1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配分析*

王歡聲， 馮永華， 羅 赟， 梁樹林， 池茂儒

(1 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031；2 中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)中心， 山東青島 266111)

鐵路運輸以運量大、能耗低、污染小、安全快捷等諸多優(yōu)點，成為國際聯(lián)運和區(qū)域間運輸方式的首選，在我國對外貿(mào)易中更是起著舉足輕重的作用。中俄邊境鐵路在中俄兩國的經(jīng)濟貿(mào)易發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但是俄羅斯基本以寬軌(1 520 mm)為主，不同于我國的標(biāo)準(zhǔn)軌距(1 435 mm)，而目前列車要想通過中俄不同軌距的鐵路，需采用轉(zhuǎn)運、交換走行部或鐵路馱背運輸車[1]等方法來實現(xiàn)，這大大降低了客貨運輸效率。相比于以上解決方式采用變軌距轉(zhuǎn)向架，調(diào)整輪對內(nèi)側(cè)距以適應(yīng)不同軌距的方法更方便、更快捷[2-3]。

圖1 中俄蒙3國聯(lián)運客車更換轉(zhuǎn)向架[4]

然而，中國與俄羅斯鐵路不僅軌距不同(中國軌距1 435 mm，俄羅斯軌距1 520 mm)，鋼軌廓形也不相同(中國主要采用CN60 軌，俄羅斯大部分為Russia65軌)，而且軌底坡也不相同(中國軌底坡1∶40，俄羅斯軌底坡1∶20)，因而在中俄邊境軌距變換前后，必然引起輪軌關(guān)系的巨大變化，進而可能引起車輛動力學(xué)性能存在較大差異。如何通過車輛懸掛參數(shù)的優(yōu)化匹配，來適應(yīng)軌距變換前后的輪軌接觸關(guān)系，是變軌距轉(zhuǎn)向架研發(fā)關(guān)注的重點[5-6]。

文中將首先針對軌距變換前后的輪軌接觸關(guān)系展開對比分析，進而分析不同輪軌接觸關(guān)系對車輛動力學(xué)性能的影響，找出關(guān)鍵影響指標(biāo)，針對主要影響指標(biāo)，對變軌距轉(zhuǎn)向架進行關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配分析，來兼顧軌距變化前后的車輛動力學(xué)性能。

1 軌距變換前后的輪軌接觸關(guān)系對比分析

LMA標(biāo)準(zhǔn)踏面與中國準(zhǔn)軌線路(軌距1 435 mm，軌底坡1∶40，鋼軌型號CN60)、俄羅斯寬軌線路(軌距1 520 mm，軌底坡1∶20，鋼軌型號P65)的輪軌匹配關(guān)系如圖2～圖5所示，分別對比了兩種線路的鋼軌廓形、輪軌接觸跡線圖、等效錐度以及接觸角差。

將兩種鋼軌的軌距測量點(軌頂下16 mm處)對齊并作其廓形圖如圖2所示。若不考慮軌底坡的影響，中國CN60 軌與俄羅斯Russia65 軌橫斷面的軌頭廓形在輪軌接觸區(qū)相差不大，僅在軌肩處CN60軌略高；若考慮軌底坡(中國軌底坡1∶40，俄羅斯軌底坡1∶20)的影響，對比兩種鋼軌的廓形，可以看出兩種鋼軌軌頭橫斷面廓形特別是軌肩部分有很大差別，這是因為俄羅斯鋼軌軌底坡較大，故鋼軌向內(nèi)側(cè)傾斜程度更大，易使輪軌接觸點向踏面外側(cè)移動；可見軌底坡的變化是LMA踏面與兩種鋼軌輪軌接觸關(guān)系差異的主要影響因素。

*國家重點研發(fā)計劃(2016YFB1200501-005)；國家重點研發(fā)計劃(2018YFB1201701)；牽引動力國家重點實驗室自主課題(2018TPL_T04)

王歡聲(1995—)男，碩士研究生(收稿日期：2019-05-04)

圖2 準(zhǔn)軌、寬軌鋼軌廓形對比

準(zhǔn)軌、寬軌輪軌接觸跡線圖如圖3所示。LMA踏面與準(zhǔn)軌匹配的接觸跡線圖分布均勻；而寬軌P65-LMA匹配的接觸帶較窄，當(dāng)輪對產(chǎn)生橫移時，寬軌線路輪軌接觸點在鋼軌上的位置沒有太大改變，并且由于寬軌軌底坡較準(zhǔn)軌更大，故LMA踏面與寬軌的接觸帶比準(zhǔn)軌更偏向于外側(cè)區(qū)域，這對輪軌接觸關(guān)系極為不利。為了使變軌距車輛在準(zhǔn)軌和寬軌兩種不同輪軌接觸關(guān)系的線路上均有較好的動力學(xué)性能，可對車輛懸掛參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計兼顧兩種線路條件。

