27 t軸重貨車(chē)軸箱懸掛特性研究*

熊 芯，姜 成，苗曉雨，王新銳，張?zhí)鞁?/p>

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

專(zhuān)題研究

27 t軸重貨車(chē)軸箱懸掛特性研究*

熊 芯，姜 成，苗曉雨，王新銳，張?zhí)鞁?/p>

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

27 t軸重貨車(chē)轉(zhuǎn)向架均采用了軸箱懸掛橡膠堆，旨在降低輪軌的沖擊動(dòng)作用力，但實(shí)際的效果有待試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。本文利用既有線(xiàn)27 t軸重貨車(chē)適應(yīng)性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從軸箱加速度譜、側(cè)架加速度譜、加速度擴(kuò)大倍率、單位激勵(lì)下軸頭加速度譜等方面入手，對(duì)27 t軸重貨車(chē)軸頭加速度、側(cè)架加速度、軸箱懸掛的特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明27 t軸重貨車(chē)軸箱懸掛能有效降低中頻段的側(cè)架加速度，但低頻段側(cè)架加速度沒(méi)有明顯降低。

27 t軸重；加速度；功率譜

2012年7月16日原鐵道部下發(fā)了《大軸重鐵路貨車(chē)總體技術(shù)條件（暫行）》，隨即，27 t軸重貨車(chē)的發(fā)展全面啟動(dòng)。目前，27 t軸重貨車(chē)已相繼完成靜強(qiáng)度試驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)、線(xiàn)路適應(yīng)性試驗(yàn)，隨著這些試驗(yàn)的完成，27 t軸重貨車(chē)尤其是27 t軸重貨車(chē)轉(zhuǎn)向架在性能方面進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新得以從試驗(yàn)的角度進(jìn)行驗(yàn)證。

27 t軸重貨車(chē)采用了下交叉支撐轉(zhuǎn)向架DZ1、擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架DZ2及副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架DZ33種27 t軸重貨車(chē)轉(zhuǎn)向架，3種27 t軸重貨車(chē)轉(zhuǎn)向架均采用了軸箱懸掛橡膠堆，旨在降低輪軌的沖擊動(dòng)作用力。本文將利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)27 t軸重貨車(chē)轉(zhuǎn)向架軸箱橡膠堆的加速度特性進(jìn)行研究，分析的頻率范圍為中低頻（小于1 000 Hz），驗(yàn)證其輪軌動(dòng)力作用特征。

1 分析參數(shù)

軸箱懸掛橡膠堆在軸頭承載鞍與側(cè)架之間，理論上合適的參數(shù)能有效降低從承載鞍傳遞上來(lái)的輪軌動(dòng)作用力，但實(shí)際上橡膠堆的參數(shù)會(huì)與理論有一定差別，最終的效果需要從試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，這些驗(yàn)證可以從不同分析參數(shù)來(lái)研究。

1.1 加速度擴(kuò)大倍率η

加速度擴(kuò)大倍率η是指軸箱懸掛之上的加速度譜與軸箱懸掛之下的加速度譜之比，反映了從車(chē)輪傳上來(lái)的動(dòng)力作用通過(guò)軸箱懸掛之后的變化。如果加速度擴(kuò)大倍率小于1表示動(dòng)力作用有減弱；如果遠(yuǎn)小于1，表示有明顯減弱。

當(dāng)不需要考慮車(chē)體固有頻率的影響時(shí)，對(duì)于單固有頻率的橡膠堆加速度擴(kuò)大倍率η為［1］

其中m、k、c分別為側(cè)架的質(zhì)量、橡膠堆的剛度、阻尼。

考慮車(chē)體單固有頻率的影響時(shí)，對(duì)于單固有頻率的橡膠堆加速度擴(kuò)大倍率η為

其中M、K、C分別為簡(jiǎn)化的橡膠堆以上振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度、阻尼。

對(duì)于多個(gè)固有頻率的橡膠堆加速度擴(kuò)大倍率η為

對(duì)于更復(fù)雜的情況不再一一敘述。

通過(guò)測(cè)試軸箱橡膠堆正下方承載鞍加速度和橡膠堆正上方側(cè)架加速度可以得到合成的橡膠堆的加速度擴(kuò)大倍率η，由此可以判斷軸箱橡膠堆的減振效果。

