1 435/1 520 mm高速變軌距轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)滾振試驗(yàn)研究

戴曉超，王澤飛，許東日，王瑞卓，石懷龍，李凡松，劉志強(qiáng)，沈文林，戴煥云

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

為推動(dòng)國(guó)際聯(lián)運(yùn)和區(qū)域間運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，實(shí)現(xiàn)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶鐵路的互聯(lián)互通，提高客貨運(yùn)輸效率，要求車輛必須適應(yīng)不同國(guó)家間的不同鐵路軌距、軌底坡和鋼軌廓形，即要求轉(zhuǎn)向架的內(nèi)側(cè)距可調(diào)。為了同時(shí)兼顧2種或多種軌距，有必要設(shè)計(jì)變軌距轉(zhuǎn)向架。不同于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，變軌距轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)主要由車軸、車輪和鎖緊機(jī)構(gòu)組成，車輪是通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)固定在車軸上。軌距變換時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)被打開，允許車輪相對(duì)車軸橫向滑動(dòng)以適應(yīng)不同的軌距，然后再鎖緊車輪和車軸。在正常運(yùn)行過(guò)程中，變軌距轉(zhuǎn)向架輪對(duì)與傳統(tǒng)整體式輪對(duì)無(wú)區(qū)別，車輪與車軸是個(gè)整體，但鎖緊機(jī)構(gòu)不可避免地造成車輪和車軸之間存在間隙，雖然該間隙值特別小。在國(guó)外，西班牙、德國(guó)、波蘭和日本等國(guó)家較早地開展了變軌距轉(zhuǎn)向架技術(shù)研究，發(fā)展出基于傳統(tǒng)式整體輪對(duì)、獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪、變構(gòu)架式的變軌距轉(zhuǎn)向架技術(shù)[1?5]。我國(guó)變軌距技術(shù)研究起步較晚，早期研究限于概念和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]。2016年國(guó)家科技部通過(guò)“先進(jìn)軌道交通”重點(diǎn)專項(xiàng)，對(duì)400 km/h變軌距轉(zhuǎn)向架進(jìn)行研發(fā)，覆蓋多種軌距軌道系統(tǒng)，開展了一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輪軌關(guān)系及動(dòng)力學(xué)等研究。徐彬等[7]指出，在動(dòng)車組變軌距轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要關(guān)注軌距的公差帶、名義尺寸、車輛限界以及輪對(duì)內(nèi)側(cè)距等問(wèn)題。仿真發(fā)現(xiàn)，寬軌條件下的貨車變軌距轉(zhuǎn)向架臨界速度比準(zhǔn)軌條件下的降低5 km/h，但是空重車臨界速度的差異在2種軌距條件下基本相同[8]。石懷龍等[9-10]分析了不同軌距、軌底坡、鋼軌廓形、車輪踏面狀態(tài)下的輪軌接觸幾何關(guān)系以及輪軸間隙對(duì)貨車變軌距轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的影響，指出輪軸間隙不影響車輛運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性，但會(huì)降低蛇行臨界速度。馬利軍等[11]針對(duì)傳統(tǒng)輪對(duì)和獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪車輛進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能仿真，發(fā)現(xiàn)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的軌道對(duì)中性能較差，車輪輪緣磨耗嚴(yán)重，且輪對(duì)沖角較大，曲線工況下導(dǎo)向力不足。李國(guó)棟等[12]分析了變軌距轉(zhuǎn)向架在不同軌距軌道系統(tǒng)下的動(dòng)力學(xué)適應(yīng)性，并提出可以通過(guò)調(diào)整懸掛參數(shù)來(lái)改善車輛的動(dòng)力學(xué)性能。邵亞堂等[13]設(shè)計(jì)出一種基于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的高速變軌距轉(zhuǎn)向架的輪軸鎖緊機(jī)構(gòu)，仿真分析了1 435 mm和1 520 mm 2種軌距條件下的運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)安全性。崔紅偉等[14]介紹了變軌距轉(zhuǎn)向架軸箱的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及輪對(duì)的變軌過(guò)程，并用有限元軟件驗(yàn)證了軸箱轉(zhuǎn)臂的強(qiáng)度?；谖覈?guó)變軌距轉(zhuǎn)向架研究限于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析，而缺少在不同軌距軌道線路上的適應(yīng)性驗(yàn)證，本文開展1 435/1 520 mm高速動(dòng)車組變軌距轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能的滾動(dòng)振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)研究。試驗(yàn)的最高速度為600 km/h，包括在2種軌距線路上的動(dòng)力學(xué)性能和輪軸橫向間隙動(dòng)態(tài)變化情況。

