎn)向架整體輪軌橫向力（兩輪對左右側(cè)輪軌橫向力絕對值之和）的變化情況.由圖可見，輪軌橫向力最大的是普通三大件轉(zhuǎn)向架，其次是側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架，最小的則是副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架，最大值分別為69.932、58.39、49.382 kN；圖4（b）進(jìn)一步比較了各轉(zhuǎn)向架通過不同半徑曲線時的平均輪軌橫向力.隨著曲線半徑加大，平均輪軌橫向力下降，且在R＜800 m 時，下降幅度明顯，但在R＞ 800 m 后，明顯趨緩.在R= 400～1 500 m 范圍內(nèi)，平均輪軌橫向力最大的始終是普通三大件轉(zhuǎn)向架，在R＜ 800 m 時，副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架最小，但在R＞ 800 m 后，側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架反而最小，但與副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架差別很小.

圖5 各轉(zhuǎn)向架輪軌磨耗功的比較（無線路不平順激擾）Fig.5 Comparison wheel/rail wear power of different bogies (without track irregularity excitation)

圖5（a）是車輛通過R= 400 m 的曲線時，各轉(zhuǎn)向架所受整體輪軌磨耗功變化圖.由圖5（a）可見，普通三大件轉(zhuǎn)向架的輪軌磨耗功最大、側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架次之，而副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架最小，其最大值分別為259.12、178.23、60.42 N·m/m，三者比是4.29∶2.95∶1.圖5（b）進(jìn)一步比較了不同曲線半徑時轉(zhuǎn)向架平均輪軌磨耗功之和（1、2 位輪對內(nèi)外側(cè)平均磨耗功之和）的大小.從圖可見，在R= 400～1 500 m范圍內(nèi)，平均輪軌磨耗功最大的是普通三大件轉(zhuǎn)向架，其次是側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架，最小的是副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架，且曲線半徑越小，差異越大.當(dāng)曲線半徑為1 500 m 時，普通三大件轉(zhuǎn)向架、交叉支撐轉(zhuǎn)向架和副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架的輪軌磨耗功均值是17.66、11.05、10.62 N·m/m，比值為1.66∶1.04∶1，最大倍數(shù)不到1.7；在半徑是800 m 時，均值為46.12 、26.35、14.33 N·m/m，比值約為3.22∶1.84∶1，最大倍數(shù)已超過3 倍；而當(dāng)R= 400 m 時，三者均值為125.38、82.40、29.27 N·m/m，對應(yīng)比值為4.28∶2.82∶1，最大倍數(shù)已超過4 倍.

2.2.2 軌道線路譜激擾下曲線通過特性比較分析

為進(jìn)一步分析比較各轉(zhuǎn)向架在實(shí)際曲線線路上運(yùn)行時的輪軌作用特性和降低輪軌磨耗的能力，本文對27 t 軸重重載貨車在我國三大重載干線譜激勵下曲線通過時的輪軌響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析.

表2是分別裝用3 種轉(zhuǎn)向架的重載貨車通過半徑為400 m 的線路，在我國三大重載干線軌道譜激擾下，其最大輪軌橫向力和輪軌磨耗功均值的響應(yīng)（有線路不平順激擾）.從表2輪軌橫向力極值響應(yīng)對比來看，在有線路激擾后，各轉(zhuǎn)向架的最大輪軌橫向力有所不同，但差別相對無線路激擾時要?。▍⒖磮D4），特別是1、2 位內(nèi)外側(cè)最大輪軌橫向力之和幾乎一致（分別為126.40、128.37、125.81 kN），三者比近乎1∶1∶1，而在無線路激擾時三者對應(yīng)的最大值分別是69.93、58.39、49.38 kN，對應(yīng)比約則是1.4∶1.2∶1.這說明在有線路激擾后，不同的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)會對橫向力瞬態(tài)響應(yīng)幅值產(chǎn)生一定影響，但相對無線路激擾時，其影響相對效果減弱，輪軌橫向力大小主要取決于線路不平順的激擾.

