（光学工程专业论文）铁道车辆轮对摩擦定位特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国铁路自1 9 9 7 年起至今共进行了六次客运列车大提速，目前动车组客运 速度已经达到了2 5 0 k m h ，货运速度拟提高到1 6 0 k m h ，以实现客运和货运速度 的合理匹配，提高铁路运输的整体经济效益。因此随着客运提速逐渐成熟完善， 货车提速已成为铁路一项非常迫切的任务。 由于客运车辆和货运车辆的运输对象不同，两者对运输速度、车辆保有量、 安全性、制造维护成本、检修成本等要求存在很大差别，这些差别在车体和转 向架设计思想中充分体现出来。其中转向架方面一项重要的不同是轮对定位方 式，客车转向架均采用弹簧一阻尼形式的弹性定位，具有适当的一系静挠度，以 改善乘坐舒适度，同时又能适应较大的空重车变化，而绝大多数货车转向架为 三大件转向架，轮对采用摩擦定位，不存在一系静挠度，以适应特别大的空重 车差别。很多教材和论文都对弹性定位轮对的特性进行了深入研究，由于摩擦 问题本身的复杂性及强非线性特性，对摩擦定位轮对特性及其与弹性定位轮对 的对比研究较少，本论文主要针对这一问题进行研究。 论文结合摩擦学理论，以静摩擦力和摩擦一速度连续梯度特性分析模型为 基础，归纳总结摩擦力与摩擦体相对运动速度之间的关系与特点，讨论了摩擦 力的s t r i b e c k 曲线和干摩擦阻尼在轮对摩擦定位中的作用。 论文建立了摩擦定位6 自由度单轮对分析模型，用k a l k e r 简化理论求解轮 轨蠕滑力，用迹线法计算轮轨接触几何关系，用单边弹簧阻尼力元法计算轮轨 法向力。用二维摩擦副原理结合导框式摩擦定位具体结构，运用动力学仿真模 型研究直线段轮对的动力学行为，并与弹性定位轮对的动力学特性进行了对比。 结果表明，摩擦定位轮对在横向收敛性、脱轨系数、纵向和横向振动、轮轨作 用力和轮轨磨耗的变化规律都与弹性定位轮对有较大的区别。 通过变参数计算，本文分析了摩擦定位各参数对轮对动力学特性的影响， 如承载鞍与侧架之间的摩擦系数、横向及纵向定位间隙、轴重等等。结果表明， 这些定位参数对轮对各项相关动力学指标的影响较为明显，都存在最优的取值 范围。 通过本文的研究工作，希望能为我国铁道货车的提速工作有所贡献，为以 后分析铁道货车整车的动力学性能提供一定的依据。 关键词：轮对定位；摩擦：铁道车辆；动力学 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 s i n c e19 9 7 ，c h i n ah a si n c r e a s e dt h es p e e do fr a i l w a yp a s s e n g e rt r a i n sf o rs i x t i m e s ，a tp r e s e n t ，t h ef a s t e s ts p e e do fe m u w h i c hu s e df o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o ni s 2 5 0 k m h ，c h i n aa l s oi n t e n dt oi n c r e a s et h es p e e do fw a g o nt o16 0 k m h , t h i sc a l l m a t c ht h ep a s s e n g e ra n df r e i g h tt r a n s p o r t a t i o ne f f e c t u a l l y , i m p r o v et h ew h o l e e c o n o m i cb e n e f i t so fr a i l w a ys y s t e m s o ，i n c r e a s et h es p e e do fw a g o nh a sb e c o m et o av e r yu r g e n tt a s kw i t ht h ep e r f e c t i o no f p a s s e n g e r t r a i n si nc h i n a b e c a u s et h eo b j e c t so fp a s s e n g e rv e h i c l e sa n dw e g o n sa r ed i f f e r e n t ，s ot h e r ea r e s om a n yb i