（机械设计及理论专业论文）高重心车辆刚柔耦合动态仿真分析.pdf

摘要 摘要 在铁路货运迫切的朝着重载快捷化发展的背景下，为了充分发挥现代货运技术，某 厂新研制了一种具有高重心特点的6 轴双层集装箱车。该车不仅采用带跨装的双层高重 心装载方式和大轴重3 e 轴构架转向架的方法以实现重载，而且在速度要求上也提升了 一个层次，尝试实现( 1 0 0 1 3 5 k m h ) 下良好的高速性能以具备快捷运输的能力。 为考察原始设计的6 轴双层集装箱车在各种工况下的性能，本文利用a d a d v i s r a i l 多体动力学仿真软件对该车进行动态仿真分析。仿真中利用模版建模技术、柔性体接口 处理对策、子系统接口定位装配、刚性预载法等软件建模技术建立起整车和3 车组的组 装模型。紧接着进行了车辆的模态分析和临界速度分析，得到了车辆的典型运动模态、 车体结构模态结果和空载情况下的车辆临界速度。并在软件中设计了直线和4 种曲线线 路，在线路上添加a a r 5 级轨道谱激励。之后进行了6 0 1 3 5 k m h 速度工况的动态仿真； 得到了车体的垂向、横向和纵向的平稳性评价数据和轮轨安全评价方面的详细仿真数 据，其中平稳性评价还考虑了频率成分的影响。分析上述仿真结果发现了跨装3 车组空 载横向平稳性差；重载垂向平稳性受高频振动影响较大；轮轨安全方面，空重载仿真数 据均反映出三轴轮轨关系不协调等问题。另外，针对该车高速时平稳性指标和轮轨安全 指标急剧增大，进行3 e 轴构架转向架的高速性能仿真论证。其中3 轴构架转向架凸显 了3 个典型问题：空载小承载鞍滑动、重载中轴轮对稳定性和车体结构耦合响应问题。 基于上述问题，本文参考相关资料提出并仿真验证了如下性能改进技术对策：以 4 5 d e g 斜面作为承载面，以提高小承载鞍与轴箱间的等效摩擦系数；并减小承载鞍和轴 箱纵向间隙；根据轮轨匹配理论，优化轮缘2 3 m m 修正踏面，以增强中轴车轮的轮轨 对中能力；车体补强设计，中轴轴箱悬挂增设斜楔减振，以提高中轴轮对的纵向定位 刚度。最后，仿真结果验证了上述改进的可行性：其中承载鞍滑动和中轴振荡现象消失； 轮轨横向力降低3 0 以上，3 轴轮轨力趋于均衡；车体横向振动和垂向动态高频振动显 著降低。 关键词：高重心双层集装箱车辆；3 e 轴构架转向架；刚柔耦合；承载鞍；l m 车轮踏面 大连交通大学t 学硕+ 学位论丈 a b s t r a c t i nt h eb a c k g r o u n do ft h a tt h er a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r ti sd e v e l o p i n gt oh e a v yh a u la n dq u i c k u r g e n t l y ，i no r d e rt or e l e a s em o d e mt e c h n o l o g yo ff r e i g h tt r a n s p o r t ，av e h i c l ef a c t o r y d e v e l o p e dan e w6 - a x l ed o u b l e - d e c kc o n t a i n e rv e h i c l e ，w i t hh i g hc e n t e ro fg r a v i t y t h e v e h i c l en o to n l yu s e sd o u b l ed e c km e t h o dt ol o a da n dh i g hg r o s sr a i ll o a do na x l et om a k e h e a v yd u t yt r u e ，b u ta l s om a k e st h ev e l o c i t yr e q u e s tu p g r a d eo n es t e p ，t r yt om a k eg o o d p e r f o r m a n c e i n1 0 0 1 3 5 k m ht r u et ob ea b l et oh a v et h ea b i l i t yo fq u i c kt r a n s p o r t i no r d e rt or e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o t y p ev e h i c l ei na l lk i n d so fc o n d i t i o n s t h e a r t i c l eu s et h ea d a m s r a i ls o f t w a r et oa n a l y z e6 - a x l ed o u b l e d e c kc o n t a i n e rv e h i c l eb y d y n a m i cs i m u l a t i o nm e t h o d t h ep r o c e s so fs i m u l