王歡聲， 馮永華， 羅 赟， 梁樹林， 池茂儒

(1 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031；2 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心， 山東青島 266111)

鐵路運(yùn)輸以運(yùn)量大、能耗低、污染小、安全快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)際聯(lián)運(yùn)和區(qū)域間運(yùn)輸方式的首選，在我國(guó)對(duì)外貿(mào)易中更是起著舉足輕重的作用。中俄邊境鐵路在中俄兩國(guó)的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但是俄羅斯基本以寬軌(1 520 mm)為主，不同于我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)軌距(1 435 mm)，而目前列車要想通過中俄不同軌距的鐵路，需采用轉(zhuǎn)運(yùn)、交換走行部或鐵路馱背運(yùn)輸車[1]等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這大大降低了客貨運(yùn)輸效率。相比于以上解決方式采用變軌距轉(zhuǎn)向架，調(diào)整輪對(duì)內(nèi)側(cè)距以適應(yīng)不同軌距的方法更方便、更快捷[2-3]。

圖1 中俄蒙3國(guó)聯(lián)運(yùn)客車更換轉(zhuǎn)向架[4]

然而，中國(guó)與俄羅斯鐵路不僅軌距不同(中國(guó)軌距1 435 mm，俄羅斯軌距1 520 mm)，鋼軌廓形也不相同(中國(guó)主要采用CN60 軌，俄羅斯大部分為Russia65軌)，而且軌底坡也不相同(中國(guó)軌底坡1∶40，俄羅斯軌底坡1∶20)，因而在中俄邊境軌距變換前后，必然引起輪軌關(guān)系的巨大變化，進(jìn)而可能引起車輛動(dòng)力學(xué)性能存在較大差異。如何通過車輛懸掛參數(shù)的優(yōu)化匹配，來(lái)適應(yīng)軌距變換前后的輪軌接觸關(guān)系，是變軌距轉(zhuǎn)向架研發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)[5-6]。

文中將首先針對(duì)軌距變換前后的輪軌接觸關(guān)系展開對(duì)比分析，進(jìn)而分析不同輪軌接觸關(guān)系對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，找出關(guān)鍵影響指標(biāo)，針對(duì)主要影響指標(biāo)，對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配分析，來(lái)兼顧軌距變化前后的車輛動(dòng)力學(xué)性能。

1 軌距變換前后的輪軌接觸關(guān)系對(duì)比分析

LMA標(biāo)準(zhǔn)踏面與中國(guó)準(zhǔn)軌線路(軌距1 435 mm，軌底坡1∶40，鋼軌型號(hào)CN60)、俄羅斯寬軌線路(軌距1 520 mm，軌底坡1∶20，鋼軌型號(hào)P65)的輪軌匹配關(guān)系如圖2～圖5所示，分別對(duì)比了兩種線路的鋼軌廓形、輪軌接觸跡線圖、等效錐度以及接觸角差。

將兩種鋼軌的軌距測(cè)量點(diǎn)(軌頂下16 mm處)對(duì)齊并作其廓形圖如圖2所示。若不考慮軌底坡的影響，中國(guó)CN60 軌與俄羅斯Russia65 軌橫斷面的軌頭廓形在輪軌接觸區(qū)相差不大，僅在軌肩處CN60軌略高；若考慮軌底坡(中國(guó)軌底坡1∶40，俄羅斯軌底坡1∶20)的影響，對(duì)比兩種鋼軌的廓形，可以看出兩種鋼軌軌頭橫斷面廓形特別是軌肩部分有很大差別，這是因?yàn)槎砹_斯鋼軌軌底坡較大，故鋼軌向內(nèi)側(cè)傾斜程度更大，易使輪軌接觸點(diǎn)向踏面外側(cè)移動(dòng)；可見軌底坡的變化是LMA踏面與兩種鋼軌輪軌接觸關(guān)系差異的主要影響因素。

*國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB1200501-005)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFB1201701)；牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(2018TPL_T04)