gd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m ，f o re x a m p l e ，t h es p e e d , a m o u n t ，s a f e t y , c o s t o fm a n u f a c t u r i n ga n dm a i n t e n a n c e ，a n ds oo n ，t h e s ed i f f e r e n c e sa r ef u l l yr e f l e c t e di n t h ed e s i g no fc a rb o d ya n db o g i e 1 1 1 ew a yt oo r i e n t a t et h ew h e e l s e t si sa ni m p o r t a n t d i f f e r e n c eo fb o g i e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m f o r ta n da d a p tt h el a r g ed i s t i n c t i o n b e t w e e ne m p t ya n df u l lv e h i c l e ，a l lo ft h eb o g i ef o rp a s s e n g e rv e h i c l e sa r eu s e d s p r i n g - d a m p e rw h i c ha r er e s i l i e n t l ya n dh a v eas u i t a b l ep r i m a r ys t a t i cd e f l e c t i o n b u t m o s to ft h ew a g o n sa r eu s e st h r e e - p i e c eb o g i e s ，t h e i rw h e e l s e t sa r eo r i e n t a t e du s e f r i c t i o n , t h i sb o g i ee a r la d a p tt h eb i gd i f f e r e n c eb e t w e e ne m p t ya n df u l lv e h i c l e b e c a u s et h i sb o g i ed o n th a v ep r i m a r ys t a t i cd e f l e c t i o n m a n yt e x t b o o k sa n dp a p e r s h a v ea l l d e p t hs t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f w h e e l s e tw h i c ho r i e n t a t e db y s p r i n g - d a m p e r , b u to n l yal i t t l es t u d ya r ed e d i c a t et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw h e e l s e t w h i c ho r i e n t a t e db yf r i c t i o nb e c a u s et h ef r i c t i o ni sc o m p l e x i t ya n ds t r o n g l yn o n l i n e a r , t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nt h i st o p i c 、 u s e dt h et h e o r yo ft r i b o l o g ya n db a s e d0 1 1t h em o d e lo fs t a t i cf r i c t i o na n d f r i c t i o n - s p e e dg r a d i e n t , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n f r i c t i o na n d t h er e l a t i v em o v e m e n ts p e e do ff r i c t i o nb o d yi ta l