160kmh高速货车转向架方案及其动力学性能分析Word格式.docx

1、试验表明, 该转向架运行速度在120km h 以下时具有良好的动力学性能, 1967年被国际铁路联盟（U I C 确定为欧洲铁路（OR E 的标准型货车转向架。为提高货车的运行速度和开行快速货物专列, 法国国铁于20世纪80年代在Y 25型和Y 30型转向架的基础上研制成功了时速为160km 的Y 37型货车转向架。Y 37型转向架的构架为整体焊接结构, 基础制动装置安装在横梁上。该转向架的轴箱定位同Y 25型转向架相似, 增加了类似客车转向架摇动台形式的二系悬挂, 以降低其横向刚度。为限制车体的最大横向位移, 减小了轴箱与导框之间的横向间隙。基础制动装置采用盘形制动加踏面清扫器, 每轴上安装

2、2个制动盘。由于采用了摇动台结构和盘形制动, 故将轴距加大至213m 。较大的轴距虽增加了构架重量, 但可大大收稿日期:2002210211基金项目:铁道部科技研究开发计划项目（项目编号2000J 013 ; 教育部优秀骨干教师基金作者简介:傅茂海（19652 , 男, 高级工程师。, 具有结构简单和动力学性能。20世纪80年代, 德国研制成功采用板簧轴箱定位的DB 661型和DB 664型焊接构架式转向架,但效果不尽如意。进入90年代, 德国联邦铁路（DB 在高速铁路线上成功开行了时速为250km 的I CE 高速客车。为充分利用线路和加快货物运输, 联邦铁路要求在客运间隙和夜间开行速度为1

3、60km h 的货运列车。为此, 德国T albo t 公司研制了一种时速为160km 的高速货车转向架。该转向架是在Y 25型转向架的基础上采用双层圆环形橡胶弹簧进行轴箱定位, 利用橡胶弹簧的非线性特点来保证空重车性能, 并以横向柔性定位来改善曲线通过性能, 目前主要用于集装箱平车和公铁两用车, 其最高试验速度达230km h 。瑞典ABB TRA CT I ON 公司1983年研制成功了三大件式SJ 型高速货车转向架, 其最高运行速度为160km h 。同传统的三大件式转向架相比, 该转向架两侧架间由2根横向梁连接, 并通过斜拉杆同侧架的一端相连。这样, 既提高了构架的抗菱刚度, 又保持了

4、三大件式转向架适应线路垂向不平顺能力强的特点。由于在轴箱与侧架间增加了橡胶堆定位, 因而克服了传统的三大件式转向架簧下质量大的缺点。二系悬挂采用钟形橡胶堆支撑方式, 并设有变摩擦减振器, 可降低横向刚度, 提高转向架的横向动力学性能。Sw ing M o ti on （摆动式 转向架是美国B arber 公司近年来研制成功的三大件式转向架。该转向架在提高抗菱刚度的同时, 利用客车转向架摇动台原理, 降低横向刚度, 最高试验运行速度达176km h , 在北美国家得到了较好的应用。由于加大了悬挂的横向柔度, 故1该转向架能有效地改善车辆横向运行平稳性和运行安全性。但摆动式转向架受三大件式转向架结

5、构的限制, 重量大, 结构复杂, 磨耗件较多, 且其基础制动装置仍只能采用单侧踏面制动, 故在欧洲以及其他一些类似的国家受到制动距离的限制, 无法满足高速货物列车的要求。三大件式转向架和焊接构架式转向架各有利弊, 各国都是根据本国的具体情况来研究货车转向架的发展模式。为充分利用高速线路以及适应快速货物运输的需要, 一些国家研制出了多种形式的高速货车转向架。除上述的货车转向架外, 还有英国的T F 25型、意大利的F iat 型、日本的R T X 4型及前苏联的18115型等。这些转向架能以120km h 160km h 的速度运行, 其中法国的Y 37型转向架最高试验速度达28118km h

