（车辆工程专业论文）30t轴重货车转向架关键技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路货运量的迅速增加，重载运输己成为我国铁路运输的主要 发展方向。国外重载运输的经验表明，增加货车轴重是提高铁路运能的有效 途径。目前，我国货车最大轴重为2 5 t ，与世界重载运输发达国家之间仍有 很大差距。为此，迅速掌握大轴重货车的关键技术，开行3 0 t 轴重的重载货 车已迫在眉睫。 然而，货车轴重的增加，增强了轮轨间相互作用，加速了车辆各部件的 损伤，同时也加剧了车辆和轨道的磨耗，这必然导致车辆和轨道维修费用增 加，降低重载运输的经济效益。因此研究3 0 t 轴重货车转向架的关键技术， 解决大轴重货车运用中可能出现的问题，开行具有高经济效益的大轴重货车， 具有非常重要的现实意义。 本文综述了国内外重载运输的发展现状，分析了国内外现有重载货车转 向架的结构特点和性能，初步确定了适应我国国情的3 0 t 轴重货车转向架的 结构型式。并利用车辆系统动力学理论，分析重载货车各部件的受力情况， 建立了运动方程和动力学仿真模型。 利用已建立的动力学仿真模型，本文仿真研究了轮径对轮轨滚动接触和 车辆动力学性能的影响，同时也详细研究了转向架一系悬挂参数对车辆动力 学性能的影响，以期为3 0 t 轴重货车转向架选择合适的轮径值和一系悬挂参 数值。另外，针对重载货车转向架一系悬挂装置的实现方式，本文提供了几 种不同方案并分析了各自的优缺点。最后，本文研究了车辆轴重和运行速度 的匹配关系，确定了3 0 t 轴重货车的运行速度，并对其动力学性能进行了预 测。 论文研究结果表明，当3 0 t 轴重货车轮径为9 1 5 m m ，一系悬挂纵向、横 向和垂向刚度分别为9 m n m 、7m n m 和5 0m n m 时，重载货车具有比较优 良的动力学性能。根据车辆动力学性能标准和紧急制动距离限速要求，3 0 t 轴重重载货车的运行速度为9 0 k m h 比较合适。 关键词：重载货车转向架；动力学仿真；轮径；一系悬挂参数；运行速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gv o l u m eo fn a t i o n a lr a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n ， h e a v y h a u lt r a n s p o r t a t i o nh a sb e c o m et h em a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o rn a t i o n a l r a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n a c c o r d i n gt oo t h e rc o u n t r i e s e x p e r i e n c e si nt h i s f i e l d ，i n c r e a s i n gt h ea x l e l o a do ff r e i g h tw a g o ni sa ne f f e c t i v ew a y t oe x p a n dt h e r a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o nv o l u m e a tp r e s e n t ，t h em a x i m u mf r e i g h tw a g o n a x l e 1 0 a di nc h i n ai s2 5t c o m p a r e dw i t ho t h e rd e v e l o p e dc o u n t r y , t h e r ei ss t i l la b i gg a pt oa c c o m p l i s h a sar e s u l t ，w en e e dt ol e a r na s s o o na sp o s s i b l et h e e s s e n t i a lt e c h n i q u eo fh e a v ya x l e - l o a df r e i g h tw a g o na n dm a k et h e3 0 ta x l e - l o a d f r e i g h tw a g o ni n t or e a l i t y w h e r e a s t h ei n c r e a s eo fa x l e l o a d l c a d so t h e r p r o b l e m s ，s u c h a s e n h a n c e m e n to fw h e e l r a i li n t e r a c t i o n sa n dw h e e l r a i lw e a et h ec o m p o n e n t so f w a g o nw o u l db ed a m a g e dm o r ee a s i l yo n c ei t sa x l e l o a dr