連接間隙對(duì)副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響*

李亨利， 田光榮， 李 芾， 鄧 濤， 吳 暢

(1 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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連接間隙對(duì)副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響*

李亨利1， 田光榮2， 李 芾1， 鄧 濤1， 吳 暢1

(1 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

采用SIMPACK軟件建立配裝27 t軸重DZ3型轉(zhuǎn)向架的C80EF型通用敞車動(dòng)力學(xué)模型，分析輪對(duì)徑向裝置連接間隙對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)稱連接間隙對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響大于非對(duì)稱間隙；連接間隙增大后連接桿力從連續(xù)變化變?yōu)槊}沖變化，10 Hz以上的高頻成分增加，車輛臨界速度顯著下降，連接間隙控制在1.5 mm之內(nèi)方能保證車輛穩(wěn)定性；連接間隙增加不會(huì)引起車輛曲線通過(guò)性能的惡化，連接間隙2.5 mm以上時(shí)，輪對(duì)徑向裝置基本失去對(duì)輪對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制能力?，F(xiàn)有轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架在運(yùn)用約45萬(wàn)km后，連接間隙在1 mm范圍內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響在可接受范圍內(nèi)。

連接間隙； 徑向轉(zhuǎn)向架； 輪對(duì)徑向裝置； U形副構(gòu)架； 動(dòng)力學(xué)

輪對(duì)徑向機(jī)構(gòu)是副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，也是保證轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵，其一般由2個(gè)U形副構(gòu)架體通過(guò)交叉布置的連接桿和連接桿圓銷構(gòu)成，如圖1所示。同時(shí)，由于徑向原理的需要，連接桿需要相對(duì)U形副構(gòu)架繞圓銷軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以使得前后輪對(duì)能相對(duì)搖頭而在曲線上徑向通過(guò)。從而因連接桿圓銷磨耗將會(huì)產(chǎn)生連接桿與U形副構(gòu)架的連接間隙，此種連接間隙對(duì)徑向轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響目前還缺乏系統(tǒng)研究，一定程度上影響了對(duì)徑向轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的完善。

圖1 輪對(duì)徑向機(jī)構(gòu)連接結(jié)構(gòu)

1 計(jì)算模型

以我國(guó)新型27 t軸重DZ3型副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架配裝于C80EF型通用敞車為例，在動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK中構(gòu)建車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型[1](圖2)。模型中連接桿等效為無(wú)質(zhì)量桿件，僅計(jì)入沿桿軸線的平動(dòng)和相對(duì)U形副構(gòu)架的搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)，桿兩端與U形副構(gòu)架的連接

采用式(1)確定的力函數(shù)F：

(1)

式中k為連接桿與副構(gòu)架的軸向連接剛度；l和l0分別為連接桿實(shí)際長(zhǎng)度和自由長(zhǎng)度；δ為連接間隙，一根連接桿兩端均用圓銷連接，故力函數(shù)計(jì)入的總間隙為2δ。實(shí)際運(yùn)用中，輪對(duì)徑向機(jī)構(gòu)兩連接桿圓銷的磨耗程度不盡一致。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，將兩連接桿存在相同間隙時(shí)定義為對(duì)稱間隙；將一連接桿無(wú)間隙，另一連接桿存在間隙時(shí)定義為非對(duì)稱間隙，從而實(shí)際連接桿間隙可表示為對(duì)稱間隙和非對(duì)稱間隙的線性組合。模型中線路激擾為AAR5級(jí)線路譜，曲線工況的線路設(shè)置為2段半徑600 m，超高100 mm，長(zhǎng)度為350 m的S形曲線，緩和曲線長(zhǎng)度均為70 m，2段曲線之間的夾直線長(zhǎng)度為150 m，如圖3所示。

圖2 車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型

圖3 S形曲線線路設(shè)置

2 連接桿間隙對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

一般地，為取得良好的曲線通過(guò)性能，副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)縱向定位剛度僅為普通轉(zhuǎn)向架的1/10～1/5。此種情形下，輪對(duì)徑向裝置就成為約束輪對(duì)運(yùn)動(dòng)，影響車輛穩(wěn)定性的重要部件，從而U形副構(gòu)架的連接間隙將不可避免地對(duì)車輛臨界速度產(chǎn)生影響。

