一種快捷貨車輕量化轉(zhuǎn)向架及動(dòng)力學(xué)性能研究

望博文，周張義，丁軍君

一種快捷貨車輕量化轉(zhuǎn)向架及動(dòng)力學(xué)性能研究

望博文，周張義，丁軍君

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

為了適應(yīng)快捷貨運(yùn)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，提出并完成了一種新型輕量化內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架總體方案設(shè)計(jì)。該轉(zhuǎn)向架在采用軸箱內(nèi)置的基礎(chǔ)上，一系結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單的懸掛裝置和扭轉(zhuǎn)剛度極低的鉸接構(gòu)架相結(jié)合，二系懸掛采用組合橡膠彈簧形式。在滿足運(yùn)用要求的基礎(chǔ)上使得轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量和自重均得到顯著降低，自重小于等于3.85 t。在此基礎(chǔ)上利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK對(duì)車輛懸掛參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完成車輛動(dòng)力學(xué)評(píng)估，動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足要求。進(jìn)一步針對(duì)該轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)，著重對(duì)不同構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，驗(yàn)證該轉(zhuǎn)向架使用鉸接構(gòu)架的必要性。相對(duì)于剛性構(gòu)架，采用一系垂向剛度較大的懸掛裝置結(jié)合鉸接構(gòu)架的轉(zhuǎn)向架適應(yīng)線路不平順能力提高。

快捷貨車；內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架；輕量化；動(dòng)力學(xué)性能評(píng)估；鉸接構(gòu)架

由國(guó)家鐵路局發(fā)布的《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》總體要求中的發(fā)展目標(biāo)及任務(wù)提到：全面形成全國(guó)1/2/3天快貨物流圈，研發(fā)時(shí)速160 km及以上快捷貨運(yùn)[1]。因此需要發(fā)展快捷貨運(yùn)列車，轉(zhuǎn)向架是貨運(yùn)列車的核心部件，故研發(fā)一種快捷貨車轉(zhuǎn)向架有重要意義，同時(shí)為了適應(yīng)“十四五”節(jié)能規(guī)劃，需要對(duì)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化創(chuàng)新研究。

本文分析了國(guó)內(nèi)外快捷貨車轉(zhuǎn)向架的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)當(dāng)前快捷貨車轉(zhuǎn)向架存在的不足，提出了適合當(dāng)前發(fā)展規(guī)劃的一種軸重18 t、時(shí)速160 km的輕量化內(nèi)軸箱快捷貨車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)方案，同時(shí)依據(jù)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》[2]，對(duì)轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并完成動(dòng)力學(xué)評(píng)估，針對(duì)轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)，對(duì)構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，驗(yàn)證了本方案轉(zhuǎn)向架使用鉸接構(gòu)架的必要性。

1 國(guó)內(nèi)外快捷貨車轉(zhuǎn)向架發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

1.1 國(guó)內(nèi)外快捷貨車轉(zhuǎn)向架發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外快捷貨車轉(zhuǎn)向架有法國(guó)國(guó)鐵研發(fā)的Y37型貨車轉(zhuǎn)向架、德國(guó)Talbot公司研發(fā)的DRRS轉(zhuǎn)向架（圖1）和TVG貨運(yùn)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架等，國(guó)內(nèi)如中車齊齊哈爾車輛有限公司（以下簡(jiǎn)稱中車齊車公司）研發(fā)的160 km/h快捷貨車轉(zhuǎn)向架（圖2），中車山東機(jī)車車輛有限公司、中車眉山車輛有限公司、中車長(zhǎng)江車輛有限公司均研制了160 km/h快捷貨車轉(zhuǎn)向架[3]。國(guó)內(nèi)正在線路使用的特快行郵專列XL25T型行李車，其最高運(yùn)營(yíng)速度能達(dá)到160 km/h[4]，該行李車采用傳統(tǒng)客車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。

1.2 國(guó)內(nèi)外快捷貨車轉(zhuǎn)向架發(fā)展趨勢(shì)分析

目前只有采用客車模式的行李車是既有成熟產(chǎn)品，但其不利因素是載重低、不經(jīng)濟(jì)。新開發(fā)的轉(zhuǎn)向架采用了整體焊接構(gòu)架、新型橡膠彈簧、液壓減振器等裝置，可以實(shí)現(xiàn)大載重，驗(yàn)證了在快速鐵路上開行160 km/h快捷貨物列車技術(shù)的可行性。當(dāng)前該類轉(zhuǎn)向架主要不足之處是自重大，因此當(dāng)前快捷貨車轉(zhuǎn)向架總體發(fā)展趨勢(shì)是輕量化，目前受到高度關(guān)注的是采用內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。

