160km_h高速货车转向架方案及其动力学性能分析

文章编号:100227602(2003)1120001206160km h高速货车转向架方案及其动力学性能分析傅茂海1,李　芾1,于　明2,马志援2(1.西南交通大学牵引动力研究中心,四川成都610031;2.齐齐哈尔铁路车辆(集团)有限责任公司技术中心,黑龙江齐齐哈尔161002)摘　要:介绍了国外高速货车转向架的发展过程、基本结构和我国货车转向架的基本现状。

提出了一种适合我国线路特点的、时速为160km的新型货车转向架作为我国高速货车转向架的基本方案,对其可行性进行了论证,并对转向架的初步结构和动力学性能进行了分析。

关键词:高速货车;货车转向架;动力学性能;研究中图分类号:U270.331 文献标识码:B1　国外高速货车转向架发展概况转向架是提高货车速度和性能的关键部件之一。

目前,货车转向架基本上以2种不同的模式发展。

北美、前苏联和中国等主要采用三大件的模式,即采用摇枕弹性定位而轴箱无弹性定位的形式;欧洲等许多国家则发展焊接构架转向架,即采用无摇枕的整体构架和轴箱弹性定位的形式。

20世纪60年代中期,法国铁路(SN CF)开发出一种采用焊接式构架的Y25型转向架,其轴箱定位采用导框、螺旋钢簧加单侧利诺尔摩擦减振器的方式。

试验表明,该转向架运行速度在120km h以下时具有良好的动力学性能,1967年被国际铁路联盟(U I C)确定为欧洲铁路(OR E)的标准型货车转向架。

为提高货车的运行速度和开行快速货物专列,法国国铁于20世纪80年代在Y25型和Y30型转向架的基础上研制成功了时速为160km的Y37型货车转向架。

Y37型转向架的构架为整体焊接结构,基础制动装置安装在横梁上。

该转向架的轴箱定位同Y25型转向架相似,增加了类似客车转向架摇动台形式的二系悬挂,以降低其横向刚度。

为限制车体的最大横向位移,减小了轴箱与导框之间的横向间隙。

基础制动装置采用盘形制动加踏面清扫器,每轴上安装2个制动盘。

由于采用了摇动台结构和盘形制动,故将轴距加大至213m。

较大的轴距虽增加了构架重量,但可大大收稿日期:2002210211基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(项目编号2000J013);教育部优秀骨干教师基金作者简介:傅茂海(19652),男,高级工程师。

提高转向架的临界速度,具有结构简单和动力学性能理想的特点。

20世纪80年代,德国研制成功采用板簧轴箱定位的DB—661型和DB—664型焊接构架式转向架,但效果不尽如意。

进入90年代,德国联邦铁路(DB)在高速铁路线上成功开行了时速为250km的I CE高速客车。

为充分利用线路和加快货物运输,联邦铁路要求在客运间隙和夜间开行速度为160km h的货运列车。

为此,德国T albo t公司研制了一种时速为160km 的高速货车转向架。

该转向架是在Y25型转向架的基础上采用双层圆环形橡胶弹簧进行轴箱定位,利用橡胶弹簧的非线性特点来保证空重车性能,并以横向柔性定位来改善曲线通过性能,目前主要用于集装箱平车和公铁两用车,其最高试验速度达230km h。