1.2 加速度譜p

加速度譜p是實(shí)測(cè)的軸頭加速度譜或側(cè)架加速度譜，加速度譜p反映的是轉(zhuǎn)向架對(duì)試驗(yàn)線(xiàn)路的適應(yīng)性，在不同的試驗(yàn)線(xiàn)路結(jié)果會(huì)有一定差別。

對(duì)于貨車(chē)和軌道綜合系統(tǒng)，軸頭加速度a與輪軌力F之間有如式（4）關(guān)系：

1.3 單位激勵(lì)下軸頭加速度譜H

單位激勵(lì)下的軸頭加速度譜H，即軸頭加速度對(duì)激勵(lì)位移的傳遞函數(shù)。

加速度譜p在不同的試驗(yàn)線(xiàn)路結(jié)果會(huì)有一定差別，為了得到不同線(xiàn)路的一致結(jié)果，需要分離出單位激勵(lì)下的軸頭加速度譜。

對(duì)于貨車(chē)和軌道綜合系統(tǒng)，軸頭加速度a與線(xiàn)路激勵(lì)位移r之間有如式（5）關(guān)系［2］：

其中αkH、αr、αw分別為單位輪軌力下的接觸區(qū)位移導(dǎo)納、鋼軌位移導(dǎo)納、車(chē)輪位移導(dǎo)納。單位位移激勵(lì)下的軸頭加速度譜H為：

歸一化后的|H0|可以使用下列方法確定。

因?yàn)?，其?duì)于確定速度下的功率譜有如式（7）關(guān)系對(duì)于軌道功率譜有如式（8）關(guān)系［3］

Pr為車(chē)輛速度v對(duì)應(yīng)的時(shí)間頻率域位移輸入功率譜密度；Pf為空間頻率域位移輸入功率譜密度（軌道譜密度）。

定義G（ω，Ω）如下：

則有，

即，由pa（ω）|v＝vi可以得到G（ω，Ω），而G（ω，Ω）是f（ω）和g（Ω）的積，對(duì)G（ω，Ω）可以直接分離后得到歸一化后的|H0（ω）|2。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析

2013年7—11月間在長(zhǎng)沙進(jìn)行了27 t軸重貨車(chē)線(xiàn)路適應(yīng)性試驗(yàn)，在本次試驗(yàn)中，對(duì)27 t軸重貨車(chē)轉(zhuǎn)向架軸箱懸掛特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)測(cè)試了配裝3種27 t軸重貨車(chē)主型轉(zhuǎn)向架的敞車(chē)、配裝23 t軸重轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架的C70比較車(chē)。

2.1 加速度擴(kuò)大倍率η

圖1給出了側(cè)架、軸頭的垂向加速度擴(kuò)大倍率η。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比27 t軸重貨車(chē)和C70比較車(chē)：27 t軸重貨車(chē)軸箱懸掛能有效降低中頻段（200～1 000 Hz）的側(cè)架加速度，但低頻段（＜200 Hz）側(cè)架加速度沒(méi)有明顯降低。

根據(jù)加速度譜和加速度擴(kuò)大倍率圖，200 Hz是一個(gè)分界頻率。頻率在200 Hz以?xún)?nèi)，27 t軸重貨車(chē)傳遞函數(shù)大于C70比較車(chē)的，27 t軸重貨車(chē)傳遞函數(shù)在低頻段（＜200 Hz）以?xún)?nèi)有部分超過(guò)1；頻率在中頻段（200～1 000 Hz）以上，27 t軸重貨車(chē)傳遞函數(shù)均明顯小于C70比較車(chē)（個(gè)別車(chē)個(gè)別峰值除外），在中頻段，側(cè)架加速度比軸頭加速度減少約80%。

2.2 加速度譜

圖2、圖3給出了側(cè)架、軸頭垂向加速度的幅值譜。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比27 t軸重貨車(chē)和C70比較車(chē)：軸頭加速度沒(méi)有一致的差別，在不同頻率范圍均有交叉；側(cè)架加速度頻率中頻段（200～1 000 Hz），27 t軸重貨車(chē)明顯小于C70比較車(chē)，在該頻率范圍內(nèi)能顯著降低側(cè)架加速度值。

