我國重載貨車轉向架曲線性能對比仿真

楊春雷 ，黃運華 ，李 芾

（1.湖北民族大學新材料與機電工程學院，湖北 恩施 445000；2.西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

眾所周知，質量可靠、性能優良的運輸裝備是實現鐵路重載運輸發展的重要支撐和保證，其中轉向架的結構特點和技術性能又是影響車輛整體運行性能的技術關鍵和核心.因此，開發研制出滿足我國鐵路重載要求的大軸重貨車轉向架是順利實現我國鐵路重載運輸的前提[1-2].我國在借鑒國外大軸重轉向架實踐應用經驗和先進技術的基礎上，經過科研人員和鐵路工程技術人員的探索和研究，在20 世紀90年代，開發出了25 t 軸重的交叉支撐轉向架（K6）和副構架徑向轉向架（K7）[3-5]，滿足了當時我國鐵路貨運120 km/h 的提速技術要求和大秦線的煤炭運輸需求.近年來，為進一步提高鐵路重載裝備性能和貨運能力，在既有轉向架技術的基礎上，又相應開發了27 t 軸重的交叉支撐轉向架和副構架徑向轉向架[6-7].

但軸重提高必然帶來輪軌響應加劇的問題，特別是重載引起的曲線段輪軌磨耗和鋼軌疲勞傷損是鐵路重載運輸的突出問題，已成為世界重載鐵路運輸國家普遍面臨的工程難題[8].國內外眾多理論研究和實驗表明，采用徑向轉向架技術是解決曲線段輪軌動力問題的有效措施[9-21].由此，本文基于車輛-軌道耦合動力學理論，針對我國目前研制并投入應用的交叉支撐式轉向架和副構架徑向轉向架這兩種重載貨車轉向架的實際結構和具體參數，分別建立了車輛-軌道耦合動力學分析模型，對曲線通過動態作用下的輪軌磨耗特性與普通三大件結構轉向架進行了對比仿真分析.

1 重載貨車-軌道耦合動力學模型

重載貨車轉向架為了降低輪軌垂向動力作用，不再采用傳統貨車轉向架單一中央懸掛的懸掛方式，而在側架和車軸連接處增設了軸箱彈性橡膠墊，形成二系懸掛降低簧下質量.本文的分析模型直接采用作者在文獻[21]已建立的重載貨車-軌道動力學模型.為使計算合理，建模時全面考慮了重載貨車具體結構特性和其非線性環節.車輛模型主要由1 個車體、2 個搖枕、4 個側架和4 個輪對組成，軌道模型則由左右鋼軌、軌枕和離散的道床塊組成.對兩種轉向架中分別連接左右側架的交叉支撐裝置和連接前后副構架的交叉拉桿則采用縱向和橫向剛度兩向剛度來進行彈性模擬，如圖1所示，其質量則分別等效到左右側架和前后輪對.整個車輛-軌道耦合模型、自由度和圖中的各符號定義請詳見文獻[21]，這里不再贅述.

圖1 側架交叉支撐裝置和副構架連接交叉拉桿的二維剛度模擬Fig.1 2D stiffness models of the side-frame cross braced appliance and sub-frame connecting cross-bar

2 輪軌動力作用仿真分析比較

2.1 仿真計算工況

仿真計算工況設置如表1所示.車輛選用軸重為27 t 分別裝用3 種轉向架的運煤敞車的重車工況，車輛參數按實際參數選取.曲線線路參數設置參照我國Ⅰ級客貨混線線路實際和我國大秦運煤專線、朔黃煤運專線等重載線路以及我國頒布施行的《重載鐵路設計規范》（TB 10625—2017）[22]中關于新建重載線路的要求，曲線半徑取R= 400～1 500 m；緩和曲線和圓曲線長度按《重載鐵路設計規范》規定中的困難工況選取，最小取值40 m；運行速度按重載車輛運行80 km/h 和100 km/h 速度等級計算；外軌超高最高不超過150 mm；線路激擾則考慮無線路不平順激擾和京哈、京廣、京滬3 大重載提速干線譜激擾兩種工況.