圖3 準(zhǔn)軌、寬軌輪軌接觸跡線圖

由輪軌接觸跡線圖4可以看出，LMA踏面與寬軌的接觸帶寬主要集中在斜率為1∶40的直線段，所以車輪踏面在一定輪對橫移范圍內(nèi)輪對與寬軌匹配的等效錐度均為0.025；LMA踏面與寬軌匹配的名義等效錐度0.025(輪對蛇行運動幅值為3 mm時所對應(yīng)的等效錐度)要低于準(zhǔn)軌0.038，降低等效錐度有利于提升車輛運行穩(wěn)定性，但是不利于曲線通過，而且較低的等效錐度容易誘發(fā)一次蛇行(即“晃車”)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響乘坐舒適度。

由圖5可以看出，隨著輪對橫移量的增加，準(zhǔn)軌線路上輪軌接觸角差也隨之增大，輪軌接觸角差越大，則輪對重力剛度、重力復(fù)原力越大，有利于提高輪對的對中性能以及抑制車輛的一次蛇行現(xiàn)象；而寬軌線路上左右輪輪軌接觸角絕對值基本相同，其輪軌接觸角差幾乎為0且不隨輪對橫移量變化而有較大變化，其輪對對中性能較差。

圖4 準(zhǔn)軌、寬軌等效錐度對比

2 軌距變換前后車輛動力學(xué)性能對比分析

本小節(jié)計算的所有工況車輪踏面均采用LMA踏面，計算變軌距車輛在準(zhǔn)軌線路(軌距1 435 mm,鋼軌廓形CN60,軌底坡1∶40)與寬軌線路(1 520 mm, Russia P65,1∶20)運行的動力學(xué)性能。直線工況設(shè)置50～450 km/h共11個運行速度等級，線路激勵采用實測武廣客運專線通用軌道譜；曲線通過性能計算采用R250 m曲線并設(shè)置10～50 km/h共5個運行速度等級，模擬變軌距車輛在車輛段內(nèi)小半徑曲線上運行時的工況。

圖5 準(zhǔn)軌、寬軌接觸角差對比

變軌距車輛與兩種線路匹配的極限環(huán)幅值如圖6所示，橫坐標(biāo)為不同的計算車速，縱坐標(biāo)代表輪對橫移量；首先讓變軌距車輛運行在一段施加實測軌道譜激勵的有限長軌道上，激發(fā)車輛系統(tǒng)的振動，然后讓車輛運行在理想的光滑直線軌道上，記錄最終輪對振動的橫移量幅值，即為車輛蛇行運動極限環(huán)幅值[7]。變軌距車輛在準(zhǔn)軌線路上運行的臨界速度為600 km/h，能夠滿足我國目前高速動車組的運營要求；而在寬軌線路上運行，速度為100 km/h左右時，輪對會出現(xiàn)小幅晃動的現(xiàn)象，隨著速度繼續(xù)升高，輪對將會收斂。

圖6 1 435/1 520 mm車輛蛇行運動極限環(huán)幅值

圖7為車輛運行平穩(wěn)性對比，寬軌上變軌距車輛在速度為100 km/h左右時，其橫向平穩(wěn)性會突然增大，與車輛蛇行運動極限環(huán)幅值中輪對小幅橫向晃動相對應(yīng)，這是由于蛇行頻率與車體的懸掛頻率相近，車體的模態(tài)位移較大，加之車輛系統(tǒng)運動阻尼比不足，則容易發(fā)生車體的明顯晃動，這種運動稱為車體一次蛇行[8]。由于LMA踏面與寬軌匹配的名義等效錐度較低，且接觸角差基本為0，故變軌距車輛在寬軌線路上比準(zhǔn)軌線路更容易出現(xiàn)一次蛇行的現(xiàn)象。在線路激勵相同的情況下，不同線路對變軌距車輛橫向平穩(wěn)性性能影響明顯，而對車輛系統(tǒng)垂向平穩(wěn)性性能影響不大。

圖7 1435/1520 mm平穩(wěn)性性能對比

變軌距車輛以低速通過R250 m曲線時，其在不同軌距線路上運行的輪重減載率與脫軌系數(shù)如圖8所示。車輛輪重減載率隨著曲線運行速度的提高而增大，但不同線路對其影響不大；車輛在準(zhǔn)軌線路運行的脫軌系數(shù)要優(yōu)于寬軌，且兩者均未超過安全運行限值。故對變軌距轉(zhuǎn)向架進行關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配時，主要對車輛運行穩(wěn)定性、橫向平穩(wěn)性以及脫軌系數(shù)進行對比分析。