a t i o ni sa sf o l l o w s ：u s i n gt h et e c h n o l o g yo f t e m p l a t e b u i l d i n gm o d e l ，t h es t r a t e g yo ff l e x i b l eb o d yi n t e r f a c ep r o c e s s i n g ，i n t e r f a c e - l o c a t i n g s u b s y s t e ma s s e m b l e d ，r i g i d i t y - l o a d i n gm e t h o da n ds oo nt om o d e lt h ew h o l ev e h i c l ea n d 3 - u n i tv e h i c l e ；n e x t ，c o n d u c t e dav e h i c l em o d a la n a l y s i sa n dc r i t i c a lv e l o c i t ya n a l y s i s ， o b t a i n e dt h a tt y p i c a l l ym o v e m e n tm o d a lo fv e h i c l e s ，b o d ys t r u c t u r em o d a lr e s u l t sa n dc r i t i c a l s p e e di nt h ec o n d i t i o no ft h ee m p t yv e h i c l e a n da l s od e s i g n e dt h es t r a i g h tl i n ea n d4k i n d so f c u r v e dl i n ew i t ha a r 5t r a c ki r r e g u l a r i t y ，i nw h i c ht oc a r r yo u tt e s ti nt h ev e l o c i t yo f 6 0 - 1 3 5 k m h ，t h e no b t a i n e dt h ec a rb o d y sd a t ai nd e t a i lw h i c hc o n t a i n se v a l u a t i o no fs t a b i l i t y a n dw h e e l t r a c ks e c u r i t ye v a l u a t i o ni n l o n g i t u d i n a l l a t e r a l v e r t i c a ld i r e c t i o n t h es t a b i l i t y e v a l u a t i o nc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo ff r e q u e n c ym o r e t oa n a l y z es i m u l a t i o nr e s u l t s a b o v e - m e n t i o n e ds h o w e dt h a tt h e3 - u n i tv e h i c l eh a v ep o o rl a t e r a ls t a b i l i t yi nt h ec o n d i t i o no f n o l o a d i n g ；t h ev e h i c l e sv e r t i c a ls t a t i o n a r yi n f l u e n c e dh i g hb yh i g h f r e q u e n c yv i b r a t i o ni n t h ec o n d i t i o no fh e a v yl o a d i n g ；a n di nt h ea s p e c to fw h e e l r a i ls a f e t y ，t h ed a t ai nt h ec o n d i t i o n o fn o - - l o a d i n ga n dh e a v y l o a d i n gt e s ta l lr e f l e c tt h a tt h er e l a t i o n s h i po f3w h e e l s e t si so u to f l i n e o t h e r w i s e ，t h ea r t i c l ed i r e c t st ot h ev e h i c l e s t a t i o n a r ya n dw h e e l - r a i ls a f e t ye v a l u a t i o n i n c r e a s e ds h a r p l yi nt h eh i g h - s p e e ds e c t i o n ，c o n d