鐵路快捷貨車轉向架關鍵技術研究

段仕會，徐世鋒，李立東，孔維剛，李智澤，穆鳳軍，邵文東

(中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

為適應我國發(fā)展鐵路快捷貨物運輸需要，做好鐵路快捷貨車及關鍵技術儲備，2000—2014年，中車齊齊哈爾車輛有限公司先后4次在中國國家鐵路集團有限公司(原鐵道部)立項、1次在國家科技部立項開展了我國鐵路快捷貨車及其轉向架關鍵技術研究工作[1]。2017年，中車齊齊哈爾車輛有限公司牽頭，依托2017年國家重點研發(fā)計劃重點專項“軌道交通貨運快速化關鍵技術研究”，針對快捷貨車轉向架，從轉向架技術路線、技術方案，標準體系、動力學、新型材料、工程化研究、自發(fā)電技術、安全監(jiān)測技術、檢修運維技術等方面開展了技術研究，并取得了良好的效果。

1 技術路線

依據(jù)我國國情和路情，面向高鐵線路、準高速線路和既有提速線路，運用列車和運輸需求，借鑒我國客車、高鐵轉向架成熟技術，立足自主創(chuàng)新，“產(chǎn)、學、研、用”相結合，系統(tǒng)研究國內外典型高速轉向架技術發(fā)展、關鍵技術、關鍵結構以及系統(tǒng)集成，定位快捷貨車轉向架技術路線為：

(1) 采用焊接構架式轉向架。該轉向架結構整體性好，綠色環(huán)保，通過合理配置兩系懸掛系統(tǒng)可滿足鐵路快捷貨車長期高速穩(wěn)定、安全運行要求。

(2) 一系懸掛系統(tǒng)優(yōu)先采用彈性轉臂定位；二系懸掛系統(tǒng)在貨車時速160 km時優(yōu)先采用橡膠彈簧，時速200 km以上時優(yōu)先采用空氣彈簧等高性能二系結構。兩系懸掛系統(tǒng)結構簡單，技術成熟，通過合理匹配懸掛參數(shù)可滿足鐵路快捷貨車動力學性能和運用維護要求。

(3) 采用技術成熟的垂向、橫向液壓減振器。該減振器性能穩(wěn)定，可提供合理阻尼參數(shù)，實現(xiàn)減振裝置無磨耗。

(4) 轉向架與車體的連接形式可分為心盤連接和無心盤連接：心盤連接采用傳統(tǒng)的貨車心盤和旁承連接，滿足鐵路快捷貨車時速160 km的運用要求，且組裝、維護、檢修方便；無心盤連接采用牽引拉桿、抗蛇行減振器連接，滿足鐵路快捷貨車時速160～200 km及以上的運用要求。

基于快捷貨車轉向架技術路線，我國已完成220 km/h、160 km/h快捷貨車轉向架等系列產(chǎn)品的研制，如圖1所示。

2 標準體系研究與應用

2.1 車輪、車軸和軸承的材料、設計及試驗標準

我國車輪、車軸和軸承的材料、設計、試驗標準與歐洲、美國、日本及國際相關標準基本相當，個別標準的要求更嚴格、更全面、更具有操作性。

2.1.1 材料標準

采用TB/T 1013—2011《碳素鋼鑄鋼車輪》、TB/T 2235—2016《鐵道車輛滾動軸承》、TB/T 2817—2018《鐵路貨車用輾鋼車輪》、TB/T 2945—1999《鐵道車輛用LZ50鋼車軸及鋼坯技術條件》、Q/CR 592—2017《鐵路貨車軸承用滲碳軸承鋼》、Q/CR 593—2017《鐵路貨車軸承用高碳鉻軸承鋼》。

2.1.2 設計標準

采用GB/T 4662—2012《滾動軸承 額定靜載荷》、GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》、GB/T 37454—2019《鐵路車輛非動力車軸設計方法》、TB/T 3463—2016《鐵道車輛車輪強度評定方法》。