圖4列出了連接桿間隙變化時(shí)車輛臨界速度的計(jì)算結(jié)果。分析可知：對(duì)稱間隙對(duì)車輛臨界速度的影響大于非對(duì)稱間隙，且車輛臨界速度是連接桿間隙的單調(diào)減函數(shù)，間隙越大，臨界速度越低。以空車對(duì)稱間隙為例，當(dāng)間隙δ從0增大到5 mm后，車輛臨界速度從149 km/h降低至115 km/h。從變化梯度分析，當(dāng)間隙在1 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，車輛臨界速度下降幅度僅在5 km/h以內(nèi)，間隙在1.5～3 mm之間變化時(shí)，車輛臨界速度快速下降；間隙在3.5 mm以上時(shí)，車輛臨界速度隨間隙的變化幅度重新趨于平緩，但仍能滿足車輛最高運(yùn)行速度100 km/h的要求。這一結(jié)果從不同間隙時(shí)的連接桿力變化得到解釋。以空車對(duì)稱間隙連接桿力的計(jì)算結(jié)果(圖5)為例：間隙為0時(shí)，連接桿力是連續(xù)變化的；間隙為1 mm時(shí)，連接桿力峰值有所上升，但數(shù)值變化相對(duì)無(wú)間隙的連接桿力仍有良好的跟隨性，連接桿能有效地控制輪對(duì)運(yùn)動(dòng)，車輛臨界速度變化不大；間隙增大至3 mm，連接桿力表現(xiàn)為脈沖變化，失去連續(xù)控制輪對(duì)運(yùn)動(dòng)的能力，車輛臨界速度明顯下降。因此，為保證副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架具有穩(wěn)定臨界速度，連接間隙應(yīng)控制在1.5 mm以內(nèi)。

圖4 連接間隙對(duì)車輛臨界速度的影響

圖5 空車直線連接桿力(對(duì)稱間隙，80 km/h)

徑向轉(zhuǎn)向架理論奠基人Wickens指出：對(duì)于任何對(duì)稱的二軸轉(zhuǎn)向架，要使其具有更良好的曲線通過(guò)性能，就要求輪對(duì)間的彎曲剛度更小。而如果彎曲剛度越小，則蛇行失穩(wěn)臨界速度也越低[2-3]。上述論述表明彎曲剛度對(duì)轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能和蛇行穩(wěn)定性的影響是完全相反的。在轉(zhuǎn)向架輪對(duì)懸掛剛度確定的情形下，輪對(duì)徑向裝置只可能增大轉(zhuǎn)向架彎曲剛度。另一方面，Scheffel確定的按照曲線通過(guò)時(shí)輪對(duì)縱向、橫向力的平衡條件的輪對(duì)縱向約束設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是前后輪對(duì)間的輪對(duì)徑向裝置不受橫向力作用。即最理想的曲線通過(guò)情況下，連接桿力應(yīng)為零[4-5]。由此可見(jiàn)，輪對(duì)徑向裝置對(duì)輪對(duì)的約束的主要作用是保證轉(zhuǎn)向架的直線穩(wěn)定性，而對(duì)改善轉(zhuǎn)向架曲線通過(guò)性能無(wú)有益影響。

分析車輛以速度80 km/h通過(guò)如圖3所示的曲線時(shí)，連接桿間隙與車輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)系，如圖6～圖8所示。當(dāng)連接間隙增大后，車輛的曲線通過(guò)性能并沒(méi)有因此而惡化。且同車輛直線動(dòng)力學(xué)性能一樣，對(duì)稱磨耗比非對(duì)稱磨耗的影響更大，這一結(jié)果與前述理論預(yù)測(cè)吻合。同時(shí)，從輪軌橫向力、磨耗功及輪對(duì)沖角的變化趨勢(shì)分析。在所計(jì)算的工況下當(dāng)連接桿間隙在2.5 mm以上時(shí)，各指標(biāo)變化很小，可認(rèn)為此時(shí)連接桿基本失去對(duì)輪對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制能力。

圖6 連接間隙對(duì)輪軌橫向力的影響

圖7 連接間隙對(duì)輪軌磨耗功的影響(共1 km)

圖8 連接間隙對(duì)輪對(duì)沖角的影響

圖9～圖10為車輛所計(jì)算曲線工況下連接桿力的計(jì)算結(jié)果。從力的大小看，連接桿力隨間隙增大而減小，其表明對(duì)前后輪對(duì)運(yùn)動(dòng)控制能力的持續(xù)減弱；間隙過(guò)大時(shí)，連接桿力接近0，意味著整個(gè)輪對(duì)徑向裝置不再傳遞前后輪對(duì)間的相互作用。從力的頻率分布看，連接桿力頻率以約10 Hz為界線，無(wú)間隙的理想結(jié)構(gòu)連接桿力小于10 Hz的低頻段分布大于間隙工況，而高頻段則低于后者，其時(shí)域結(jié)果表現(xiàn)為連接桿力從連續(xù)變化轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖變化，與直線計(jì)算結(jié)果一致。

圖9 連接間隙對(duì)連接桿力的影響

圖10 連接桿力功率譜密度 (空車，對(duì)稱間隙，80 km/h)

3 運(yùn)用中連接間隙的調(diào)查及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為進(jìn)一步研究輪對(duì)徑向裝置連接間隙在運(yùn)用中的控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)大秦線運(yùn)用45萬(wàn)km后的10輛C80BF型運(yùn)煤專用敞車配裝的20臺(tái)轉(zhuǎn)K7型副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了抽樣調(diào)查，其中典型的連接桿圓銷外觀如圖11所示，連接間隙測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1(圓銷位置編號(hào)與傳統(tǒng)意義上的車輪位置編號(hào)規(guī)則相同)[6]。