1 變軌距轉(zhuǎn)向架滾振試驗(yàn)

1.1 滾振試驗(yàn)需求

針對(duì)兼顧軌距1 435 mm(準(zhǔn)軌)和1 520 mm(寬軌)線路的變軌距轉(zhuǎn)向架，其滾動(dòng)試驗(yàn)的基本需求及滾振試驗(yàn)臺(tái)能力見表1和表2。

表1 變軌距轉(zhuǎn)向架的滾振試驗(yàn)需求Table 1 Roller rig test requirements for gauge-changeable bogie

表2 機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)能力Table 2 Ability transformation of railway vehicle roller test rig

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)車車輛滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，通過(guò)滾輪模擬車輪轉(zhuǎn)動(dòng)和軌道的橫向、垂向不平順激勵(lì)，以模擬車輛在實(shí)際線路上的運(yùn)行工況。其滾動(dòng)即模擬車輛沿軌道向前的運(yùn)動(dòng)，其激振則模擬軌道的隨機(jī)不平順激擾。試驗(yàn)臺(tái)最高模擬速度可達(dá)600 km/h，激振的振幅橫向可達(dá)到±10 mm，垂向可達(dá)到±15 mm。

圖1 機(jī)車車輛整車滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Railway vehicle roller test rig

高速動(dòng)車組變軌距轉(zhuǎn)向架主要由焊接構(gòu)架組成、一系懸掛及輪對(duì)軸箱定位裝置、二系懸掛及牽引裝置、搖枕、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等組成。構(gòu)架采用H型結(jié)構(gòu)，重量輕強(qiáng)度高。一系懸掛組成由2組螺旋鋼彈簧、一系垂向減振器和轉(zhuǎn)臂定位裝置組成。二系懸掛裝置主要由空氣彈簧組成、搖枕、由間隙和橡膠塊提供的非線性橫向止檔、抗側(cè)滾扭桿等部件組成。高速轉(zhuǎn)向架主要力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 變軌距轉(zhuǎn)向架參數(shù)Table 3 Gauge-changeable bogie

1.2 滾動(dòng)試驗(yàn)內(nèi)容及方法

為了對(duì)1 435/1520 mm高速動(dòng)車組變軌距轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用滾振試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)、運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)，并監(jiān)測(cè)了輪軸橫向間隙動(dòng)態(tài)變化情況。圖2為整車在試驗(yàn)臺(tái)上，圖3為變軌距轉(zhuǎn)向架。

圖2 變軌距轉(zhuǎn)向架滾振試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Roller rig test site of gauge-changeable bogie

圖3 變軌距轉(zhuǎn)向架在滾振試驗(yàn)臺(tái)上Fig.3 Gauge-changeable bogie on the roller test rig

臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，以一定的速度步長(zhǎng)(5～10 km/h)逐漸提高車速，在每一車速下試驗(yàn)臺(tái)滾輪以相應(yīng)的軌道譜激振，測(cè)量和觀察輪對(duì)的橫移，如果取消激振后輪對(duì)的橫移振動(dòng)不收斂，則這時(shí)的速度即為車輛系統(tǒng)在實(shí)際軌道譜激擾下的臨界速度。試驗(yàn)臺(tái)滾輪純滾動(dòng)，并以較小的加速度值逐漸提高車速(每秒車速提高1～3 km/h)，測(cè)量和觀察輪對(duì)的橫移，當(dāng)輪對(duì)相對(duì)滾輪的橫移出現(xiàn)較規(guī)則的等幅振動(dòng)時(shí)，則該速度即為車輛系統(tǒng)的線性臨界速度。由于線路上軌道激勵(lì)一直存在，通常采用簡(jiǎn)化法進(jìn)行失穩(wěn)評(píng)判，以轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度峰值有連續(xù)6次以上達(dá)到或超過(guò)8 m/s2(0.5～10 Hz濾波，與轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)相適應(yīng))來(lái)判定轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)[15]。