u c t st h e3 - a x l ef l a m eb o g i ep e r f o r m a n c e s i m u l a t i o na r g u m e n t ，t h eb o g i es h o w e d3p r o b l e m s ：t h ea x l e b o xb e a t i n gs a d d l e ss l i d i n g p r o b l e m ，t h es t a t i o n a r yp r o b l e mo f m i d - w h e e l s e ti nt h ec o n d i t i o no fh e a v yl o a d i n g ，c a rb o d y s s t r u c t u r a lv i b r a t i o nf o l l o w e dw i t hm o v e m e n tm o d a l b a s e do nt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h ea r t i c l er e f e r r e dt os o m em a t e r i a l st or a i s ea n dv e r i f yt h e f o l l o w i n gc o u n t e r m e a s u r e s ：( 王) u s e s4 5 d e gi n c l i n e dp l a n ea sb e a r i n gp l a n et oi n c r e a s et h e e q u i v a l e n tf r i c t i o nc o e f f i c i e n tv a l u ea n dd e c r e a s el o n g i t u d i n a lc l e a r a n c eb e t w e e nb e a r i n g s a d d l ea n da x l e b o xi nt h em o d e l ；u s e st h em o d i f i e dw h e e lt r e a dbw i t hr i m2 3 m mi n s t e a d o ft l l e p r o t o t y p et r e a di n t h es e c o n dw h e e l s e tb a s e do nw h e e l - r a i lm a t c h i n gt h e o r y ； s t r e n g t h e n st h ec a rb o d y ss t i f f n e s sa n da d d st h ew e d g ed a m p i n gi n s t r u m e n ti nt h eb o g i e s h a b s t r a c t i1, 2 n dw h e e l s e tt or a i s et h el o n g i t u d i n a ls t i f f n e s so fw h e e l s e t s a tl a s t t h ea r t i c l eu s e st h e c o m b i n e dm e t h o do fm o d a la n a l y s i sa n df r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t y o ft h ei m p r o v i n g a m o n go ft h e s e ，t h ea x l e b o xb e a t i n gs a d d l e ss l i d i n gp r o b l e ma n dt h e s t a t i o n a r yp r o b l e mo fm i d - w h e e l s e td i s a p p e a r e d ；t h ew h e e l - - r a i lf o r c ed e c r e a s e db ym o r et h a n 3 0 ，3w h e e l s e t sf o r c et e n d st ob a l a n c e ；t h ec a tb o d y sl a t e r a lv i b r a t i o na n dv e r t i c a l h i g l l 。