6、, 创造了货车运行速度的世界纪录。位的能力。如Sw ing M o ti on 转向架的弹簧托板、SJ 型转向架的三角支撑架及B arber 型转向架的交叉支撑装置等都是为了实现这一目标而设置的。焊接构架则彻底消除了菱形变位并具有重量轻的特点, 从而保证了车辆良好的横向运动稳定性, 且易实现盘形制动或双侧踏面制动, 故高速货车转向架构架宜采用焊接构架。3. 2轴箱定位簧下质量对车辆动力学性能有直接影响。簧下质量越大, 动力学性能越差, 轮轨作用力也越大, 在高速情况下更是如此。垂向悬挂参数由于受车钩高和限界的约束, 。高速货车转向。欧洲国家基本。为使空重车都主悬挂系统位于中央的三大件式转向。高

7、速货车转向架应尽量减轻簧下质量, 而采用轴箱弹性悬挂是减轻簧下质量的最有效措施。3. 3中央悬挂2我国货车转向架现状我国目前正在运用的50, 的车辆装用转8A 型转向维70km h 80km , 铁路货运的要求。的提高, 缺陷制约了该转向架运行速度的进一步提高, 已难以满足运输市场的需要。近年来, 随着客运速度的提高, 对提高货运速度的要求亦日益迫切。1999年有关部门列专题再次对转8A 型转向架进行改造。经过对多种改进方案进行比选, 最后确定侧架下交叉支撑为我国转8A 型转向架的改造方案, 并于2001年下半年在全国范围内推广。为适应铁路全面提速的需要, 我国于1999年研制出了最高运行速度

8、为120km h 的构架式快速货车转向架。该转向架采用了焊接构架、多级刚度轴箱悬挂、双斜楔摩擦减振器、球面心盘、常接触弹性旁承等技术。试验表明, 该转向架的动力学性能可以满足120km h 的运行要求。为满足进一步提速的需要, 铁道部组织相关单位于2000年开始对160km h 快速货车转向架进行专题研究, 研制具有自主知识产权的高速货车转向架。转向架轴箱定位刚度对车辆的运行稳定性起着关键作用, 故高速货车转向架轴箱定位刚度不能太小。货车在空重车工况下载荷变化大, 受限界和车钩高度的限制, 货车转向架垂向总挠度及空重车状态下垂向挠度差有严格限制。所以要改善货车转向架的垂向性能困难较大, 且目前

9、这些转向架的垂向性能均能满足使用要求。速度提高后, 对车辆的横向平稳性提出了新的要求, 而影响横向平稳性最敏感的因素是转向架的二系横向刚度值。高速货车转向架应尽量降低二系横向刚度值。3. 4旁承由于货车结构以及制造成本的限制, 在车体和构架间安装抗蛇行液压减振器是不现实的, 但一般设有非接触式旁承或常接触弹性旁承。常接触弹性旁承除能抑制车体的侧滚运动外, 还能非常有效地提高车辆的运动稳定性, 以取代抗蛇行减振器的作用。但常接触弹性旁承过大的回转力矩会恶化车辆的曲线通过性能。因此, 在选择常接触弹性旁承的回转阻力矩时要同时兼顾运行稳定性和曲线通过性能。另外, 常接触弹性旁承纵向间隙会直接影响其抗

10、蛇行性能。高速货车对稳定性的要求相应提高, 故其转向架应尽量选择无纵向间隙、回转阻力矩适宜的常接触弹性旁承, 以便有效地提高车辆的运行稳定性。3高速货车转向架发展模式研究3. 1构架货车转向架的基本结构形式可分为焊接构架式和铸钢三大件式。三大件式转向架的菱形变位是影响车辆运行稳定性的主要因素, 故采用三大件式的高速货车转向架应在结构上采取相应措施, 增加其抗菱形变2160km h 高速货车转向架方案及其动力学性能分析傅茂海, 李芾, 于明, 等3. 5心盘受结构和制造成本的限制, 货车纵向力的传递以及支承车体垂向载荷仍采用心盘的模式。心盘除传递纵向力和支承车体垂向载荷外, 还能提供回转力矩以提