i s e s a l lt h e s ep r o b l e m s m e n t i o n e dm a yc o s tah i g hm a i n t a i nf e ec a u s i n gas m a l l e rb e n e f i t sf r o mh e a v y h a u lf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n s oi tm a k e sg r e a ts e n s et oa n a l y z et h ek e yt e c h n i q u e o f3 0 ta x l e 1 0 a db o g i e ，s o l v et h ed i f f i c u l t i e sw h i c hm a yo c c u rd u r i n g i t s u t i l i z a t i o na n dd e v e l o pt h eh e a v yh a u lf r e i g h tw a g o nw h i c hi se c o n o m i c a l l y b e n e f i c i a l i nt h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t yo fh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o nb o t hi n c h i n aa n da b r o a dw a si n t r o d u c e da n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r sa n dr u n n i n g p e r f o r m a n c e so fb o g i e se x i s t i n ga r ea n a l y z e d t h e nt h eb a s i cs t r u c t u r e o f3 0 t a x l e l o a db o g i ei sd e t e r m i n e du n d e rr e l a t e dn a t i o n a lc o n d i t i o n s w i t ht h eh e l po f v e h i c l es y s t e md y n a m i ct h e o r y , f o r c ec o n d i t i o n so fh e a v yh a u lf r e i g h tw a g o n s c o m p o n e n t sa r es h o w ni nf i g u r e s a n dt h e i rm o t i o n a le q u a t i o n sa r el i s t e d ，a d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo f t h eh e a v yh a u lf r e i g h tw a g o ni sa l s os e tu p i na na t t e m p tt oo p t i m i z et h ew h e e ld i a m e t e ra n dt h ep r i m a r ys u s p e n s i o n s ， o nt h eb a s i so ft h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l ，t h ew h e e ld i a m e t e r se f f e c t so n w h e e l r a i lr o l l i n gc o n t a c ta n dv e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e sw a sa n a l y z e d ，a n d t h ep r i m a r ys u s p e n s i o n s e f f e c t so nv e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e sw a sa n a l y z e d o nt h eo t h e rh a n d ，s e v e r a ls u g g e s t i o n sa b o u tt h er e a l i z a t i o no ft h ep r i m a r y s u s p e n s i o ns y s t e mf o rh e a v yh a u lb o g i ew e r eo f f e r d ，a n df o re a c hp l a nb o t ht h e i r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e a x l e 1 0 a da n dv e l o c i t yi sa l s oa n a