3 轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配分析

變軌距車輛在不同線路(1 435/1 520 mm)上運行的動力學(xué)性能會有較大差異，車輛在寬軌線路上的“二次蛇行”(也叫轉(zhuǎn)向架蛇行)臨界速度高于準(zhǔn)軌線路，較高的“二次蛇行”臨界速度利于提高車輛運行穩(wěn)定性及安全性，但是當(dāng)車輛在寬軌線路上以低速運行時，容易誘發(fā)車體的一次蛇行運動，嚴(yán)重影響車輛的乘坐性能(如使橫向平穩(wěn)性性能突增)。車輛的兩種蛇行運動都是需要力求避免的，故本小節(jié)在輪軌關(guān)系確定后，對變軌距轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)的設(shè)計需要綜合考慮和協(xié)調(diào)兩種線路的車輛運行品質(zhì)。

針對LMA踏面與中國準(zhǔn)軌線路、俄羅斯寬軌線路輪軌匹配關(guān)系的差異，為了適應(yīng)兩種軌距線路。需要對變軌距轉(zhuǎn)向架的一系定位剛度和二系回轉(zhuǎn)阻力矩進行優(yōu)化，故本節(jié)在準(zhǔn)軌與寬軌(1 520 mm)兩種特定線路條件下，對車輛轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度、抗蛇行減振器阻尼系數(shù)(CSX)進行了車輛運行穩(wěn)定性以及橫向平穩(wěn)性的優(yōu)化匹配分析。轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度取5～30 MN/m，抗蛇行減振器阻尼系數(shù)取400～5 000 kNs/m。

圖8 1435/1520 mm曲線通過性能對比

轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度的改變對臨界速度、橫向平穩(wěn)性的影響如圖9、圖10所示。當(dāng)變軌距車輛運行在準(zhǔn)軌線路上，車輛的轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度在一定范圍內(nèi)越高，其穩(wěn)定性越好、二次蛇行臨界速度也越高，對應(yīng)的橫向平穩(wěn)性越優(yōu)；不過當(dāng)車輛的直線運行速度超過其臨界速度時，車體橫向平穩(wěn)性性能會馬上惡化，如轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度為5～7 MN/m時，其臨界速度均低于450 km/h，故車輛以450 km/h運行在直線線路上的橫向平穩(wěn)性會突增。寬軌線路上變軌距車輛的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性規(guī)律不同于準(zhǔn)軌線路，由寬軌線路車輛蛇行運動的極限環(huán)幅值圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度大于10 MN/m且車速在100 km/h附近時車輛容易發(fā)生車體一次蛇行現(xiàn)象，這可能與輪軌匹配的等效錐度、接觸角差較低有關(guān)；當(dāng)車輛發(fā)生一次蛇行現(xiàn)象時，車體的橫向平穩(wěn)性會較大程度惡化，嚴(yán)重影響乘客的乘坐舒適度。

圖9 轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度對臨界速度的影響

圖10 轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度對橫向平穩(wěn)性的影響

準(zhǔn)軌線路上轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度改變對變軌距車輛脫軌系數(shù)的影響程度要大于寬軌線路，且隨著轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度的增大，車輛在小半徑曲線上運行的脫軌系數(shù)總體呈增大的趨勢，如圖11所示。為了使變軌距車輛在不同線路上均能達到較高的臨界速度，并且避免車輛在寬軌線路上低速運行時發(fā)生一次蛇行現(xiàn)象，使變軌距車輛運行過程中動力學(xué)性能不超過限值[9-11]，準(zhǔn)軌線路要求車輛的轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度不能取太小，而寬軌線路要求車輛的轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度不能取太大，建議取9 MN/m左右較為合適。

圖11 轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度對脫軌系數(shù)的影響

抗蛇行減振器阻尼系數(shù)的改變對臨界速度、橫向平穩(wěn)性的影響如圖12、圖13所示。準(zhǔn)軌線路上，當(dāng)抗蛇行減振器阻尼系數(shù)取400～5 000 kNs/m時，減振器阻尼系數(shù)的改變對車輛二次蛇行臨界速度影響不大；但是在寬軌線路上，抗蛇行減振器阻尼系數(shù)過低會導(dǎo)致車輛在低速運行時出現(xiàn)一次蛇行現(xiàn)象，如抗蛇行減振器阻尼系數(shù)為400 kNs/m、600 kNs/m時，變軌距車輛在寬軌線路上以100 km/h、300 km/h左右速度運行的橫向平穩(wěn)性明顯變差。