2.2 輪軌動力作用比較分析

2.2.1 無線路不平順激擾時曲線通過特性比較分析輪對搖頭角定義為輪對軸線與線路中心線法線方向的偏轉角度.在仿真計算時，常用輪對搖頭角指標來衡量和評價車輛的徑向能力.圖2是裝用3 種轉向架的重載貨車以80 km/h 速度通過R= 600 m的曲線時，車輛各輪對搖頭角的變化比較.由圖2可見，車輛進入曲線后，輪對開始出現搖頭，且搖頭角隨曲線曲率增大而增大；車輛的導向輪對出現負搖頭，而非導向輪對出現正搖頭.從搖頭角大小比較來看，側架交叉支撐轉向架的輪對搖頭角最大，導向和非導向輪對的搖頭角分別為- 0.081 85°和0.045 34°，普通三大件轉向架的值分別為- 0.078 79°和0.021 84°，而副構架徑向轉向架最小，其值分別為- 0.047 37°和0.029 92°，幾乎只有側架交叉支撐轉向架的一半.

表1 仿真計算工況Tab.1 Simulation working conditions

圖2 R600 m 曲線通過時的輪對搖頭角比較（無線路不平順激擾）Fig.2 Comparisons of yaws of wheel-sets during negotiating R600 m curve (without track irregularity excitation)

最理想的徑向轉向架就是車輛通過曲線時，轉向架輪對均處于徑向位置，即呈“外八字”形狀，使輪對的軸向與曲線的徑向重合.所以，比較轉向架前后輪對的搖頭角差值能進一步反映（及前后輪對同步性）轉向架的徑向能力.圖3（a）是裝用3 種轉向架的重載貨車通過R= 400 m 曲線時，其前后輪對搖頭角差值的比較.由圖可見，在小半徑曲線工況時（R= 400 m），副構架徑向轉向架的前后輪對搖頭角差值遠小于另外兩種轉向架，說明其徑向能力最好；而側架交叉支撐轉向架的前后輪對搖頭角差值甚至超過了普通三大件轉向架.這說明單從轉向架徑向能力比較來看，副構架徑向能力最好，而側架交叉轉向架最差.圖3（b）是3 種轉向架通過不同半徑曲線時，轉向架前后輪對搖頭角最大差值比較.從圖可見，在R= 400～1 000 m 范圍內，側架交叉支撐轉向架的前后輪對搖頭角差值最大，而副構架徑向轉向架的最小.但隨著曲線半徑加大，前后輪對搖頭角差值下降，且各轉向架之間的差異減小.特別是在R＞ 1 000 m 后，前后輪對搖頭角差值變化甚微.這說明徑向轉向架主要適用于小半徑曲線線路，且曲線半徑越小，徑向效果就越明顯.

提高轉向架徑向能力的最終目的是實現車輛曲線通過時的低動力作用.為進一步驗證轉向架的徑向能力是否能有效降低輪軌動力作用，本文以輪軌橫向力和輪軌磨耗功（定義為輪軌蠕滑力與蠕滑率的乘積）這兩個常用的輪軌動力評價指標來進行比較分析.

圖3 各轉向架前后輪對搖頭角的差值比較（無線路不平順激擾）Fig.3 Comparison yaw D-value of the front and back wheel-sets of different bogies (without track irregularity excitation)

圖4 各轉向架輪軌橫向力比較（無線路不平順激擾）Fig.4 Comparison wheel/rail lateral force of different bogies (without track irregularity excitation)

圖4（a）是車輛通過R= 400 m 的曲線時，各轉向架整體輪軌橫向力（兩輪對左右側輪軌橫向力絕對值之和）的變化情況.由圖可見，輪軌橫向力最大的是普通三大件轉向架，其次是側架交叉支撐轉向架，最小的則是副構架徑向轉向架，最大值分別為69.932、58.39、49.382 kN；圖4（b）進一步比較了各轉向架通過不同半徑曲線時的平均輪軌橫向力.隨著曲線半徑加大，平均輪軌橫向力下降，且在R＜800 m 時，下降幅度明顯，但在R＞ 800 m 后，明顯趨緩.在R= 400～1 500 m 范圍內，平均輪軌橫向力最大的始終是普通三大件轉向架，在R＜ 800 m 時，副構架徑向轉向架最小，但在R＞ 800 m 后，側架交叉支撐轉向架反而最小，但與副構架徑向轉向架差別很小.