王歡聲(1995—)男，碩士研究生(收稿日期：2019-05-04)

圖2 準(zhǔn)軌、寬軌鋼軌廓形對(duì)比

準(zhǔn)軌、寬軌輪軌接觸跡線圖如圖3所示。LMA踏面與準(zhǔn)軌匹配的接觸跡線圖分布均勻；而寬軌P65-LMA匹配的接觸帶較窄，當(dāng)輪對(duì)產(chǎn)生橫移時(shí)，寬軌線路輪軌接觸點(diǎn)在鋼軌上的位置沒有太大改變，并且由于寬軌軌底坡較準(zhǔn)軌更大，故LMA踏面與寬軌的接觸帶比準(zhǔn)軌更偏向于外側(cè)區(qū)域，這對(duì)輪軌接觸關(guān)系極為不利。為了使變軌距車輛在準(zhǔn)軌和寬軌兩種不同輪軌接觸關(guān)系的線路上均有較好的動(dòng)力學(xué)性能，可對(duì)車輛懸掛參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)兼顧兩種線路條件。

圖3 準(zhǔn)軌、寬軌輪軌接觸跡線圖

由輪軌接觸跡線圖4可以看出，LMA踏面與寬軌的接觸帶寬主要集中在斜率為1∶40的直線段，所以車輪踏面在一定輪對(duì)橫移范圍內(nèi)輪對(duì)與寬軌匹配的等效錐度均為0.025；LMA踏面與寬軌匹配的名義等效錐度0.025(輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)幅值為3 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的等效錐度)要低于準(zhǔn)軌0.038，降低等效錐度有利于提升車輛運(yùn)行穩(wěn)定性，但是不利于曲線通過，而且較低的等效錐度容易誘發(fā)一次蛇行(即“晃車”)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響乘坐舒適度。

由圖5可以看出，隨著輪對(duì)橫移量的增加，準(zhǔn)軌線路上輪軌接觸角差也隨之增大，輪軌接觸角差越大，則輪對(duì)重力剛度、重力復(fù)原力越大，有利于提高輪對(duì)的對(duì)中性能以及抑制車輛的一次蛇行現(xiàn)象；而寬軌線路上左右輪輪軌接觸角絕對(duì)值基本相同，其輪軌接觸角差幾乎為0且不隨輪對(duì)橫移量變化而有較大變化，其輪對(duì)對(duì)中性能較差。

圖4 準(zhǔn)軌、寬軌等效錐度對(duì)比

2 軌距變換前后車輛動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比分析

本小節(jié)計(jì)算的所有工況車輪踏面均采用LMA踏面，計(jì)算變軌距車輛在準(zhǔn)軌線路(軌距1 435 mm,鋼軌廓形CN60,軌底坡1∶40)與寬軌線路(1 520 mm, Russia P65,1∶20)運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能。直線工況設(shè)置50～450 km/h共11個(gè)運(yùn)行速度等級(jí)，線路激勵(lì)采用實(shí)測(cè)武廣客運(yùn)專線通用軌道譜；曲線通過性能計(jì)算采用R250 m曲線并設(shè)置10～50 km/h共5個(gè)運(yùn)行速度等級(jí)，模擬變軌距車輛在車輛段內(nèi)小半徑曲線上運(yùn)行時(shí)的工況。

圖5 準(zhǔn)軌、寬軌接觸角差對(duì)比

變軌距車輛與兩種線路匹配的極限環(huán)幅值如圖6所示，橫坐標(biāo)為不同的計(jì)算車速，縱坐標(biāo)代表輪對(duì)橫移量；首先讓變軌距車輛運(yùn)行在一段施加實(shí)測(cè)軌道譜激勵(lì)的有限長(zhǎng)軌道上，激發(fā)車輛系統(tǒng)的振動(dòng)，然后讓車輛運(yùn)行在理想的光滑直線軌道上，記錄最終輪對(duì)振動(dòng)的橫移量幅值，即為車輛蛇行運(yùn)動(dòng)極限環(huán)幅值[7]。變軌距車輛在準(zhǔn)軌線路上運(yùn)行的臨界速度為600 km/h，能夠滿足我國(guó)目前高速動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)要求；而在寬軌線路上運(yùn)行，速度為100 km/h左右時(shí)，輪對(duì)會(huì)出現(xiàn)小幅晃動(dòng)的現(xiàn)象，隨著速度繼續(xù)升高，輪對(duì)將會(huì)收斂。