圖1 軸頭垂向加速度擴(kuò)大倍率對(duì)比

圖2 側(cè)架垂向加速度功率譜對(duì)比

圖3 軸頭垂向加速度功率譜對(duì)比

圖4給出了同一次試驗(yàn)時(shí)不同車(chē)型（轉(zhuǎn)向架均為同一27 t軸重轉(zhuǎn)向架）側(cè)架垂向加速度的幅值譜。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于敞車(chē)、棚車(chē)、罐車(chē)，在中低頻段（＜1 000 Hz），側(cè)架加速度譜與車(chē)型關(guān)系不大，與轉(zhuǎn)向架參數(shù)和線(xiàn)路條件關(guān)系更密切。對(duì)于平車(chē)在300～1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)，側(cè)架加速度譜與其他車(chē)型差別較大。

圖4 不同車(chē)型（同一轉(zhuǎn)向架）側(cè)架垂向加速度功率譜對(duì)比

2.3 單位激勵(lì)下軸頭加速度譜

線(xiàn)路激勵(lì)的大小直接影響軸頭加速度的大小，使用上述1.3節(jié)方法可以分離出單位激勵(lì)下的加速度譜，這樣可以對(duì)不同線(xiàn)路的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

根據(jù)兩次試驗(yàn)結(jié)果，側(cè)架和軸頭加速度在不同試驗(yàn)線(xiàn)路條件下結(jié)果基本一致。相比較而言，軸頭加速度個(gè)別峰值大小有較大差異，見(jiàn)圖5、圖6。

同時(shí)，對(duì)單位激勵(lì)下軸頭、側(cè)架加速度的27 t軸重貨車(chē)與C70比較車(chē)進(jìn)行對(duì)比，也有上述相同的結(jié)果。因此，前述結(jié)果也是轉(zhuǎn)向架的自身特征，不論何種線(xiàn)路條件均有一致結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)27 t軸重貨車(chē)加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較了27 t軸重貨車(chē)和C70比較車(chē)的試驗(yàn)結(jié)果，得出了27 t軸重貨車(chē)采用軸箱懸掛橡膠堆后的加速度變化規(guī)律。在不同線(xiàn)路條件下均有結(jié)論：27 t軸重貨車(chē)軸箱懸掛能有效降低中頻段（200～1 000 Hz）的側(cè)架加速度，側(cè)架加速度比軸頭加速度減小約80%；但低頻段（＜200 Hz）側(cè)架加速度沒(méi)有明顯降低。

［1］ 李德葆，陸秋海.工程振動(dòng)試驗(yàn)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社.

［2］ S.L.Grassie，R.W.Gregory，K.L.Johnson.The behaviour of railway wheelsets and track at high frequencies of excitation［J］.Journal Mechanical Engineering Science，24（2）1982.

［3］ 康 熊，曾宇清.車(chē)輛振動(dòng)加速度響應(yīng)分析的速度—頻域方法［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2012，33（1）：60-70.

Study on Axle-box Suspension’s Characteristics of 27 t Axle Load Wagons

XIONG Xin，JIANG Cheng，MIAO Xiaoyu，WANG Xinrui，ZH ANG Tianying
（Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

In order to reduce the wheel-rail force，rubber stack is adopted in the axle-box suspension for 27 t axle load bogies，but the actual effect remains to be verification by test.Using the data of 27 t axle load adaptability test，from the axle-box acceleration spectrum，side frame acceleration spectrum，transfer rate of acceleration，axle-box acceleration spectrum by unit excitation head and other aspects，the characteristic of 27 t axle load wagon axle acceleration，side frame acceleration，and transfer characteristic of axle-box suspension is studied.The results show that the 27 t axle load wagon axle box suspension can effectively reduce the middle frequency side frame acceleration，but the low frequency side frame acceleration is not obviously reduced.

27 t axle load；acceleration；power spectrum

圖6 單位激勵(lì)下側(cè)架加速度不同試驗(yàn)對(duì)比

U272

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.06

1008－7842（2014）04－0029－05

*鐵道部科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃（2012J008－A）

?）男，副研究員（

2013－12－11）