s od i s c u s s e dt h es t r i b e c kr u l eo f f i i c t i o na n dt h ef u n c t i o no fd r yf r i c t i o nd a m p e rt ot h eo r i e n t a t i o no f w h e e l s t a na n a l y s i sm o d e lo fw h e e l s e th a v e b e e ne s t a b l i s h e d ，t h ew h e e l s e ti ni th a v es i x d e g r e e sf r e e d o ma n do r i e n t a t e db yf r i c t i o n i nt h em o d e l ，t h ek a l k e rs i m p l em e t h o d w e r ea d o p t e di nt h ec r e e pf o r c ec a l c u l a t i o n , t h et r a c em e t h o dw e r ea d o p t e di n c a l c u l a t i o no ft h ew h e e l r a i ls p a c eg e o m e t r yc o n t a c tr e l a t i o n , a n dt h es i n g l es i d e s p r i n gd a m pf o r c ee l e m e n tm e t h o dw e r ea d o p t e dt oc a l c u l a t et h ew h e e l r a i ln o r m a l f o r c e u s e dt h em o d e l ，r e s e a r c ht h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fw h e e l s e to nt h e s t r a i g h tt r a c ku s et h et h e o r yo ft w o - d i m e n s i o n a lf r i c t i o nc o m b i n e dw i t ht h es t r u c t u r e o ff r i c t i o no r i e n t a t i o n ，t h e nc o m p a r e dt h e s ec h a r a e t e r i s t i e sw i t ht h e i ro ft h ew h e e l s e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 w h i c ho r i e n t a t e db ys p r i n g d a m p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea l em a n yd i f f e r e n c e s b e t w e e nw h e e l s e tw h i c ho r i e n t a t e db yf r i c t i o na n ds p r i n g - d a m p e r , f o re x a m p l e ， h o r i z o n t a ls t a b i l i t y , d e r a i l e dc o e 伍c i e n t ，v e r t i c a lv i b r a t i o n , h o r i z o n t a lv i b r a t i o n , w h e e l r a i lf o r c e sa n da b r a s i o n , a n ds oo n f i n a l l y , t h r o u g ht h ev a r i a b l ep a r a m e t e r s ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h ei n f l u e n c ef r o m p a r a m e t e r so ff r i c t i o n o r i e n t a t i o nt ot h ew h e e l s e