釣竿式變軌距轉向架動力學研究*

史 炎， 何 健

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031)

自中國提出一帶一路倡議以來，不僅贏得越來越多國家的理解和積極響應，也得到了聯合國的鼎力支持，國際經貿活動的發展必將帶動國際鐵道貨運量的增加。由于歷史的原因，世界各國鐵路一直存在著多種軌距阻礙了國際鐵路聯運，實現不了一列慣通，只能在口岸轉運貨物。實現不同軌距區間的直通運行最便捷的方式就是采用變軌距輪對，旅客無需換乘，貨物無需換裝。

1 國內外變軌距轉向架技術

國外早在20 世紀 60 年代就開展了自動變軌距轉向架研究[1]，已開發出多種結構形式變軌距轉向架。如西班牙的Talgo型、德國的DBAG/Rafil V型、波蘭的 SUW2000 和日本的E30B等。西班牙Talgo系列的變軌距轉向架利用銷釘插入凹槽來約束車輪沿軸向運動，每一輪對的鎖緊機構有4個，與地面裝置配合層次多而且只適合獨立旋轉車輪形式。圖1是德國的DBAG/Rafil V型轉向架所采用的變軌距機構[2]，其鎖緊機構利用鎖緊桿繞凸輪轉動的原理設計，由緩解盤、鎖緊桿、壓力彈簧和鎖緊襯套組成，鎖緊桿前端與輪轂的凹槽為斜面配合，曲線通過時在橫向力的作用下，鎖緊桿前端產生一個徑向分力要由鎖緊襯套承擔。

1-緩解盤；2-鎖緊桿；3-壓力彈簧；4-鎖緊襯套。圖1 DBAG/ Rafil V型變軌距輪對

2 釣竿式變軌距鎖緊機構

在借鑒國內外變軌距鎖緊機構方案基礎上，提出一種變軌距輪對設計方案用于傳統輪對，使用前提是兩邊車輪與車軸用花鍵聯接、傳遞扭矩，車輪相對于車軸只有一個自由度：軸向移動。釣竿式變軌距鎖緊機構如圖2所示，鎖緊機構由套筒、緩解盤、緩解筒、復位彈簧、限位柱等構成。套筒與車軸過盈配合，輪轂上開設有兩排盲孔，每排盲孔沿圓周方向均勻布置4個，兩排盲孔分別對應兩種軌距；圓柱形限位柱上開設相慣孔，其中心線與柱體中心線的夾角成45°；緩解盤沿圓周方向均勻布置4個釣竿，釣竿與緩解盤軸線夾角成45°，釣竿插入限位柱的相慣孔中。

1-車軸；2-輪轂；3-限位柱；4-彈簧；5-套筒；6-緩解筒；7-鉤竿；8-緩解盤。圖2 釣竿式變軌距鎖緊機構

車輛采用車輪承載方式，以10 km/h左右速度通過地面軌距變換設施時車輪自動完成軌距變換，兩種軌距之間的變換過程是可逆的。以車輛從準軌線路進入寬軌線路為例論述釣竿式變軌距鎖緊機構工作過程：

① 輪對從準軌線路進入地面變軌距區域，右側車輪保持鎖閉擔當輪對運行職能，左側車輪初始位置如圖3(a)所示，緩解筒在地面解鎖軌的作用下壓縮彈簧，帶動緩解盤一起向軌道中心線的反方向移動，只能徑向移動的限位柱被釣竿提起直到與第一排盲孔完全脫離，左側車輪解鎖，如圖3(b)；

