HZ160B 型快捷貨車轉(zhuǎn)向架計算載荷研究*

代魯平，鹿中華，白從凱，于連玉

（中車山東機車車輛有限公司，山東濟南 250022）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對鐵路運輸速度的需求日漸提高，多樣化的鐵路運輸方式，如快捷運輸、多式聯(lián)運、集裝化運輸和專用特種運輸?shù)纫矐\而生。鐵路貨運的運輸速度和穩(wěn)定性依賴于轉(zhuǎn)向架的性能，如何準確設(shè)計出高質(zhì)量的高速轉(zhuǎn)向架顯得尤為重要，明確轉(zhuǎn)向架的受力特點，解析轉(zhuǎn)向架的載荷值和載荷分配方式更是重中之重。

中車山東公司研制了HZ160B 型的快捷貨車轉(zhuǎn)向架。以EN 13749 標準為基礎(chǔ)，對HZ160B 型轉(zhuǎn)向架的垂向疲勞載荷的分配情況進行了研究，并探討了兩種垂向疲勞載荷的計算方法［1］。

1 HZ160B 型轉(zhuǎn)向架

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

HZ160B 型快捷貨車轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、軸箱轉(zhuǎn)臂、輪對、一系懸掛系統(tǒng)、二系懸掛系統(tǒng)、牽引裝置、制動系統(tǒng)等組成。一系采用軸箱轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)，安裝有垂向鋼彈簧、橡膠彈簧墊和液壓減振器；二系采用橡膠彈簧，并安裝有二系橫向液壓減振器、抗蛇行減振器、二系橫向橡膠止擋。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 技術(shù)參數(shù)

HZ160B 型快捷貨車轉(zhuǎn)向架在計算垂向載荷時用到的關(guān)鍵參數(shù)見表1～表3。

圖1 HZ160B 型轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)圖

表1 轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)

表2 橡膠彈簧垂向剛度

1.3 受力特點

與常規(guī)的貨車轉(zhuǎn)向架不同，HZ160B 型快捷貨車轉(zhuǎn)向架垂向載荷的承載方式是采用中間兩橡膠彈簧主要承載，側(cè)梁上兩常接觸旁承輔助承載。此種設(shè)計結(jié)構(gòu)可有效兼顧直線和曲線通過性能。這種承載方式的難點在于計算垂向載荷在二系橡膠彈簧和常接觸旁承之間的分配。

EN 13749 中給出了常用的機車和貨車轉(zhuǎn)向架的載荷計算方法，對于雙橡膠彈簧雙旁承的貨車轉(zhuǎn)向架形式，橫向載荷、菱形載荷、扭轉(zhuǎn)載荷和縱向沖擊載荷均可借鑒標準中給出的計算公式，而對于垂向載荷的計算，目前國內(nèi)外沒有相關(guān)標準可直接引用。

表3 旁承垂向剛度

2 HZ160B 型轉(zhuǎn)向架垂向疲勞載荷研究

EN 13749 標準對各類軌道車輛轉(zhuǎn)向架的載荷工況及組合進行了說明，是目前常用的軌道車輛轉(zhuǎn)向架標準。研究HZ160B 型轉(zhuǎn)向架的垂向疲勞載荷主要參考EN 13749 標準，一方面對于雙橡膠堆彈簧雙旁承承載的貨車轉(zhuǎn)向架，其大部分的垂向載荷是雙橡膠堆彈簧承載，類似于機車轉(zhuǎn)向架左右兩側(cè)彈簧承載方式，計算時可參考機車轉(zhuǎn)向架的載荷分配方式（見EN 13749 G.2）；另一方面HZ160B 型轉(zhuǎn)向架雙橡膠堆彈簧間距遠小于機車彈簧間距，可以將兩個橡膠堆等效為一個心盤，且采用貨車常用的兩個彈性旁承輔助承載，故另一種載荷分配方式參考貨車單心盤和兩個旁承的載荷分配計算方式（見EN 13749 G.3）。

轉(zhuǎn)向架的垂向疲勞載荷分為3 階段作用，載荷類型包括靜態(tài)部分，準靜態(tài)部分及動態(tài)部分。疲勞3 階段對應的載荷組成見表4。

表4 疲勞3 階段對應的載荷組成

2.1 參考機車轉(zhuǎn)向架的載荷分配方式的載荷計算（EN 13749 標準附錄G.2）

假設(shè)：將一個橡膠堆和同一側(cè)旁承視為機車轉(zhuǎn)向架一側(cè)的彈簧，靜態(tài)部分保持不變，動態(tài)部分按比例進行分配。機車雙彈簧支撐方式的載荷分配情況如圖2 所示。