11、高车辆的抗蛇行稳定性。同旁承提供的回转力矩不一样, 心盘提供的回转力矩随载荷的增加而加大。然而, 心盘提供的回转力矩过大同样会恶化车辆的曲线通过性能。因此, 在选择心盘的回转阻力矩时也要同时兼顾运行稳定性和曲线通过性能。在采用常接触旁承的转向架中, 应合理分配旁承和心盘上的垂向载荷, 以满足空重车工况下高速运行的要求。3. 6轴重和轮对的纵向冲动, 避免空车时因制动力过大而擦伤车轮及重车时因制动力不足而不能在规定的制动距离内停车。目前, 空重车调整装置分为手动2级调整和自动连续调整2种形式。为确保行车安全, 高速货车宜采用自动连续调整的空重车调整装置。采用现有的货车制动机, 高速货车的制动能力

12、难以满足要求。因此, 考虑到今后高速货车可能将同客车连挂, 高速货车制动机的方案应尽可能选择现有的客车制动机方案。从制动波速和制动缸充气时间来看, 我国目前采用的F 8型和104型客车制动机均能满足要求。4160km h , 轴重为5t , 160km h 高速货车转向架的主要技术参数见表1。表1高速货车转向架主要技术参数轨距 mm（km h -1 最高试验速度14351761001400715200016016. 5轴重的大小和运行速度的高低对轮轨作用力有重要的影响。运行速度越高, 要求轴重越轻。欧洲铁路对货车轴重有严格要求, 120km h 以下时的轴重为2215t , 140km h 时

13、为20t , 160km h 时为18t 。国目前尚无高速货车标准轮对的条件下, 为915mm 的标准客车轮对, t 3. 7制动系统。由于不同国家对制动距离的要求不尽相同, 所以制动方式也有较大差异。如欧洲铁路对制动距离要求较高, 其制动距离规定为900m （另有100m 的安全裕量 。大量试验表明, 轴重为21t , 采用双侧踏面制动, 其最高允许速度为120km h 。故速度为120km h 以下的转向架基本采通过最小曲线半径 m初速160km h 时的制动距离 m 心盘面距轨面自由高 mm 轴颈中心距 mm（km h -1 最高运营速度用双侧踏面制动。当速度提高到140km h 以上时

14、, 普遍采用盘形制动的方式。三大件式转向架受其结构特点的制约, 只能采用单侧踏面制动。计算机模拟计算和试验表明, 采用单侧踏面制动, 160km h 初速时的制动距离不能满足我国铁路主要技术政策对制动距离的要求, 故高速货车必须采用盘形制动。采用盘形制动的方式, 不仅能大大提高轴制动功率, 而且由于制动盘与闸片间的摩擦因数比闸瓦与踏面间的摩擦因数稳定得多, 故还可降低制动时的纵向冲动。车辆速度提高后, 为避免车轮踏面在制动时因制动力过大而擦伤, 一般都设有防滑器。防滑器虽不能提高粘着系数, 但可提高粘着利用率, 防止因制动力大于粘着力而造成的车轮踏面擦伤。我国幅员辽阔, 粘着状态复杂, 故高速

15、货车设置防滑器对保证行车安全是完全必要的。由于货车自身一般不带电源, 可采用机械式防滑器。由于防滑器的使用, 也取代了传统的踏面清扫装置。空重车调整装置可以使车辆的制动率不随载重量的变化而变化, 而是保持为一常数, 以减小列车制动时轴重 t 自重 t 轴距 mm 轮径 mm 基础制动装置5. 52100915 860单元式盘形制动4. 2转向架基本结构高速货车转向架结构如图1所示, 由轮对、轴箱悬挂装置、焊接构架、中央悬挂装置、摇枕、常接触弹性旁承、心盘和盘形基础制动装置等组成。4. 2. 1轮对轮对要承受来自钢轨和车体的各种动静载荷的作用, 受力情况十分复杂, 是影响车辆安全运行的关键部件之

