（光学工程专业论文）325t轴重货车径向转向架动力学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 研制3 0 t 以上大轴重货车转向架是中国重载运输发展的下一个目标，其中对径向转 向架的重载化改造是可行的路径之一。我国在副构架自导向径向转向架的研制上技术已 具有一定基础，但将其应用于3 2 5 t 轴重的重载运输尚无相关研究成果，况且从2 5 t 轴重 径向转向架一转k 7 的试用情况来看还存在一系列的不足。本文在研究副构架对角支 撑自导向径向转向架对车辆动力学性能影响的理论基础上，通过s i m p a c k 动力学仿真 软件计算分析其在3 2 5 t 轴重下动力学性能方面的可行性，最后对现已发现的一些问题 提出相应的改进建议，希望能为我国新型大轴重货车转向架的选型研究提供一些有用的 参考。 理论分析认为，自导向径向转向架能改善车辆曲线通过性能有两方面的原因。一是 转向架进入曲线后，径向机构将先进入曲线的导向轮对所受的蠕滑力矩传递到后随轮对， 使其转向径向位置，减小了后随轮对的摇头角位移。另一个因素就是径向机构对转向架 附加的等效剪切刚度值，使转向架的蛇行稳定性更好，同时，轴箱定位刚度也可以比传 统转向架取值更低，以利于曲线通过。而副构架对角支撑式径向机构提供的附加剪切刚 度值和3 个参数相关：径向杆刚度、径向杆横向和纵向安装跨距。这对径向转向架的改 造具有现实意义。 仿真结果说明，由于副构架为转向架提供了附加的等效剪切刚度，自导向径向转向 架可以比同为柔性悬挂的交叉支撑传统三大件转向架取得更高的蛇行临界速度和脱轨稳 定性。分析比较了两种转向架的直线和曲线轨道上的动力学和磨耗性能差别，计算结果 表明径向转向架均具有一些优势，证明径向转向架用于3 2 5 t 轴重货车的方案是可行的。 对副构架径向机构的改进研究中，主要分析了径向杆刚度的选择、径向杆安装点几 何参数的改变和安装的铰接方式的改进三项对转向架动力学性能的影响。 关键词：重载货车；径向转向架；动力学仿真；径向机构改进 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t d e v e l o p i n gb i g a x l el o a df r e i g h tb o g i ea b o v e3 0 ti st h en e x tt a r g e to fc h i n ah e a v yh a u l ， a n dt h et r a n s f o r m a t i o nt oh e a v yh a u lo nt h es t e e r i n gb o g i ei saf e a s i b l ep a t h t h er e s e a r c ho n s u b f r a m es e l f - s t e e r i n gb o g i eh a sb e e nm a t u r ei nc h i n a , b u tf e wr e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t so n 3 2 5ta x l el o a dh e a v yh a u lh a sb e e nd e v e l o p e d b e s i d e sf r o mt h eu s eo f2 5 ta x l es t e e r i n gb o g i e k 7 ，t h e r ea r ean u m b e ro fd e f i c i e n c i e s b a s e do nt h et h e o r yr e s e a r c ho nt h es u b f r a m es t e e r i n g b o g i eu s e dc r o s s a n c h o rt o t h ev e h i c l ed y n a m i c sp e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rm a k eu s eo f s i m p a c kd y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r et oc a l c u l a t ea n da n a l y s i st h ef e a s i b i l i t yo fd y n a m i c p e r f o r m a n c eo fs t e e r i n gb o 百eu n d e r3 2 5 ta x l el o a d f i n a l l ya i ma ts o m eo f t h ep r o b l e m s ，t h e p a p e ro f f e r saf e ws u g g e s t i o n sf o rt h ei m p r o v e m e n t , h o p i n gf o rp r o v i d i n gs o m eu s e f u l r e f e r e n c e sf o r t h es e l e c t i o no fn e w b i ga x l el o a db