f r e q u e n c yv i b r a t i o nc l e a r l yd e c r e a s e d k e yw o r d s ：t h eh i g h c e n t e r g r a v i t yd o u b l e - d e c kc o n t a i n e rv e h i c l e ：3 - a x l ef r a m eb o g i e ： b e a r i n gs a d d l e ：l mw h e e lt r e a d ：r i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g i i i 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 茏锄也 日期： 呷年，洲 r 月 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 当放协 日期： 莎7 年2 月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：南车四方机车车辆股份公司电话：0 5 3 2 8 7 8 0 5 8 7 9 通讯地址：青岛市城阳区锦宏东路8 8 号邮编：2 6 6 111 电子信箱： 牟啪 寸 明 朋 他 引汁 ： 汐 名签 ： 师 期 导 日 第一章绪论 第一章绪论 引言 当代铁路货运以发展重载快捷技术为目标，已不断取得了很多很有实效的成果。在 重载运输方面，以开行长大编组列车的大秦线为例，它作为中国重载铁路的标志，在 1 9 9 7 ，2 0 0 5 ，2 0 0 7 年分别实现运量1 、2 、3 亿吨。2 0 0 9 年6 月下旬国际重载运输大会 在上海召开，会议介绍中国的重载运输线路一大秦线的年运量已达3 4 亿吨( 2 0 0 8 年) ， 2 0 0 9 年的发展设想将达到4 亿吨。在快捷运输方面，铁路货运也有新的突破；在第五次 大提速时运营的双层集装箱货车实现了我国铁路货车发展的变革，其设计时速已达到 1 2 0 k m h ，可以有效地提高运输能力降低运输成本。 1 1 课题背景 货运重载化是当今世界铁路发展的重要方向，目前它的实现方式主要是以长大编组 的形式( 大秦线为例) 为主。但长大编组的方式由于制动控制等方面的不足，发展己近 极限，而且在纵向动力学方面存在诸多问题极待解决( 如协同牵引技术等) 。为此，提 高运能的解决方式需要再多角度的考虑，众多研究者己从转向架结构形式及参数，车体 结构，车辆整体组合方式等方面多角度的深入研究了如何提高货车的重载综合性能；并 取得了不少实用成果。例如：大轴重技术，3 轴转向架技术，重载垂向平稳性和侧滚平 衡技术，双层集装箱技术，车问跨装技术，轮轨匹配方面的技术等等都在应用或尝试应 用中。在这些研究方向中，对由于车体、转向架结构和装载方式改变所产生的高重心车 辆( 双层集装箱车，大型罐车等) 的研究至关重要。 在重载运输发达的美国，其实现大宗货物的重载运输主要依靠的就是长编组的重载 单元列车和双层集装箱车联合运输方式。相比之下，我国的长大编组列车发展迅速，成 绩卓著；而双层集装箱运输只是起步阶段，程度不高，需要加快脚步。 目前，某厂为满足市场需要提出了一种新型的双层集装箱车研制方案；该方案充分 考虑当前货运重载快捷的发展趋势，使用了大轴重、3 轴转向架和双层集装箱装载技术。 并创新性的率先使用了车间跨装技术。本文将对这种新型的带跨装结构的6 轴双层集装 箱车辆( 具有高重心特点) 进行动态仿真分析，并给出结构改进对比。 1 2 课题研究意义 发展具有高重心特点的新型双层集装箱车的实际意义在于：与长大编组列车一样， 高重心车辆也是重载快捷的一种重要运输形式，而它又不同于长大编组列车的增加列车 大连交通大学丁学硕十学位论文 长度的做法；而是采用增加单辆车自身载重的方式实现重载。铁路货车提高运能的最有 效方式就是增加单辆车的载重量；这样来看，增加轴重和在有限边界条件下充分发挥车 辆装载高度才是重载运输的关键。因此，长远看来，以双层集装箱车为代表的高重心车 辆将是我国未来铁路货车发展的一种重要形式。 在重载快捷运输快速发展的大背景中，双层集装箱车、大型罐车等高重心、大轴重 车辆的产生在我国已成为必然。从铁路货运的发展趋势上看，以双层集装箱车辆为代表 的高重心车辆的发展将拓展我国铁路货车车辆的发展方向；并有可能推进我国的车型革 新，使我国发展出具有重载、快捷双重优点的新型车辆，应用前景广阔。 下面将综述铁路集装箱车辆及其核心部件转向架的发展现状等内容；重点介绍论文 研究对象双层集装箱车和3 轴构架转向架的相关内容。 1 3 集装箱车的发展现状和存在的问题 集装箱运输是当今世界公认的先进和快捷的货物运输方式。由于效率高、速度快、 货损少等特点，集装箱运输在提高运能和降低成本方面效果显著，己为世界各国广泛采 用。 在一定程度上，铁路集装箱运输代表了铁路货运的发展程度，国内外铁路部门都在 积极的发展这种运输方式。在美国及一些欧洲国家，铁路集装箱货运量占货运总量较高 比例，以美国为例，铁路集装箱运输是仅次于煤炭运输的第二大铁路货运方式。在我国， 集装箱车的使用程度还比较低，正处在加速发展的时期。 目前，集装箱车已经有通用集装箱车、公铁两用车、双层集装箱车、驮背运输车以 及关节式运输车等多种多样的形式，并且其品种还在不断增多，如冷藏集装箱车、罐式 集装箱车和双层小汽车运输车等先后问世i l j 。 下面将具体介绍国外和国内集装箱车的发展和现状及存在的问题。 