圖1 DRRS轉(zhuǎn)向架[3]

圖2 中車齊車公司160 km/h快捷貨車轉(zhuǎn)向架[3]

當(dāng)前內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架在國(guó)外已得到應(yīng)用，包括用于客車及高速動(dòng)車組車輛的B5000、TR400及Flexx Eco系列轉(zhuǎn)向架，用于貨車的LEILA轉(zhuǎn)向架，用于城際動(dòng)車組車輛的SF7000系列轉(zhuǎn)向架[3]，用于地鐵的美國(guó)波士頓轉(zhuǎn)向架[5]。國(guó)內(nèi)李博之等[6]也提出快捷貨車內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架方案，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究。上述內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架不只是簡(jiǎn)單將軸箱內(nèi)置，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上普遍采用短軸距、小輪徑、輕量化承載結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)進(jìn)一步降低簧下質(zhì)量和轉(zhuǎn)向架質(zhì)量。

2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)向架實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)原則

（1）采用內(nèi)軸箱結(jié)構(gòu)，使得主要承載部件（輪對(duì)、構(gòu)架）的橫向尺寸減??；

（2）使用短軸距，減少轉(zhuǎn)向架縱向尺寸，改善構(gòu)架縱向梁的受力，進(jìn)一步減輕構(gòu)架質(zhì)量；

（3）采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、輕量化的一系懸掛系統(tǒng)和二系懸掛系統(tǒng)；

（4）為滿足極限工況下貨車空重車鉤高差不超過(guò)70 mm的限制，轉(zhuǎn)向架采用一系懸掛垂向剛度較硬、二系懸掛剛度較軟的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

（5）由于一系懸掛裝置垂向剛度較硬，本方案轉(zhuǎn)向架構(gòu)架應(yīng)不采用傳統(tǒng)剛性構(gòu)架，必須采用扭轉(zhuǎn)剛度較小或?yàn)榱愕你q接構(gòu)架。

2.2 總體方案

本方案三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，具體為：

（1）采用小直徑、實(shí)心車軸，加裝雙軸盤的直輻板車輪及分體式內(nèi)置軸箱體組成的輕量化輪對(duì)；

（2）一系懸掛裝置采用垂向剛度較大的八字形橡膠堆，位于軸箱上方；

（3）構(gòu)架采用H形焊接、扭轉(zhuǎn)剛度為零的鉸接構(gòu)架，構(gòu)架由左右T形梁組成，左右T形梁可以繞軸做自由點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)，構(gòu)架上焊有與一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置及牽引裝置相連接的各種安裝座，鉸接構(gòu)架具體結(jié)構(gòu)如文獻(xiàn)[7]所示；

（4）新型二系懸掛采用四組疊層橡膠彈簧和錐形橡膠彈簧串聯(lián)的形式，布置抗蛇行減振器、二系橫向減振器、二系垂向減振器及二系橫向止擋裝置，具體結(jié)構(gòu)如文獻(xiàn)[8]所示；

（5）基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用四組單元軸盤制動(dòng)裝置；

（6）牽引裝置采用單拉桿牽引，其位于轉(zhuǎn)向架中部左右兩組串聯(lián)彈簧之間。

該轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖3 160 km/h快捷貨車內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架

表1 轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)

針對(duì)輕量化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)方案，按照CEN/TS 13103-2:2020 Railway applications - Wheelsets and bogies - Part 2: Design method for axles with internal journals[10]對(duì)關(guān)鍵受力部件車軸進(jìn)行了強(qiáng)度校核，車軸疲勞強(qiáng)度滿足相關(guān)要求。

通過(guò)研究我國(guó)既有鐵路快運(yùn)貨物班列情況及市場(chǎng)需求，提出采用“160 km/h棚車＋”集裝化運(yùn)輸模式[9]，因此該快捷貨車轉(zhuǎn)向架搭載棚車車體，車體自重25.3 t，載重39 t。

3 主要懸掛參數(shù)優(yōu)化及車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)估

3.1 主要懸掛參數(shù)優(yōu)化

采用SIMPACK建立配裝該轉(zhuǎn)向架的棚車車輛整車動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)優(yōu)化了空重車一、二系懸掛剛度，如表2所示。