l y z e da n dt h em a x i m u mv e l o c i t yf o r3 0 t a x l e 1 0 a db o g i ei sc h o o s e n ，a n dt h e naf o r e c a s ta b o u tt h eh e a v yh a u lw a g o n s d y n a m i cp e r f o r m a n c e si sp r e s e n t e d t h ep a p e ra r r i y e st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h es u i t a b l ew h e e ld i a m e t e rf o r 30 ta x l e l o a df r e i g h tw a g o ni s915 m m ，a n dt h es u i t a b l el o n g i t u d e ，l a t e r a la n d v e r t i c a ls t i f f n e s so fp r i m a r ys u s p e n s i o na r er e s p e c t i v e l y9 m n m ，7 m n ma n d 5 0 m n m w i t ht h ep a r a m e t e rm e n t i o n e db e f o r e ，t h e3 0 ta x l e l o a df r e i g h tw a g o n w i l lh a v ee x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a c e s a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l ed y n a m i c p e r f o r m a n c es t a n d a r da n dd e m a n d so fu r g e n tb r a k i n gd i s t a n c e ，t h er u n n i n gs p e e d o f3 0 ta x l e 1 0 a df r e i g h tw a g o ni s9 0 k m h k e yw o r d s ：b o g i ef o rh e a v yh a u lf r e i g h tw a g o n ；d y n a m i cs t i m u l a t i o n ；w h e e l d i a m e t e r ；p r i m a r ys u s p e n s i o np a r a m e t e r s ；r u n n i n gs p e e d 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密叼，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：卉拯啦 日期：枷岁1 2 , t 矿 指导老师签名：奄毫晋 日期：衅 7 乒 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、对我国3 0 t 轴重货车转向架进行选型，并利用多体动力学仿真软件 s i m p a c k ，建立其动力学仿真模型。 2 、采用动力学分析的方法，对3 0 t 轴重货车的轮径，一系悬挂参数和速 度进行了研究。 学位论文作者签名啼辈垄 日期：翮罗年，明少日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文选题背景 第1 章绪论 自1 8 世纪第一次工业革命以来，人类文明有了突飞猛进的发展。特别是 从2 0 世纪中叶到2 1 世纪初，相对稳定、和平的世界格局使各个国家深入学 习新理论、钻研新技术，积极发展本国经济，以期跻身于世界强国之列。这 时，各国和各地区之间经济和贸易往来更加频繁，国内和国际间的商品交换 和资源合理分配在一定程度上促进了人类运输方式的发展。目前，现存的主 要运输方式有：公路、铁路、航空、水运、管道等。铁路运输是一种古老的 运输方式，它运量大，连续性强，行驶速度较高，运费较低，污染少，运行 一般不受气候、地形等自然条件的影响，适用中长途客货运输。但是，早期 的铁路运输模式落后，速度慢，运量低，还受到线路的限制，至使铁路运输 经济效益低，曾面临着被其他运输方式取代的危险。因此铁路行业只能不断 谋求自身发展，才能够适应经济社会的高速发展。世界经济的快速发展对铁 路行业既是一个挑战又是一个机遇，各国铁路工作者只有不断改造铁路运输 模式，研制和应用新技术，才能使铁路运输具有更高的竞争力，赶上世界经 济发展的步伐。 当今世界铁路运输发展的两个主要方向是高速和重载。世界各国均投入 大量精力开发运用高速客车、快速货车和重载货车。就铁路货运而言，发展 重载运输是铁路运输扩能提效的有效措施，也是缓解经济发展带给铁路运输 压力的重要途径。