o 西e v i at h e o r ya n a l y s i s ，t h e r ea r et w of a c t o r so fs e l f - s t e e r i n gb o g i et oi m p r o v ev e h i c l ec u r v i n g p e r f o r m a n c e o n ef a c t o ri st h a tw h e nb o g i ee n t e r i n gt h ec u r v e ，t h es t e e r i n gm e c h a n i s mw o u l d t r a n s f e rc r e e pt o r q u eo ft h ed i r e c tw h e e l s e tt ot h er e a rw h e e l s e t ，w h i c ht u r n si ti n t or a d i a l p o s i t i o n , a n dr e d u c e i t s y a wa n g l ed i s p l a c e m e n t a n o t h e rf a c t o r i st h ee q u i v a l e n ts h e a r s t i f f n e s so ft h es t e e r i n gm e c h a n i s ma d d i n gt ot h eb o g i e ，w h i c hm a k e st h eb o 西eh u n t i n g s t a b i l i t yb e t t e r a ts a m et i m e ，t h eb o xs u s p e n s i o ns t i f f n e s sv a l u e sc a nb el o w e rt h a nt h e t r a d i t i o n a lt r u c k ，w h i c hi sg o o df o rc u r v e - p a s s i n gp e r f o r m a n c e t h ea d d i t i o n a ls h e a rs t i f f n e s s v a l u ef r o mt h es u b - f l a m ec r o s s - - a n c h o r s t e e r i n gm e c h a n i s mr e l a t e st o t h r e ep a r a m e t e r s ： s t i f f n e s so fr a d i a lr o d s ，l o n g i t u d i n a la n dl a t e r a lm o u n t i n gs p a no fs t e e r i n gr o d s ，w h i c hh a v e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ei m p r o v e m e n to ft h es t e e r i n gb o g i e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，b e c a u s eo ft h ea d d i t i o n a l e q u i v a l e n t s h e a rs t i f f n e s s ， s e l f - s t e e r i n gb o g i ec a na c h i e v eah i g h e rh u n t i n gc r i t i c a ls p e e da n dd e r a i l e ds t a b i l i t yc o m p a r e d w i t ht h ec r o s ss u p p o r t e dt r a d i t i o n a lt h r e ep i e c e sb o g i eb o t hu s i n gt h ef l e x i b l es u s p e n s i o n t h e p a p e ra n a l y s e s a n dc o m p a r e st h et w ob o g i e sd i f f e r e n c e so nt h ed y n a m i c sa n dw e a r p e r f o r m a n c eo ns t r a i g h ta n dc u r v et r a c k ，a n df i n d st h a tr a d i a lt r u c kh a ss o m ea d v a n t a g e s ， w h i c hp r o v e st h a ts t e e r i n gb o g i ei sf e a s i b l ef o r3 2 5 ta x l el o a d t h er e s e a r c ho nt h ei m p r o v e m e n to ft h es t e e r i n gm e c h a n i s ma n a l y