鐵路貨車懸掛系統振動能量收集裝置的結構模型設計

王自超，徐 旭，洪海峰，張 航，周 琪

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 611756）

近年來，隨著我國鐵路建設水平的不斷提高、規模的不斷擴大，鐵路建設領域各種亟待解決的問題也越來越多。鐵路貨運在整個鐵路運輸系統中占有很高的比例，如何高效、節能、環保地在現有設備基礎上提高鐵路貨運的經濟效率是許多專家學者長久以來研究的方向。目前，實際應用較多的鐵路貨車轉向架有轉K2型、轉K4型、轉K6型等。本文針對齊齊哈爾鐵路車輛（集團）有限責任公司設計生產的轉K 6型轉向架，通過分析其彈簧組內部空間尺寸，設計出一種尺寸合適的發電裝置結構模型，將其安裝在彈簧內部，通過絲杠連接車體和發電裝置，將貨車的上下振動轉換成發電裝置內部轉子的旋轉（旋轉磁場）運動，進而達到將車體的振動儲能轉化為電能的目的。

1 轉K 6轉向架彈簧組

（1）彈簧組簡介。彈簧由6個外圓彈簧（1）、1個外圓彈簧（2）和7個內圓彈簧組成。外圓彈簧（1）比內圓彈簧高23 mm，外圓彈簧（2）與內圓彈簧同高?？哲嚂r僅外圓彈簧（1）承載，重車時內圓彈簧和外圓彈簧（2）參與承載，實現空、重車兩級剛度，如圖1所示。

（2）彈簧組排列方式，如圖1所示。

（3）彈簧組基本參數，如表1所示。

圖1 懸掛系統彈簧組排列方式

表1 轉K 6型轉向架彈簧組基本參數

2 彈簧組尺寸分析

（1）徑向分析。承載內簧和減振內簧中徑尺寸不一樣。為了充分利用彈簧內部空間，在減震彈簧和承載彈簧中分別設計兩種不同的發電裝置。其中減振內簧中發電裝置直徑Dj≤12 mm，承載內簧中發電裝置直徑Dc≤16 mm。

（2）縱向分析。發電裝置高度受彈簧高度的限制。分析上表可知，發電裝置的總高度滿足H≤262 mm。

3 車體振動分析

表2 鐵路貨車運行過程中彈簧組震動參數

車體在空車和載重兩種情況下的彈簧組振動情況不同，周期性振動儲能也不同。車體的振動儲能是發電裝置的動力來源。

4 結構模型設計

（1）三維模型建立。在彈簧的數量上，由于轉向架每個側架上可以安放9個彈簧，每節車廂上配有前后兩組轉向架，所以在一個車廂上可以安放2種共36個發電裝置。

用Solid WorkS2012軟件建立圖示裝置的三維結構模型，如圖2所示。

圖2 發電裝置三維模型

（2）實體模型建立。根據三維模型，參考國外一些研究者的設計思路，可以設計出發電裝置的結構模型如圖3所示。

圖3 發電裝置實體模型

5 結語

為了給鐵路貨車提供小功率電力（貨車上主要為電空制動系統及電子防滑器的電力供應）資源，同時避免安裝高成本的供電系統大材小用，設計一種低成本的可以滿足低電力需求且相對獨立的供電裝置有其意義所在。嘗試利用貨車懸掛系統中的未利用空間，在不改變貨車原有結構的基礎上，將列車行進中的振動儲能轉化為可利用的電能，滿足較小的電力需求。

[1]湯勁松,王紅,商躍進.轉K6型轉向架變剛度彈簧組的疲勞壽命分析[J].蘭州交通大學學報（自然科學版）,2006,（6）.

[2]王紅,商躍進,孟廣浦.新型貨車轉向架變剛度彈簧組的試驗壽命估算及疲勞強度分析[J].中國鐵道科學,2007,（1）.

[3]M.Ahmadian,C.Nagode,S.Taheri.Effective Energy Harvesting De vices for Heavy Haul Applications[J].Professor and Director,Rail way Technologies Laboratory,Graduate Research Assistant,Railway Technologies Laboratory,Associate Professer and Director,Intelligent Transportation Laboratory,Virginia Tech,Blacksburg,Virginia,USA,2011,（6）.

[4]齊齊哈爾鐵路車輛（集團）有限責任公司.轉K6型轉向架簡介[R],2011,（12）.

[5](美)DS SolidWorks○R 公司,陳超祥,胡其登,杭州新迪數字工程系統有限公司.SolidWorks○R零件與裝配體教程[M],2012,（4）.