2.1.3 試驗標準

采用TB/T 3017.1—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法 第1部分：軸箱滾動軸承》、TJ/CL 275A—2016《動車組車輪暫行技術條件》、TJ/CL 446—2016《鐵路貨車LZ45CrV鋼車軸暫行技術條件》、TJ/CL 447—2016《鐵路貨車用CL65、CL70輾鋼整體車輪暫行技術條件》、TJ/CL 519—2016《動車組用D2輾鋼整體車輪暫行技術條件》、TJ/CL 520—2016《動車組用DZ2車軸暫行技術條件》、TJ/CL 521—2016《動車組輪對組成用(DZ2車軸)暫行技術條件》，這些標準均能滿足160 km/h快捷貨車運用要求。

目前，按照上述車輪、車軸和軸承的材料、設計及試驗標準，我國完成了鐵路快捷貨車技術方案設計、仿真計算及校核、樣件試制、試驗等各項工作，并驗證了系列標準的適應性[2]。

2.2 構架、搖枕及轉臂考核標準及試驗方法

對比分析TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及鑒定規(guī)范》、TB/T 3549.1—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范 轉向架 第1部分：轉向架構架》、UIC系列規(guī)程、EN 13749：2011《鐵路設備 輪對和轉向架 規(guī)定轉向架構架結構要求的方法》、JIS等標準，吸取我國高鐵轉向架的研發(fā)和試驗經(jīng)驗，結合貨車轉向架結構特點，快捷貨車轉向架構架、搖枕、轉臂等關鍵結構件的靜強度及疲勞性能的考核標準宜采用TB/T 3549.1—2019，試驗條件、試驗方法和評定方法等可借鑒高鐵轉向架相關標準。對于采用構架、轉臂結構的鐵路快捷貨車轉向架，可將構架、轉臂組裝后共同進行考核；對于采用構架、搖枕、轉臂結構的鐵路快捷貨車轉向架，可將構架、搖枕、轉臂組裝后共同進行考核。

目前，按照上述試驗標準、工況及評定方法，我國完成了160 km/h快捷貨車轉向架的構架、搖枕及轉臂的相關試驗[3]。

2.3 橡膠元件、鋼彈簧相關標準

中車齊齊哈爾車輛有限公司通過對轉向架一系、二系懸掛系統(tǒng)等的橡膠元件技術研究，結合我國鐵路貨車核心橡膠元件技術管理現(xiàn)狀及高鐵轉向架核心部件技術要求，形成了系列橡膠元件的工程圖紙和專用技術條件，滿足我國快捷貨車轉向架技術參數(shù)、安全性和可靠性要求，滿足批量生產(chǎn)和裝車要求[4]。

鋼彈簧滿足Q/CR 660—2018《鐵路貨車轉向架圓柱螺旋彈簧》要求，采用60Si2CrVAT彈簧鋼，垂向疲勞壽命不低于3×106次。試驗方法按TB/T 2211—2010《機車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧》的規(guī)定執(zhí)行，試驗結果滿足TB/T 2211—2010要求[5]；牽引裝置結構件試驗參考TB/T 3549.1—2019要求執(zhí)行，試驗結果顯示，超常載荷工況應力小于材料許用應力，運行載荷工況應力的峰值和谷值均在疲勞極限范圍之內[6]。

2.4 動力學試驗方法

對比GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》和UIC 518—2009《鐵路車輛的試驗與驗收依據(jù) 動力學性能 安全性、軌道疲勞、運行性能》規(guī)定，結合我國實際試驗條件和2004年完成的160 km/h貨車動力學試驗結果，參考《200 km/h電動車組動力學性能試驗鑒定方法和評定標準》要求，系統(tǒng)研究了適合于160 km/h鐵路快捷貨車的線路動力學試驗方法。研究結果表明，GB/T 5559—1985規(guī)定的試驗方法基本滿足160 km/h快捷貨車的動力學性能試驗要求。通過分析研究，認為GB/T 5599—2019適用于160 km/h鐵路快捷貨車的線路動力學試驗。