s e st h r e ef a c t o r s - - t h e s e l e c t i o no fr a d i a lr o d ss t i f f n e s s ，t h ec h a n g eo fg e o m e t r yp a r a m e t e r so fr a d i a lr o dm o u n tp o i n t a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h em o u n tp o i n th i n g e ，w h i c ha f f e c tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h e b o g i e k e y w o r d ：h e a v yh a u lf r e i g h tw a g o n ；s t e e r i n gb o g i e ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；i m p r o v e m e n to f s t e e r i n gm e c h a n i s m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 作为人口数量占世界总量2 0 的大国，我国却用只占世界6 5 的铁路里程数，承载 了占世界总量2 7 3 的客运量和2 4 8 的货运量。铁路运输密度极大，运能严重不足，成 为制约国民经济发展的瓶颈。为保障经济快速发展，重载和高速是当今中国铁路行业发 展的必由之路，也是铁路行业实现新的技术革新的动力。同时，提高轴重也是提高载重、 降低运行成本的有效措施。近年来，随着高速客运专线陆续建成，我国长期以来线路客 货混跑的局面将得到极大改变，8 0 线路将用于货物运输，以此为契机，我国重载铁路 运输开始有了更大的发展空间。 国际重载运输协会( m h a ) 为重载运输做了定义，即重载列车牵引重量至少达到 8 0 0 0 t ，轴重2 7 t 以上。而国际普遍采用的重载技术发展方向就是增加轴重。其中美国已 广泛装备3 2 5 t 轴重转向架，并正在朝3 5 7 t 发展，而澳大利亚3 5 7 t 到4 0 t 重载车辆已得 到大量运用。从每延米载重来看，国外在重载专用线上使用的大轴重铁路货车每延米载 重已达到或超过了l o t m 。我国经过近年的发展，轴重从2 0 世纪末的2 1 t 发展到后来2 3 t ， 乃至2 5 t ，但仍低于国际标准。低轴重导致我国铁路运输密度要高于世界平均水平4 倍， 在某些特殊货物运输专线( 如大同一秦皇岛运煤专线) 甚至更高，如图l - 1 所示。高密 度的运输已造成铁路线路磨损情况严重，如图1 2 所示，研制更大轴重货运车辆成为当 务之急。 图1 - 1 大秦线运煤专用列车 增大轴重随之带来的是轮轨间的相互作用力的增大，车轮与钢轨磨损的加剧，对轨 道结构的破坏作用也显著加强，大大增加了维护成本。减轻重载货车的轮轨动力作用有， 线路技术和车辆技术两种基本途径。结合我国实际情况，将机车车辆为突破口，在既有 线上开行新型低动力作用重载货车。而转向架作为重载货车走行部，对降低轮轨作用力 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 起到至关重要的作用。 图l - 2 钢轨踏面剥禹损坏 1 2 各国大轴重货车转向架技术发展现状 世界各国对重载货车转向架作了卓有成效的研究，比如优化悬挂参数、降低转向架 自重、采用大直径车轮和轴承、优化踏面外形与良好的修复、优良的心盘润滑等等，包 括新型的径向转向架。根据各国转向架发展经验，2 1 世纪对新型重载货车转向架的技术 要求可以总结为：蛇行临界速度大于1 2 0k m h ；在曲线上轮轨间横向作用力要小；能满 足不同货物的平稳性指标要求；在扭曲线路上有较好的均载性能；具有轻量化的簧下质 量和自重等等。下面例举几个重载运输技术居于世界前列的国家在转向架方面的发展与 应用。 1 2 1 美国 美国铁路重载技术一直处在世界前列，如今美国铁路轴重2 5 t 、载重7 0 t 的2 2 0 型货 车已经淘汰；仍在大量使用的2 6 3 型货车轴重2 9 8 t 、载重9 0 1 0 0 t 的，已运行几十年， 经过改造可允许增载1 0 ；新造车辆主要是2 8 6 型，轴重3 2 4 3 t 、载重1 1 0 t ；3 1 5 型货车 是美国重载运输发展的下一个目标，轴重3 5 7 t 、载重1 2 0 t ，2 0 0 0 2 0 0 4 年在重载试验环 线进行了运行考验，2 0 0 5 2 0 0 6 年在少量的矿石车中应用。美国现应用的重载货车转向 架以硒d ec o n t r o l 、b a r b e r 型为主。另外，a s f 运动控制型转向架( s u p e r - s e r v i c ei u d e c o n t r 0 1 ) 和b a r b e rs 2 h 1 3 型转向架轴重均为3 2 4 3 t ，能够运用于总重为1 2 9 7 t 的车辆， 符合美国铁路协会( a a r ) m 9 7 6 规范要求，以其结构简单、制造成本低、维修方便适 应了美国重载运输空、重车运行6 啦8 0 k m h 的需要，因此得到了大量的运用。