釣竿式變軌距轉(zhuǎn)向架動力學(xué)研究*

史 炎， 何 健

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031)

自中國提出一帶一路倡議以來，不僅贏得越來越多國家的理解和積極響應(yīng)，也得到了聯(lián)合國的鼎力支持，國際經(jīng)貿(mào)活動的發(fā)展必將帶動國際鐵道貨運量的增加。由于歷史的原因，世界各國鐵路一直存在著多種軌距阻礙了國際鐵路聯(lián)運，實現(xiàn)不了一列慣通，只能在口岸轉(zhuǎn)運貨物。實現(xiàn)不同軌距區(qū)間的直通運行最便捷的方式就是采用變軌距輪對，旅客無需換乘，貨物無需換裝。

1 國內(nèi)外變軌距轉(zhuǎn)向架技術(shù)

國外早在20 世紀(jì) 60 年代就開展了自動變軌距轉(zhuǎn)向架研究[1]，已開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)形式變軌距轉(zhuǎn)向架。如西班牙的Talgo型、德國的DBAG/Rafil V型、波蘭的 SUW2000 和日本的E30B等。西班牙Talgo系列的變軌距轉(zhuǎn)向架利用銷釘插入凹槽來約束車輪沿軸向運動，每一輪對的鎖緊機構(gòu)有4個，與地面裝置配合層次多而且只適合獨立旋轉(zhuǎn)車輪形式。圖1是德國的DBAG/Rafil V型轉(zhuǎn)向架所采用的變軌距機構(gòu)[2]，其鎖緊機構(gòu)利用鎖緊桿繞凸輪轉(zhuǎn)動的原理設(shè)計，由緩解盤、鎖緊桿、壓力彈簧和鎖緊襯套組成，鎖緊桿前端與輪轂的凹槽為斜面配合，曲線通過時在橫向力的作用下，鎖緊桿前端產(chǎn)生一個徑向分力要由鎖緊襯套承擔(dān)。

1-緩解盤；2-鎖緊桿；3-壓力彈簧；4-鎖緊襯套。圖1 DBAG/ Rafil V型變軌距輪對

2 釣竿式變軌距鎖緊機構(gòu)

在借鑒國內(nèi)外變軌距鎖緊機構(gòu)方案基礎(chǔ)上，提出一種變軌距輪對設(shè)計方案用于傳統(tǒng)輪對，使用前提是兩邊車輪與車軸用花鍵聯(lián)接、傳遞扭矩，車輪相對于車軸只有一個自由度：軸向移動。釣竿式變軌距鎖緊機構(gòu)如圖2所示，鎖緊機構(gòu)由套筒、緩解盤、緩解筒、復(fù)位彈簧、限位柱等構(gòu)成。套筒與車軸過盈配合，輪轂上開設(shè)有兩排盲孔，每排盲孔沿圓周方向均勻布置4個，兩排盲孔分別對應(yīng)兩種軌距；圓柱形限位柱上開設(shè)相慣孔，其中心線與柱體中心線的夾角成45°；緩解盤沿圓周方向均勻布置4個釣竿，釣竿與緩解盤軸線夾角成45°，釣竿插入限位柱的相慣孔中。

1-車軸；2-輪轂；3-限位柱；4-彈簧；5-套筒；6-緩解筒；7-鉤竿；8-緩解盤。圖2 釣竿式變軌距鎖緊機構(gòu)

車輛采用車輪承載方式，以10 km/h左右速度通過地面軌距變換設(shè)施時車輪自動完成軌距變換，兩種軌距之間的變換過程是可逆的。以車輛從準(zhǔn)軌線路進(jìn)入寬軌線路為例論述釣竿式變軌距鎖緊機構(gòu)工作過程：

① 輪對從準(zhǔn)軌線路進(jìn)入地面變軌距區(qū)域，右側(cè)車輪保持鎖閉擔(dān)當(dāng)輪對運行職能，左側(cè)車輪初始位置如圖3(a)所示，緩解筒在地面解鎖軌的作用下壓縮彈簧，帶動緩解盤一起向軌道中心線的反方向移動，只能徑向移動的限位柱被釣竿提起直到與第一排盲孔完全脫離，左側(cè)車輪解鎖，如圖3(b)；