圖2 機車雙彈簧支撐方式的載荷分配情況

關(guān)于側(cè)滾系數(shù)和浮沉系數(shù)的選取，采用EN 13749 標準F3.3.2 中的貨車轉(zhuǎn)向架的系數(shù)，對于旁承間距為2 000 mm 的轉(zhuǎn)向架，側(cè)滾系數(shù)α=0.2×，垂向浮沉系數(shù)β=0.3。轉(zhuǎn)向架橡膠堆和旁承載荷的靜態(tài)部分、準靜態(tài)部分和動態(tài)部分計算如下：

（1）靜態(tài)部分

重車時，旁承載荷為15.5 kN，則單個橡膠堆上載荷為146.41-15.5=130.91（kN）。

（2）準靜態(tài)部分

橡膠堆距離轉(zhuǎn)向架縱向中心線300 mm，旁承距離轉(zhuǎn)向架縱向中心線1 000 mm，認為車體是繞轉(zhuǎn)向架縱向中心線發(fā)生側(cè)滾，如圖3 所示，當側(cè)滾角度為θ時，橡膠堆的垂向位移hxjd≈300·θ，旁承的垂向位移hpc≈1000·θ，則橡膠堆垂向位移與旁承垂向位移之比約為1∶3。

假設(shè)在重車下，橡膠堆和旁承的垂向剛度在小變形范圍之內(nèi)是線性的，則旁承垂向剛度約為0.58 kN/mm，橡膠堆垂向剛度約為12.63 kN/mm。準靜態(tài)和動態(tài)部分的載荷在旁承和橡膠堆上的分配比就可確認，約為0.1378∶1。由此可得橡膠堆和旁承的垂向載荷，整理后見表5。

圖3 車體側(cè)滾示意圖

2.2 參考貨車載荷分配方式的載荷計算（EN 13749 標 準 附 錄G.3）

假設(shè)：將轉(zhuǎn)向架中間兩個橡膠堆的垂向總載荷等同于貨車轉(zhuǎn)向架的心盤載荷，按照側(cè)滾時橡膠的壓縮量和彈簧剛度來分配垂向載荷。貨車單心盤和兩個旁承支撐方式的載荷分配情況如圖4所示。

圖4 單心盤和兩個旁承支撐方式的載荷分配情況

由EN 13749 標準中的F3.3.2 可知，對于旁承間距為2 000 mm 的轉(zhuǎn)向架，可計算側(cè)滾系數(shù)α=垂向浮沉系數(shù)β=0.3。轉(zhuǎn)向架橡膠堆和旁承的載荷的靜態(tài)部分、準靜態(tài)部分和動態(tài)部分計算如下。

（1）橡膠堆靜態(tài)部分

根據(jù)旁承彈簧與橡膠彈簧的初始高度、剛度曲線、載重以及結(jié)構(gòu)尺寸計算，轉(zhuǎn)向架在側(cè)滾時傾角1.34°，此時一橡膠堆壓縮量為4.546 mm，另一橡膠堆壓縮量為18.325 mm，根據(jù)表2 中橡膠彈簧剛度插值可得：

可得橡膠堆和旁承的垂向載荷，整理后見表6。

表6 橡膠堆和旁承的垂向載荷 kN

2.3 兩種疲勞載荷計算結(jié)果對比

按照EN 13749 標準并結(jié)合HZ160B 型轉(zhuǎn)向架的特點，分別計算了兩種載荷分配方式下的疲勞載荷，通過對比發(fā)現(xiàn)：

（1）按照機車加載方式計算，載荷主要由中間兩個橡膠堆承載，兩個旁承輔助承載；

（2）按照貨車加載方式計算，載荷主要由其中一個橡膠堆承載，另一個橡膠堆和一側(cè)旁承輔助承載；

（3）側(cè)滾時，機車加載方式的兩側(cè)旁承均承載，貨車加載方式只有一側(cè)旁承承載；

（4）相比機車加載方式，貨車加載方式的計算載荷偏大，設(shè)計相對保守。

2.4 延伸研究

針對貨車加載方式，對HZ160B 型轉(zhuǎn)向架的垂向載荷分配進行了計算，發(fā)現(xiàn)在不同側(cè)滾系數(shù)（不同傾角）下的載荷分配差異不大，這與轉(zhuǎn)向架的橡膠彈簧剛度和旁承彈簧剛度有很大的關(guān)系，3 種側(cè)滾系數(shù)下HZ160B 型轉(zhuǎn)向架的垂向疲勞載荷分配情況見表7，供分析參考。

表7 不同側(cè)滾系數(shù)下垂向疲勞載荷分配

3 結(jié)束語

快捷貨運的快速發(fā)展對高速轉(zhuǎn)向架設(shè)計的創(chuàng)新性和多樣性提出了挑戰(zhàn)，在設(shè)計新式轉(zhuǎn)向架的同時也遇到了一些問題，需要在理論研究和標準制定等多方面進行補充，針對HZ160B 型轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點，對雙橡膠彈簧帶旁承的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式與常用機車和貨車的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式進行了分析和計算，提出了兩種垂向疲勞載荷的計算方法。