轉K7型轉向架承載鞍結構優化及動力學性能研究*

李亨利，李 芾，廖 軍，張顯鋒，吳 暢，祝 笈

（1 西南交通大學 機械工程學院，四川成都610031；2 南車眉山車輛有限公司，四川眉山620032）

綜合技術研究

轉K7型轉向架承載鞍結構優化及動力學性能研究*

李亨利1，2，李 芾1，廖 軍2，張顯鋒2，吳 暢2，祝 笈2

（1 西南交通大學 機械工程學院，四川成都610031；2 南車眉山車輛有限公司，四川眉山620032）

轉K7型轉向架是我國至今唯一投入商業運用的貨車副構架式徑向轉向架。為進一步提高轉向架的運行性能，對轉K7型轉向架與U形副構架鑄造一體式的承載鞍系統進行了優化。分離U形副構架和承載鞍功能，設置獨立的承載鞍和承載鞍彈性墊。現采用理論分析、動力學仿真計算和線路試驗驗證的方法對優化承載鞍系統轉向架的動力學性能進行了系統研究。仿真結果表明當承載鞍彈性墊剛度在30 MN/m以上時，對轉向架動力學性能基本無影響，僅起定位板或磨耗板的功能；動力學試驗表明承載鞍系統優化后車輛整體動力學性能得到改善。

轉K7型轉向架；徑向轉向架；承載鞍系統；動力學；線路試驗

轉K7型轉向架是在我國發展重載提速技術的背景下，引進南非徑向轉向架技術自主研發的一種貨車自導向徑向轉向架。該轉向架2007年8月定型，并于同年12月開始小批量裝車使用。迄今，轉K7型轉向架已安全運行了6年，并經歷了3次全面檢修，表現出了良好的技術特性。為適應近年來我國重載貨車轉向架大部件無磨耗、無焊接，適應壽命管理的目標，逐步推行換件修和狀態修的新要求，南車眉山車輛有限公司對轉K7型轉向架的承載鞍系統進行了優化設計，以期進一步完善副構架式徑向轉向架技術，提高轉K7型轉向架的使用性能。

1 承載鞍結構優化

圖1 轉K7型轉向架承載鞍系統優化

轉K7型轉向架原型承載鞍與U形副構架鑄造為一體，U形副構架直接裝配在軸承上，垂向力通過前后布置的軸箱橡膠堆傳遞給承載鞍，如圖1（a）所示。此結構一方面不可避免直接金屬磨耗，當承載鞍面磨耗后只能對U形副構架進行選配或焊補；另一方面承載鞍結構較為復雜，不利于提高制造效率。我國新頒布的鐵路貨車運用規程不再允許對承載鞍焊補進行維修，在實際運用對個別有磨耗的U形副構架只能實施選配或換件修。為此，優化設計采用了獨立的承載鞍，實現U形副構架體與承載鞍功能上的分離，并在U形副構架與承載鞍之間增設了承載鞍彈性墊，承載鞍裝配于U形副構架體承載鞍導框中，與U形副構架設置縱向、橫向間隙。承載鞍彈性墊裝配于承載鞍頂面實現輪對彈性定位，垂向力通過承載鞍彈性墊傳遞給承載鞍，從而構成新的承載鞍系統，如圖1（b）所示。該承載鞍系統與現有主型轉向架完全相同，在承載鞍磨耗到限時，僅需更換承載鞍，從而實現了U形副構架全壽命周期內無直接金屬磨耗，方便了U形副構架的壽命管理。同時，由于承載鞍彈性墊的彈性適應性，一定程度上也提高了U形副構架的裝配工藝性。

為提高轉向架的標準化和模塊化水平，優化前后的轉K7型轉向架接口尺寸、性能參數和適用標準完全一致。輪軸、側架、搖枕、基礎制動裝置、彈性旁承和中央懸掛裝置等部件也沒有變化，而僅對承載鞍和U形副構架結構進行了改變。改進的U形副構架增加設置了承載鞍導框、導框凸臺、承載鞍彈性墊卡槽等結構，使之滿足體式承載鞍及橡膠墊的裝配要求，其結構如圖2所示。依據運用經驗和理論研究的結果，新結構優化了副構架各截面的尺寸，以改善副構架的鑄造工藝性，減小鑄造缺陷。另一方面，新型U形副構架進行機械加工時，僅需加工副構架承載鞍導框頂部的平面與兩個凸臺，承載鞍面加工精度要求不高，加工量減小，大幅度提高了制造生產率，有利于加工質量的控制，精度更容易得到保證。