② 解鎖后的左側(cè)車輪沿槽軌位移，直到寬軌軌距的一半，第二排盲孔對準(zhǔn)限位柱，圖3(c)；

③ 緩解筒在壓縮彈簧的作用下復(fù)位，限位柱落入第二排盲孔，左側(cè)車輪閉鎖，圖3(d)；

④ 右側(cè)車輪重復(fù)以上步驟，輪對轉(zhuǎn)換到寬軌線路。

圖3 軌距變換過程

3 變軌距轉(zhuǎn)向架動力學(xué)模型

將車輛系統(tǒng)視為一個多剛體系統(tǒng)，不考慮車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車輪等部件本身的彈性變形，各剛體通過彈簧和減振器相互連接形成多自由度的非線性振動系統(tǒng)。中歐貨運列車途經(jīng)很多前蘇聯(lián)的加盟共和國，它們沿用了寬軌線路，轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能要兼顧準(zhǔn)軌和寬軌。使用Simpack動力學(xué)仿真軟件建立貨車動力學(xué)計算模型，使用虛擬車體建立好一個轉(zhuǎn)向架模型再裝配成整車模型，如圖4所示，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)K6型交叉支撐式，主要參數(shù)見表1[3]。軌距參數(shù)在Simpack輪軌全局變量中修改，準(zhǔn)軌軌距1 435 mm、滾動圓橫向跨距之半0.746 5 m，寬軌軌距1 520 mm、滾動圓橫向跨距之半0.789 m。

圖4 整車動力學(xué)計算模型

名稱空車重車車體質(zhì)量/kg1140091400側(cè)架質(zhì)量/kg497497搖枕質(zhì)量/kg745745輪對及軸箱質(zhì)量/kg12571257車輪滾動圓半徑/m0.460.46軸距/m1.831.83車輛定距/m99側(cè)架質(zhì)心至輪對質(zhì)心垂向距離/m0.120.12搖枕質(zhì)心至側(cè)架質(zhì)心垂向距離/m0.050.03車體質(zhì)心至搖枕質(zhì)心垂向距離/m0.871.42軸箱縱向剛度/(MN·m-1)1313軸箱橫向剛度/(MN·m-1)1111軸箱垂向剛度/(MN·m-1)160160二系懸掛縱向剛度/(MN·m-1)0.724.4二系懸掛橫向剛度/(MN·m-1)1.654.4二系懸掛垂向剛度/(MN·m-1)2.784.89車輪踏面LM踏面鋼軌UIC60

4 計算結(jié)果

4.1 臨界速度

截取一段長度為50 m的美國5級軌道譜作為輸入激勵，車輛預(yù)先通過50 m長的激擾線路產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)，激發(fā)車輛的自身振動，設(shè)置車輛起始運行經(jīng)過不平順線路到最后通過平順線路的線路總長度為300 m，以輪對的橫移量判定蛇行運動穩(wěn)定性。通過仿真計算出的變軌距車輛在不同軌距線路下空、重車的蛇行臨界速度見表2。

變軌距轉(zhuǎn)向架車輛在1 435 mm軌距線路運行時，重車的臨界速度比空車的增加15%；在1 520 mm軌距線路運行時，重車的臨界速度比空車的增加19%；軌距增加，空車、重車的臨界速度有所下降。

表2 蛇行臨界速度 km·h-1

4.2 重車曲線通過性能

為使研究具有普遍性，設(shè)置了5種曲線運行工況，最大欠超高均取為60 mm，圓曲線長度均為120 m, 緩和曲線長度均為150 m。線路其他條件如表3所示，計算結(jié)果見圖5。

在兩種軌距的曲線線路上，載重車輛的動力學(xué)性能差別不大，輪軌橫向力和脫軌系數(shù)都符合GB 5599-1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 曲線參數(shù)

圖5 重車曲線通過性能

5 結(jié) 論

世界各地軌距不統(tǒng)一阻礙了國際聯(lián)運，大規(guī)模更換線路不現(xiàn)實，只能考慮改變車輛，采用變軌距轉(zhuǎn)向架技術(shù)解決不同軌距區(qū)間直通運行是一種簡易有效方法。本文提出了一種新型變軌距轉(zhuǎn)向架的釣竿式鎖緊機構(gòu)方案，并對其動力學(xué)特性進(jìn)行了仿真計算，結(jié)果表明釣竿式鎖緊機構(gòu)變軌距轉(zhuǎn)向架是可行性的，按1 435 mm軌距設(shè)計的車輛也適用于1 520 mm軌距，曲線通過性能差別不大。

[1] Sakai M, Oda K. Gauge change train[J]. Japanese railway engineering, 1999, 39(2):12-15.

[2] Wilhelm Saliger. 可調(diào)軌距輪對[J]. 國外鐵道機車與動車, 2002(2):28-33.

[3] 王孔明. 重載貨車輪軌動力作用研究[D]. 成都：西南交通大學(xué),2006.