美国应用 的主型转向架还有d r e s s e r d r - 1 导向臂径向转向架、b a r b e r - s c h e f f e l 自导向径向转向架、 d e v i n e - s c a l e s 迫导向径向转向架、n a t i o n a ls w i n gm o t i o n 摆动式转向架、m a x i r i d e1 0 0 转 向架、a c ff a b r i c a t e d 焊接构架转向架和a l u s u i s s e 铝质铰接式转向架等等。 a a r 曾进行了大轴重悬挂系统优选课题，该课题针对将三大件式转向架轴重从3 0 t 提高到3 6 t 后，选择最佳悬挂系统问题进行了相关试验，其目的是提出3 6 t 轴重货车转 向架的性能标准，目标是较低垂向动作用力和曲线上较小的横向力，高的临界速度，实 现减少轨道和车辆部件的磨耗，减小车辆运行阻力。该课题最终选用了三种转向架：标 准车辆转向架公司的b a r b e rs - 2 h d 侧架交叉连接杆转向架，如图l 一3 ，该转向架装有变 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 摩擦斜楔减振器、轴箱橡胶垫；美国铸钢公司的a r - 1 型两轮对间用u 型杆连接的径向 转向架，如图1 - 4 ，装有常摩擦减振器、抗侧滚液压减振器、轴箱橡胶垫；博基铸钢公 司x c r v i i 宽斜楔转向架，其装有常摩擦减振器、抗侧滚液压减振器、轴箱橡胶垫。试 验结果表明b a r b e rs - 2 一h d 交叉支撑转向架和a r 1 径向转向架均具有较高的经济效益。 图1 - 3b a r b e rs - 2 h d 转向架 1 2 2 加拿大 图l _ 4a r - 1 转向架 加拿大i 级铁路标准轴重已于1 9 9 5 年改为3 3 t 。其中q c m 公司的重载矿石线和c p 公 司的重载运煤线上使用了重载运输车辆，每天分别开行5 列和8 列万吨列车，列车牵引 总重为1 9 0 7 2 t 和1 6 0 8 2 t 。转向架方面，矿石车全部采用标准控制型转向架；煤车主要采 用b a r b e r s - 2 h d 型交叉支撑转向架，部分货车采用在d r - 1 转向架型基础上开发的a r - 2 型转向架。车轮方面采用直径口矽1 5 m m 的车轮，2 9 8 t 、3 2 4 3 t 轴重货车均采用6 1 2 ”1 2 ” 的轴承。 1 2 3 澳大利亚 澳大利亚的重载运输主要应用于矿石专线上，例如b h p 公司和力拓公司的矿石运输 专线，连接矿山与港口，每天开行2 3 对列车，列车编组3 0 0 - - 3 3 6 辆，列车总重约4 5 万吨。b h p 曾创下世界最重列车记录，该列车由6 8 2 辆车组成，长7 3 5 3 m ，列车总重9 9 7 3 2 万吨，载重8 2 2 6 5 万吨，8 台g e a c 6 0 0 0 分散动力机车牵引。澳大利亚重载运输货车 的主型转向架为r i d ec o n t r o l 控制型转向架，如图l 一5 ，该转向架在b h p 公司、力拓矿 石公司大量采用，轴重有2 9 8 t 、3 2 5 t 、3 5 7 t 等，车辆的运行速度为空车7 0 k m h ，重车 8 0 k m h 。 图1 5 硒d ec o n t r o l 控制型转向架 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 4 南非 上世纪7 0 年代，南非建成了2 条重载运输线。矿石线将塞申的铁矿石运至8 6 0 k r n 外的萨尔达尼亚港；煤炭线，将东部煤炭运输到6 0 0 k m 外的理查兹贝湾。在重载运输方 面，提高运输能力的方法为增加单车载重。矿石线路在2 1 世纪初将车辆的轴重由2 6 t 提 高到3 0 t ，车辆载重由8 5 5 t 提高到1 0 0 t ；煤炭线路的车辆轴重由l8 5 t 提高到2 0 t 、2 6 t 。 南非铁路车辆采用的货车转向架6 0 为s c h e f f e l 转向架，其型号分别为m k i i i 、v 和型，如图1 - 6 ，另外2 0 为b a r b e rs - 2 型交叉支撑转向架和2 0 的标准b a r b e r 型转 向架。转向架多数采用直径为q 5 0 1 5 m m 的车轮，少数采用q 8 6 3 m m 的车轮。2 0 t 轴重货 车采用6 ”1 1 ”轴承，2 6 t 轴重货车采用6 1 2 ”x1 2 ”轴承。 图1 - 6 m k v i i 转向架 1 2 5 巴西 巴西的重载铁路主要由c v r d 公司经营。1 6 0 0 m m 宽轨线路，采用2 9 8 t 、3 2 5 t 轴重， g d t 矿石车专列采用2 0 6 辆编组，最高运行速度7 5 k m h ，转向架以控制型转向架为主， 配有少量b a r b e r 型转向架、摆式转向架和交叉支撑转向架；米轨线路轴重2 5 t ，g d e 矿 石车专列一般编组2 4 0 辆，最多编组3 2 0 辆，最高运行速度空车6 5 k m h ，重车5 0 k m h ， 以控制型转向架为主，部分b a r b e r 型转向架，如图1 7 所示。 