自2 0 世纪中叶以来，发展铁路重载运输得到了世界上越来 越多国家的重视，铁路重载运输在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭、矿石等 大宗货物运量大的国家发展迅速。随着重载运输的不断发展，国际协会对重 载运输的定义也不断被修改。2 0 0 5 年，在国际重载运输协会( i h h a ) 的巴 西年会上，对重载运输的定义进行了新的修订：重载列车牵引重量至少达到 8 0 0 0 t ( 此前为5 0 0 0 t ) ；轴重( 或计划轴重) 为2 7 t 及以上( 此前为2 5 t ) ；在 至少1 5 0 k m 线路区段上年运量超过4 0 0 0 万吨( 此前为2 0 0 0 万吨) 3 5 , 3 6 1 。我 国仍沿用国际重载协会先前的规定，满足其中两条即可视为重载铁路。 实现重载运输有两种途径：一是扩大列车编组，增加列车长度，开行长 大列车；二是提高轴重，加大车辆的每延米重量，发展大型货车。从世界重 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 载运输发展趋势来看，开行长大列车受到了既有站线长度、牵引制动和列车 纵向冲动剧烈等问题的制约。因此，实现重载最有效的途径是尽可能提高车 辆每延米的有效载重，充分利用站线长度提高运量。而实现这一目标的关键 在于提高货车轴重，发展大轴重货车。国外一些国家一直致力于提高货车车 辆的轴重。1 9 9 0 年后，美国所有一级铁路的标准轴重已为3 3 t ，加拿大一级 铁路标准轴重已于1 9 9 5 年改为3 3 t ，澳大利亚b h p 重载线路的轴重已经提高 到3 5 t ，巴西卡拉齐斯重载铁路的轴重已经达到3 0 t ，南非重载铁路的轴重已 经达到2 6 t ( 窄轨) ，瑞典重载铁路已将轴重由2 5 t 提高到3 0 t ，俄罗斯铁路正 在将货车轴重提高到2 7 t ，并且在加紧研究适用于3 5 t 轴重车辆的轨道零部件。 印度铁路在2 0 0 1 年开始计划将重载列车轴重提高到2 5 t t l , 3 7 。 我国国土面积辽阔，各种自然资源丰富，特别是煤炭资源的储蓄量很大。 据统计，煤炭资源在全国一次能源生产和消费中的比重一直保持在7 0 左右。 但是我国资源分布和工业布局又呈现出分配不均衡的特点。煤炭和矿石资源 大都分布在西部和北部，而消耗这些物质能源的工业都位于东部、南部地区。 煤炭、矿物和钢铁等货流稳定，流向集中为我国铁路发展重载运输提供了良 好的市场。据统计，在各种运输方式中，铁路承担了7 0 以上的煤炭运输量。 为了满足我国经济持续发展的需要，国家必须加大开行重载列车力度，提高 货物列车的轴重，与世界重载运输接轨。 我国政府很早就开始着手发展重载运输，已在一些货运繁忙干线上开行 牵引5 0 0 0 、6 0 0 0 t 的重载单元列车；运煤专线大秦线已开行牵引质量达到2 万t 的重载列车。这些表明我国在发展铁路重载运输方面已经取得了一定的 成绩。但到目前为止，我国货车最大轴重仅为2 5 t ，与其他重载运输发达国 家间差距还很大，这表明我国提高货车轴重仍有较大的发展空间。回顾我国 货车发展历史，解放前，我国货车主要依靠进口美国、日本3 0 t 级货车，轴 重约1 2 t ；建国以后，我国先后设计制造了载重5 0 、6 0 t 的货车，轴重分别为 1 8 t 和2 1 t ；之后，我国又设计制造了载重7 0 t ，轴重为2 3 t 的货车；2 0 世纪 9 0 年代以来，为了满足开行万吨重载列车的需要，我国又研制出2 5 t 轴重的 货车【1 4 】。今天，为了顺应国际和国内经济发展的潮流，缩小与其他重载运输 发达国家的差距，研制开发轴重为3 0 t 的重载货车已成为我国铁路货运迫在 眉睫的任务。 货车轴重从2 5 t 提高到3 0 t ，如果仍采用现有货车转向架，将会出现很多 问题。比如，轴重增加后轮轨间相互作用增加，导致车辆、钢轨各部件的使 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用寿命降低，钢轨磨耗加剧，钢轨的维护费用增加，降低了重载运输的经济 效益；轴重增加也将使轮轨间接触应力过大，容易造成车轮和钢轨疲劳损伤； 此外，大轴重货车制动时可能会造成闸瓦热负荷过高。为此，在开发3 0 t 轴 重货车时，需要解决大轴重带来的诸多问题。 基于我国货运运能紧张，急需发展重载运输和国外成功发展重载运输的 背景，本文致力于研究3 0 t 轴重货车转向架，解决大轴重货车在运用过程中 可能出现的问题，以期设计出结构简单、性能优良、免维修周期长、寿命周 期成本低，经济效益好的大轴重货车转向架，为我国开发运用大轴重货车提 供一定理论基础。 1 2 国外重载运输现状 重载运输从概念提出到蓬勃发展，经历了一个技术不断进步的过程。目 前世界铁路货车重载技术发展主要以美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西 等国家为代表，车辆轴重大、载重大，铁路货运劳动生产率高，经济效益显 著。这些国家重载运输的成功经验证明了采用大轴重货车是大力发展铁路重 载货运的有效途径。 1 2 1 美国重载货运 美国是重载运输比较发达的国家，其重载运输起步较早。早在上世纪5 0 年代末，美国南太平洋铁路公司采用由8 5 辆载重量为9 0 7 t 的矿石车编成总 重近万吨的列车，从矿区直达钢厂循环运输，首创了重载单元列车运输模式。 