鐵路提速貨車轉(zhuǎn)向架等效橫向剛度的研究

陳 超，高俊平，汪小霞

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

鐵路提速貨車轉(zhuǎn)向架等效橫向剛度的研究

陳 超，高俊平，汪小霞

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

為了對鐵路提速貨車轉(zhuǎn)向架搖枕的橫向剛度進(jìn)行等效計(jì)算，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立裝有轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的C70H型貨車整車模型，對轉(zhuǎn)向架的橫向剛度進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。通過模型校驗(yàn)，仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比說明，對于擺式轉(zhuǎn)向架搖枕橫向剛度的等效計(jì)算方法具有可行性，該研究方法可用于提速技術(shù)與裝備的研究。

鐵路；貨物運(yùn)輸；貨車轉(zhuǎn)向架；橫向剛度

隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長，工業(yè)化、市場化進(jìn)程加快，全社會(huì)物資的流動(dòng)加速，鐵路作為大能力交通工具和大宗物資的主要運(yùn)輸方式，運(yùn)能緊張局面愈加突出。為提高我國鐵路貨物運(yùn)輸能力，增強(qiáng)貨運(yùn)市場競爭能力，必須提高貨物列車的運(yùn)行速度。為此，我國于 2001年從國外引進(jìn)擺式轉(zhuǎn)向架技術(shù)，并在 2003年研制出構(gòu)造速度 120 km/h 的轉(zhuǎn) K5 型提速貨車轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架通過擺動(dòng)式結(jié)構(gòu)增大了橫向柔性，以下利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件 SIMPACK 建立裝有轉(zhuǎn) K5 型轉(zhuǎn)向架的C70H鐵路貨車整車模型，在建模過程中采用等效的方法對轉(zhuǎn)向架橫向剛度進(jìn)行處理。

1 建立整車模型

建模過程中對于輪軌關(guān)系的處理采用我國鐵路貨車車輪的LM 磨耗型踏面與 60 kg/m 鋼軌相匹配。在 SIMPACK 的Rail 模塊中只有歐洲的輪軌關(guān)系文件[1]，因此建模之前需將我國的LM磨耗型踏面與 60 kg/m 鋼軌軌頭外形進(jìn)行離散，并通過 SIMPACK 中的前處理程序?qū)⑵渖奢嗆夑P(guān)系文件，并在模型建立之后調(diào)用。

整車模型的系統(tǒng)參數(shù)為裝有轉(zhuǎn) K5 型轉(zhuǎn)向架的C70H型貨車[2]，主要包括貨物1件、車體1個(gè)、搖枕2個(gè)、側(cè)架4個(gè)、承載鞍8個(gè)、輪對4對。模型中各部件均視為剛體，全車共有 20 個(gè)剛體，其中貨物與車體之間采用零自由度連接，車體與搖枕通過心盤和常接觸旁承連接，搖枕與側(cè)架通過搖枕彈簧相連，側(cè)架與輪對通過承載鞍連接。其受力情況為：一系懸掛考慮縱向、橫向和垂向剛度，縱向和橫向摩擦力；二系懸掛考慮縱向、橫向和垂向剛度，橫向和垂向摩擦力；心盤與常接觸旁承處考慮摩擦力形成的回轉(zhuǎn)阻力矩；考慮承載鞍與側(cè)架導(dǎo)框的縱向、橫向間隙，搖枕檔與彈簧托板的間隙，間隙消除后構(gòu)件之間為剛性沖擊。在 SIMPACK 多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立 C70H型貨車的整車模型。

2 搖枕橫向剛度等效計(jì)算

轉(zhuǎn) K5 型轉(zhuǎn)向架具有擺動(dòng)式結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)架之間增加了彈簧托板，彈簧的作用力通過彈簧托板傳遞給側(cè)架。彈簧托板兩端與搖動(dòng)座相連，搖動(dòng)座位于側(cè)架內(nèi)的搖動(dòng)座支承上，同時(shí)在側(cè)架導(dǎo)框與承載鞍之間也設(shè)置了同樣的搖動(dòng)座結(jié)構(gòu)。搖動(dòng)座結(jié)構(gòu)使擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架的側(cè)架與彈簧托板之間、側(cè)架與承載鞍之間均形成了圓弧狀配合，使左右兩側(cè)架可以繞各自的縱向軸做同步擺動(dòng)[3]。當(dāng)側(cè)架的承臺(tái)接觸到搖動(dòng)臺(tái)座時(shí)，側(cè)架的擺動(dòng)角度即達(dá)到最大值。根據(jù)以上特點(diǎn)，可以將側(cè)架的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)簡化如圖1所示。

A，B，C，D分別為側(cè)架導(dǎo)框與承載鞍之間的搖動(dòng)結(jié)構(gòu)，E，F(xiàn)分別為側(cè)架與彈簧托板之間的搖動(dòng)結(jié)構(gòu)，均等效為可繞縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)鉸。圖1 b中的虛線表示側(cè)架向左發(fā)生橫向擺動(dòng)后的位置。假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)處于平衡位置，則對于E點(diǎn)有：