瑞典ABB TRA CT I ON公司1983年研制成功了三大件式SJ型高速货车转向架,其最高运行速度为160km h。

同传统的三大件式转向架相比,该转向架两侧架间由2根横向梁连接,并通过斜拉杆同侧架的一端相连。

这样,既提高了构架的抗菱刚度,又保持了三大件式转向架适应线路垂向不平顺能力强的特点。

由于在轴箱与侧架间增加了橡胶堆定位,因而克服了传统的三大件式转向架簧下质量大的缺点。

二系悬挂采用钟形橡胶堆支撑方式,并设有变摩擦减振器,可降低横向刚度,提高转向架的横向动力学性能。

Sw ing M o ti on(摆动式)转向架是美国B arber公司近年来研制成功的三大件式转向架。

该转向架在提高抗菱刚度的同时,利用客车转向架摇动台原理,降低横向刚度,最高试验运行速度达176km h,在北美国家得到了较好的应用。

由于加大了悬挂的横向柔度,故・1・试验研究铁道车辆　第41卷第11期2003年11月该转向架能有效地改善车辆横向运行平稳性和运行安全性。

但摆动式转向架受三大件式转向架结构的限制,重量大,结构复杂,磨耗件较多,且其基础制动装置仍只能采用单侧踏面制动,故在欧洲以及其他一些类似的国家受到制动距离的限制,无法满足高速货物列车的要求。

三大件式转向架和焊接构架式转向架各有利弊,各国都是根据本国的具体情况来研究货车转向架的发展模式。

为充分利用高速线路以及适应快速货物运输的需要,一些国家研制出了多种形式的高速货车转向架。

除上述的货车转向架外,还有英国的T F 25型、意大利的F iat 型、日本的R T —X 4型及前苏联的18—115型等。

这些转向架能以120km h ～160km h 的速度运行,其中法国的Y 37型转向架最高试验速度达28118km h ,创造了货车运行速度的世界纪录。

2　我国货车转向架现状我国目前正在运用的50多万辆货车中,90%以上的车辆装用转8A 型转向架,其运行速度维持在70km h ～80km h ,在一段时期内基本上满足了我国铁路货运的要求。