t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，f o r e x a m p l e ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，h o r i z o n t a lg a p ，v e r t i c a lg a pb e t w e e ns i d ef r a n l ea n d c a n - y i n g - s a d d l e ，a x l e1 0 a d ，a n ds oo n t h er e s u l t ss h o wt h a ta l lo ft h e s ep a r a m e t e r s h a v eo b v i o u s l yi m p a c t i o nt ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fw h e e l s e ta n da l lh a v ea n o p t i m a lr a n g e w eh o p et h ew o r ko ft h i sp a p e ra r ec o n t r i b u t i o n a l yt oi n c e a s et h es p e e do f c h i n a sw a g o n , a n do f f e rs o m eb a s i st ot h er e s e a r c ho fr a i l w a yw a g o n sd y n a m i c e h a r a c t e r i s t i e s k e y w o r d s ：w h e e l s e to r i e n t a t i o n ；f r i c t i o n ；r r o l l i n gs t o c k ；d y n a m i c 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本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学 位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留和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名罗笺备 日期：棚年7 月日 燃：罗 日期：纱p 簪7 月l 歹日 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，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。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： 把轮对视为被定位的部件，使用单转向架模型分析了摩擦定位的轮对在 转向架中的动力学特性，并和弹性定位的轮对进行了动力学特性的对比。 学位论文够躲罗娜 日期j z m ：加脾7 肖侈日。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 我国幅员辽阔，内陆深广，东西跨越5 4 0 0 公里，南北相距5 2 0 0 公里，各省 会城市之间平均距离1 5 0 0 公里左右，铁路一直在各种运输中处于骨干地位。目 前全世界铁路营业总里程约1 2 0 万公里，其中我国铁路有7 5 万公里，约占6 2 5 ，完成了将近全世界铁路总运量的l 4 ，运输密度为世界之最。在机车车辆装 备方面，目前机、客、货车的保有量分别约1 6 5 万台、4 万台和7 0 万台。 据统计，在铁路繁忙干线，4 线、6 线等多线并行的情况在发达国家铁路非 常普遍，而我国至今仍是客货混跑，缺少平行通道。自1 9 9 7 年起至今，我国铁 路共进行了六次大提速，第六次提速以后部分区段的动车组运行速度已经达到 了2 5 0 k m h 。随着客运提速逐渐成熟完善，货运提速已成为铁路一项非常迫切的 任务。 货车提速的关键是转向架，在最高运行速度范围内转向架具有良好的运行 平稳性和安全性等。我国目前的主型货车转向架在技术状态接近检修限度、车 辆为空载、运行速度达到7 0 一- - 8 0 k m h 时就可能发生剧烈的蛇行运动，动力学性 能恶化。