為使試驗方法更加科學合理，建議調整輪重減載率指標：當試驗速度≤160 km/h時限度值調整為0.65，當試驗速度>160 km/h時限度值調整為0.8；建議轉向架失穩(wěn)評價采用構架橫向加速度指標和車體橫向運行平穩(wěn)性指標：構架橫向加速度峰值連續(xù)6次以上達到或超過8 m/s2，車體橫向運行平穩(wěn)性指標大于4.0，兩者之一達到限值即認為轉向架失穩(wěn)；對于其他評價指標、試驗條件、測點布置、數(shù)據(jù)處理方法，建議參考UIC 518標準[7]。

2.5 構架載荷譜及疲勞可靠性評價技術體系

針對我國快捷貨車車體及轉向架可靠性設計及可靠性評價，開展了快捷貨車車體及轉向架構架的損傷一致性載荷譜以及疲勞可靠性評價技術體系研究。利用測力構架和相應的測力元件實測快捷貨車車體及轉向架構架載荷及關鍵部位動應力，結合構架關鍵部位的載荷-應力傳遞關系進行載荷譜的損傷一致性校準和疲勞可靠性評價[8]。

2.6 焊接結構焊縫疲勞壽命預測方法

焊接結構焊縫疲勞壽命預測采用美國2007年頒布的ASME標準中的主S-N曲線法。提取有限元分析結果的節(jié)點力，運用解析法計算焊縫處的結構應力分布，獲得對有限元網(wǎng)格尺寸不敏感的結構應力；將對結構應力進行修正獲得的等效結構應力作為主S-N曲線參量，實現(xiàn)了以一條主S-N曲線的模型來預測焊縫疲勞強度的目標。該方法可有效解決名義應力法的2個技術難題：一是焊接接頭分類難以把握；二是有限元法計算應力時，難以可靠地獲得焊縫上的應力集中。

利用上述方法完成了HZ160C3型轉向架構架的焊縫疲勞評估，共評估了50條關鍵焊縫，得到了焊縫的應力集中部位及多工況的累計損傷值，為后續(xù)構架結構優(yōu)化、編制產(chǎn)品技術要求提供了有效的技術依據(jù)[9]。

3 動力學仿真及滾動、振動試驗研究

3.1 線路適應性仿真

基于西南交通大學提出的車輛-軌道耦合動力學理論進行線路適應性仿真分析。將車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)視為一個相互作用、相互耦合的大系統(tǒng)，分析了車輛道岔、鋼軌焊縫不平順、車輪扁疤不平順、車輪擦傷不平順、車輪周期性不圓和不平順、隨機不平順等激擾的動力響應，分析結果表明，裝用快捷貨車轉向架的鐵路貨車以160 km/h的速度運行時，輪軌各項動態(tài)安全性能指標均滿足行車要求[10]。

3.2 線路動力學仿真

依據(jù)GB/T 5599—1985要求對轉向架配裝全側開快捷棚車、塞拉門快捷棚車、4×20 ft集裝箱快捷平車的不同方案進行動力學仿真研究，結果顯示：配裝于棚車且運行速度大于300 km/h時、配裝于平車且運行速度大于230 km/h時，車輛蛇行運動臨界速度滿足時速160 km的運行要求，且安全裕量較大；在160 km/h速度范圍內，車輛的橫向平穩(wěn)性指標、垂向平穩(wěn)性指標均小于3.5，達到優(yōu)級；車體最大橫向加速度小于0.5g，最大垂向加速度小于0.7g，滿足GB/T 5599—1985要求；輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均滿足GB/T 5599—1985要求，且有一定的安全裕量。

3.3 車輛滾動、振動試驗

針對基于一系轉臂技術平臺研制的鐵路快捷貨車轉向架，進行了220 km/h快捷貨車轉向架配裝于集裝箱平車的滾動、振動試驗，試驗速度達到300 km/h，試驗結果表明，各項性能指標達到優(yōu)級；還進行了160 km/h快捷貨車轉向架配裝于棚車的滾動試驗，試驗結果顯示，最高試驗速度達到280 km/h時車輛未失穩(wěn)。圖2為220 km/h快捷貨車轉向架滾動、振動試驗和160 km/h快捷貨車轉向架滾動試驗。