圖6 1 435/1 520 mm車輛蛇行運(yùn)動(dòng)極限環(huán)幅值

圖7為車輛運(yùn)行平穩(wěn)性對(duì)比，寬軌上變軌距車輛在速度為100 km/h左右時(shí)，其橫向平穩(wěn)性會(huì)突然增大，與車輛蛇行運(yùn)動(dòng)極限環(huán)幅值中輪對(duì)小幅橫向晃動(dòng)相對(duì)應(yīng)，這是由于蛇行頻率與車體的懸掛頻率相近，車體的模態(tài)位移較大，加之車輛系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)阻尼比不足，則容易發(fā)生車體的明顯晃動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為車體一次蛇行[8]。由于LMA踏面與寬軌匹配的名義等效錐度較低，且接觸角差基本為0，故變軌距車輛在寬軌線路上比準(zhǔn)軌線路更容易出現(xiàn)一次蛇行的現(xiàn)象。在線路激勵(lì)相同的情況下，不同線路對(duì)變軌距車輛橫向平穩(wěn)性性能影響明顯，而對(duì)車輛系統(tǒng)垂向平穩(wěn)性性能影響不大。

圖7 1435/1520 mm平穩(wěn)性性能對(duì)比

變軌距車輛以低速通過R250 m曲線時(shí)，其在不同軌距線路上運(yùn)行的輪重減載率與脫軌系數(shù)如圖8所示。車輛輪重減載率隨著曲線運(yùn)行速度的提高而增大，但不同線路對(duì)其影響不大；車輛在準(zhǔn)軌線路運(yùn)行的脫軌系數(shù)要優(yōu)于寬軌，且兩者均未超過安全運(yùn)行限值。故對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配時(shí)，主要對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、橫向平穩(wěn)性以及脫軌系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3 轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配分析

變軌距車輛在不同線路(1 435/1 520 mm)上運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)性能會(huì)有較大差異，車輛在寬軌線路上的“二次蛇行”(也叫轉(zhuǎn)向架蛇行)臨界速度高于準(zhǔn)軌線路，較高的“二次蛇行”臨界速度利于提高車輛運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性，但是當(dāng)車輛在寬軌線路上以低速運(yùn)行時(shí)，容易誘發(fā)車體的一次蛇行運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響車輛的乘坐性能(如使橫向平穩(wěn)性性能突增)。車輛的兩種蛇行運(yùn)動(dòng)都是需要力求避免的，故本小節(jié)在輪軌關(guān)系確定后，對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮和協(xié)調(diào)兩種線路的車輛運(yùn)行品質(zhì)。

針對(duì)LMA踏面與中國(guó)準(zhǔn)軌線路、俄羅斯寬軌線路輪軌匹配關(guān)系的差異，為了適應(yīng)兩種軌距線路。需要對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架的一系定位剛度和二系回轉(zhuǎn)阻力矩進(jìn)行優(yōu)化，故本節(jié)在準(zhǔn)軌與寬軌(1 520 mm)兩種特定線路條件下，對(duì)車輛轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度、抗蛇行減振器阻尼系數(shù)(CSX)進(jìn)行了車輛運(yùn)行穩(wěn)定性以及橫向平穩(wěn)性的優(yōu)化匹配分析。轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度取5～30 MN/m，抗蛇行減振器阻尼系數(shù)取400～5 000 kNs/m。