圖1 擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架側(cè)架圖示

令Masg/(4l0)＝，則公式⑴可表示為：

式中：Mas為車輛的簧上質(zhì)量；α為側(cè)架橫向擺動(dòng)角度；y為側(cè)架橫向擺動(dòng)時(shí)E，F(xiàn)點(diǎn)橫向位移；l0為吊桿長度，即為側(cè)架的上擺點(diǎn)與下擺點(diǎn)之間的垂直距離；為側(cè)架擺動(dòng)的橫向等效剛度(單側(cè))。

將擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架側(cè)架的橫向擺動(dòng)等效為具有橫向剛度的彈簧，則在建模過程中可不單獨(dú)考慮側(cè)架的側(cè)滾振動(dòng)，而將其等效為橫向彈簧力施加于側(cè)架的下擺點(diǎn)位置。當(dāng)側(cè)架橫向擺動(dòng)未達(dá)到極限位置時(shí)，等效彈簧的橫向剛度為搖枕彈簧橫向剛度和側(cè)架擺動(dòng)的橫向等效剛度串聯(lián)作用下的剛度，即第一階段的橫向剛度K串：

式中：K串為橫向串聯(lián)剛度(單側(cè))；Ky為搖枕彈簧橫向剛度(單側(cè))。

當(dāng)側(cè)架橫向擺動(dòng)到極限位置后，僅有搖枕彈簧橫向剛度的作用，即第二階段的橫向剛度為Ky。搖枕相對彈簧托板繼續(xù)橫向移動(dòng)，當(dāng)搖枕擋與彈簧托板接觸后，兩者為剛性接觸，可近似等效為彈簧力，則在建模中可以將力與相對位移的關(guān)系量化，計(jì)算時(shí)直接調(diào)用。

3 模型校驗(yàn)

擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架搖枕橫向剛度的等效方法需經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，確定模型的正確性后才能用于實(shí)際問題的研究。驗(yàn)證模型最直接的方法就是將相同工況下的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行對比分析?，F(xiàn)將仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比如下[4]。

仿真計(jì)算中采用AAR5級(jí)軌道譜作為線路激擾，工況按照實(shí)測試驗(yàn)工況設(shè)置。

裝載工況：C70H貨車，貨物重量 60 t，重車重心高 2 300 mm，貨物重心縱向偏離車輛橫中心線767 mm、橫向不偏移。

（1）直線運(yùn)行工況。仿真計(jì)算中速度分別為70 km/h，90 km/h，100 km/h，110 km/h，120 km/h，將直線運(yùn)行工況的脫軌系數(shù)和輪重減載率仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，如圖2 和圖3 所示。

圖2 直線脫軌系數(shù)比較

圖3 直線輪重減載率比較

（2）曲線運(yùn)行工況。仿真計(jì)算中曲線半徑為600 m，外軌超高為 80 mm，圓曲線長為 200 m，進(jìn)出緩和曲線各 100 m，速度分別為20 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h。將半徑為 600 m 的曲線運(yùn)行工況的脫軌系數(shù)和輪重減載率仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4和圖5所示。

通過以上仿真計(jì)算和實(shí)測結(jié)果的對比可見，兩者的脫軌系數(shù)和輪重減載率較為一致，說明對于擺式轉(zhuǎn)向架搖枕橫向剛度的等效方法具有可行性。

圖4 半徑為 600 m的曲線脫軌系數(shù)比較

圖5 半徑為 600 m 的曲線輪重減載率比較

4 結(jié)束語

貨物運(yùn)輸需求的不斷增長，決定了提速技術(shù)的應(yīng)用是鐵路貨物運(yùn)輸發(fā)展的必然趨勢，也是緩解現(xiàn)有運(yùn)能緊張局面的有力手段，而前期的研究與分析是提速技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。通過對轉(zhuǎn) K5 型提速貨車轉(zhuǎn)向架搖枕橫向剛度的等效計(jì)算和仿真分析，說明本文的研究方法可用于鐵路提速技術(shù)與裝備的研究。

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[1] Intec Gmbh. SIMPACK User’s Manual[Z]. Wessling，Germany：Intec Gmbh，2001.

[2] 姜瑞金，王海榮. 轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架[J]. 鐵道車輛，2005，43(2)，7-8.

[3] 嚴(yán)雋耄，傅茂海. 車輛工程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2008.

[4] 北京交通大學(xué). 提速后重車重心高度及貨物重心容許橫向偏移量試驗(yàn)階段報(bào)告[R]. 北京：北京交通大學(xué)，2009.

1003-1421(2010)12-0085-03

U270.331

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2010-11-03

2010-11-16

馮姍姍