運(yùn)行平穩(wěn)性包括平穩(wěn)性指標(biāo)以及舒適度指標(biāo)，平穩(wěn)性指標(biāo)是對(duì)機(jī)車車輛上旅客乘員乘坐舒適性的度量方法，其試驗(yàn)方法、指標(biāo)計(jì)算采用GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[15]。舒適度指標(biāo)是對(duì)機(jī)車車輛上乘務(wù)員和乘員的平均舒適度的度量方法，其評(píng)定準(zhǔn)則和計(jì)算方法見UIC513-1994。文獻(xiàn)[16]詳細(xì)論述了鐵道車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的評(píng)價(jià)內(nèi)容以及不同方法之間的差異與關(guān)聯(lián)性。

本次1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)滾振試驗(yàn)所采用的激振用軌道譜和被試車實(shí)際運(yùn)行線路的軌道譜相當(dāng)，為武廣客專軌道譜。滾振試驗(yàn)速度及速度等級(jí)見表4。試驗(yàn)采用加速度傳感器LC0707-10和位移傳感器TDZ-1/75分別測(cè)定加速度及位移信號(hào)，測(cè)點(diǎn)布置見表5。

表4 試驗(yàn)速度Table 4 Test speed

表5 傳感器測(cè)點(diǎn)布置Table 5 Layout of sensor measuring points

2 蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)

機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)的主要性能之一是保持蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，列車正常運(yùn)行時(shí)不允許發(fā)生蛇行失穩(wěn)，否則影響運(yùn)行平穩(wěn)性，嚴(yán)重時(shí)甚至有可能會(huì)造成脫軌和線路破壞。在速度80～600 km/h范圍內(nèi)，開展試驗(yàn)臺(tái)純滾動(dòng)條件下變軌距轉(zhuǎn)向架的線性臨界速度試驗(yàn)，考慮1 435 mm準(zhǔn)軌和1 520 mm寬軌2種線路條件；進(jìn)一步，開展軌道隨機(jī)不平順激勵(lì)下的架構(gòu)端部橫向加速度測(cè)試，測(cè)定實(shí)際軌道激勵(lì)下的臨界速度。

2.1 純滾條件下的線性臨界速度

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，在軌距1 435 mm和1 520 mm工況下，試驗(yàn)速度達(dá)到600 km/h時(shí)及過(guò)程中輪對(duì)橫向未出現(xiàn)諧波運(yùn)動(dòng)，因此，變軌距轉(zhuǎn)向架在準(zhǔn)軌線路上的線性臨界速度高于600 km/h；變軌距轉(zhuǎn)向架在350～450 km/h速度范圍內(nèi)出現(xiàn)小幅蛇行運(yùn)動(dòng)，2種軌距條件下，輪對(duì)橫移量均小于0.5 mm，且寬軌條件下的穩(wěn)定性略好；綜上，1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架同時(shí)滿足寬軌和準(zhǔn)軌線路上線性臨界速度600 km/h以上。

2.2 隨機(jī)激勵(lì)下的構(gòu)架橫向加速度

武廣客專軌道譜激勵(lì)下的構(gòu)架橫向加速度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在最高440 km/h速度條件下，無(wú)論是在1 435 mm軌距還是1 520 mm軌距下，構(gòu)架端部橫向加速度在0.5～10 Hz帶通濾波后幅值遠(yuǎn)小于8 m/s2，即滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性裕量充足。在2種軌距線路上，構(gòu)架端部橫向加速度都是隨著速度先增加后減小，最后趨于穩(wěn)定。1 520 mm軌距下結(jié)果與1 435 mm軌距類似，表明該變軌距轉(zhuǎn)向架在準(zhǔn)軌和寬軌線路上以400 km/h速度運(yùn)行時(shí)具有足夠的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性裕量。