1 3 1 国内外集装箱车的发展和现状 ( 1 ) 国外集装箱车的发展和现状 国外各种集装箱车从问世先后，大致经历了普通集装箱车、关节式集装箱车、双层 集装箱车、公铁两用车、驮背运输车的发展过程。每一次的改进都在朝着高效、便捷前 进。最早的是普通集装箱车，一车装载单箱或2 箱货物。后来为了运输大吨位集装箱， 采用专用集装箱铁路平车，并可以装载多箱货物。美、法等国早在2 0 世纪七八十年代就 运营了装运3 或4 个2 0 f t 集装箱的加长普通集装箱平车。 从2 0 世纪7 0 年代后半期美国开始试验性地运行双层集装箱叠装的列车( d s t 方 式) 。并在1 9 8 1 年，最早由南太平洋铁路公司提供了固定端墙的双层集装箱车运营服 2 第一章绪论 务；真正进入了双层集装箱车的实用阶段。后来，美国铁路出现了两种全新结构的车辆 1 2 j ：一种是双层集装箱专用平车，一种是关节车组；这两种车辆的出现可称之为集装箱 运输的一次革命。首先集装箱专用平车降低了车辆承载面的高度，可以装载两层大型集 装箱，提高了装载能力；而关节车组则可以把5 辆双层集装箱车关节在一起，大大降低 了车辆的自重系数。在美国之后，欧洲铁路如法国、英国和德国等也陆续地开发了关节 式集装箱车。不同的是美国由于限界较大，关节式集装箱车往往用来装运双层集装箱， 而欧洲铁路由于限界较小和轴重较低，只是用来装运单层集装箱或半拖车。 对于关节式集装箱车，即关节式车组；它是7 0 年代末，美国各铁路车辆厂家研制 的一种新型车辆。它是把相邻两辆平车利用关节连接在一起，中间共用一个转向架。这 种车组通常由5 辆车组成共使用6 个转向架，这样车辆自重就减轻了很多，并且这种车 适应性很广，可装载2 0 英尺、4 0 英尺、4 5 英尺的集装箱，也很适合装载集装箱拖车。 关节式车组和双层集装箱运输的联合代表了最先进的集装箱运输方式。 在实际应用中，自从美国采用d s t 运输以来，运输成本可减少2 5 - - 4 0 ，比公 路运输成本低。d s t 运输方式已成为限界较大的国家铁路集装箱的重要运输方式。对于 关节式的双层集装箱货车最早的一批，已累计走行过1 6 0 万公里，总的走行里程数超过 了1 3 亿公里；这为集装箱货车的发展奠定了很好的基础。现在，美国、加拿大、澳大 利亚等国普遍采用关节连接的每单元5 节的车组进行双层集装箱运输( 即关节式五联 车) ，这种车组由6 个转向架支撑着5 节车体。 就集装箱车的现状来看，以美国为例，目前其运行的集装箱车是以双层集装箱车为 主。有数据表明：美国铁路已有1 万多辆双层集装箱车，开行了几十条线路，运送全美 国9 5 以上的集装箱。下表说明了美国铁路双层集装箱专用车的主要种类、装载形式、 重心高及运行速度： 表1 1 美国铁路双层集装箱专用车主要类型 t a b l e1 1a m e r i c a nr a i l w a ym a i nt y p e so fd o u b l e d e c kc o n t a i n e rs p e c i a lp u r p o s ev e h i c l e 最大重车重心高最大运行速度 种类装载方式 ( m m )( k m h ) d t t x5 联车组 下层2 个2 0 f t 箱( 或1 个 2 5 3 5 5 3 d t t x 3 联车组4 0 4 8 f l 箱) 2 5 3 5 5 31 2 6 d t r x 单节车 上层1 个4 0 5 3 f l 箱 2 5 1 4 2 2 集装箱车的快速发展是有成熟的转向架技术支持的。目前世界的转向架发展主要是 沿着三大件式或构架式的方向。其中美国主要发展三大件式，西欧主要发展构架式。下 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 面重点介绍美国双层集装箱车配备的三大件式转向架。美国的双层集装箱车主要配有三 大件转向架，其中较成熟的有侧架交叉支撑三大件转向架技术，其突出特点是采用变摩 擦悬挂、侧架交叉支撑杆技术。下面重点介绍其中的变摩擦悬挂。 变摩擦悬挂特性是指悬挂刚度在受压和回弹时因摩擦力而产生的变化l 引。由于斜楔 干摩擦作用，摇枕变摩擦悬挂具有如下三个非线性特点：( 1 ) 斜楔低频卡滞：指在低 频谐振状态下斜楔干摩擦粘着滑动过渡中的运动状态快速变化，表现出一定的卡滞； ( 2 ) 斜楔纵向摩擦作用，它是三大件转向架动力学性能的重要影响因素之一。由于旁 承摩擦形成的回转阻力矩、车体一阶弯曲挠度变形和纵向冲击作用，斜楔纵向摩擦力是 一个不得不考虑的稳定性影响因素；( 3 ) 动态相对摩擦因子，根据g b 5 5 9 9 定义，在 一个加载和减载循环中摩擦力所做的功( 迟滞回线面积) 与悬挂弹性力所做的总功( 加 载和减载曲线下的面积之和) 的比值，称为相对摩擦因子。根据试验数据规律1 4 1 ，亦应 分为静态和动态相对摩擦因子。随着加载频率的提高，动态相对摩擦因子将有所增大， 特别是重载工况下动态相对摩擦因子呈现更加显著的增大趋势。这是与下述y 2 5 构架转 向架利诺尔减振器的最大区别：重载工况下利诺尔倾角变小，推杆所形成的主摩擦面法 向力也相应降低。 相比之下欧洲则多采用构架转向架，主要类型大都是从y 2 5 型构架转向架发展出 来。