當(dāng)抗蛇行減振器阻尼系數(shù)取400～5 000 kNs/m，變軌距車輛以低速通過小半徑曲線時脫軌系數(shù)隨著抗蛇行減振器阻尼系數(shù)增大而增大，如圖14所示，意味著阻尼系數(shù)的提高會在一定程度上增加車輛脫軌的風(fēng)險。為了避免變軌距車輛在寬軌線路上正常運行時蛇行頻率與車體懸掛頻率發(fā)生耦合，從車輛運行穩(wěn)定性以及橫向平穩(wěn)性考慮，車輛的阻尼系數(shù)取越大越好；但考慮到車輛的阻尼系數(shù)取太大可能會引起變軌距車輛通過小半徑曲線時脫軌，故取抗蛇行減振器阻尼系數(shù)1 000 kNs/m左右較為合適。

圖12 抗蛇行減振器阻尼系數(shù)對臨界速度的影響

圖13 抗蛇行減振器阻尼系數(shù)對橫向平穩(wěn)性的影響

圖14 抗蛇行減振器阻尼系數(shù)對脫軌系數(shù)的影響

4 參數(shù)優(yōu)化前后動力學(xué)性能對比

依據(jù)優(yōu)化匹配分析結(jié)果，優(yōu)化匹配方案選取轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度、抗蛇行減振器阻尼系數(shù)分別為9 MN/m、1 000 kNs/m，優(yōu)化前后車輛蛇行運動極限環(huán)幅值以及橫向平穩(wěn)性對比結(jié)果如圖15、圖16所示。采用優(yōu)化后的參數(shù)，不僅提高了變軌距車輛在準(zhǔn)軌線路上的二次蛇行臨界速度，同時消除了在寬軌線路上低速運行時一次蛇行現(xiàn)象；變軌距車輛優(yōu)化參數(shù)后在準(zhǔn)軌、寬軌線路上運行的橫向平穩(wěn)性均優(yōu)于優(yōu)化前；變軌距車輛優(yōu)化參數(shù)后在通過小半徑曲線時的脫軌系數(shù)與優(yōu)化前差別不大，均未超過運行安全限值。采用變軌距轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配方案，兼顧了軌距變化前后的車輛動力學(xué)性能，使變軌距轉(zhuǎn)向架車輛在軌距變換前后都能獲得較好的動力學(xué)性能。

圖15 優(yōu)化前后車輛蛇行運動極限環(huán)幅值對比

圖16 優(yōu)化前后橫向平穩(wěn)性對比

圖17 優(yōu)化前后脫軌系數(shù)對比

5 結(jié) 論

文中對變軌距車輛與不同線路的輪軌匹配接觸關(guān)系進行對比分析，找出影響車輛動力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，針對主要影響指標(biāo)，進行變軌距轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配分析來適應(yīng)軌距變換前后的輪軌接觸關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)變軌距車輛運行在我國準(zhǔn)軌線路(軌距1 435 mm，軌底坡1∶40，鋼軌型號CN60)與俄羅斯寬軌線路(軌距1 520 mm，軌底坡1∶20，鋼軌型號P65)，軌底坡變化是引起輪軌接觸關(guān)系差異的關(guān)鍵因素，其差異主要體現(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)有等效錐度以及接觸角差；

(2)在線路激勵相同的情況下，由于不同線路輪軌接觸關(guān)系不同引起的動力學(xué)差異主要體現(xiàn)在車輛系統(tǒng)穩(wěn)定性、直線運行橫向平穩(wěn)性和小半徑曲線運行的脫軌系數(shù)，對垂向平穩(wěn)性和輪重減載率的影響不大；

(3)為了使變軌距車輛在不同線路上均能達到較高的臨界速度，并且避免車輛在寬軌上低速運行時發(fā)生一次蛇行現(xiàn)象，建議車輛的轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度取9 MN/m左右；抗蛇行減振器阻尼系數(shù)過低會導(dǎo)致車輛在寬軌上低速運行時出現(xiàn)一次蛇行現(xiàn)象，阻尼系數(shù)過高會在一定程度上增加車輛小曲線半徑脫軌的風(fēng)險，故建議抗蛇行減振器阻尼系數(shù)取1 000 kNs/m左右。

文中提出的變軌距轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化匹配方案，可以使變軌距轉(zhuǎn)向架車輛在軌距變換前后都能獲得較好的動力學(xué)性能，為變軌距車輛轉(zhuǎn)臂縱向定位剛度以及抗蛇行減振器阻尼系數(shù)的取值提供了一定的參考價值。