16、一。目前, 我国尚无160km h 的货车轮对, 因此, 可采用同速度级的客车轮对。车轴采用RD 2000车轴, 在轴身上加制2个制动盘安装座。车轮采用整体辗钢全加工车轮, 车轮踏面采用LM 磨耗形踏面。轮对需通过动平衡试验, 最大剩余不平衡值小于或等于0175N m 。3在轴箱螺旋钢弹簧下部设缓冲橡胶垫对高速转向架是必要的, 可缓解线路不平顺对构架的冲击, 提高构架的疲劳寿命, 降低噪声图图14. 2. 2。, 液压减振器的最大优点是无。4. 2. 3焊接构架构架由2个侧梁、2个横梁和相关部件组成。转向架侧梁是由低合金高强度结构钢板焊接而成的U 形箱形结构梁, 两侧梁中心线的横向距离为200

17、0mm , 在侧梁中部的上盖板加宽、加厚, 以安装橡胶堆弹簧。侧梁采用双腹板结构, 侧梁上焊接有一系垂向减振器安装座。两侧梁之间用横梁相连。横梁为无缝钢管, 贯通于两侧梁之间。为防止雨水等污物进入横梁, 在横梁的两端加焊堵板。在横梁中部焊接制动吊座和横向减振器安装座, 在横梁的端部焊接牵引拉杆座。4. 2. 4中央悬挂装置中央悬挂装置位于转向架侧梁中部和摇枕之间。中央悬挂装置采用橡胶堆弹簧。橡胶堆弹簧硫化在钢板上, 上部与摇枕端部相连, 下部与侧梁相连。中央悬挂采用橡胶弹簧的主要目的是提供一定的横向柔度, 以改善车辆的横向运行平稳性。中央橡胶堆弹簧还可提供一定的纵向刚度, 传递部分纵向牵引力和

18、制动力, 并能提供一定的垂向刚度。在侧梁和摇枕之间还设有横向弹性止挡。当摇枕相对构架的横向位移小于横向止挡间隙时, 横向止挡不起作用, 反之横向止挡起作用, 并提供一定的横向刚度, 限制车体产生过大的横向位移, 减小摇枕和构架之间的横向冲击。中央悬挂装置中还设有2个斜对称的横向液压减振器, 安装在摇枕和构架之间。在摇枕和构架之间设置纵向牵引拉杆, 拉杆的有效长度约为700mm , 牵引拉杆中心线距轨面高度取在转向架重心附近。轴箱采用高强度铸钢制造, 两侧设有弹簧托盘, 顶部设有圆形平台, 用于安装轴箱顶部弹簧。轴箱上设有一系垂向减振器安装座。轴承采用进口圆锥滚子轴承, 内径为130mm , 外

19、径为220mm 。轴箱悬挂由两侧螺旋钢弹簧、橡胶定位器和轴箱顶部螺旋钢弹簧组成。空车时车体及转向架构架的重量由轴箱两侧螺旋钢弹簧和橡胶定位器承载, 重车时车体自重、载重和转向架构架的重量由螺旋钢弹簧、橡胶定位器和轴箱顶部螺旋弹簧联合承载。采用这种组合式轴箱悬挂装置较容易实现多级刚度特性, 适合高速货车空重车重量变化大的特点。轴箱弹簧悬挂的垂向特性曲线（包括轴箱螺旋弹簧、橡胶定位器和轴箱螺旋顶簧 如图2所示。为了与Y 25型转向架的轴箱悬挂特性进行比较, 在图2中同时绘出了Y 25型转向架轴箱悬挂的垂向特性曲线。由图2可见, 通过轴箱螺旋弹簧、橡胶定位器和轴箱螺旋顶簧的组合, 轴箱悬挂可具有多级