采用焊接构架和第一系轴箱悬挂的y 2 5 构架转向架很早作为西欧的主型货车转向架 应用。由于y 2 5 转向架采用利诺尔减振器，在运行中可以获得垂向载荷转化的部分纵向 力，从而增大了轮对纵向定位刚度。而且仅是空载弹簧受力的设计使利诺尔减振器的相 对摩擦因子较小，能获得较大的临界速度。 y 2 5 型转向架的结构特点有：采用焊接一体式刚性构架、两级刚度弹簧( 总载荷小 于1 3 6 k n 时仅由外圈弹簧承载，大于1 3 6 k n 时由内外圈弹簧共同承载) 、装配利诺尔 减振器( 对横向、垂向振动均有衰减作用，性能稳定) 、采用圆弹簧弹性摩擦旁承( 承 担部分垂向载荷限制车体侧滚，提供一定的转动阻力矩限制车体摇头) 。其优点体现在 簧下质量较轻，因而轮轨作用力、运行平稳性及动力学性能优于铸钢三大件转向架。但 由于y 2 5 构架一体、轮对定位刚度太大，在曲线线路区段轴箱载荷分配不均，产生轮轨 横向力和冲角，加剧轮轨磨耗。 ( 2 ) 我国的集装箱车发展和现状 铁路集装箱运输集高效快捷安全于一体，已经在很多国家有了成功的经验。目前我 国正在积极发展集装箱运输。 我国的集装箱车先是以敞车平车替代，后来设计了集装箱专用平车，随着发展的需 要又设计出双层集装箱车和装载长大集装箱的专用平车。早期研制的x 6 系列集装箱平 4 第一章绪论 车是没有活动侧墙和端墙的平板车辆，可以装载1 个4 0 f t 集装箱或2 个2 0 f t 集装箱。 2 0 0 3 年为了实现跨越式发展，由北京二七车辆厂和齐齐哈尔车辆厂研制了我国第 一代双层集装箱专用平车。该型车车体采用高强度耐候钢焊接结构，主要由端部底架、 中部底架、和侧墙等组成凹底形式。下层可以装载2 0 f t 、4 0 f t 标准箱；上层装载2 0 5 3 f t 长大集装箱。2 0 0 4 年4 月正式开始运营，最高运营速度8 0 k m h 。双层集装箱车根据其 转向架的不同分为x ，。型( 装配k 5 转向架) 和x ，。型( 装配k 6 转向架) 。 后来又发展了装运3 个2 0 f t 箱的x 。型集装箱专用车，也可装运1 个4 0 f t 和1 个2 0 f t 箱或者单独装运一个4 0 f t 5 3 f t 集装箱。该车优化了断面结构和连接方式，有效地减轻了 自重，提高了载重，增加了装箱数量；并采用了转k 6 型转向架，改善了车辆的运行品 质，满足在既有线桥条件下1 2 0 k m h 运行速度要求。相比之下，在相同站场条件下，该 车可较大幅度提高运能，满足铁路货车提速、重载发展要求。 另外，我国还研制了s q 型系列的运输小汽车双层平车。鉴于以往用通用平车运输 汽车的不足( 运量小，损坏率大) ，从2 0 世纪8 0 年代末开始研制s q 型运输汽车的双层 平车。后来发展到s q 。型，能运输中型及以下的轿、客、货、客货两用汽车。 在其核心部件转向架方面，我国目前是以三大件式为主，积极发展构架式转向架。 目前实际运营的双层集装箱车配备的是三大件式转向架，主要为飚，k 6 型【l j 。 k 5 型转向架是通过引进摆动式转向架技术，在以前三大件转向架基础上增加弹簧托 板( 连接左右摇枕弹簧) 、侧架承载鞍部设摇动座和摇动支撑设计出的具有较高横向柔 性、增加部件强度的三大件转向架。 k 6 型转向架是在k 1 、k 2 型转向架( 勉型为我国2 1 t 轴重的主型货车转向架) 基 础上发展出来的我国2 5 t 轴重重载的重要货车转向架。其主要技术特点在于：应用弹性 下交叉支撑机构、两级刚度弹簧、双作用常接触弹性旁承、心盘磨耗盘、组合式斜楔技 术；在转k 2 基础上增大部件强度、在承载鞍和侧架间加装橡胶弹性剪切垫( 轮对弹性 定位) ，并合理调整间隙得到。k 5 型和k 6 型两种转向架在双层集装箱平车、运煤敞车、 和7 0 t 及以上级货车上广泛应用。 在一些新型的重载双层集装箱车辆上，有厂家在尝试应用多轴的构架转向架。如本 文的研究对象六轴双层集装箱车使用的是3 e 轴构架转向架。它具有载重大，临界速度 高等优点，是今后重载货车转向架的发展方向之一。 以往，我国3 轴等多轴构架式转向架多用于长大特货车辆上。我国曾设计了载重9 0 t 的大吨位h 型构架式三轴转向架，采用整体焊接构架；无导框式一系轴箱弹簧悬挂，轴 箱悬挂特点是导柱式轴箱定位，无摩擦减振，弹簧座加装橡胶减振垫；使用切薄轮缘的 中间轮对，这样可以减小过曲线时的轮缘力。某厂新设计的一种6 轴双层的集装箱车辆， 5 大连交通大学下学硕十学位论文 使用的3 e 轴构架转向架。在保留以往设计长处的基础上，该转向架自身较以往的同类 型的转向架做了改进。 间平面摩擦接触 3 轴轮对使用 准l m 踏面 2 轴轮对使用轮缘减薄9 m m 的修正踏面中轴磨耗板减振 图1 13 e 轴构架转向架 f i g 1 13 e - a x l ef r a m eb o g i e 具体的，3 e 轴构架式转向架1 5 l 是由三个轮对、h 形焊接构架、直项式斜楔摩擦减振、 平面心盘、常接触弹性旁承等组成，如图所示。 