1 9 9 6 年铁道科学研究院与四方车辆研究所等有关单位共同对接近段修、 状态较差的的多辆空载敞车进行了正线动力学性能试验，结果表明，这些敞车 在速度接近6 5 7 5 k m h 时，先后出现剧烈的蛇行运动，各项动力学性能变差。 因此，这些转向架已经不能适应货车提速的需要了。 为解决上述问题，货车转向架在三大件向架的基础上，采用了多种技术手段， 如加装交叉支撑杆提高抗菱刚度，加装一系橡胶垫增加轮对定位弹性等等。这 些技术措施，使货车基本满足了1 2 0 k m h 提速的要求，但空车的性能仍不稳定， 降低了转向架长期运用的可靠性。为进一步提速至1 6 0 k m h ，转向架已由三大件 改为构架式转向架，一、二系悬挂越来越多地采用客车转向架技术，但由于空 重车差别特别大，要使车辆同时在空、重车状态下仍保持良好的动力学性能还 是一项非常艰巨的任务，目前1 6 0 k m h 货车转向架仍没有实现批量生产。 1 2 轮对定位方式概述 由于车辆的用途、运行条件、制造维修要求、经济效益等不同，相应地出现 了很多种转向架，国内客车转向架超过2 0 种、货车转向架超过3 0 种。各种转 向架的主要区别在于：轴数和类型、悬挂系统的结构与参数、垂向载荷的传递 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 方式、轮对支承方式、轮对轴箱定位方式、制动装置以及构架、侧架结构等等 诸多方面。 车辆转向架中，轮对与构架( 或侧架) 之间、构架( 或侧架) 与车体之间， 设有弹性悬挂装置，前者称为轴箱悬挂装置或一系悬挂，后者称为摇枕悬挂装 置或二系悬挂。目前，我国大多数货车转向架只有摇枕悬挂装置，客车转向架 既有摇枕悬挂装置又有轴箱悬挂装置。 约束轮对与构架之间相对运动的装置，称为轴箱定位装置，轴箱作为轮对 装配的一个部件，除绕车轴的转动外，它们之间的相对运动很小，把约束轮对 轴箱与构架相对运动的机构统称为构架对轮对的定位装置。铁道车辆常用的轮 对的定位方式以下几种： ( 1 ) 固定定位：轴箱与转向架侧架铸成一个整体或者用螺栓等紧固成一个整体， 它们之间没有相对运动，这种方式在现代机车车辆上很少见。 ( 2 ) 导框式定位：在轴箱上或者轴箱承载鞍上有导槽，构架( 或侧架) 上有导 框。导框插入导槽内，可以容许轴箱和侧架之间在垂向允许有较大的相对位移， 前后、左右方向仅能容许在间隙范围内有相对小的位移。如果侧架直接支撑在 轴箱或承载鞍上，这样转向架轮对就主要依靠侧架和轴箱或承载鞍之间的干摩 擦定位，本论文主要研究这种轮对摩擦定位方式轮对。 在有的导框式定位中，在轴箱或承载鞍与侧架之间加装橡胶垫，可形成一 定程度的弹性定位。 有文献提出，可以在导框无弹性定位的基础上，采用新型弹性承载鞍代替 旧型承载鞍，消除承载鞍与侧架之间的间隙。此方案承载鞍的纵横向刚度依靠 硫化在两侧的橡胶起作用，承载鞍上部的橡胶起垂向减振作用。使用时与原承 载鞍相同，即落车时放于轮对轴承上或置于侧架导框中n 羽。该型方案在落车后 承载鞍两侧的橡胶有一定的预压缩，以消除间隙，实现弹性定位。 ( 3 ) 干摩擦导柱式定位：在轴箱两侧铸有弹簧托盘，安装在构架上的导柱 插入安装在弹簧托盘上的支持环，它们均装配有磨耗套，发生上下运动时，磨 耗套之间就会产生干摩擦作用，在侧梁下盖板和轴箱两侧的弹簧托盘之间安装 轴箱弹簧，它通过轴箱橡胶垫产生不同方向的剪切变形实现弹性定位，而轴箱 弹簧作为一系悬挂； ( 4 ) 无磨耗的橡胶堆定位：轴箱两侧铸有弹簧托盘，橡胶堆和构架上的圆 弹簧导柱连为一体与弹簧托盘相连，当轮对相对于构架运动时，橡胶堆在三个 方向均有弹性定位作用，由于橡胶本身的粘弹性特点，在轴箱和构架之间可以 不设垂向液压减振器； 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 5 ) 油导简式定位：其原理和干摩擦导柱式定位相类似，只是把导柱和支 持环变成活塞和油缸的形式，导柱在导筒内上下移动时。油液可以进出导柱的 内腔，有减振的作用。它的定位作用是，当构架和轮对之间产生水平方向的运 动时，利用导柱和导筒传递纵向和横向力，再通过轴箱橡胶垫传递给轮对，实 现轮对弹性定位作用，另外在侧梁下盖板和轴箱两侧的弹簧托盘之间安装有轴 箱弹簧作为一系悬挂； ( 6 ) 拉板式定位0 选用弹簧材质的定位拉板取代传统的轴箱拉杆，一端与 轴箱连接，另一端通过橡胶节点与构架连接。利用拉板三个方向不同刚度来约 束构架与轮对间的相对运动，以实现弹性定位，垂向用轴箱弹簧作为支承； ( 7 ) 拉杆式定位：拉杆分别与构架和轴箱销接，拉杆中的橡胶垫、套分别 限制了轴箱轮对与构架之间的纵向和横向的位移，实现了纵向弹性定位。