美国铁路货车的主要发展方向是提高轴重、减轻自重，从而提高装载能 力。美国所有铁路标准轴重自1 9 9 0 年后已定为3 3 t ，目前美国3 0 t 以上轴重 货车占货车总数的6 5 。大多数货车轴重为2 9 8 t 、3 2 4 3 t ，也有少量货车轴 重为3 5 7 t ，其载重大多数为9 0 7 t 1 2 0 t 。普通列车的牵引吨位达6 0 0 0 - 1 5 0 0 0 t ， 运煤专列为1 7 5 0 0 2 0 0 0 0 t ，运行速度一般为8 0 9 6 k m h 。美国不仅在专用重 载铁路开行大轴重货车，而且在一些高速客货混用的干线上也积极开行大轴 重货车。2 0 0 3 年美国在东北走廊高速铁路的巴尔的摩和p e r r y v i l l e 间不仅开 行2 4 0 k m h 的a c e l a 高速列车，还同时开行轴重为3 0 t 、平均速度为8 0 k m h 的重载列车，高速列车的动力车轴重2 5 5 t ，高速客车轴重为1 5 9 t 。这是世 界既有的在高速铁路上同时开行重载货物列车轴重最大的一条铁路，其年货 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 运量达3 7 0 0 万吨，年客运量2 6 5 0 万人，每日开行1 2 2 列客货列车”粥j 。 重载运输给美国铁路运输带来巨大的经济效益。自1 9 8 0 年美国全面发展 重载运输以来，美国货运市场中铁路货运所占份额直线上升，从1 9 8 0 年的 3 5 增加到2 0 0 0 年的4 1 ，虽然运价已下降16 美分吨英里，运行成本却下 降了6 0 ，线路维修成本下降了4 2 ，劳动生产率提高了2 7 1 倍，创造的年 利润已达美国铁路历史最高水平8 1 亿美元。 一一 图1 - 1 美国重载运输图1 - 2 美国重载车辆 图1 3 加拿大重载运输图1 4 加拿大重载车辆 122 加拿大重载货运 加拿大与美国的一些铁路跨越国界，相互延伸，形成一个大的铁路网系 统。加拿大铁路重载货运模式与美国类似。自2 0 世纪6 0 年代后期，加拿大 铁路公司开始采用单元列车方式运输煤炭。加拿大太平洋铁路的重载列车由 1 1 0 辆货车组成，列车载重1 5 0 0 0 t ，把赛尔柯克矿区的煤运至鲁珀特港以便 出口到日本，或者把出口到中国和日本的谷物从1 7 0 0 k m 多外的内地运出来。 另外每年通过太平洋重载铁路运输出口到亚洲的硫、钾矿达5 0 0 0 万t 。 加拿大铁矿主要集中在魁北克省，矿区至圣伦斯河港口的2 条准轨重载 铁路每年运出4 0 0 0 万吨矿石。运输矿石的货物列车由3 台机车和15 6 辆货车 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 组成，轴重3 i t 年货运量达到15 0 0 2 0 0 0 万t 。魁北克北岸拉布多铁路连接 翁加瓦矿区与圣劳斯河的七星港，线路长6 3 9 k m ，年货运量达2 0 0 0 万吨， 运营列车由1 17 2 6 5 辆货车组成，轴重为3 3 t ，载重1 3 0 0 0 3 0 0 0 0 t 。1 。 1 23 澳大利亚重载货运 澳大利亚布鲁肯希尔公司( b h p ) 用2 0 8k m 和4 2 6 k m 铁路，分别将亚瑞、 纽曼l 【j 矿区与黑德兰港连接起来，两线总运量为6 7 0 0 万t 。澳大利亚纽曼矿 山铁路全长4 2 6 公里，是一条单线内燃牵引准轨铁路，建于1 9 6 9 年。b h p 公司经营铁矿、铁路及港口，自1 9 7 3 年开始研究采用重载运输技术，列车牵 引重量不断打破世界记录，劳动生产率逐年提高，成本逐年下降。1 9 9 6 年 b h p 创造了一项世界纪录：由5 4 0 辆货车组成列车长达5 8 9 2 m ，列车载重为 7 2 0 0 0 t ，其中5 7 0 0 0 t 是铁矿石，列车由1 0 台机车牵引，仅有】名司机，另 外9 台机车由g e 公司生产的哈里斯机车遥控系统控制。2 0 0 1 年6 月2 1 日， 记录再次被打破，澳大利亚西部的b h p 铁矿集团公司在纽曼山一海德兰重载 铁路上创造了重载列车牵引总重9 9 7 3 4t 的世界最高记录。列车装载了8 2 万 t 铁矿石，由6 8 2 辆货车和8 台机车组成的列车，长度达7 3 0 0 m 。2 0 0 0 年与 1 9 8 0 年相比，b h p 铁路重载运输燃油消耗下降了4 3 ，每百万吨矿石运输所 需人力从3 0 人减少到5 人，机车车辆无故障运行时间由3 0 0 万公里上升到 9 2 0 万公里，机车车辆利用率提高了3 6 ，车轮、钢轨寿命提高了3 5 倍。 2 0 0 0 年，b h p 矿山公司的全年效益高达5 0 0 亿澳元，创造历史最高水平，其 中重载运输发挥了重要作用。 图1 5 澳大利亚重载运输图1 - 6 澳大利亚4 0 t 轴重运煤货车 澳大利亚昆士兰运煤重载铁路全部采用轨距为1 0 6 7 m m 的窄轨。它连接 着昆士兰6 大煤矿系统与煤炭输出港口的6 个码头，运煤重载铁路全长 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 0 0 0 k m ，其中7 0 是电气化铁路。