圖8 1435/1520 mm曲線通過性能對(duì)比

轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度的改變對(duì)臨界速度、橫向平穩(wěn)性的影響如圖9、圖10所示。當(dāng)變軌距車輛運(yùn)行在準(zhǔn)軌線路上，車輛的轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度在一定范圍內(nèi)越高，其穩(wěn)定性越好、二次蛇行臨界速度也越高，對(duì)應(yīng)的橫向平穩(wěn)性越優(yōu)；不過當(dāng)車輛的直線運(yùn)行速度超過其臨界速度時(shí)，車體橫向平穩(wěn)性性能會(huì)馬上惡化，如轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度為5～7 MN/m時(shí)，其臨界速度均低于450 km/h，故車輛以450 km/h運(yùn)行在直線線路上的橫向平穩(wěn)性會(huì)突增。寬軌線路上變軌距車輛的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性規(guī)律不同于準(zhǔn)軌線路，由寬軌線路車輛蛇行運(yùn)動(dòng)的極限環(huán)幅值圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度大于10 MN/m且車速在100 km/h附近時(shí)車輛容易發(fā)生車體一次蛇行現(xiàn)象，這可能與輪軌匹配的等效錐度、接觸角差較低有關(guān)；當(dāng)車輛發(fā)生一次蛇行現(xiàn)象時(shí)，車體的橫向平穩(wěn)性會(huì)較大程度惡化，嚴(yán)重影響乘客的乘坐舒適度。

圖9 轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度對(duì)臨界速度的影響

圖10 轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響

準(zhǔn)軌線路上轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度改變對(duì)變軌距車輛脫軌系數(shù)的影響程度要大于寬軌線路，且隨著轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度的增大，車輛在小半徑曲線上運(yùn)行的脫軌系數(shù)總體呈增大的趨勢(shì)，如圖11所示。為了使變軌距車輛在不同線路上均能達(dá)到較高的臨界速度，并且避免車輛在寬軌線路上低速運(yùn)行時(shí)發(fā)生一次蛇行現(xiàn)象，使變軌距車輛運(yùn)行過程中動(dòng)力學(xué)性能不超過限值[9-11]，準(zhǔn)軌線路要求車輛的轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度不能取太小，而寬軌線路要求車輛的轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度不能取太大，建議取9 MN/m左右較為合適。

圖11 轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度對(duì)脫軌系數(shù)的影響

抗蛇行減振器阻尼系數(shù)的改變對(duì)臨界速度、橫向平穩(wěn)性的影響如圖12、圖13所示。準(zhǔn)軌線路上，當(dāng)抗蛇行減振器阻尼系數(shù)取400～5 000 kNs/m時(shí)，減振器阻尼系數(shù)的改變對(duì)車輛二次蛇行臨界速度影響不大；但是在寬軌線路上，抗蛇行減振器阻尼系數(shù)過低會(huì)導(dǎo)致車輛在低速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)一次蛇行現(xiàn)象，如抗蛇行減振器阻尼系數(shù)為400 kNs/m、600 kNs/m時(shí)，變軌距車輛在寬軌線路上以100 km/h、300 km/h左右速度運(yùn)行的橫向平穩(wěn)性明顯變差。

當(dāng)抗蛇行減振器阻尼系數(shù)取400～5 000 kNs/m，變軌距車輛以低速通過小半徑曲線時(shí)脫軌系數(shù)隨著抗蛇行減振器阻尼系數(shù)增大而增大，如圖14所示，意味著阻尼系數(shù)的提高會(huì)在一定程度上增加車輛脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免變軌距車輛在寬軌線路上正常運(yùn)行時(shí)蛇行頻率與車體懸掛頻率發(fā)生耦合，從車輛運(yùn)行穩(wěn)定性以及橫向平穩(wěn)性考慮，車輛的阻尼系數(shù)取越大越好；但考慮到車輛的阻尼系數(shù)取太大可能會(huì)引起變軌距車輛通過小半徑曲線時(shí)脫軌，故取抗蛇行減振器阻尼系數(shù)1 000 kNs/m左右較為合適。