20、刚度的特性, 以满足货车空重车重量相差大的特点。这种特性有利于改善车辆特别是空车的运行品质。轴箱用圆锥形橡胶定位器定位。由于定位器三向刚度可调, 容易满足运行性能需要的纵向刚度值与横向刚度值, 在满足蛇行运动稳定性的前提下, 可减少轮轨磨耗, 提高曲线通过性能。44. 2. 5摇枕5. 2车辆运行稳定性摇枕为低合金高强度结构钢板焊接而成的箱形结构梁, 由上盖板、下盖板、腹板和中间隔板等组成。在摇枕中部焊接横向减振器座, 在摇枕下盖板上焊有横向止挡座, 在摇枕端部焊有牵引拉杆座, 牵引拉杆座中心孔之间的横向距离为2450mm 。4. 2. 6常接触弹性旁承图5所示为不同的车轮踏面等效锥度下,16

21、0km h 高速货车转向架在空车和重车时的蛇行运动临界速度常接触弹性旁承提供一定的回转阻力矩以限制摇枕和车体间的摇头运动, 提高车辆的运行稳定性。设计的常接触弹性旁承采用两级刚度, 主要有以下两方面的作用:首先, 在空车和重车工况下可提供不同的摩擦回转力矩, 在装载工况下, 由于摇枕有一定的垂向挠度, 利用这一特性使旁承内的橡胶垫受压, 提供更大的旁承垂向压力, 加大转向架与车体之间的回转力矩, 以提高重车的蛇行稳定性; 其次, 弹性旁承还可减小车体侧滚时车体与摇枕之间的冲击, 提供较大的车体侧滚回复力。4. 2. 7基础制动装置图4感器, 。5根据高速货车转向架的结构和基本参数, 采用P 6

22、5型棚车车体参数, 利用动力学仿真程序对转向架的动力学性能进行了计算。5. 1车辆运行平稳性图5蛇行运动临界速度在较好的主要干线上, 60km h 176km h 速度范围内, 高速货车转向架在空车和重车工况下的横向与垂向平稳性指标见图3、图4。由图5可见, 高速货车转向架在新轮轨时空车和重车的临界速度较高, 能满足高速运行的要求。一般情况下, LM 磨耗形踏面使用的踏面等效锥度在0110013范围之内, 所以高速货车转向架的运行稳定性能满足160km h 的运行要求。5. 3动态曲线通过性能计算曲线通过时线路条件如下:（1 曲线半径分别为R 300m 、R 400m 、R 600m 、R 8

23、00m , 缓和曲线长度为70m , 圆曲线长度为60m 。（2 由于快速货车有可能编挂于快速旅客列车中图3空车横向与垂向运行平稳性指标作为行李车使用, 因此计算中最大欠超高按旅客列车的运行条件取110mm 。图6、图7、图8分别为不同曲线半径下的轮轨横向力、轮轴横向力和脱轨系数。动态曲线通过计算结果表明, 高速货车转向架通过半径为R 300m 、R 400m 、R 600m 、R 800m 的圆曲线时, 其轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力均满足GB 55991985的要求。5从平稳性计算结果可见, 在160km h 速度范围内, 空车和重车工况下的横向和垂向平稳性指标小于315,

24、 达到GB 55991985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范的优级标准。铁道车辆第 41 卷第 11 期 2003 年 11 月 图 6轮轨横向力 图 8脱轨系数 系悬挂和盘形制动等技术, 实现了无磨耗弹性悬挂。 经 计算机仿真表明, 该转向架方案的动力学性能能满足 160 km h 的运行要求。 参考文献: 1 L. M ueller, H. Gebhard. Gueterw agen D rehgestell m it Hochgeschw ind igkeitJ . ETR , 1990, 39 （11 : 661666. 图 7轮轴横向力 2 N. N. Ro lling in t