連接桿圓銷的主要磨耗發(fā)生在與連接桿襯套的接觸接觸部位，因此處是轉(zhuǎn)動(dòng)副，磨痕均勻分布于整個(gè)接觸環(huán)帶；所測(cè)量的間隙最大值1 mm，最小值0.3 mm，若按正態(tài)分布進(jìn)行估計(jì)其均值約為0.55 mm。結(jié)合理論分析結(jié)果，上述調(diào)查表明轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架在運(yùn)用一個(gè)段修期內(nèi)連接間隙對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響很小，在可控范圍之內(nèi)。新一代27，30 t軸重DZ3、DZ6型副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架連接桿內(nèi)設(shè)置彈性鉸[7](圖12)，實(shí)現(xiàn)連接桿與副構(gòu)架的彈性連接，從而進(jìn)一步減小了連接間隙，延長(zhǎng)輪對(duì)徑向裝置的檢修周期。為考察該彈性鉸的運(yùn)用效果，將其裝配于U形副構(gòu)架并進(jìn)行80萬(wàn)次的縱橫向加載試驗(yàn)。試驗(yàn)后，彈性鉸無(wú)失效，與連接桿配合良好，無(wú)明顯間隙出現(xiàn)，其進(jìn)一步的評(píng)估結(jié)果將從對(duì)DZ3型轉(zhuǎn)向架在大秦線的運(yùn)用考核中獲得。

圖11 運(yùn)用約45萬(wàn)km連接桿圓銷外觀

mm

圖12 彈性鉸

4 結(jié) 論

(1)連接間隙對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能有重要影響，其中對(duì)稱間隙的影響大于非對(duì)稱間隙。連接間隙增大至3 mm以上后，連接桿力從連續(xù)變化將變?yōu)槊}沖變化，10 Hz以上的高頻成分明顯增加。

(2)車輛蛇行臨界速度隨連接桿間隙增大而下降，連接間隙控制在1.5 mm以下時(shí)，臨界速度降低約5 km/h。連接間隙增大后，車輛曲線通過(guò)性能無(wú)明顯降低，連接間隙在2.5 mm以上時(shí)，可認(rèn)為連接桿基本失去對(duì)輪對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制能力。為保證副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架具有穩(wěn)定的臨界速度，連接間隙應(yīng)控制在1.5 mm以內(nèi)。

(3)轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架連接桿與圓銷剛性接觸的結(jié)構(gòu)，在運(yùn)用45萬(wàn)km后，連接間隙小于1 mm，對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響較小。新一代DZ3和DZ6型轉(zhuǎn)向架連接桿與圓銷采用彈性鉸的彈性連接結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步減小連接間隙，延長(zhǎng)輪對(duì)徑向裝置的檢修周期。

[1] 李亨利,李芾,潘樹(shù)平,等.貨車徑向轉(zhuǎn)向架U形副構(gòu)架的結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2014,35(2):72-79.

[2] 陳澤深,王成國(guó).鐵道車車輛動(dòng)力學(xué)與控制[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

[3] WICKENS A H. Static and Dynamic Instabilities of Bogie Railway Vehicles with Linkage Steered Wheelsets [J]. Vehicle System Dynamics：International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility，1996，26(1)：1-16

[4] SCHEFFEL H，F(xiàn)ROEHLING RD，HEYNS P S. Curving and Stability Analysis of Self-Steering Bogies Having a Variable Yaw Constraint [J]. Vehicle System Dynamics：International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility,1994, 23(supplement 1)：425-436.

[5] 李亨利,黃運(yùn)華.轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能研究[J].鐵道機(jī)車車輛,2009,29(4):26-29.

[6] 南車眉山車輛有限公司.轉(zhuǎn)K7型轉(zhuǎn)向架技術(shù)狀態(tài)的調(diào)查[R].四川眉山，2010.

[7] 南車眉山車輛有限公司.DZ3型轉(zhuǎn)向架研制工作報(bào)告[R].四川眉山，2014.

Influence of Connection Gap on Sub-frame Radial Bogie Dynamic Performance

LIHengli1,TIANGuangrong2,LIFu1,DENGTao1,WUChang1

(1 Department of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China; 2 Loccomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The vehicle system dynamic model of C80EF Gondola, equipment with 27 tons axle load DZ3 type radial bogie was established within SIMPACK software, and the effect of radial device connection gap on dynamic performance was analyzed. The results show that the symmetric connection gap affects more than the unsymmetrical gap. The connecting rod force from the continuous variation to changes in pulse when the gap increasing, and the high frequency above 10Hz increase at the some time. In order to avoid the vehicle critical speed decreased significantly, the gap should ensure within 1.5mm. On the other hand, the connecting gap won't deteriorate the vehicle curve negotiation, when the gap larger than 2.5mm, radial device almost lose it's ability to control the wheelset motion. According the investigation results, The K7 type radial bogie connection gaps less than 1mm after in use of about 450,000 km, and the dynamic performance influence was acceptable.

connection gap; radial bogie; wheelset radial device; U type sub-frame; dynamic

1008-7842 (2015) 03-0017-04

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975238);四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013GZX0142)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(SWJTU12CX041)

??)男，高級(jí)工程師，博士研究生(

2014-12-30)

U260.11

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.04