圖5 構(gòu)架端部橫向加速度Fig.5 Lateral acceleration of bogie frame end

3 運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)

車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性可采用平穩(wěn)性指標(biāo)和舒適度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。平穩(wěn)性指標(biāo)如圖6所示，在試驗(yàn)速度440 km/h范圍內(nèi)，變軌距轉(zhuǎn)向架不論是在準(zhǔn)軌1 435 mm還是在寬軌1 520 mm軌道上，其橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.0，遠(yuǎn)小于客車、動(dòng)車組車輛的標(biāo)準(zhǔn)要求2.5，達(dá)到優(yōu)級(jí)。分析發(fā)現(xiàn)在較高速度時(shí)，準(zhǔn)軌線路上的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)大于寬軌線路，與圖4的蛇行穩(wěn)定性結(jié)果類似。

圖4 不同軌距下的輪對(duì)橫移量Fig.4 Wheelset lateral movement under different gauges

舒適度指標(biāo)如圖7所示。在試驗(yàn)速度440 km/h范圍內(nèi)，舒適度指標(biāo)均小于1.5，達(dá)到1級(jí)，評(píng)定為非常舒適，指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)比圖6(a)和6(b)可見，寬軌線路上的車體前中后測(cè)點(diǎn)的舒適度指標(biāo)差別較小，而準(zhǔn)軌上差異較大；準(zhǔn)軌和寬軌線路上的舒適度指標(biāo)都是中部較大，前部最小，可見車體中部振動(dòng)較端部惡劣，與車體彈性振動(dòng)相關(guān)。

圖6 平穩(wěn)性指標(biāo)Fig.6 Sperling index

圖7 舒適度指標(biāo)Fig.7 Ride comfort index

4 輪軸橫向間隙測(cè)試

1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架相對(duì)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架區(qū)別在于輪對(duì)側(cè)距可以調(diào)整，以適應(yīng)準(zhǔn)軌線路和寬軌線路需求，從而實(shí)現(xiàn)不同軌距線路的互聯(lián)互通。輪對(duì)內(nèi)側(cè)距的改變依靠車輪沿車軸的橫向移動(dòng)，然后利用鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，由于輪軸是間隙配合，因此不可避免輪軸之間存在間隙。

圖8為輪軸橫向間隙動(dòng)態(tài)變化情況的測(cè)試結(jié)果。準(zhǔn)軌線路上，除試驗(yàn)速度380 km/h以外，其他速度等級(jí)的輪軸橫向間隙都小于0.7 mm；間隙值隨速度的提高而增加，這可能與測(cè)試工裝在試驗(yàn)速度提高時(shí)的彈性變形或軸箱軸承的間隙有關(guān)。在速度400 km/h以內(nèi)，2種軌距工況下的輪軸橫向間隙基本都小于0.6 mm，滿足文獻(xiàn)[9-10]中變軌距轉(zhuǎn)向架的建議控制間隙。相同速度等級(jí)下，寬軌距工況下4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的輪軸橫向間隙差值比準(zhǔn)軌線路上小，且分布較集中。

圖8 輪軸橫向間隙Fig.8 Lateral clearance of the wheel-axle

5 結(jié)論

1)對(duì)1 435/1 520 mm高速動(dòng)車組變軌距轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能開展了滾振臺(tái)架試驗(yàn)，在2種軌距條件下線性臨界速度均在600 km/h以上，實(shí)際軌道激勵(lì)臨界速度大于440 km/h，滿足線路實(shí)際400 km/h運(yùn)營(yíng)需求。

2)變軌距轉(zhuǎn)向架車輛在2種軌距下，橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于2.0，評(píng)定為優(yōu)級(jí)；舒適度指標(biāo)均小于1.5，評(píng)定為非常舒適。

3)輪軸橫向間隙隨試驗(yàn)速度提高而增加，試驗(yàn)速度小于380 km/h時(shí)，2種軌距工況下間隙值小于0.7 mm。

4)建議通過(guò)線路試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該高速變軌距轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能及可靠性。