25、o the 1990s J . R ailw ay Gazette In ternational, 1989, （9 : 666669. 3 S. Stiefel M oderne Gueterw agen fuer den Bahnkunden J . ETR , . 1991, 40 （12 : 789796. 4 李芾, 傅茂海. 铁路高速货车及其相关技术研究 J . 交通运输工 6结论 国外高速货车转向架经过数十年的运用和改进, 证明是成功和可靠的。 综观国外高速货车的发展, 其转 向架结构并没有固定的模式。 三大件式转向架具有结构 简单和适应线路扭曲能力强的特点, 但簧下质量大且实

26、现盘形制动或双侧踏面制动较为困难, 在高速情况下难 以满足我国制动距离规定的要求。 本文提出的 160 km h 高速货车转向架方案采用 了焊接式构架、 轮对弹性定位、 变阻尼液压减振器、 两 程学报, 2002, （1 : 612. 5 李芾, 傅茂海. 国外高速货车转向架发展和运用 J . 铁道车辆, 2001, 39 （6 : 1520. 6 傅茂海, 李芾, 尚军. 德国高速货车转向架DRR S J . 国外 铁道车辆, 2001, 38 （1 : 2225. 7 宋凤书, 曹志礼. 铁路货车转向架技术考察报告 J . 铁道车辆, 2000, 38 （8 : 110. （ 编辑: 李萍

27、 四方车辆研究所成功完成货车侧架三向加载试验 2003 年 7 月8 月, 四方车辆研究所承接了株洲车辆厂出 口巴西米轨和宽轨货车转向架的疲劳试验。 厂方要求按照 AA R 标准进行试验。 该标准与国内现有试验方法的最显著区 功能, 在较短的时间内设计了几十个零部件, 进行了装配、 干涉 分析和运动仿真, 对重要的承载零件进行了有限元应力分析, 保证了所设计的三向加载试验工装具有良好的性能, 顺利地完 成了工装设计任务, 保证了试验进度。 侧架三向加载试验的实现, 为我国铁路货车转向架摇枕、 侧架的疲劳试验标准过渡到 AA R 标准打下了坚实的基础, 圆 了货车工作者几十年的梦, 具有深远的意

28、义。 该试验的圆满完 成标志着四方所的试验检测能力又上了一个台阶, 达到了同类 试验检测的国际水平。 （ 四方车辆研究所刘德刚供稿 别是对侧架进行三向加载 （ 垂向、 横向、 纵向 。而能否实现侧架 三向载荷的稳定施加, 关键在于试验工装。 对侧架进行三向加载试验是我国货车工作者几十年的心 愿。 过去四方所曾经就试验工装问题与 T TC I 进行过沟通, 对 方提出进行合作, 但因合作费用高昂, 只得作罢。 几十年来, 对 货车的试验只能采用单加垂向载荷的简化试验办法。 四方所有关技术人员熟练运用 I2 EA S 软件的三维 CAD D 6 ABSTRACT Schem e of 160 km

29、 h H igh Speed Fre ight Car Bog ies and Ana lys is of the D ynam ics Performance . FU M ao 2ha i, et a l （m a le, bo rn in 1965, sen io r eng ineer, T ract ion Pow er R esea rch Cen ter of Sou thw est J iao tong U n i2 versity, Chengdu 610031, Ch ina Abstract: D escribed a re the developm en t p ro 2 cess, ba sic st ructu re of h igh sp eed freigh t ca r bog ies ab road, a s w ell a s the fundam en ta l cond it ion s of freigh t ca r bog ies in ou r coun t ry. A new typ e of freigh t ca r bog ies tha t a re adap tab le to the cha racte 2 rist ics of ra ilw ay lines in ou r coun t ry a