表2 主要懸掛參數(shù)優(yōu)化值

3.2 車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)估

按照GB/T 5599－2019對(duì)參數(shù)優(yōu)化后車輛的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估。

直線工況下，評(píng)估蛇行穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性及運(yùn)行品質(zhì)，結(jié)果如表3所示。由評(píng)估結(jié)果可知：①車輛在輪對(duì)踏面等效錐度0.4工況下，空重車臨界速度均大于200 km/h，滿足快捷貨車160 km/h的運(yùn)營(yíng)速度要求；②空重車的橫向平穩(wěn)性指標(biāo)W、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)W均小于3.50，達(dá)到貨車平穩(wěn)性指標(biāo)的1級(jí)優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)；③空重車的橫向運(yùn)行品質(zhì)a小于5.0 m/s2、垂向運(yùn)行品質(zhì)a小于3.0 m/s2，滿足貨車運(yùn)行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 車輛直線工況動(dòng)力學(xué)性能評(píng)估結(jié)果

表4 不同曲線設(shè)置

表5 曲線運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果

動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明，配裝該轉(zhuǎn)向架的棚車車輛動(dòng)力學(xué)性能滿足GB/T 5599－2019要求。

4 鉸接構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響研究

由于該轉(zhuǎn)向架一系垂向剛度大，不能采用傳統(tǒng)剛性構(gòu)架，必須降低構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度。為了明確構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)影響，對(duì)此提出驗(yàn)證研究。分別設(shè)定構(gòu)架不同等級(jí)的扭轉(zhuǎn)剛度（0 MN·m/rad、0.5 MN·m/rad、5 MN·m/rad、20 MN·m/rad、50 MN·m/rad及剛性構(gòu)架）后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，取0.5 MN·m/rad模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中軸承摩擦可能帶來(lái)的較小的扭轉(zhuǎn)剛度。

4.1 直線工況對(duì)比

直線工況下，構(gòu)架不同扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)空重車等效錐度0.15和0.40時(shí)臨界速度的影響如圖4所示，構(gòu)架不同扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)空重車平穩(wěn)性及運(yùn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)的影響如圖5所示，構(gòu)架不同扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)空重車輪重減載率及輪軌垂向動(dòng)作用力的影響如圖6所示。

（1）輪對(duì)踏面相同等效錐度條件下，隨著構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度的增加，空重車車輛臨界速度變化幅值均小于1%，隨著構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度的增加，車輛平穩(wěn)性指標(biāo)變化幅值均小于1%，空重車車輛運(yùn)行品質(zhì)指標(biāo)a、a變化幅值均小于2%，說(shuō)明構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和運(yùn)行品質(zhì)影響基本沒有影響；

圖4 構(gòu)架不同扭轉(zhuǎn)剛度下空重車臨界速度

（2）構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度0MN·m/rad時(shí)，采用剛性構(gòu)架的空、重車的輪重減載率分別相對(duì)增加74%、67%，輪軌垂向動(dòng)作用力分別相對(duì)增加56%、45%，說(shuō)明直線上較大的構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車輛輪重減載率、輪軌垂向動(dòng)作用力影響顯著；相對(duì)剛性構(gòu)架，采用扭轉(zhuǎn)剛度0 MN·m/rad的鉸接構(gòu)架能夠大幅度降低輪重減載率和輪軌垂向動(dòng)作用力，減少輪軌磨耗及噪音；

（3）當(dāng)構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度為0.5 MN·m/rad時(shí)，空重車輪重減載率和輪軌垂向動(dòng)作用力相對(duì)于扭轉(zhuǎn)剛度為0時(shí)變化幅值小于1%，證明直線工況下，實(shí)際鉸接構(gòu)架結(jié)構(gòu)中存在較小的扭轉(zhuǎn)剛度，對(duì)輪重減載率和輪軌垂向動(dòng)作用力幾乎不產(chǎn)生影響。

圖5 構(gòu)架不同扭轉(zhuǎn)剛度下空重車平穩(wěn)性指標(biāo)和運(yùn)行品質(zhì)

圖6 160 km/h時(shí)構(gòu)架不同扭轉(zhuǎn)剛度下空重車輪重減載率及輪軌垂向動(dòng)作用力

4.2 曲線工況對(duì)比

采用表4所示曲線設(shè)置，構(gòu)架不同扭轉(zhuǎn)剛度下空重車的曲線運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果如圖7所示。