圖2 快捷貨車轉向架滾動、振動試驗

4 新型材料研究

目前快捷貨車轉向架鋼板材料為Q355NE鋼，該材料低溫沖擊性能和塑韌性指標均較好，可保證轉向架安全性和可靠性。因我國地域廣，車輛運用環(huán)境變化較大，為進一步提高轉向架材料對溫度、濕度、大陸性、海洋性等氣候的適應性，研制了強度水平適中、沖擊性能和耐腐蝕性能較好的K-355NH耐候鋼[11]。

4.1 新型耐候鋼的成分優(yōu)化設計

通過對25種鋼材進行成分設計、試驗室制備及試驗，系統(tǒng)分析了C、Si、Nb、S、Cr、CU、P等元素及含量對鋼材顯微組織、拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能、腐蝕失重、腐蝕銹層形貌、腐蝕銹層物相的影響規(guī)律，探討了化學成分-微觀組織-力學性能-耐腐蝕性能之間的關系，最終確定新型低合金高強度的K-355NH耐候鋼的成分及范圍，如表1所示。與進口鋼相比，試驗室制備的鋼板的低溫沖擊韌性有了一定程度的提高，同時在-40 ℃條件下的沖擊功仍能滿足歐洲標準中“-20 ℃環(huán)境下大于27 J”的要求。

表1 K-355NH耐候鋼的成分范圍 %

4.2 大氣環(huán)境因素對耐候鋼腐蝕性能影響及評價體系的建立

4.2.1 新型耐候鋼耐腐蝕性能試驗

耐腐蝕性能試驗對比分析了K-355NH耐候鋼和Q345E(Q235替代)耐候鋼的耐腐蝕性能，大氣暴露腐蝕試驗選擇在大連、北京、武漢、福建4種典型環(huán)境下進行，試驗時間(暴露時間)分別設置為1個月、3個月、6個月和12個月，不同區(qū)域的樣品在不同時間段內腐蝕速率的變化見表2。

表2 不同區(qū)域的樣品在不同時間段內腐蝕速率 g·(m2·h)-1

試驗結果顯示，K-355NH耐候鋼腐蝕速率隨著試驗時間的增長而逐漸下降，最后都穩(wěn)定在0.02～0.04 g/(m2·h)范圍之內，是Q235耐候鋼腐蝕速率的13%～33%，這是由于K-355NH耐候鋼長期暴露在空氣中，其表面生成的銹層可有效保護基體，顯著降低腐蝕速率。

4.2.2 耐候鋼腐蝕性能評價體系

結合試驗室加速試驗和大氣暴露腐蝕試驗的試驗結果，初步建立了快捷貨車轉向架構架用耐候鋼腐蝕性能評價體系，具體評價程序見圖3。

圖3 耐候鋼腐蝕性能評價體系

基于上述研究成果，初步制訂適合我國快捷貨車轉向架用耐候鋼板的采購技術條件，可在國內的鞍鋼、寶武鋼等鋼鐵企業(yè)進行工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，其成本與Q355NE耐候鋼板相差不大，但其低溫沖擊性能、塑韌性、可焊性以及耐候性方面均有明顯的提高，具有潛在的推廣價值。

5 工程化研究

(1) 工藝裝備。為滿足鐵路快捷貨車轉向架批量生產(chǎn)要求，中車齊齊哈爾車輛有限公司配備了激光切割機和水切割機等設備；焊接專區(qū)集中配置12臺套焊接機械手系統(tǒng)等裝備，建成了構架、搖枕等大部件自動化焊接生產(chǎn)線；配置數(shù)控龍門加工中心、數(shù)控龍門銑床等大型設備及其配套的加工隨形夾具，可實現(xiàn)構架、搖枕、轉臂體的整體加工，并能保證加工精度；配置熱處理窯對構架、搖枕進行回火處理；配置預處理線、轉臺式拋丸機對板材件、結構件進行表面處理，同時配置專用設備對其內腔進行防腐處理；配置三坐標劃線檢測儀對構架進行檢測，一次裝夾便可完成構架組成的檢測工作，減少人為因素對劃線加工及檢測精度的影響。