圖5 各轉向架輪軌磨耗功的比較（無線路不平順激擾）Fig.5 Comparison wheel/rail wear power of different bogies (without track irregularity excitation)

圖5（a）是車輛通過R= 400 m 的曲線時，各轉向架所受整體輪軌磨耗功變化圖.由圖5（a）可見，普通三大件轉向架的輪軌磨耗功最大、側架交叉支撐轉向架次之，而副構架徑向轉向架最小，其最大值分別為259.12、178.23、60.42 N·m/m，三者比是4.29∶2.95∶1.圖5（b）進一步比較了不同曲線半徑時轉向架平均輪軌磨耗功之和（1、2 位輪對內外側平均磨耗功之和）的大小.從圖可見，在R= 400～1 500 m范圍內，平均輪軌磨耗功最大的是普通三大件轉向架，其次是側架交叉支撐轉向架，最小的是副構架徑向轉向架，且曲線半徑越小，差異越大.當曲線半徑為1 500 m 時，普通三大件轉向架、交叉支撐轉向架和副構架徑向轉向架的輪軌磨耗功均值是17.66、11.05、10.62 N·m/m，比值為1.66∶1.04∶1，最大倍數不到1.7；在半徑是800 m 時，均值為46.12 、26.35、14.33 N·m/m，比值約為3.22∶1.84∶1，最大倍數已超過3 倍；而當R= 400 m 時，三者均值為125.38、82.40、29.27 N·m/m，對應比值為4.28∶2.82∶1，最大倍數已超過4 倍.

2.2.2 軌道線路譜激擾下曲線通過特性比較分析

為進一步分析比較各轉向架在實際曲線線路上運行時的輪軌作用特性和降低輪軌磨耗的能力，本文對27 t 軸重重載貨車在我國三大重載干線譜激勵下曲線通過時的輪軌響應進行了仿真分析.

表2是分別裝用3 種轉向架的重載貨車通過半徑為400 m 的線路，在我國三大重載干線軌道譜激擾下，其最大輪軌橫向力和輪軌磨耗功均值的響應（有線路不平順激擾）.從表2輪軌橫向力極值響應對比來看，在有線路激擾后，各轉向架的最大輪軌橫向力有所不同，但差別相對無線路激擾時要小（參看圖4），特別是1、2 位內外側最大輪軌橫向力之和幾乎一致（分別為126.40、128.37、125.81 kN），三者比近乎1∶1∶1，而在無線路激擾時三者對應的最大值分別是69.93、58.39、49.38 kN，對應比約則是1.4∶1.2∶1.這說明在有線路激擾后，不同的轉向架結構會對橫向力瞬態響應幅值產生一定影響，但相對無線路激擾時，其影響相對效果減弱，輪軌橫向力大小主要取決于線路不平順的激擾.

對比表2中各轉向架輪軌磨耗功均值可知，有線路激擾時，各轉向架輪軌磨耗功均值都較無線路激擾時有所增加，但各轉向架增加幅度有較大差異.如三大件普通轉向架、側架交叉支撐轉向架和副構架徑向轉向架在無線路激擾時總的輪軌磨耗功分別是125.38、82.39、29.28 N·m/m，而有線路激擾后對應值分別是151.81、127.86、85.59 N·m/m，相應增大1.21、1.55、2.92 倍，其中，普通三大件轉向架的增長幅度最小，而副構架徑向轉向架增長幅度最大.但從總的輪軌磨耗功大小來看，普通三大件轉向架仍最大，其次是側架交叉支撐轉向架，最小的還是副構架徑向轉向架.但有線路激擾后，其相對比值有所下降，如在無激擾時，3 種轉向架總的輪軌磨耗功比是4.28∶2.84∶1，有線路激擾后則下降到1.77∶1.49∶1.綜上所見，說明無論有無線路激擾，降低輪軌磨耗效果最好的是副構架徑向轉向架，其次是側架交叉支撐轉向架，最差的是普通三大件轉向架.但存在線路激擾后，其相對優勢會減弱.這表明，要降低輪軌磨耗除了改進轉向架結構（如采用徑向轉向架）外，關鍵還是要提高線路質量等級，降低線路不平順對車輛的激擾，且線路越平順越光滑，徑向轉向架的結構優勢就會越明顯.