3 e 轴构架式转向架具有如下两个构造特点： 1 ) 1 、3 轴采用直顶式斜楔摩擦减振，2 轴轴箱两侧装有磨耗板，同时，承载鞍与 轴箱之间为平面接触，曲线通过时产生横向窜动。垂向的摩擦减振和横向的承载鞍摩擦 蠕动是三轴转向架的两个动力学特点。对于直项式斜楔，尽管其主摩擦面的法向力是由 弹簧预载所确定的，但由于轴箱运动的复杂性，如点头，因而对轮对纵向定位刚度的贡 献是非常有限的。但是，由于l 、3 轴之间的轴距比较大，有助于提高转向架的临界速 度。而对于构架蛇行模态振动的稳定性来讲，承载鞍横向摩擦蠕动会起到有益的缓解作 用。 2 ) 使用轴重2 5 t 的e 型车轴，车轮踏面轮廓为l m 型，其中2 轴轮缘削薄9 m m ，相 当于1 、3 轴轮背距1 3 5 3 m m ( 名义滚动圆横跨距1 4 9 3 m m ) ，而2 轴轮背距1 3 3 5 m m ( 名义 滚动圆横跨距1 4 7 5 姗) 。轮缘减薄9 m m 踏面的等效锥度平坦变化区域拓宽；当轮缘减薄 9 m m 后轮对不具有合理的重力刚度，自复位能力比较差( 后绪章节进行了踏面的修正) 。 3 轴构架转向架是实现重载快捷的途径之一。利用成熟的多轴转向架技术可以降低 轮轨作用力，减少轮轨磨耗。通过使用e 型轴( 2 5 t 轴重) 转向架可以最大限度的利用 载重能力，以6 轴集装箱车为例，其理论总载重量可达1 5 0 t 。 在后续章节里，将就3 e 轴构架转向架高速性能进行有针对性的动态仿真分析。利 用软件仿真测试发现转向架的一些问题，并给予改进。重点考虑3 e 轴构架转向架的轴 箱悬挂和轮轨匹配的特点，即直顶斜楔变摩擦悬挂和中轴轮缘2 3 m m 车轮踏面属性进行 深入研究。 6 第一章绪论 1 3 2 高重心双层集装车辆存在的问题 目前，具有高重心特点的双层集装箱车在以往的试验和相关仿真测试中反映的问题 主要有以下几点1 6 - 8 1 ： ( 1 ) 试验中，双层集装箱重车垂向加速度偏大，见文献【6 】； ( 2 ) 由于高重心等缘故，车辆的垂横向耦合振动明显，见资料i 7 b ( 3 ) 试验中，重车通过曲线时，3 轴构架转向架存在过轮轨横向力超标，见文献【8 】。 下面具体说明： 我国第一代双层集装箱车在进行动力学试验和线路运行试验时，曾发现了双层集装 箱车的一个突出问题：该型车重车垂向振动加速度值偏大。在载重量大于或等于6 0t 的 情况下，无论是装用转k 5 型转向架还是装用转k 6 型转向架，其垂向振动加速度最大值 都出现过超标或接近限度值的现象，而其他动力学性能指标则较好，其中平稳性指标大 部分情况下属于优级。 中国铁道科学研究院在环行线对1 辆双层集装箱车和1 辆棚车一起进行了一次对比 试验，试验最高速度为1 2 0 k m h 。试验结果表明x ：x 型双层集装箱车垂向振动加速度明 显大于p r 型棚车。下图是测试的双层集装箱车和棚车的垂向加速度频谱图对比： 频率f h z 图1 2 环行线试验车的垂向振动加速度频谱 f i g 1 2v e r t i c a lv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns p e c t r u mo ft e s tv e h i c l ei nl o o pl i n e 有研究人员分析：双层集装箱车在1 5 2 5 h z 范围内包含至少一个固有振动频率，当 车辆受到道岔或钢轨接头等冲击激励，1 5 2 5 h z 范围内的振动分量得不到衰减，其对垂 向振动加速度贡献较大，是导致双层集装箱车垂向振动加速度较大的主要原因。 对于第二个问题，由于高重心等缘故，车辆的垂横向耦合振动明显。主要是在刚柔 耦合动力学仿真分析中表现出来的。 7 荩_型车车体垂向加叼bc型车车体垂向加 速度频谱图00j 速度频谱图000 大连交通大学下学硕十学何论文 图1 3 高重心双层集装箱车垂横向振动耦合作用 f i g 1 3 t h ev e r t i c a l - l a t e r a lv i b r a t i o nc o u p l i n go fd o u b l e d e c kc o n t a i n e rv e h i c l ew i t hh i g hc g 从上图可以看出( 图示单位纵坐标不一致) ：垂向振动在横向上的耦合较严重，车 体垂向振动加速度功率谱主频峰值最大为o 3 3m 2 ( h z s 4 ) 左右，其相应主频振动在横 向的耦合值达到0 2 5 m 2 ( h z s 4 ) 左右。 高重心双层集装箱车体垂横向振动耦合的产生有高重心的原因，但深层次的原因应 该还是在转向架的某些结构特点上，如平面心盘、悬挂装置。 第三个问题在已有文献中谈到1 8 1 。2 0 0 4 年株洲车辆厂对装配有3 轴构架转向架的某 型凹底平车试验，试验结果表明该车通过曲线和侧线时，空、重车轮轨横向力超出了 g b 5 5 9 9 1 9 8 5 规定的限度值。四方所刘宏友博士根据转向架结构理论分析和动力学仿真 计算，对3 d 轴焊接构架式转向架通过曲线时重车轮轨横向力偏大的原因进行分析。