圖12 抗蛇行減振器阻尼系數(shù)對(duì)臨界速度的影響

圖13 抗蛇行減振器阻尼系數(shù)對(duì)橫向平穩(wěn)性的影響

圖14 抗蛇行減振器阻尼系數(shù)對(duì)脫軌系數(shù)的影響

4 參數(shù)優(yōu)化前后動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比

依據(jù)優(yōu)化匹配分析結(jié)果，優(yōu)化匹配方案選取轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度、抗蛇行減振器阻尼系數(shù)分別為9 MN/m、1 000 kNs/m，優(yōu)化前后車輛蛇行運(yùn)動(dòng)極限環(huán)幅值以及橫向平穩(wěn)性對(duì)比結(jié)果如圖15、圖16所示。采用優(yōu)化后的參數(shù)，不僅提高了變軌距車輛在準(zhǔn)軌線路上的二次蛇行臨界速度，同時(shí)消除了在寬軌線路上低速運(yùn)行時(shí)一次蛇行現(xiàn)象；變軌距車輛優(yōu)化參數(shù)后在準(zhǔn)軌、寬軌線路上運(yùn)行的橫向平穩(wěn)性均優(yōu)于優(yōu)化前；變軌距車輛優(yōu)化參數(shù)后在通過小半徑曲線時(shí)的脫軌系數(shù)與優(yōu)化前差別不大，均未超過運(yùn)行安全限值。采用變軌距轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配方案，兼顧了軌距變化前后的車輛動(dòng)力學(xué)性能，使變軌距轉(zhuǎn)向架車輛在軌距變換前后都能獲得較好的動(dòng)力學(xué)性能。

圖15 優(yōu)化前后車輛蛇行運(yùn)動(dòng)極限環(huán)幅值對(duì)比

圖16 優(yōu)化前后橫向平穩(wěn)性對(duì)比

圖17 優(yōu)化前后脫軌系數(shù)對(duì)比

5 結(jié) 論

文中對(duì)變軌距車輛與不同線路的輪軌匹配接觸關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析，找出影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，針對(duì)主要影響指標(biāo)，進(jìn)行變軌距轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配分析來(lái)適應(yīng)軌距變換前后的輪軌接觸關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)變軌距車輛運(yùn)行在我國(guó)準(zhǔn)軌線路(軌距1 435 mm，軌底坡1∶40，鋼軌型號(hào)CN60)與俄羅斯寬軌線路(軌距1 520 mm，軌底坡1∶20，鋼軌型號(hào)P65)，軌底坡變化是引起輪軌接觸關(guān)系差異的關(guān)鍵因素，其差異主要體現(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)有等效錐度以及接觸角差；

(2)在線路激勵(lì)相同的情況下，由于不同線路輪軌接觸關(guān)系不同引起的動(dòng)力學(xué)差異主要體現(xiàn)在車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性、直線運(yùn)行橫向平穩(wěn)性和小半徑曲線運(yùn)行的脫軌系數(shù)，對(duì)垂向平穩(wěn)性和輪重減載率的影響不大；

(3)為了使變軌距車輛在不同線路上均能達(dá)到較高的臨界速度，并且避免車輛在寬軌上低速運(yùn)行時(shí)發(fā)生一次蛇行現(xiàn)象，建議車輛的轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度取9 MN/m左右；抗蛇行減振器阻尼系數(shù)過低會(huì)導(dǎo)致車輛在寬軌上低速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)一次蛇行現(xiàn)象，阻尼系數(shù)過高會(huì)在一定程度上增加車輛小曲線半徑脫軌的風(fēng)險(xiǎn)，故建議抗蛇行減振器阻尼系數(shù)取1 000 kNs/m左右。

文中提出的變軌距轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配方案，可以使變軌距轉(zhuǎn)向架車輛在軌距變換前后都能獲得較好的動(dòng)力學(xué)性能，為變軌距車輛轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度以及抗蛇行減振器阻尼系數(shù)的取值提供了一定的參考價(jià)值。