在垂 向可以容许轴箱轮对与构架有较大的相对位移，加装轴箱弹簧等作为垂向支承， 如果采用双拉杆还可实现横向定位，采用单拉杆时只能由弹簧的水平刚度实现； ( 8 ) 转臂式定位：又称弹性铰定位，转臂一端与轴箱体固接，另一端以弹 性橡胶节点与构架上的安装座相连。轮对轴箱产生纵向、横向位移时，弹性节 点可产生弹性定位的作用，这种定位容许轴箱相对于构架有较大的垂向相对位 移，在轴箱顶部和构架侧梁之间加装螺旋弹簧作为垂向支承，垂向采用螺旋弹 簧时一般需要并联一个液压减振器； ( 9 ) 橡胶弹簧定位：构架与轴箱之间设有橡胶弹簧，比如“八 字形橡胶 堆轴箱定位，提供垂向、横向和纵向的合适的刚度以实现良好的弹性定位，这 种结构在世界各地的地铁车辆中有广泛的采用。 前面所述的铁道车辆的轮对定位方式中，除了现在很少采用的第1 类外， 可以划分为摩擦定位和弹性定位两大类，摩擦定位主要运用在导框式定位中， 弹性定位既可在导框式定位中采用，也可在其他定位方式中采用。货车中广泛 采用摩擦定位方式，客车中均采用弹性定位方式。 货车转向架是铁路货车的关键部件，而且在车辆的组成中是一个相对独立的 部件，因而对各型车辆有较大的适应性。对货车转向架的一般要求是：结构简 单合理、工作安全可靠、运行性能良好、维护检修方便，再加上货车转向架的 数量很大，一般仅在摇枕和构架之间设置弹性悬挂装置，而轮对轴箱的定位就 采用了无弹性的摩擦定位结构，这样结构简单、检修方便，例如更换轮对时只 要把侧架顶起就可以把轮对推出。近年来，随着货车运行速度的逐步提高，货 车转向架弹簧装置的静挠度有增大的趋势而且要加强对轮对的弹性定位，在现 代货车转向架上一般还安装结构简单的减振装置，以保证转向架具有良好的动 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 力性能，将货物安全无损的运送到目的地。 本论文主要研究摩擦定位轮对的基本动力学特性及其与弹性定位轮对动力 学特性的对比。 1 3 国内外货车轮对摩擦定位的应用情况与问题 1 3 1 国外货车转向架 各国货车转向架发展主要沿着两条不同的途径：在美国、前苏联，货车转 向架习惯采用三大件式，西欧许多国家的货车转向架采用构架式。 1 9 6 7 年国际铁路联盟将y 2 5 型转向架定为西欧铁路的标准型货车转向架。 y 2 5 型转向架是法国研制出的采用焊接式构架和一系轴箱悬挂的货车转向架，它 的轴箱弹簧采用两级刚度弹簧，由高度不等的内簧和外簧组成，形成比较典型 的货车轮对弹性定位。 加拿大、美国、瑞典、澳大利亚等多个国家，为了提高三大件式转向架的 运行速度，于8 0 年代对三大件式转向架进行了各种方案改造，其中一个重要改 造就是在两侧架之间安装弹性交叉支撑拉杆，成为交叉支撑式转向架；另外一 种方法就是在侧架导框座与轴箱承载鞍之间加装橡胶垫，以改善转向架的动力 学性能，降低轮轨磨耗，但是，加装了轴箱橡胶垫的三大件式货车转向架，也 暴露了一些新的问题。目前在加拿大、美国、瑞典、澳大利亚等国家，仍有很 多货车继续采用轮对摩擦定位。 摆动式运行转向架，是美国国家铸件公司生产的，仍然属于三大件式转向 架，保留了三大件式转向架的许多优点，在侧架上设置一个摇动台，摇枕弹簧 的托板放置在摇动台上，摇动台和侧架之间成圆弧接触，成为侧架摆动的下端； 在侧架导框和承载鞍之间增加摇动块，摇动块和承载鞍顶面也是圆弧接触，形 成侧架摆动的上端。该转向架的侧滚稳定性有明显的提高。这种转向架轮对主 要是依靠导框干摩擦定位。 ， 澳大利亚铁路经过比较分析认为交叉支撑转向架具有优越的性能，从1 9 9 9 年到2 0 0 1 年陆续从我国进口了1 0 1 辆中交叉支撑转向架货车，该批货车运行平 稳、运行噪音小、轮缘磨耗少，很受欢迎，其轮对定位方式也是摩擦定位。 1 3 2 我国货车转向架 转8 a 型转向架属三大件式转向架，是目前我国大量运用的一种主型货车d 轴转向架。这种转向架的主要优点是：结构比较简单、坚固、检修方便，在新 车状态时速为l o o k m 范围内具有较好的运行品质。转8 a 型转向架采用导框式轴 箱定位，侧架的两端具有宽度较大的导框，导框插入承载鞍的导槽之内，限制 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 了轴箱与侧架之问前后、左右方向的相对位移。轴箱和侧架之间没有任何的弹 簧装置，所以在运用中轴箱和侧架的垂向相对位移很小。转8 a 型转向架自1 9 9 6 年经铁道部鉴定推广生产以来，全路约有5 5 万辆货车装用，占全国货车转向架 的7 5 左右，而且还以每年一万多辆的速度在增加。