對比表2中各轉(zhuǎn)向架輪軌磨耗功均值可知，有線路激擾時，各轉(zhuǎn)向架輪軌磨耗功均值都較無線路激擾時有所增加，但各轉(zhuǎn)向架增加幅度有較大差異.如三大件普通轉(zhuǎn)向架、側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架和副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架在無線路激擾時總的輪軌磨耗功分別是125.38、82.39、29.28 N·m/m，而有線路激擾后對應(yīng)值分別是151.81、127.86、85.59 N·m/m，相應(yīng)增大1.21、1.55、2.92 倍，其中，普通三大件轉(zhuǎn)向架的增長幅度最小，而副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架增長幅度最大.但從總的輪軌磨耗功大小來看，普通三大件轉(zhuǎn)向架仍最大，其次是側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架，最小的還是副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架.但有線路激擾后，其相對比值有所下降，如在無激擾時，3 種轉(zhuǎn)向架總的輪軌磨耗功比是4.28∶2.84∶1，有線路激擾后則下降到1.77∶1.49∶1.綜上所見，說明無論有無線路激擾，降低輪軌磨耗效果最好的是副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架，其次是側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架，最差的是普通三大件轉(zhuǎn)向架.但存在線路激擾后，其相對優(yōu)勢會減弱.這表明，要降低輪軌磨耗除了改進(jìn)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)（如采用徑向轉(zhuǎn)向架）外，關(guān)鍵還是要提高線路質(zhì)量等級，降低線路不平順對車輛的激擾，且線路越平順越光滑，徑向轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢就會越明顯.

為進(jìn)一步比較各轉(zhuǎn)向架在不同曲線半徑線路上降低輪軌磨耗的能力，圖6比較了各轉(zhuǎn)向架在線路不平順激擾下，輪軌磨耗功隨曲線半徑的變化關(guān)系.從圖6中可明顯發(fā)現(xiàn)，在曲線半徑R= 400～1 500 m范圍內(nèi)，無論是輪軌磨耗功極值還是輪軌磨耗功均值都隨曲線半徑增大而減小，說明曲線半徑越大，輪軌磨耗越小.從圖6（a）輪軌磨耗最大值比較看，側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架值最大，而副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架和普通三大件轉(zhuǎn)向架大致相當(dāng).從圖6（b）輪軌磨耗功均值比較看，最大的是普通三大件轉(zhuǎn)向架，側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架次之，最小的是副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架，特別在曲線半徑R＜ 800 m 時，差異較明顯.隨著曲線半徑增大，差異變小，當(dāng)曲線半徑R＞ 1 000 m 后，其均值幾乎相當(dāng).這說明從磨耗均值來看，相對普通三大件轉(zhuǎn)向架，副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架和側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架都能降低輪軌磨耗，特別是在小曲線半徑線路（R＜ 800 m），副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架的徑向能力突出，優(yōu)勢更為明顯，但當(dāng)曲線半徑超過1 000 m 后，徑向作用逐漸弱化，使用徑向轉(zhuǎn)向架降低輪軌磨耗的效果會大大降低.

表2 車輛曲線通過的輪軌橫向力極值和輪軌磨耗功均值（有線不平順激擾）Tab.2 Peak values of lateral force and mean values of wear power while negotiating curve (with track irregularity excitation)

圖6 曲線半徑對各轉(zhuǎn)向架輪軌磨耗功的影響（有線路不平順激擾）Fig.6 Effects of curve radius on wheel/rail wear power of different bogies (with track irregularity excitation)

3 結(jié) 論

（1）若單以輪對搖頭角作為貨車轉(zhuǎn)向架徑向能力評價指標(biāo)比較看，曲線通過時，副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架的輪對搖頭角和前后輪對搖頭角差都最小，且曲線半徑越?。≧＜ 800 m），其徑向優(yōu)勢越明顯.

（2）若以輪軌橫向力和輪軌磨耗功兩項(xiàng)評價指標(biāo)比較看，在小曲線半徑（R＜ 800 m）線路，副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架表現(xiàn)最好，側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架次之，普通三大件轉(zhuǎn)向架最差；但隨著曲線半徑加大，輪軌磨耗差異逐漸縮小，特別當(dāng)曲線半徑超過1 000 m 后，側(cè)架交叉支撐轉(zhuǎn)向架和福構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架的磨耗已基本相當(dāng).表明在小半徑曲線（R＜ 800 m），使用副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架在降低輪軌磨耗上具有較大優(yōu)勢，但在大曲線半徑（R＞ 1 000 m）或直線線路，徑向作用逐漸弱化，使用徑向轉(zhuǎn)向架降低輪軌磨耗的效果會大大降低.

（3）在有線路激勵后，各轉(zhuǎn)向架的輪軌動力作用會明顯加大，特別是輪軌磨耗功成倍增加，將加劇輪軌磨耗.從各轉(zhuǎn)向架的輪軌橫向力和輪軌磨耗功評價指標(biāo)比較來看，盡管副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架在有線路激擾后還是表現(xiàn)更好，但相對無線路激擾時，其優(yōu)勢會明顯減弱.

致謝：西南交通大學(xué)牽引動力中心王開云研究員、趙春發(fā)研究員對論文的指導(dǎo)和建議；湖北民族學(xué)院博士科研啟動基金資助項(xiàng)目（MY2015B009）的支持.