图1 7b a r b e rs - 2 一e 转向架 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表1 - 1 国外大轴重货车转向架m 1 1 2 6 中国 我国早在上世纪9 0 年代就着手对大轴重货车转向架进行研究，自主研发了2 5 t 轴重 的焊接构架式转向架和三大件式转向架等。出于多方面原因，这些转向架的试验性能均 存在一些问题，未被推广使用。目前，我国定型的大轴重转向架是通过引进国外技术开 发的，主要有转k 5 型、转k 6 型和转k 7 型转向架，轴重都是2 5 t ，车轴采用e 轴，最 高运行速度可达1 2 0 k m h 。转k 5 型转向架属于摆动式转向架( s w i n g m o t i o n 转向架) ， 转k 6 型转向架属于交叉支撑式转向架，转k 7 型转向架属于副构架自导向径向转向架。 三种转向架都源于铸钢三大件转向架，技术条件成熟，在重载货车中得到了较好的推广， 为我国铁路重载运输奠定了基础。 图1 - 8 转k 6 转向架结构图 参照国外大轴重货车转向架技术性能特点和我国现有货车转向架的特点及技术条 件，新型大轴重货车转向架应达到以下设计目标：轴重能达到3 2 5 t ；空车最高运行速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 达到1 0 0 k m h ，重车达到8 0 k m h ；满足较低的簧下质量、减振系统结构简单性能优良、 轮轨作用力和磨耗低等设计原则；应能适应目前用于国内的各型货车，适合于现有的制 动系统、路边轴温监测系统和传统的制造技术；具有现有三大件转向架相近的成本和可 维修性。 1 3 径向转向架在重载运输中的应用 各国新研究的低作用力、大轴重新型货车转向架，类型主要有交叉支撑型、径向转 向架和刚性构架型、运动控制型等新型转向架。其中大轴重的径向转向架己在南非、北 美国家中实现了成功的应用，并且展现出良好的曲线运行性能和较低的运行阻力的优点。 鉴于我国既有线路曲线路段较多，线路条件复杂的情况，研究低动力作用径向转向架对 开行重载货车具有重要意义。 1 3 1 径向转向架的发展与应用 转向架主要参数如轮对定位刚度、踏面斜率、中央悬挂刚度、转向架固定轴距和轴 重等参数对提高蛇行运动稳定性和改善曲线通过性能是相互矛盾的，常规转向架由于首 要满足蛇行运动稳定性，通常轮对纵向刚度大、间隙小，这有利于加强摇头约束，但导 致车轮难以顺畅地沿着曲线轨道转向运行，会产生较大的轮轨横向力和冲角、车轮与刚 轨的磨耗、发出噪声、运行阻力增大，特别是在小半径曲线上会产生轨道波状磨损的问 题。径向转向架是一种能够顺利通过曲线，同时抑制蛇行运动的产生以保证高速运行稳 定性，两者兼顾的转向架。 径向转向架的历史悠久。根据s c h e f f e l 的研究，从1 8 世纪的马车铁路时代就出现十 字交叉拉杆连接方式，其的设计就是受到在博物馆发现的资料的启发。关于摇头角连锁 方式，其基本思路本身仍然是出自世纪后半期已经在美国注册的专利。这些径向转向架 的雏形从设想到变成实物的试制过程中并未进行经过数学、结构和力学计算的优化，多 数出于经验设计。因此，连接机构的多余结构不仅增加转向架制造成本、恶化维护保养 性能，而且由于簧下重量增加而影响振动特性，使其难于推广普及而夭折。可以说，这 也正是铁道机车车辆及转向架动力学理论得以问世的缘由。直到1 9 6 7 年荷兰现代轮轨粘 着理论的开拓者j j k a l k e r 发表博士论文提出轮轨蠕滑理论，1 9 7 3 年英国国铁研究所的 w i c k e n s 提出等效刚度理论，开发新型结构与悬挂类型的转向架在动力学理论上才有可 能得以实现。 第一种试验型自导向径向转向架是d o u b l eb i s s e l 转向架，该转向架使用了两个a 形 副构架以增强轮对的剪切刚度，如图1 - 9 。但第一种批量生产的径向转向架却是南非铁 路研制成功的h s c h e f f e l 对角支撑式自导向转向架，s c h e f f e l 转向架保留了传统三大件转 向架的摩擦减振器和其它基本结构，如图1 1 0 。为了达到导向的目的，采用2 个u 形导 向臂将轮对两侧的轴箱连接在一起，导向臂横梁由径向杆对角斜支撑铰接形成副构架。 曲线上的径向原理是通过对角斜支撑机构把前后轮对摇头运动进行耦合，允许轮对反向 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 摇头，而抑制同向摇头，使得轮对同时趋于径向位置。经过几十年的发展，该类型转向 架发展出多种不同的型号，其中的m k - v 型转向架轴重已达到2 6 t ，并朝3 0 t 轴重发展。 图1 - 9d o u b l eb i s s e l 转向架 图1 1 0s c h e f f e l 副构架径向转向架 s c h e f f e l 转向架作为公认的最成功最经典的径向转向架曾被多个国家装备或仿制， 其中美国标准车辆转向架公司购买了s c h e f f e l 转向架的专利，制造了标准轨距的对角斜 撑转向架，称为b a r b e r - s c h e f f e l 转向架，用于9 0 7 t 的货车。 