（3）采用剛性構(gòu)架，曲線半徑400 m時(shí)空車輪軸橫向力相對(duì)于扭轉(zhuǎn)剛度0 MN·m/rad增加21.5%，曲線半徑800 m時(shí)空車輪軸橫向力相對(duì)于扭轉(zhuǎn)剛度0 MN·m/rad增加14.7%，其他工況下相對(duì)于扭轉(zhuǎn)剛度0 MN·m/rad，輪軸橫向力變化均小于3%，脫軌系數(shù)增加均小于9%，說(shuō)明構(gòu)架扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)輪軸橫向力和脫軌系數(shù)影響較小。

5 結(jié)論

（1）在采用新型內(nèi)軸箱結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)上，同時(shí)運(yùn)用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一系懸掛裝置、二系懸掛裝置，可使得轉(zhuǎn)向架自重小于3.85 t，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

（2）通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化，對(duì)該轉(zhuǎn)向架裝配的棚車車體進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)評(píng)估，車輛直線穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、運(yùn)行品質(zhì)、曲線通過(guò)性指標(biāo)均符合GB/T 5599－2019。

（3）在車輛通過(guò)曲線時(shí)，采用剛性構(gòu)架的空車輪重減載率將會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值，這說(shuō)明該轉(zhuǎn)向架必須采用扭轉(zhuǎn)剛度較小或扭轉(zhuǎn)剛度為零的鉸接構(gòu)架。

（4）在直線上，相對(duì)于剛性構(gòu)架，低扭轉(zhuǎn)剛度構(gòu)架能夠顯著降低空重車輪重減載率和輪軌垂向動(dòng)作用力；在曲線上，相對(duì)于剛性構(gòu)架，低扭轉(zhuǎn)剛度構(gòu)架能夠顯著降低空重車輪重減載率，因此采用一系垂向剛度較大的懸掛裝置結(jié)合鉸接構(gòu)架的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式能夠提高轉(zhuǎn)向架適應(yīng)線路不平順能力。

圖7 構(gòu)架不同扭轉(zhuǎn)剛度下空重車曲線運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果

[1]國(guó)鐵集團(tuán). 新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要[J]. 鐵路采購(gòu)與物流，2020，15（8）：26-32.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范：GB/T 5599－2019[S].

[3]勞良鋮. 高速貨車新型內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)性能研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2021.

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[5]劉志遠(yuǎn)，張文康，高純友，等. 美國(guó)波士頓地鐵軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 城市軌道交通研究，2019，22（3）：162-165.

[6]李博之. 快捷貨車內(nèi)軸箱轉(zhuǎn)向架總體方案設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)性能研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2020.

[7]周張義，勞良鋮，劉書揚(yáng). 一種用于軌道車輛轉(zhuǎn)向架的鉸接構(gòu)架[P]. 四川：CN214356033U，2021-10-08.

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Research on A Lightweight Bogie of Express Freight Train And Its Dynamic Performance

WANG Bowen，ZHOU Zhangyi，DING Junjun

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

In order to adapt to the development of express freight train and achieve the goal of “Double Carbon Policy”, a new type of lightweight inner axle box bogie overall scheme design is proposed and completed. Based on the inner axle box, a combination of a suspension with simple first structure and an articulated frame with extremely low torsional rigidity is adopted for the bogie. And a structure in the form of a combined rubber spring is adopted for the bogie’s secondary suspension. On the premise that the application requirement has been met, the unsprung weight and dead weight of the bogie are significantly reduced, and the dead weight is less than or equal to 3.85 t. Next, the multi-body dynamics simulation software SIMPACK is used to optimize the vehicle suspension parameters. According to the relevant industry standards, all the dynamic indicators meet the requirements. Further, according to the characteristics of the bogie, the research that attaches great importance to the influence of different frame torsional stiffness on the dynamic performance is carried out to verify the necessity of using the articulated frame for the bogie. Compared with the rigid frame, the bogie that adopts the first suspension with higher vertical rigidity combined with the articulated frame has an improved ability to adapt to line irregularities.

express freight train；inner axle box bogie；lightweight；dynamic performance assessment；articulated frame

U272.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.006

1006-0316 (2023) 07-0038-06

2022-08-11

國(guó)家自然科學(xué)基金——基于車輛－軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論的重載鐵路曲線段輪軌磨耗機(jī)理及其控制措施研究（51965016）；四川省國(guó)際科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目——面向東南亞米軌鐵路的輪軌磨耗機(jī)理及控制策略研究（2022YFH0038）

望博文（1997－），男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)和車輛動(dòng)力學(xué)，E-mail：wangbowen@my.swjtu.edu.cn。