但随着铁路运输的发展及列车速度的提高,三大件式转向架存在的抗菱刚度低的先天性缺陷制约了该转向架运行速度的进一步提高,已难以满足运输市场的需要。

近年来,随着客运速度的提高,对提高货运速度的要求亦日益迫切。

1999年有关部门列专题再次对转8A 型转向架进行改造。

经过对多种改进方案进行比选,最后确定侧架下交叉支撑为我国转8A 型转向架的改造方案,并于2001年下半年在全国范围内推广。

为适应铁路全面提速的需要,我国于1999年研制出了最高运行速度为120km h 的构架式快速货车转向架。

该转向架采用了焊接构架、多级刚度轴箱悬挂、双斜楔摩擦减振器、球面心盘、常接触弹性旁承等技术。

试验表明,该转向架的动力学性能可以满足120km h 的运行要求。

为满足进一步提速的需要,铁道部组织相关单位于2000年开始对160km h 快速货车转向架进行专题研究,研制具有自主知识产权的高速货车转向架。

3　高速货车转向架发展模式研究3.1　构架货车转向架的基本结构形式可分为焊接构架式和铸钢三大件式。

三大件式转向架的菱形变位是影响车辆运行稳定性的主要因素,故采用三大件式的高速货车转向架应在结构上采取相应措施,增加其抗菱形变位的能力。

如Sw ing M o ti on 转向架的弹簧托板、SJ 型转向架的三角支撑架及B arber 型转向架的交叉支撑装置等都是为了实现这一目标而设置的。

焊接构架则彻底消除了菱形变位并具有重量轻的特点,从而保证了车辆良好的横向运动稳定性,且易实现盘形制动或双侧踏面制动,故高速货车转向架构架宜采用焊接构架。

3.2　轴箱定位簧下质量对车辆动力学性能有直接影响。

簧下质量越大,动力学性能越差,轮轨作用力也越大,在高速情况下更是如此。

垂向悬挂参数由于受车钩高和限界的约束,其垂向挠度也受到相应的限制。

高速货车转向架均采用了不同形式的轴箱弹性悬挂。

欧洲国家基本上采用轴箱弹性悬挂为主悬挂的模式。

为使空重车都具有良好的动力学性能,主悬挂系统都具有两级或多级非线性特性。

主悬挂系统位于中央的三大件式转向架,也在侧架与轴箱之间加装了弹性橡胶垫。

高速货车转向架应尽量减轻簧下质量,而采用轴箱弹性悬挂是减轻簧下质量的最有效措施。

3.3　中央悬挂转向架轴箱定位刚度对车辆的运行稳定性起着关键作用,故高速货车转向架轴箱定位刚度不能太小。

货车在空重车工况下载荷变化大,受限界和车钩高度的限制,货车转向架垂向总挠度及空重车状态下垂向挠度差有严格限制。

所以要改善货车转向架的垂向性能困难较大,且目前这些转向架的垂向性能均能满足使用要求。

速度提高后,对车辆的横向平稳性提出了新的要求,而影响横向平稳性最敏感的因素是转向架的二系横向刚度值。

高速货车转向架应尽量降低二系横向刚度值。

3.4　旁承由于货车结构以及制造成本的限制,在车体和构架间安装抗蛇行液压减振器是不现实的,但一般设有非接触式旁承或常接触弹性旁承。

常接触弹性旁承除能抑制车体的侧滚运动外,还能非常有效地提高车辆的运动稳定性,以取代抗蛇行减振器的作用。

但常接触弹性旁承过大的回转力矩会恶化车辆的曲线通过性能。

因此,在选择常接触弹性旁承的回转阻力矩时要同时兼顾运行稳定性和曲线通过性能。

另外,常接触弹性旁承纵向间隙会直接影响其抗蛇行性能。

高速货车对稳定性的要求相应提高,故其转向架应尽量选择无纵向间隙、回转阻力矩适宜的常接触弹性旁承,以便有效地提高车辆的运行稳定性。

・2・铁道车辆　第41卷第11期2003年11月3.5　心盘受结构和制造成本的限制,货车纵向力的传递以及支承车体垂向载荷仍采用心盘的模式。

心盘除传递纵向力和支承车体垂向载荷外,还能提供回转力矩以提高车辆的抗蛇行稳定性。

同旁承提供的回转力矩不一样,心盘提供的回转力矩随载荷的增加而加大。

然而,心盘提供的回转力矩过大同样会恶化车辆的曲线通过性能。

因此,在选择心盘的回转阻力矩时也要同时兼顾运行稳定性和曲线通过性能。

在采用常接触旁承的转向架中,应合理分配旁承和心盘上的垂向载荷,以满足空重车工况下高速运行的要求。

3.6　轴重和轮对轴重的大小和运行速度的高低对轮轨作用力有重要的影响。

运行速度越高,要求轴重越轻。

欧洲铁路对货车轴重有严格要求,120km h以下时的轴重为2215t,140km h时为20t,160km h时为18t。

在我国目前尚无高速货车标准轮对的条件下,可采用轮径为<915mm的标准客车轮对,其轴重为1615t。

3.7　制动系统制动是高速货车的关键技术之一。

由于不同国家对制动距离的要求不尽相同,所以制动方式也有较大差异。

如欧洲铁路对制动距离要求较高,其制动距离规定为900m(另有100m的安全裕量)。

大量试验表明,轴重为21t,采用双侧踏面制动,其最高允许速度为120km h。

故速度为120km h以下的转向架基本采用双侧踏面制动。

当速度提高到140km h以上时,普遍采用盘形制动的方式。

三大件式转向架受其结构特点的制约,只能采用单侧踏面制动。

计算机模拟计算和试验表明,采用单侧踏面制动,160km h初速时的制动距离不能满足我国《铁路主要技术政策》对制动距离的要求,故高速货车必须采用盘形制动。

采用盘形制动的方式,不仅能大大提高轴制动功率,而且由于制动盘与闸片间的摩擦因数比闸瓦与踏面间的摩擦因数稳定得多,故还可降低制动时的纵向冲动。

车辆速度提高后,为避免车轮踏面在制动时因制动力过大而擦伤,一般都设有防滑器。

防滑器虽不能提高粘着系数,但可提高粘着利用率,防止因制动力大于粘着力而造成的车轮踏面擦伤。

我国幅员辽阔,粘着状态复杂,故高速货车设置防滑器对保证行车安全是完全必要的。