澳大利亚昆士兰煤矿是世界上最大的煤矿 之一，煤产量逐年上升，1 9 9 4 年产量为8 5 0 0 万吨，1 9 9 7 年上升到9 5 0 0 万吨， 19 9 9 年上升到1 1 4 5 0 万吨，2 0 0 0 年达到1 2 6 0 0 万吨。在窄轨铁路上，澳大利 亚运煤重载列车采用交流传动的电力或内燃机车牵引轴重为2 6 t 的重载敞 车，每列车牵引重量达万吨”1 。 1 2 4 南非重载货运 南非铁路有两条重载铁路线：0 r e x 铁矿重载铁路为单线准轨，全长 8 6 0 k m ，主要运送铁矿石；c o a l l i k n 线为从德兰士瓦至里查兹湾的窄轨复线， 长5 8 0 k m ，主要运送煤炭。这两条线采用重载单元列车运输，自导向式径向 转向架、旋转车钩和防锈侧墙等技术，货车轴重为2 9 t ，运量与效益逐年提 高，以2 0 0 4 年与1 9 8 0 年相比，o r e x 线年运量从9 0 0 月t 提高到了2 6 0 0 万 t ，c o a l l i k n 线年运量从1 9 0 0 万t 提高到了6 8 0 0 万t 。s p o o m e t 曾经创造了 由1 6 台机车牵引6 6 0 辆货车、载重7 00 0 0 t 、列车长75k m 的世界记录。运 量成倍的提高也促使效益成倍地增长，南非铁路运营里程为1 9 17 5 k m ，仅为 德国铁路的一半，而每年货物周转量达1 0 3 0 亿t k m ，是德国铁路的一倍p ，”i 。 图1 7 南非重载运输 1 25 巴西重载货运 图1 8 南非重载车辆 巴西重载货车轴重也已提高到2 5 t 3 0 t 。由巴西c v r d 集团下属维多利 亚矿公司和卡拉雅斯公司经营的2 条长约9 0 0 k m 的重载线路，每年运输约 15 亿吨铁矿石，比法国铁路总货运量还多。维多利亚采矿公司经营的窄轨 重载铁路轴重达2 5 t ，长约9 4 6 k m ，将巴西东南部米纳吉拉斯洲矿区的矿石 运到维多利亚港附近的吐巴劳。这条铁路每年完成约1 亿吨货运量，货物周 转运量达5 2 0 t k m ，全线年收入达4 亿美元，具有较好的经济效益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 9 8 0 年，c v r d 修建了8 9 2k m 、轴重3 05t 的宽轨f 1 6 0 0 r a m ) 铁路，通 向圣路易斯附近可以停靠3 65 万t 货物的马得拉港。卡拉雅斯铁路年运量为 4 5 0 0 万t ，货物周转量4 0 0 多亿t k m 。线路每天开7 8 对列车，列车由2 0 4 节载重1 0 0 t 的货车组成，总载重2 0 4 0 0 t 。 2 0 0 8 年3 月，c v r d 在巴西西北部试运行由4 辆内燃机车牵引3 3 0 辆货 车、总载重量达3 4 万吨的重载列车，并于5 月正式投入运行”。 图1 9 巴西重载列车图1 1 0 巴西重载车辆 1 2 6 欧洲重载货运 重载运输技术在越来越多的国家得到运用，不仅幅员辽阔的大陆国家在 重载线路上开行重载列车，而且，目前在欧洲传统以客运为主的客货混运干 线铁路上也开行重载列车。德国铁路从2 0 0 3 年开始在客货混运的既有铁路上 开行轴重2 5 t 、牵引重量6 0 0 0 t 的重载列车，重车最高运行速度8 0 k m h ，同 时开行速度2 0 0 2 5 0 k m h 的旅客列车。瑞典铁路在对线路进行改造的同时， 购置了南非轴重为3 0 t 的新型矿石敞车，开行了全列6 8 辆编组、牵引重量 8 5 0 0 t 的重载列车。这一举措使运输成本降低了3 5 ，年运量从2 0 0 0 万t 提 高到了3 0 0 0 万t 。2 0 0 5 年9 月开始，法国南部铁路正式开行2 5 t 轴重的运送 石材的重载列车。芬兰铁路正在研究开行3 0 t 轴重的重载列车。俄罗斯重载 列车的轴重已达2 5 t ，目前正在全国推行重载运输，以期将货车轴重提高到 2 7 t ，并加紧研究适用于3 5 t 轴重货车的轨道零部件”。 13 我国重载运输发展状况 长期以来，铁路在我国交通运输中一直起主导作用，承担着全国近6 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的货运量和近4 0 的客运量，但我国铁路路网里程少，技术设备差，发展缓 慢，运能与运量矛盾十分突出。发展重载运输、大幅度地提高列车载重是铁 路扩能提效的有效途径，也是我国铁路货运的主要发展方向。 最近1 0 年来，我国重载技术得到了迅速发展，重载运输己形成规模效应， 站线长度为8 5 0 m 、1 0 5 0 m ，专用线路上站线长度为1 7 0 0 m ，大秦线上已经达 到2 8 0 0 m ，为开行重列车提供了条件。 沪宁线、京山线、沈山线、哈大线、京广线一北京至武汉、陇海线徐州 至郑州和侯月线已普遍开行5 0 0 0 t 级重载列车，孟宝线，京秦线段甲岭一秦 皇岛开行了5 0 0 0 t 级重载列车。北同蒲线一大新韩家岭开行了1 0 0 0 0 t 和5 0 0 0 t 重载列车，神朔线列车重量为5 0 0 0 t 和6 0 0 0 t ，大准线列车重量为5 0 0 0 t 和 1 0 0 0 0 t 。