圖2 改進的U形副構架體

2 新承載鞍系統對車輛動力學性能的影響

2.1 輪對等效剛度的改變

A.H.Wickens指出，轉向架所有懸掛系統從水平特征上分析，都可以歸結為前后輪對的相互連接關系，主要表征參數為輪對之間的抗剪剛度和抗彎剛度。抗剪剛度定義為前輪對作橫向位移時，后輪對作用于前輪對的彈性復原力與兩輪對橫向相對位移的比值。抗彎剛度的概念與此類似，定義為前后輪對相對搖頭時彈性復原力矩與相對搖頭角度的比值。

對于僅有承載鞍橡膠墊定位的普通轉向架，前后輪對抗剪剛度ks1和抗彎剛度kb1可表示為［1－3］：

式中b為同一輪對軸箱定位距離；l為軸距；k1x和k1y分別為承載鞍橡膠墊縱向剛度和橫向剛度。

原型轉K7型轉向架輪對間抗剪剛度ks和抗彎剛度kb為軸箱懸掛等效剛度與輪對徑向裝置等效剛度并聯剛度：

式中ks3和kb3為輪對徑向裝置提供的抗剪和抗彎剛度。同時由于式（1）和式（2）反映了軸箱定位剛度與抗剪和抗彎剛度的關系，承載鞍彈性墊提供的輪對抗剪剛度ks2和抗彎剛度kb2應具有與其相同的表達式。而改進承載鞍系統轉K7型轉向架輪對間總剛度應為軸箱懸掛等效剛度與承載鞍彈性墊剛度產生的等效剛度串聯，再與輪對徑向裝置提供的等效剛度并聯，因此，新承載鞍系統的轉K7型轉向架的輪對抗剪剛度k′s和抗彎剛度k′b可表示為：

式中k2x和k2y分別為承載鞍彈性墊縱向和橫向剛度。對比式（3）～式（6）可知，新承載鞍系統中輪對徑向裝置的作用力須由U形副構架先傳遞給承載鞍彈性墊，再傳遞給承載鞍和輪軸形成對輪對運動的約束，引起了轉向架前后輪對間等效抗剪和抗彎剛度的變化，從而將會影響轉向架的動力學性能。

2.2 車輛動力學性能仿真

為研究引入承載鞍彈性墊對轉向架動力學性能的影響程度，并優選承載鞍彈性墊的剛度，以裝配轉K7型轉向架的C70EF型敞車為研究對象，建立車輛系統動力學模型進行分析計算。模型中承載鞍、U形副構架均為獨立的剛體，承載鞍彈性墊和作用于U形副構架的連接桿抽象為以連接剛度表示的力函數，車輛計算模型如圖3所示。計算中，線路不平順等級為AAR5，彈性墊縱向、橫向剛度初值取均為35 MN/m，而剛度值取無窮大時，可等效認為是原型轉K7型轉向架承載鞍與U形副構架鑄造一體的值。

圖3 C70EF型敞車車輛動力學計算模型

圖4為承載鞍彈性墊剛度對車輛臨界速度的影響。車輛臨界速度隨承載鞍彈性墊縱向和橫向剛度增加而升高，當承載鞍剛度小于20 MN/m時，車輛臨界速度變化梯度較大，在25 MN/m以上變化時對車輛臨界速度影響較小，剛度取30 MN/m左右的車輛穩定性與原型轉K7型轉向架相近。車輛以速度100 km/h運行時車輛的橫向平穩性如圖5所示，承載鞍縱向、橫向剛度越大，車輛平穩性更好，且其作用規律與臨界速度相近，剛度在30 MN/m以上時即基本接近原型轉K7型轉向架的水平。另一方面，由于平穩性指標是反映車輛直線動力學的一個綜合指標，也代表了承載鞍彈性墊剛度對車體加速度大小的影響趨勢；同時，車輛垂向動力學性能的變化也相近，在此不再贅述。

從計算結果還可知，承載鞍彈性墊縱向剛度對車輛直線運行性能的影響大于橫向剛度，其與普通轉向架承載鞍定位剛度對轉向架動力學性能影響的規律一致。此外，結合式（5）和式（6）分析，縱向剛度對于輪對抗剪和抗彎剛度都有影響，而橫向剛度對抗彎剛度無影響，因而其對轉向架動力學性能的影響處于次要地位。

圖6和圖7為車輛以速度70 km/h、通過半徑300 m、預設線路超高120 mm曲線時，輪對沖角和輪軌橫向力最大值的計算結果，一定范圍內較小的承載鞍彈性墊剛度值對轉向架曲線通過性能具有有益的影響。通常認為副構架式徑向轉向架是通過降低輪對沖角來改善輪軌接觸狀態和降低輪軌磨耗的，因此輪對沖角是衡量轉向架徑向性能的主要指標。承載鞍彈性墊剛度越大，輪對沖角越大，轉向架徑向性能反而有所下降，這與軸箱懸掛剛度對原型轉K7型轉向架動力學性能影響的規律一致［4］。此外，輪對沖角在承載鞍彈性墊剛度小于15 MN/m時，變化十分明顯，大于該值時變化十分平緩并逐漸逼近原型轉K7型轉向架。另從車輛曲線運行安全性分析，圖7表明輪軌橫向力也與承載鞍彈性墊剛度同步上升，且由于車輛以較大欠超高通過小半徑曲線時，外側車輪均貼向鋼軌，縱向和橫向剛度的影響程度相似。