另外，美国铁路工程协会的h a r o l dl i s t 在三大件转向架基础上设计了d r 一1 型径向 转向架，可通过加装导向臂对三大件转向架作直接改装，两根对称的u 形导向臂直接安 装在承载鞍上，每轮对一个这两个导向臂由一个连杆通过摇枕中部的孔在摇枕下面销接 在一起。作用原理与s c h e f f e l 转向架的对角斜撑机构相似。 1 j 图1 - 11d r - 1 转向架径向机构图1 1 2a r - 1 转向架径向机构 加拿大d o f a s c o 公司在d r 1 基础上研制了d r 2 型转向架。d r 2 的导向臂中部连 接用弹性短杆代替铰接，以适应偏心连接引起的纵向运动。另外还加设了辅助横梁构成 准构架，兼有刚性构架和普通三大件转向架的优点，还可以安装盘形制动系统，具有足 够的抗菱刚度，又保持了侧架相对纵向线摇头扭转的柔性。北美铁路还开发了结构比d r 系列复杂的a r 1 ，a r 2 径向转向架，导向臂连接在转向架中心摇枕的心盘下。此外， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 r o ye s m i t h 提出了一种新型重载货车转向架叫e s c o 侧架迫导向货车转向架，如图 1 1 3 。r c s c oe n g i n e e r i n g 公司从1 9 9 8 年开始研发这种构架式货车径向转向架。由于车体 重量由弹簧座直接支承在箱形结构的侧架上，这种转向架的重量比一般形式的要轻4 5 左右。若考虑到侧架支承，车体中梁断面可进一步减小，车体自重将进一步下降。动力 学性能计算表明，这种转向架的直线稳定性和曲线通过性能均大大高于现有的转向架。 图1 1 3r e s c o 侧架迫导向转向架 由英国b t s c a l s c 设计，美国d e v i n e 公司制造的d e v i n e s c a l e s 转向架是利用联杆装 置将车体转向架构架轮轴连接在一起的一种迫导向型径向转向架，如图1 1 4 。还有由 英国国营铁路以w i c k c n s 理论为基础研制的c r o s s - b r a c e d 转向架，是在轮对上安装三角 形副构架，结构类似于s c h c f f d 转向架，不同的是顶点用特殊形状的球面轴承连接，如 图1 1 5 。 图l 一1 4d c v i n e s c a l c s 转向架径向机构图1 - 1 5c r o s s - b r a c e d 转向架 我国曾对迫导向转向架技术进行了大量研究工作，以应对我国西南地区米轨铁路轮 轨磨耗严重的问题。铁道部于1 9 8 5 年对米轨货车迫导向转向架的研制进行立项，1 9 8 9 年完成样车投入运营考验。该米轨迫导向转向架为车体杠杆迫导向模式，导向机构在垂 直于轨道平面内通过拉压杠杆分别把轴箱和车体连接起来，拉压杠杆两端采用了球铰， 可以承受3 个方向的力。该结构采用了剪切橡胶垫形成轴箱一系悬挂，车体枕梁上加设 连接点，除调整了侧架导框的间隙外，其他对三大件式转向架的结构改变较少。因此该 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 转向架机构简单，对称性好，磨耗件少，对原型转向架改造方便。此外，我国于1 9 9 4 年在吸收y 2 5 转向架的技术后研制了一种焊接构架自导向转向架。该转向架采用双侧利 诺尔减振器大大放松了一系定位，导向臂装于轴箱上，可以兼顾曲线通过和横向性能。 这两种径向转向架为我国研制径向转向架打下了基础，但因其轨距的特殊性，和较低的 轴重，未得到大批量生产和运用。 近年，南车眉山车辆有限公司在引进吸收南非s c h e f f e l 转向架技术的基础上，针对 我国的实际情况，研制出准轨的副构架自导向径向转向架转k 7 ，轴重达到了2 5 t ，如图 1 1 6 。该转向架设有类似的副构架对角斜撑径向杆装置，导向臂和轴箱承载鞍合为一体， 将前后轮对连接起来。曲线运行的径向原理与s c h e f f e l 转向架相同，由于轴箱采用柔性 悬挂，前后轮对摇头约束较低。直线运行时，轮对具有较高的剪切刚度，可以避免在侧 导框和摇枕摩擦减振器磨耗后造成的定位刚度不足和抗菱刚度下降后，保证转向架在长 期运行下仍能够具有足够的蛇行稳定性。该转向架已在大秦线上得到运用考验。总体来 说，该转向架具有运行速度较高、曲线通过性能好等优点，但存在结构复杂、检修不便 等缺点，目前只有小批量装车运用，还需进一步完善。 纷 r 。f 图1 1 6 转k 7 主要部件 另外，眉山车辆有限公司与s c h e f f e l 博士交流研制了外径向臂径向转向架，如图 1 1 7 ，该型转向架是针对传统转向架抗菱刚度低的问题设计的，并没有对角支撑的副构 架，而是在侧架外设置了径向臂和限力装置，径向臂和承载鞍铸为一体，限力装置在一 定预紧力的作用下将前后径向臂连接起来，直线上轮对几乎是刚性连接，可以避免三大 件转向架侧架导框和中央悬挂摩擦减振器磨耗后造成的定位刚度不足，临界速度降低的 问题。在车辆进入曲线时预紧力释放，解除轮对的摇头约束，同时，机构切换为一杠杆 机构，可以把导向轮对的径向趋势反向传递给后随轮对，能够取得较好的径向功能。 ，簿。