认 为3 d 轴焊接构架式转向架的主、副摩擦面摩擦系数偏大，使重车通过曲线时斜楔处于 卡死状态，轮对轴箱纵向呈刚性定位，从而导致重车过曲线时轮轨横向力偏大。提出只 要将斜楔副摩擦面的摩擦系数减小至0 1 左右，则在轮轨纵向蠕滑力的作用下，轴箱斜 楔纵向就不会被卡死，而且轮对纵向定位刚度只由轴箱弹簧提供，可以有效地降低重车 过曲线时的轮轨横向力。后来的线路动力学试验证明了上述理论分析和仿真计算的结 果。 本文研究的3 e 轴构架转向架的横向动力学性能也对横向受力状况进行了研究分析。 不过考虑问题的角度不同，论文从轮轨匹配的方面重点分析了此类问题。在高重心双层 8 车体横向加速度功率谱m。，iiz车体垂向加速度功率谱垦s2。寻 第一章绪论 集装箱车的3 轴构架转向架高速性能论证中转向架出现了3 个轮对轮轨力的不协调，主 要表现为高速时，1 、3 轴轮对横向受力状态不好，明显大于2 轴的。课题参考相关资料 9 - 1 1 j 在后续章节对高重心双层集装箱车配备的3 e 轴构架转向架进行了系统而有针对性 的研究改进。 1 4 已有研究基础和课题研究的主要内容 1 4 1 已有的相关研究基础 有研究者将双层集装箱车，大型罐车等高重心车辆带来的主要问题归结为重心高问 题，即随着车体结构和装载货物所形成的重心提高，车体上摆和下摆运动模态所对应的 惯矩发生了比较明显的变化，因而导致车体侧滚振动增强。空载条件下，车体侧摆振动 能量会引起上下心盘接触的稳定性问题；重载条件下，车体横向与垂向振动耦合作用增 强，车轮减载率和轮轨横向力有增大趋势。 但西南交通大学牵引动力国家重点实验室曾针对2 5 t 轴重铁路罐车重心高对车辆动 力学性能的影响进行了仿真分析发现：在重车重心高度变化范围为1 9 6 - 2 5 6m 内，车 体重心高度对车辆系统临界速度及平稳性指标影响不大。只是重车过小曲线时，车辆重 心越低，脱轨系数、轮重减载率越小。 另外，大连交通大学车辆动力学方面朴明伟教授利用动态仿真技术研究了重心高和 大型罐车的平稳性、轮轨安全性之问的关系，统计了详细的数据资料，如下。 表1 2 高重心重载罐车平稳性对比( 直线1 1 0 k i n h ) t a b l e1 2 s t a t i o n a r yc o n t r a s to fh e a v yt a n k e r sw i t hh i g hc g ( s t r a i g h tl i n e11 0 k m h ) 重心高前端w z后端w z ( h 0 m ) z 方向y 方向z 方向y 方向 2 4 6 13 2 7 33 4 8 23 1 4 93 6 4 9 2 6 6 13 2 6 93 4 9 33 1 4 93 6 5 6 2 8 6 13 2 6 53 5 0 6 3 1 5 0 3 6 5 9 3 0 6 13 2 6 13 5 1 43 1 5 13 6 5 6 3 2 6 13 2 5 43 5 1 63 1 4 43 6 5 8 3 4 6 13 2 5 13 5 2 63 1 5 43 6 5 4 注：z 方向为垂向，y 方向为横向。 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 表1 3 高重心重载罐车轮轨指标对比( 1 位轮对左车轮) t a b l e1 3w h e e l r a i li n d e xc o n t r a s to fh e a v yt a n k e r sw i t hh i g hc g ( 1 e f tw h e e lo ft h e1 s tw h e e l s e t ) 上表反映了两个主要问题：( 1 ) 高重心车辆的重心高对平稳性的影响不大；( 2 ) 随着重心高的增大( 达到2 8 m 左右) ，高重心车辆的轮轨指标增大，特别是脱轨系数 和轮轨横向力增大明显。此结论与西南交大的结论也相符。 台湾大学机械工程系t t - f u 和英国剑桥大学的d c e b o n 的相关研究提到影响侧滚稳 定性的的主要因素【1 2 j 有：重心高和轨距；悬挂和轮对的柔性；有效载荷的变化( 如罐车 内液体的晃动) 和车架的扭转弹性。为了控制侧滚，单纯的垂向高刚度不能解决问题； 进一步，研究者强调重载车辆悬挂系统的垂向振动平稳性和侧滚间的平衡十分重要。二 者要求悬挂系统要有适中的柔性；尤其对于具有大载荷和高重心特点的重载车辆。 还有研究者从变摩擦悬挂和心盘接触稳定性方面1 7 j 考虑高重心车辆产生问题的原 因。研究结果指出：随着重心高增大，空载工况下，高重心车辆上下心盘接触稳定性不 断下降，而旁承在车体侧滚稳定过程中逐渐成为主要约束，这可能成为高重心车辆高速 运行的安全隐患之一：重载工况下，上下心盘接触稳定性基本保持不变，但是，横向与 垂向振动的耦合作用有所增强，导致轮轨动力作用呈现增大趋势。研究者建议对于高重 心车辆应进行悬挂优化设计：随着重心高增大，重载和空载的横向与垂向振动耦合作用、 以及侧滚振动都与心盘旁承载荷变化有着密切的关系；若要保持心盘旁承载荷的稳定变 化必须进一步提高摇枕悬挂的侧滚柔顺性。国外类似的重心高车型也是通过降低悬挂刚 度或者施加压重物来降低车体沉浮模态频率，以提