2 0 0 6 年，大秦线列车牵引吨位已统一为1 0 0 0 0 t 和2 0 0 0 0 t ，每天开 行1 0 0 0 0 t 列车7 0 对，2 0 0 0 0 t 列车1 2 对。c 6 4 、c 6 3 、c 7 6 、c 8 0 、c 7 0 和 c 8 0 b 等适宜于重载编组的各型车辆相继投入使用，其中载重8 0 t 的c 8 0 b 已 经成为大秦线上的主型重载车辆得到推广应用。 目前，我国重载运输取得的成就是在漫长的探索、实践基础上积累得到 的。回顾我国重载运输事业的发展，可以分为三个阶段。这三阶段分别为： 第一阶段自1 9 8 5 至1 9 9 0 年，通过旧线改造，发展组合式重载列车。在 一系列实验的基础上，北京铁路局于1 9 8 5 年3 月正式开行了大同一秦皇岛的 组合式重载列车，列车总重7 4 0 0 t ，双机牵引，采用固定机车、固定车底、 固定到发站、固定运行线、固定货物品类的运输组织方式。车辆为c 6 1 或 c 6 2 a ，采用了高摩合成闸瓦、1 0 3 型制动阀、滚动轴承及1 3 号车钩等多项 新技术。 为了扩大重载列车的开行范围，并能普遍推广组合式重载列车，发展了 “非固定”式的重载组合列车，即不受车底、车型、车钩及缓冲器的限制。沈 阳、北京、济南、郑州及上海等铁路局先后组织开行了双机牵引6 5 0 0 8 0 0 0 t 的组合列车，有效地缓解了运输能力紧张的局面，同时也暴露了技术滞后， 设施不配套等问题。 第二阶段自1 9 9 0 年至1 9 9 2 年，大秦铁路的建成开通后，进行了大量的 单项试验、综合试验及开行试验，并于19 9 2 年分别正式开行了单机牵引 6 0 0 0 t 、双机牵引1 0 0 0 0 t 的单元式重载列车，车辆为c 6 3 a 型，采用1 2 0 型制 动机、高强度旋转式车钩及大容量缓冲器等多项新技术、车辆轴重为2 1 t ， 钢轨为6 0 k g m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 大秦线开行的单元式重载列车与北美和澳大利亚等国稍有不同，为了加 速机车周转，牵引列车的机车不再装卸作业，而是利用低恒速机车在煤炭装 车点牵引列车不停车装车，在卸车点利用拨车机拨动车辆送上翻车机进行不 摘钩连续作业。随着大秦线设备的进一步配套及运营管理措施的完善，大秦 线的年运输能力可以达到1 亿t 以上。 第三阶段为1 9 9 2 年以后。对沿海繁忙干线进行技术改造，开行整列式重 载列车，牵引重量为5 0 0 0 t 及其以上。整列式重载列车的运输组织方式与普 通列车基本相同，机车牵挂于列车头部，列车的运行、到达、装卸和机车的 换挂都采用通常的办法，但在列车编组时要对旧型车辆进行限制，列车的操 纵也有严格要求。这种重载列车模式对繁忙干线的扩能提效具有普遍意义。 我国重载运输是在技术装备落后，运能与运量矛盾十分突出的背景下发 展的，通过借鉴国外发展重载列车的经验，结合我国铁路的实际情况和实际 需要，坚持“边试边开，边开边改，以开促改，逐步完善”的原则，推动了我 国铁路运输组织改革、设备更新和技术进步，为我国铁路发展重载运输积累 了成功的经验。我国主型货车轴重仍停留在2 1 t 、2 3 t 水平上，虽然大秦线轴 重为2 5 t ，牵引重量达2 0 0 0 0 t ，年运量也扩大到3 亿t ，但离重载运输发达国 家普遍采用的大轴重货车实现重载运输还有较大差距 6 j 。 随着国民经济的快速发展，铁路运能与运量的矛盾更加突出。尤其是近 年，铁路货运需求满足率仅能达到3 0 到4 0 。我国是能源消费大国，能源 运输主要依靠西煤东运。尽管煤运数量在扩大，速度在增加，但仍不能满足 需要。全国日均请求车满足率不到6 0 ，特别是2 0 0 8 年南方罕见雪灾，更 加尖锐地反映出运能与运量间的突出矛盾。到2 0 10 年，我国铁路货物运输量 预计将达到3 5 亿吨，与2 0 0 5 年相比增长3 0 左右，其中煤炭运量将达到1 5 亿吨左右，较2 0 0 5 年增长4 0 。 所以，从我国所掌握的重载运输技术和国民经济发展现状来看，加快发 展大轴重、大载重货车不仅可行而且已经成为我国铁路发展的必然选择。 1 4 本文主要工作 发展重载运输，开发3 0 t 轴重的重载货车，并保证其具有优良的动力学 性能，关键在于货车转向架结构型式的选取和悬挂参数的匹配。随着货车轴 重增加，轮轨间的相互作用( 特别是垂向相互动力作用) 不断增强，车辆对 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 轨道结构的破坏作用及线路变形也随之加剧，如不采取措施，将会大大增加 轨道日常维护工作量，缩短轨道使用寿命。本文以减小3 0 t 轴重货车转向架 轮轨相互作用力为目的，主要讨论和研究以下内容： ( 1 ) 根据国外重载运输的发展经验和我国国情，为我国3 0 t 轴重货车选择 合理的转向架结构型式，并确定其初始参数； ( 2 ) 在充分考虑货车转向架各种非线性因素的基础上建立重载货车转向 架的动力学仿真模型； ( 3 ) 在动力学仿真模型基础上，研究重载货车车轮直径对车辆动力学性 能的影响，提出我国3 0 t 轴重货车轮径的优选值； ( 4 ) 在动力学仿真模型基础上，优选3 0 t 轴重货车转向架的悬挂参数； ( 5 ) 研究轴重和速度的匹配关系，确定我国3 0 t 轴重货车适宜的运行速 度，并对其动力学性能进行预测。