② 解鎖后的左側車輪沿槽軌位移，直到寬軌軌距的一半，第二排盲孔對準限位柱，圖3(c)；

③ 緩解筒在壓縮彈簧的作用下復位，限位柱落入第二排盲孔，左側車輪閉鎖，圖3(d)；

④ 右側車輪重復以上步驟，輪對轉換到寬軌線路。

圖3 軌距變換過程

3 變軌距轉向架動力學模型

將車輛系統視為一個多剛體系統，不考慮車體、轉向架構架、車輪等部件本身的彈性變形，各剛體通過彈簧和減振器相互連接形成多自由度的非線性振動系統。中歐貨運列車途經很多前蘇聯的加盟共和國，它們沿用了寬軌線路，轉向架的動力學性能要兼顧準軌和寬軌。使用Simpack動力學仿真軟件建立貨車動力學計算模型，使用虛擬車體建立好一個轉向架模型再裝配成整車模型，如圖4所示，轉向架結構為轉K6型交叉支撐式，主要參數見表1[3]。軌距參數在Simpack輪軌全局變量中修改，準軌軌距1 435 mm、滾動圓橫向跨距之半0.746 5 m，寬軌軌距1 520 mm、滾動圓橫向跨距之半0.789 m。

圖4 整車動力學計算模型

名稱空車重車車體質量/kg1140091400側架質量/kg497497搖枕質量/kg745745輪對及軸箱質量/kg12571257車輪滾動圓半徑/m0.460.46軸距/m1.831.83車輛定距/m99側架質心至輪對質心垂向距離/m0.120.12搖枕質心至側架質心垂向距離/m0.050.03車體質心至搖枕質心垂向距離/m0.871.42軸箱縱向剛度/(MN·m-1)1313軸箱橫向剛度/(MN·m-1)1111軸箱垂向剛度/(MN·m-1)160160二系懸掛縱向剛度/(MN·m-1)0.724.4二系懸掛橫向剛度/(MN·m-1)1.654.4二系懸掛垂向剛度/(MN·m-1)2.784.89車輪踏面LM踏面鋼軌UIC60

4 計算結果

4.1 臨界速度

截取一段長度為50 m的美國5級軌道譜作為輸入激勵，車輛預先通過50 m長的激擾線路產生不穩定的狀態，激發車輛的自身振動，設置車輛起始運行經過不平順線路到最后通過平順線路的線路總長度為300 m，以輪對的橫移量判定蛇行運動穩定性。通過仿真計算出的變軌距車輛在不同軌距線路下空、重車的蛇行臨界速度見表2。

變軌距轉向架車輛在1 435 mm軌距線路運行時，重車的臨界速度比空車的增加15%；在1 520 mm軌距線路運行時，重車的臨界速度比空車的增加19%；軌距增加，空車、重車的臨界速度有所下降。

表2 蛇行臨界速度 km·h-1

4.2 重車曲線通過性能

為使研究具有普遍性，設置了5種曲線運行工況，最大欠超高均取為60 mm，圓曲線長度均為120 m, 緩和曲線長度均為150 m。線路其他條件如表3所示，計算結果見圖5。

在兩種軌距的曲線線路上，載重車輛的動力學性能差別不大，輪軌橫向力和脫軌系數都符合GB 5599-1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》相關標準。

表3 曲線參數

圖5 重車曲線通過性能

5 結 論

世界各地軌距不統一阻礙了國際聯運，大規模更換線路不現實，只能考慮改變車輛，采用變軌距轉向架技術解決不同軌距區間直通運行是一種簡易有效方法。本文提出了一種新型變軌距轉向架的釣竿式鎖緊機構方案，并對其動力學特性進行了仿真計算，結果表明釣竿式鎖緊機構變軌距轉向架是可行性的，按1 435 mm軌距設計的車輛也適用于1 520 mm軌距，曲線通過性能差別不大。

[1] Sakai M, Oda K. Gauge change train[J]. Japanese railway engineering, 1999, 39(2):12-15.

[2] Wilhelm Saliger. 可調軌距輪對[J]. 國外鐵道機車與動車, 2002(2):28-33.

[3] 王孔明. 重載貨車輪軌動力作用研究[D]. 成都：西南交通大學,2006.