纱一 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 图1 1 7 眉山谢菲尔外径向臂转向架 在参考美国d r 1 型自导向径向转向架的基础上，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公 司( 以下简称齐装备公司) 开发了适合中国国情的货车用自导向径向转向架该转向架， 该转向架是在普通铸钢三大件式转向架上增加了自导向径向装置，如图1 1 1 。两个焊接 结构导向臂采用螺栓连接于前后轮对的承载鞍上，两导向臂间采用弹性连接机构，侧架 和承载鞍间设有轴箱弹性橡胶垫。2 0 0 5 年6 月2 日和4 日，四方车辆研究所主持了对装 用该转向架的载重8 0t 全钢敞车进行了空重车线路动力学试验。 1 一导向臂；2 一中央弹性连接机构；3 一导向臂；4 轴箱橡胶垫；5 一承载鞍 图1 1 8 齐装备公司径向转向架径向机构 表l - 2 齐装备公司径向转向架主要技术参数嗍 名称数值 轴重( t ) 自重( t ) 固定轴距( m m ) 轴颈中心距( 眦n ) 车轮直径( 姗) 下心盘面高( r a m ) 最高运行速度( k r a h 1 ) 5 8 o 1 0 0 o 2 a 昭 鳃 斛 醯 坦 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 3 2 径向转向架应用于重载运输中的效果 由于径向转向架在曲线通过和蛇行稳定方面具有不可替代的优势，自上世纪7 0 年代 开始各国不断涌现出各种形式的径向转向架，不仅在货车上使用，客车和机车为满足在 既有线上提速和降低磨耗的需要，也对径向转向架作了研究和探讨。经过近4 0 年的应用 或实验，各种径向转向架体现出明显的优势，但同时也暴露出些许不足。 1 9 8 9 年9 月国际铁路报到了美国a s f 公司运用的a r - 1 型转向架，车辆稳定运 行速度在使用磨耗后车轮的情况下仍达到1 4 5 k m h ，轮缘磨耗减少7 0 ，滚动阻力在曲 线上减少5 0 ，直线上减少3 0 ，钢轨磨耗减少，稳定性提高。 南非铁路轨距1 0 6 7 m m ，曲线半径困难路段不足1 0 0 m ，以往使用的b a r b e r 转向架 曲线性能较差，车轮漩修一次只能运行2 0 2 5 个往返，临界速度重车为8 0 k m h ，空车仅 为7 0 k m h 。采用s c h c f f e l 转向架后，同样的车辆运行8 0 0 0 0 多公里后踏面磨耗还很小， 轮缘磨耗平均减少l 3 - - 1 2 ，临界速度也达到1 2 0 k m h 。 经济效益方面，例如加拿大国营铁路于1 9 7 8 年下半年开始在鲁斯卡煤矿至门港的固 定编组列车上试用d r 1 转向架，该线长9 0 0 公里，曲线较多，估计采用d r 1 后每辆车 每年可节省车轮和钢轨的维修费用9 5 0 美元；由于减少了通过曲线时的运行阻力，每辆 车每年还可节省机车牵引燃料费2 2 5 美元，每辆车安装导向臂的费用为1 7 5 0 美元。 南非铁路运输部门的调查统计显示，采用径向转向架每辆车每年能达到如下节约效 果：节约能源5 8 9 南非南特：车轮磨损节约9 1 l 南非兰特( r a n d ；1 9 9 0 年1 兰特约合 0 3 9 美元) ；对轨道的磨损减少费用5 5 8 兰特。总计每辆车每年节约的费用为2 0 5 8 兰特。 当改装既有的三大件转向架时，每辆车的零部件费用和安装工费约为1 0 0 0 兰特，2 年左 右可以收回全部投资m ，。 国外径向转向架经过数十年的运用和改进，取得了明显的成效。径向转向架在改善 曲线通过的同时，保持了较高的临界速度，降低了轮轨的作用力，减少了磨耗。由于近 似纯滚动运行，阻力小，还具有降低能耗的优点。自导向径向转向架大多是在原三大件 式传统转向架结构基础上研制的，结构相对简单，经过简单改造就能满足货车重载和在 曲线上提速的要求。 国内为研究径向转向架在重载运输中的可行性，比较2 5 t 级径向转向架与交叉支撑 型转向架在动力学性能方面的优势，2 0 0 7 年5 月，齐装备公司对试制的径向货车转向架 配装c 7 0 型敞车车体进行了动力学试验，同时用1 辆装用转k 6 型转向架的c 7 0 型敞车 作为比较车。试验结果认为，齐装备公司研制的径向货车转向架的动力学性能较好，但 原因是多方面的，其垂向及横向加速度峰值的降低主要得益于被试车采用了较大挠度的 轴箱一系悬挂及采取了降低二系悬挂横向刚度和提高空车弹簧挠度等措施，而与采用径 向机构与否关系不大，这些措施在其他转向架上也可采用。由于径向机构导致簧下质量 的增加，径向转向架降低轮轨垂向力的目的也没有达到。最终结论是径向转向架相对于 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 交叉支撑转向架的唯一优势就是重车曲线通过能力。 美国运输技术中心( t t c i ) 的研究成果显示，只有线路的曲线与直线比例大于1 时， 径向转向架降低轮缘磨耗的优势才能显现出来。 我国对径向转向架试制和运行中还发现径向转向架存在以下问题：闸瓦更换困难是 径向转向架的固有问题，不利于运营与检修；我国径向货车转向架的轴颈中心与车轮轮 辋外侧之间的间隙较南非小3 7 m m ，不利于径向机构和侧架的设计，提高侧架及径向机 构的安全可靠性需做大量工作；同等条件下，转向架重量要增加2 0 0k g 左右，不利于车 辆减重，齐装备公司设计的径向货车转向架重量之所以与转k 6 型转向架相当，是因为 摇枕、侧架采用了c 级钢；结构复杂，对制造及检修手段要求高，不利于推广。