圖4 車輛臨界速度

圖5 車體橫向平穩性

圖6 輪對沖角

圖7 輪軌橫向力

綜合以上分析，當承載鞍彈性墊縱向、橫向剛度取值在30 MN/m以上時，車輛動力學性能的變化很小，車輛臨界速度和直線運行性能接近原型轉K7型轉向架，曲線通過性能還略有改善。實際設計中，由于承載鞍彈性墊剛度取值相對軸箱懸掛剛度大一個數量級，其影響轉向架動力學性能的懸掛功能可以忽略不計，而主要發揮定位板或磨耗墊的作用。

4 試驗及分析

為說明改進承載鞍系統的實際效果，對比承載鞍系統改進前后兩次線路動力學試驗的結果。2011年5月在哈爾濱鐵路局管內的齊齊哈爾南至泰康站和龍江站區間，裝配改進承載鞍系統轉K7型轉向架的C70EF型敞車進行的動力學試驗；以及2007年9月在濟南鐵路局管內的沙嶺莊站至高密站，裝配原型轉K7型轉向架的C70F型敞車進行的動力學試驗［5-6］。兩次試驗在速度131 km/h范圍內，車輛各項動力學指標均符合GB/T 5599－1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》的規定，試驗的部分結果如圖8～圖10所示。除去兩次試驗線路和試驗數據離散性的因素，轉K7型轉向架承載鞍系統改進后，空、重車動力學性能與原型轉向架相差不大，甚至還有所提高：空車直線性能略好于原型轉向架，重車直線性能較原型稍差（圖8，圖9）；空重車曲線通過性能均有所提高，車輛輪軸橫向力減小較為明顯，如圖10所示。

圖8 車體橫向平穩性試驗結果

圖9 車體橫向加速度最大值試驗結果

圖10 車輛輪軸橫向力最大值試驗結果

5 結束語

針對轉K7型轉向架承載鞍系統的改進是在總結原來轉K7型轉向架運用、檢修經驗的基礎上，進行技術創新的結果。該設計一方面提高了U形副構架和承載鞍的模塊化、標準化和工藝水平，還保持了轉K7型轉向架作為貨車徑向轉向架的性能優勢，進一步提升了轉K7型轉向架的技術優勢和實用性，豐富了副構架式徑向轉向架的技術內涵。

［1］ 陳澤深，王成國.鐵道車輛動力學與控制［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］ A.H.Wickens.Static and Dynamic Instabilities of Bogie Railway Vehicles with Linkage Steered Wheelsets［J］.Vehicle System Dynamics，1996，26（1）：1-16

［3］ Scheffel.H.Curving and stability analysis of self-steering bogies having a variable yaw constraint［J］.Vehicle System Dynamics，1994，23（suppl）：425-436

［4］ 李亨利，黃運華.轉K7型轉向架動力學性能研究［J］.鐵道機車車輛，2009，29（4）：26-29.

［5］ 四方車輛研究所.中國南車集團眉山車輛廠C80B、C70敞車（裝用轉K7型轉向架）動力學試驗報告［R］.青島，2007.

［6］ 四方車輛研究所.南車眉山車輛有限公司70 t級通用敞車動力學性能試驗報告［R］.青島，2011.

ZK7 Type Bogie Adapter Structure Optimization and Dynamic Performance Research

LI Hengli1，2，LI Fu1，LIAO Jun2，ZHANG Xianfeng2，WU Chang2，ZHU Ji2
（1 Department of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China；2 CSR Meishan Rolling Stock Co.，Ltd.，Meishan 620032 Sichuan，China）

ZK7 type bogie is the only commercial operation freight radial bogie in China.The adapter and U type sub-frame are casting incorporate in the bogie prototype.In order to improve the bogie application performance，the new adapter system design separates thefunction of adapter and sub-frame，and the independent adapter and adapter elasticity pad are set.In this paper，the dynamic performance of optimization design is researched based on theory analysis，simulation and field test.The simulation results show that there is nearly no effects on the dynamic performance when the adapter pad stiffness is up to 30 MN/m，and it is only a wear pad.And the field test indicates that the new adapter system can improve the dynamic performance slightly.

ZK7 type bogie；radial bogie；adapter system；dynamic；field test

U270.331＋.7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.01

1008－7842（2014）03－0001－04

*國家自然科學基金項目（50975238）；四川省科技支撐計劃（2013GZX0142）；青年科學基金項目（51005190）

1—）男，博士生（

2013－10－21）