劉彩云 劉小松

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 266111；2.上海局集團有限公司南京車輛監(jiān)造項目部 江蘇 南京 210031)

轉向架轉臂式一系軸箱定位系統是目前鐵路客車轉向架普遍采用的一種定位方式。通過調研目前既有的動車組及高速客車轉向架結構，在軸箱彈簧下設置緩沖橡膠墊是較通用的做法。某型客車轉向架軸箱彈簧在車輛出廠后40～60萬km期間軸箱彈簧批量發(fā)生折損故障，在解決該問題的過程中對軸箱彈簧緩沖墊的結構進行了研究。下文以該型轉向架一系鋼簧結構優(yōu)化項目為依托，對轉向架軸箱鋼簧下設置緩沖橡膠墊結構進行了仿真分析和試驗驗證研究。轉向架增設緩沖橡膠墊后的一系懸掛結構如圖1所示。

圖1 帶緩沖橡膠墊的轉向架一系結構

1 緩沖橡膠墊結構仿真分析

在仿真分析之前，測試了多組橡膠墊在不同頻率下的剛度、阻尼特性和材料特性，依據試驗數據建立了橡膠墊的數學模型，進而建立了原車動力學模型和一系橡膠墊車輛的動力學模型。在此基礎上對比分析了車輛在有、無緩沖橡膠墊工況下，車輛的安全性、平穩(wěn)性、舒適度以及軸箱到構架的振動傳遞等指標。分析評估主要依據GB 5599—1985 《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》及UIC 513—1994 《鐵路車輛乘坐舒適性評估》。

仿真分析取恒定計算速度160 km/h，包括3種軌道激勵，分別為左右軌同步方向不平順、左右軌同步高低不平順、左右軌方向和高低復合不平順，每段激勵長222 m。工況種類為8種(即1 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz)，激勵幅值為5 mm。通過仿真分析，得出如下結論：

(1)橡膠墊在中高頻激勵工況對振動傳遞的阻隔效果較好(見圖2)。軸箱處的振動在經過橡膠墊串聯鋼簧之后得到有效衰減，尤其是在中高頻區(qū)域，當施加隨機軌道激勵譜時，高頻成分的激勵將會有效衰減。增加鋼簧橡膠墊車輛的構架垂向振動加速度在15～20 Hz段改善83.7%～90.8%。低頻區(qū)域，由于橡膠剛度小，阻尼大，導致串聯鋼簧后隔振性能略差。

圖2 構架處垂向振動加速度對比

(2)有橡膠墊車輛的一系鋼彈簧中高頻受力有明顯改善(見圖3)，構架垂向振動加速度在中高頻有明顯衰減。

圖3 軸箱彈簧受力對比

(3)有橡膠墊車輛在中頻范圍具有更好的舒適性，抗傾覆性略優(yōu)于無橡膠墊車輛。

(4)脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力等指標影響不大，有橡膠墊結構性能指標略高于無橡膠墊車輛，但是均在標準規(guī)定的限度內。

2 緩沖橡膠墊結構試驗驗證

為進一步驗證設置緩沖橡膠墊對軸箱彈簧受力及動力學性能的影響，對有無緩沖橡膠墊結構的車輛進行了專項對比線路試驗(見圖4)。根據仿真計算結果，主要測試項點為車輛平穩(wěn)性、構架橫向穩(wěn)定性、軸箱至構架振動傳遞、軸箱至鋼簧振動傳遞。

圖4 試驗準備

試驗選取有軸箱彈簧緩沖橡膠墊車輛(以下簡稱“加墊車”)和無軸箱彈簧緩沖橡膠墊車輛(以下簡稱“不加墊車”)各1輛。試驗前檢查兩車技術狀態(tài)良好，車輪最大徑向跳動量加墊車(約為0.460 6 mm)大于不加墊車(約為0.398 2 mm)。試驗測試了軸箱、構架和車體的加速度及鋼簧應變，根據試驗數據從平穩(wěn)性、構架橫向穩(wěn)定性、振動傳遞及抗沖擊特性幾個方面來對比分析緩沖墊緩沖效果，測試結果如下：

(1)平穩(wěn)性。取枕梁加速度，依據GB 5599—1985標準計算平穩(wěn)性，成都至廣州區(qū)間兩試驗車全程平穩(wěn)性指標均小于2.5，平穩(wěn)性曲線如圖5所示。

圖5 平穩(wěn)性曲線

(2)構架橫向穩(wěn)定性。取構架端部橫向加速度，對其3～9 Hz帶通濾波，不加墊車穩(wěn)定性較加墊車略差，主要是由于車輪跳動等車輛狀態(tài)差異導致。

(3)軸箱至構架振動傳遞。取軸箱和構架垂向加速度，截取某典型區(qū)段數據(見圖6)，從時域及頻域角度對比軸箱到構架振動傳遞情況。從時域信號來看加墊車軸箱振動總體大于不加墊車，但加墊車構架端部振動總體小于不加墊車，故加墊車較不加墊車軸箱振動傳遞至構架衰減更多。

圖6 軸箱和構架加速度全程時域圖

(4)軸箱至鋼簧振動傳遞。截取典型區(qū)段的軸箱垂向加速度和鋼簧應力，求取不同濾波范圍下的均方根值。統計不同濾波范圍下鋼簧應力均方根值/軸箱加速度均方根值，得出在1～300 Hz頻率范圍內單位軸箱力下的鋼簧變形量，加墊車比不加墊車小33%。

3 總結

仿真分析和試驗驗證結果均表明，轉向架軸箱彈簧下設置緩沖橡膠墊可有效衰減軸箱高頻振動，并降低軸箱彈簧高頻狀態(tài)下的受力，對動力學性能影響較小。該型轉向架在控制彈簧制造質量和增加緩沖墊結構后，經過約4年的運用考核，未發(fā)生軸箱彈簧批量折損故障，該問題得以徹底解決?！?/p>