(2) 制造技術。為保證制造及組裝質量符合設計要求，對構架、輪軸、橡膠元件、彈簧等關鍵零部件制造技術及轉向架組裝技術進行研究。提出了構架焊接、尺寸控制、加工基準、檢查基準等的質量要求；建議車輪材質采用CL65或CL70鋼，車軸材質采用LZ45CrV鋼，同時提出了控制同一輪對車輪直徑差、動態(tài)不平衡值的技術要求；提出了橡膠元件剛度制造公差及關鍵部位橡膠元件的選配裝用原則；提出了彈簧主要尺寸的控制要求；提出了控制兩側固定軸距之差及對角線差、一系鋼彈簧高度差、二系彈簧高度差，同一輪對輪重差等轉向架組裝要求。

6 自發(fā)電及轉向架安全監(jiān)測技術研究

6.1 軸端發(fā)電裝置

為滿足快捷貨車安全監(jiān)測及制動系統(tǒng)用電需求[12]，結合鐵路快捷貨車轉向架的結構形式，研制了軸端發(fā)電裝置，并完成了軸端發(fā)電裝置的試制、安裝及各項試驗，試驗結果滿足相關標準的要求，可實現(xiàn)不同速度級下DC 24 V、200 V的供電能力，達到了設計目標。圖4為軸端發(fā)電裝置試裝現(xiàn)場及功能運轉試驗結果。

圖4 軸端發(fā)電裝置試裝現(xiàn)場及功能運轉試驗結果

6.2 轉向架安全監(jiān)測技術

目前鐵路貨車轉向架安全監(jiān)測主要采用地面5T系統(tǒng)以及人工列檢方式，滿足120 km/h及以下速度級鐵路貨車運用的安全要求。而鐵路快捷貨車轉向架運用速度達到160 km/h，同時采用了減振器等設備，因此，為進一步保證其運用安全，對轉向架安全監(jiān)測技術進行了研究。

鐵路快捷貨車轉向架安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括輪軸監(jiān)測模塊和運行品質監(jiān)測模塊。輪軸監(jiān)測模塊：在轉向架軸箱或轉臂上設置溫度、振動復合傳感器，實時采集軸承溫度及一系簧下振動譜，通過數(shù)據(jù)分析來判斷軸承溫度、車輪踏面擦傷等故障并預警；運行品質監(jiān)測模塊：在轉向架構架上設置加速度傳感器，實時監(jiān)測構架加速度，通過數(shù)據(jù)分析來判斷其關鍵部件失效引起的失穩(wěn)或異常等故障并預警。

7 檢修運維技術研究

鑒于160 km/h快捷貨車的運行速度、編組輛數(shù)及車輛軸重與普通貨運車輛存在明顯的技術差別，但均與25T型旅客列車相近，為保證運輸?shù)臅r效性，快捷貨物運輸裝備宜采用固定配屬、固定編組、固定線路等班列組織方式和客車化管理模式，因此其檢修周期建議參考采用25T型客車檢修修程。

根據(jù)快捷貨車結構，結合鐵路貨車運用、維護特點，提出了鐵路快捷貨車轉向架運用、維護技術要求。采取轉臂底部開孔等技術措施，充分適應現(xiàn)有5T技術應用要求；采取防松、防脫等技術措施，實現(xiàn)車輛始發(fā)及到達時不進行入庫檢查的目標；采用智能監(jiān)測技術，實時監(jiān)測、預報輪軸系統(tǒng)故障、轉向架運行情況，保障車輛運行安全、可靠。

8 結束語

通過對鐵路快捷貨車轉向架技術路線、標準體系、動力學、新型材料、工程化能力建設、自發(fā)電及轉向架安全監(jiān)測技術、檢修運維技術等的研究，全面掌握了滿足軌道交通貨運快速化需求的轉向架關鍵技術，形成自主創(chuàng)新、自主知識產(chǎn)權的鐵路快捷貨車轉向架系列產(chǎn)品，建立了適應我國國情的技術和標準體系以及試驗和制造平臺，為我國發(fā)展快捷鐵路運輸，建立便捷、安全、經(jīng)濟、高效的現(xiàn)代物流體系，奠定了堅實的技術基礎。