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章3 0 t 轴重货车转向架选型 世界各国铁路为了提高货车轴重而研制了各种新型货车转向架，有效的 减小轮轨之间相互作用力，提高轮轨的使用寿命，减小车辆和线路的维修养 护费用。我国研制开发重载货车，需要吸取国外经验，学习先进技术，并要 根据我国既有线路、车辆的特点，研制适合我国国情的重载货车转向架。 2 1 国外重载货车转向架 2 1 1d r e s s e rd r - 1 转向架 d r e s s e rd r 1 转向架是美国研发的一种自导向转向架，在通过曲线时轮 对趋于径向位置，因此车辆通过曲线时阻力小，轮轨间磨损小。它是在现有 三大件转向架承载鞍上加装一对弓形导向臂，前后轮对的弓形导向臂在摇枕 孔附近销接在一起，两个弓形导向臂在水平面内可以相对转动。当车辆通过 曲线时，一个轮对产生摇头转动，并通过导向臂迫使转向架上另一个轮对做 相反方向的摇头转动，两个轮对相对成八字形并接近曲线的径向位置。为了 减小轮对摇头刚度，在承载鞍和转向架侧架间安装橡胶垫，形成纵向刚度较 小的一系弹性悬挂。这种转向架在美国和加拿大轴重为3 0 t 以上的重载铁路 上进行了大量实验，证明其在曲线上减小轮轨作用力有相当显著的效果。 2 1 2d e vin e - s c aie s 转向架 d e v i n e s c a l e s 转向架由英国人s c a l e s 设计、美国匹斯堡d e v i n e 制造公司 生产的一种迫导向转向架。该转向架采用高强度低合金钢焊接构架，标准 a a r 轴箱弹簧和摩擦减振器，转向架每侧有导向杠杆系统把轮对和车体连接 起来。 当车辆进入曲线时，由于车体和转向架间的相对回转运动，导向杠杆系 统使同一转向架上两轮对曲线外侧的轴距扩大，曲线内侧的轴距缩小，从而 使轮对处于径向位置。在直线线路上，刚性构架和导向杠杆系统使轮对保持 与线路中心线相垂直，抑制轮对的蛇行运动、增强车辆的横向稳定性。这种 转向架在加拿大铁路3 1 t 轴重的重载运煤列车上试用，运用结果比较令人满 意。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 1 3 侧架交叉支撑式转向架 由于传统三大件转向架的抗菱刚度较小，美国、加拿大等国对三大件转 向架进行了改造。改造方案是在三大件转向架两个侧架之间加装弹性交叉成 为交叉支撑式转向架。这种转向架在侧架上焊接筋板，两根交叉支撑通过橡 胶衬垫固定在侧架筋板上，两根支撑杆交叉于转向架的中心线上。两根交叉 支撑可以从摇枕下部穿过，也可以在摇枕两侧腹板上开孔穿过。交叉支撑可 以增加两侧架在水平面内的抗菱形刚度，提高三大件转向架的抗蛇行稳定性， 提高车辆的临界速度，但交叉支撑并不妨碍两侧架在纵、垂平面内的相对转 动，保持了三大件转向架各车轮载荷均匀的优点。 此外，在交叉支撑式转向架的轴承承载鞍和侧架导框座间加装了橡胶垫， 适当选择橡胶垫垂向、纵向和横向刚度使轮对易于通过曲线；并使得侧架、 交叉支撑等原为簧下质量的部件变成簧上质量，减小了车辆簧下质量和线路 间的动力作用，改善了车辆动力性能、降低了轮轨磨耗。 2 1 4 侧架摆动式转向架 侧架摆动式转向架式是美国国民铸件公司( n a c 0 ) 生产的一种三大件 铸钢转向架，保持了三大件转向架各轮均载的特点，但具有不同于传统三大 件转向架的独特设计。 侧架摆式转向架在两侧架之间增设一弹簧托板，二系悬挂放在弹簧托板 上，弹簧托板下面有一个摇动台座。由于摇动台座与放置在侧架上的摇动台 座支撑之间为圆弧轴承状配合，侧架可做3 0 以内的摆动。当侧架摆动超过3 0 时，侧架承台接触到摇动台座，侧向摆动受到抑制。此外，枕梁每侧的下部 设有止挡，弹簧托板上也设有止挡，两者之间有一定间隙，容许摇枕与弹簧 托板有一定相对横向位移。为了便于侧架摆动，在侧架的导框顶部和轴承承 载鞍之间也设置了摇动台座和圆弧形支承。有了这种结构，侧架就相当客车 转向架中摇动台的吊杆，由侧架、弹簧托板组成了一个四连杆机构，其横向 刚度随车辆载荷的变化而变化，空车时横向刚度小，重车时横向刚度大，而 且由于止挡间隙不同，横向刚度是随侧架横向摆动幅度变化的，摆幅小时横 向刚度小，摆幅大时横向刚度变大。根据a a r1 9 9 1 年的试验结果，侧架摆 动式转向架的垂向力比传统三大件转向架低2 6 ，而横向力低6 3 。根据加 拿大经验，侧架摆动式转向架的计划维修周期为传统三大件转向架的3 倍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 1 5l t f 转向架 1 9 8 0 年，英国德比铁路研究所开发了一种低轨道作用力( l o wt r a c k f o r c eb o g i e ) 转向架，简称l t f 转向架。它实现低动力作用的主要途径是降 低转向架自重，尤其是降低转向架的簧下质量。这种转向架采用内置轴箱， 即轴箱安装在车轮内侧，采用重量较小的锻铝轴箱，盘形制动，采用构架式 两系悬挂：一系悬挂为高圆簧，二系悬挂为橡胶弹簧，它们提供垂向和横向 的刚度；二系悬挂