為進一步比較各轉向架在不同曲線半徑線路上降低輪軌磨耗的能力，圖6比較了各轉向架在線路不平順激擾下，輪軌磨耗功隨曲線半徑的變化關系.從圖6中可明顯發現，在曲線半徑R= 400～1 500 m范圍內，無論是輪軌磨耗功極值還是輪軌磨耗功均值都隨曲線半徑增大而減小，說明曲線半徑越大，輪軌磨耗越小.從圖6（a）輪軌磨耗最大值比較看，側架交叉支撐轉向架值最大，而副構架徑向轉向架和普通三大件轉向架大致相當.從圖6（b）輪軌磨耗功均值比較看，最大的是普通三大件轉向架，側架交叉支撐轉向架次之，最小的是副構架徑向轉向架，特別在曲線半徑R＜ 800 m 時，差異較明顯.隨著曲線半徑增大，差異變小，當曲線半徑R＞ 1 000 m 后，其均值幾乎相當.這說明從磨耗均值來看，相對普通三大件轉向架，副構架徑向轉向架和側架交叉支撐轉向架都能降低輪軌磨耗，特別是在小曲線半徑線路（R＜ 800 m），副構架徑向轉向架的徑向能力突出，優勢更為明顯，但當曲線半徑超過1 000 m 后，徑向作用逐漸弱化，使用徑向轉向架降低輪軌磨耗的效果會大大降低.

表2 車輛曲線通過的輪軌橫向力極值和輪軌磨耗功均值（有線不平順激擾）Tab.2 Peak values of lateral force and mean values of wear power while negotiating curve (with track irregularity excitation)

圖6 曲線半徑對各轉向架輪軌磨耗功的影響（有線路不平順激擾）Fig.6 Effects of curve radius on wheel/rail wear power of different bogies (with track irregularity excitation)

3 結 論

（1）若單以輪對搖頭角作為貨車轉向架徑向能力評價指標比較看，曲線通過時，副構架徑向轉向架的輪對搖頭角和前后輪對搖頭角差都最小，且曲線半徑越小（R＜ 800 m），其徑向優勢越明顯.

（2）若以輪軌橫向力和輪軌磨耗功兩項評價指標比較看，在小曲線半徑（R＜ 800 m）線路，副構架徑向轉向架表現最好，側架交叉支撐轉向架次之，普通三大件轉向架最差；但隨著曲線半徑加大，輪軌磨耗差異逐漸縮小，特別當曲線半徑超過1 000 m 后，側架交叉支撐轉向架和福構架徑向轉向架的磨耗已基本相當.表明在小半徑曲線（R＜ 800 m），使用副構架徑向轉向架在降低輪軌磨耗上具有較大優勢，但在大曲線半徑（R＞ 1 000 m）或直線線路，徑向作用逐漸弱化，使用徑向轉向架降低輪軌磨耗的效果會大大降低.

（3）在有線路激勵后，各轉向架的輪軌動力作用會明顯加大，特別是輪軌磨耗功成倍增加，將加劇輪軌磨耗.從各轉向架的輪軌橫向力和輪軌磨耗功評價指標比較來看，盡管副構架徑向轉向架在有線路激擾后還是表現更好，但相對無線路激擾時，其優勢會明顯減弱.

致謝：西南交通大學牽引動力中心王開云研究員、趙春發研究員對論文的指導和建議；湖北民族學院博士科研啟動基金資助項目（MY2015B009）的支持.