我国铁 路主要干线集中在东部平原地区，曲线比例不高，但西南、东南等山区的线路曲线半径 小且比例较高，这样广阔的幅员和漫长的铁路里程，若径向转向架直线和曲线都具有优 良性能，再应用于重载货车上，可充分发挥径向转向架的优势，最大可能地降低轮缘磨 耗。这些都为研制3 0 t 以上大轴重货车径向转向架提供了宝贵的参考和借鉴经验。 1 4 本文的主要研究内容 我国专家学者对于研制本国自己的径向转向架已做了深入的探讨和论证，已有各种 型号的客货和机车的径向转向架成型并实验，但在3 0 t 以上的重载货车转向架暂无成果。 影响径向转向架在我国重载运输中大面积推广使用的因素是多方面的，本文主要就3 2 5 t 径向转向架和交叉支撑型转向架的动力学性能进行比较和探讨，选择合适的结构形式的 径向转向架，探讨其在重载运行中的动力学性能方面的可行性，发现问题进而提出改进 方案，希望能为我国新型大轴重货车转向架的选型研究提供一些有用的参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章径向转向架动力学原理与模型 本章主要讨论3 2 5 t 径向转向架径向模式的选择和径向原理的分析，在此基础上建 立动力学模型。 2 1 径向模式的选择 径向转向架分为自导向转向架( s e l f - s t e e r i n g b o g i e ) 和迫导向转向架( f o r c e d s t e e r i n g b o g i e ) 两大类。自导向转向架是依靠轮轨间的蠕滑力，通过转向架自导向机构的作用使 轮对进入曲线时自然地呈径向位置展开；迫导向转向架是利用进入曲线轨道时车体与转 向架构架问的相对回转运动，通过专门的径向机构( 如连接车体与轴箱或副构架的杠杆 系统) 使轮对偏转，强迫轮对进入曲线后呈径向位置展开。迫导向径向机构径向能力明 显更强，但由于结构上的复杂性，各国对于迫导向转向架的研制和应用还无成熟的经验， 仍需进行大量的研究，才能达到成批运用的目标。因此本文主要讨论的是应用较广泛的 自导向径向转向架。 ( a ) 中央铰接式( b ) 对角支撑杆式 ( c ) w a t t 连杆机构式 图2 1 自导向径向模式示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 自导向转向架径向机构主要有中央铰接、轮对对角支撑杆和w a 仕连杆机构三种，如 图2 1 所示。例如c r o s s b r a c e d 转向架采用两个三角形支架一端与车轴装配在一起，一 端则在中央相互铰接的径向机构，轮对的径向力由三角支架和铰接点传递，这种模式也 包括u 形导向臂式，如d r 系列转向架，径向原理相同；s c h e f f e l 转向架采用的是轮对 对角支撑机构，轮对间形成反向摇头耦合产生径向作用；w a 仕连杆机构可以提供轴间的 剪切刚度和抑制轮对的纵向振动，径向能力由轴间连接杆的杠杆作用实现，也称作拉压 杆式，杠杆支点放在侧架上。三种模式中，中央铰接式径向机构径向能力最弱，而w a t t 连接径向机构杆件较多，机构复杂，检修不便，可靠性也降低，对于货车转向架不可取。 我国对于径向杆对角支撑型转向架研究和改进经验都较为成熟，且研制成功的转k 7 型 转向架也已通过2 5 t 轴重运行的考验，因此本文着重对轴重3 2 5 t 的对角支撑副构架式自 导向径向转向架的动力学性能进行探讨。 2 2 径向机构理论分析 自导向径向转向架的径向机理的理论基础是蠕滑力导向理论和等效刚度理论。蠕滑 导向理论是指轮对依靠蠕滑力和蠕滑力矩的作用通过曲线，此间轮对中心始终围绕纯滚 动附近作微小移动，以保证轮对轴线动态稳定的处在其径向位置n 1 ，这被称为轮对的稳 态曲线通过。但这只是单轮对理想条件下的曲线通过，而实际上对于具有多轮对的转向 架，任何形式的轴箱约束都能阻碍轮对的自由导向，这就要求悬挂刚度越小越好。但是 悬挂刚度太小又不利于转向架的蛇行稳定性。等效刚度理论为解决这个矛盾，研制新型 结构的转向架提供了可行的研究方法，能够使两者达到可行的折中。 一二 ( a ) 传统转向架过( b ) 径向转向架 图2 2 转向架通过曲线时的轮对形态 根据等效刚度理论，任何机构形式的转 向架水平面内的悬挂特性都可以归结为轮对 间相互作用连接关系，静力学上可等效为轮 对间的弹性约束，由等效剪切刚度骼和等效 弯曲刚度局代换。缸越大，临界速度越高， 局越小，曲线通过性能越好。由等效模型 k 如刚度平面内的临界速度等值线图可知， 对于传统转向架，轮对纵向定位刚度确定后， 墨即约定在一个最大值范围内，从而确定了 过 避 薹 墨 荪 寝 妙 等效弯曲刚度尼 图2 3k , - k b 临界速度等值线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 转向架的蛇行临界速度，而岛只受纵向定位刚度的影响，所以曲线通过性能也得到确定。 因此，为了良好的蛇行稳定性，传统转向架的轴箱悬挂刚度要求取值较高，这也必然阻 碍轮对在曲线上的蠕滑导向，而对于径向转向架，则可以在不增大局的前提下，由径向 机构提供额外的剪切刚度，保持良好的蛇行稳定性。从而，轮对纵向定位刚度可以取值 相对较小，以利于较好的曲线通过，且不影响蛇行稳定性。径向转向架的另一个作用是， 在车辆进入曲线时，径向机构可以