但是它也暴露了一些问题： 轴瓦端部磨损严重、簧下质量大、抗菱形变位刚度小、空车动力性能不好等， 在磨损情况下较低的速度时就会出现蛇行失稳；针对这些问题，有关部门提出 了各种改进途径。 1 9 9 0 年，齐齐哈尔车辆厂为了解决转8 a 型转向架的各种缺点，对其进行了 改造，包括：中交叉支撑装置、常接触弹性旁承、斜楔式减振装置、中央悬挂 系统、八字形轴箱橡胶垫；在侧架导框顶面和承载鞍顶面之间加装了八字形橡 胶垫，为轮对提供了适宜的纵、横向刚度，同时形成了轮对的一系弹性悬挂， 实现了轮对的弹性定位。1 9 9 8 年1 2 月进行了动力学试验，结果证明该型中交叉 支撑转向架可以满足1 2 0 k m h 的运行速度要求，被定型为转k 1 型转向架。该转 向架需要摇枕侧壁开孔，因此只能用于新制造车，而不能直接改造原有的转8 a 型等三大件货车转向架啦! 。 1 9 9 8 年，铁道部决定从美国引进货车转向架下交叉支撑技术。于1 9 9 8 年 1 2 月装于p 皓型快运棚车进行动力学性能试验，试验最高运行达到1 3 8 k m h ，结 果表明，这种下交叉支撑转向架的各项动力学性能指标优良，可以满足我国铁 路货车运行速度达到1 2 0 k m h 的运用要求。1 9 9 1 年1 月，该型下交叉支撑转向 架被定型为转k 2 转向架，转k 2 型转向架在两侧架之间安装了带弹性节点的下 交叉支撑装置，采用整体斜楔式或分离斜楔式减振装置，中央悬挂采用两级刚 度弹簧，采用双作用常接触弹性旁承。它的轮对定位方式依然采用摩擦定位的 形式、 2 0 0 0 年3 月，铁道部根据1 9 9 9 年1 1 月的转8 a 型转向架改进方案的动力学 试验结果和专家评审，确定把下交叉支撑技术作为对转8 a 型转向架的铁道部统 一改造方案，且定型为转8 a g 型转向架，2 0 0 0 年正式投入运用，转8 a g 型转向 架在转8 a 型转向架的基础上加装了下交叉支撑装置、双作用弹性旁承、两级刚 度弹簧等，其轮对定位方式依然沿用了转8 a 型转向架的形式，即摩擦定位。 2 0 0 0 年，齐车公司根据铁道部的要求，同时进行了新造转8 a 型转向架加装 下交叉支撑结构的试制工作，把转8 a g 型转向架中的几项改进措施直接移植到 新造的转向架上，被铁道部定型为转8 g 型转向架，至此，下交叉支撑技术开始 在我国铁路推广运用。转8 g 型转向架在转8 a 型转向架的基础上加装了下交叉 支撑装置、双作用弹性旁承、两级刚度弹簧等，其轮对定位方式依然沿用了转 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 8 a 型转向架的形式，即摩擦定位。 自1 9 9 1 年至2 0 0 1 年底，全国铁路交叉支撑转向架的各型货车投入运用约 2 5 万辆，其中装用转k 2 的新造货车9 4 0 0 辆，装用转8 g 型转向架的新造货车 约1 4 0 0 0 辆，装用转8 a g 型的改造货车约1 9 0 0 辆，装用转k 1 型转向架的新造 货车5 0 辆。 我国运煤专用的c 6 3 型敝车采用的控制型转向架，仍然采用枕簧一系悬挂 的形式，轴箱依然使用承载鞍和侧架导框式定位，属于轮对摩擦定位。 我国于2 0 0 3 年研制开发了2 5 t 轴重的转k 6 型转向架和转k 5 型转向架，已 经完成了转k 6 、转k 5 型转向架装用于多种货车的正线动力学试验。经过运用考 核和多次动力学试验，转k 6 型货车转向架成为我国7 0 t 级及以上货车的主型转 向架。转k 6 型转向架适用于标准轨距、轴重2 5 t 、最高商业运营速度1 2 0 k m h 的各型铁路提速、重载货车。转k 6 型货车转向架一系悬挂采用了轴箱剪切垫， 即在承载鞍顶部和侧架导框底部之间设置一个轴箱橡胶垫( 转k 6 所用的是内八 字橡胶弹性剪切垫) ，实现轮对的导框式弹性定位。承载鞍与侧架导框之间的两 侧间隙之和，纵向为5 - - - 7 m m ，横向为9 - - 一1 3 m m ；承载鞍与侧架导框之间单侧最 小间隙，纵向为2 m m ，横向为3 5 m m 。 转k 5 型转向架，适用于在标准轨距铁路上运用的载重为7 0 t 级的各型铁路 货车、载重为7 6 t 和8 0 t 的各型运煤专用敞车以及其他总重为l o o t 的铁路专用 货车。它的承载鞍结构与转k 4 型转向架类似，鞍顶顶面为经过硬化处理的弧面， 与导框摇动座组合成为一个摆动机构的上摆点，使侧架像吊杆一样，具有摆动 功能。导框摇动座为合金钢煅件，用固定块固定在侧架导框处。在转k 5 型转向 架的维护规程中规定：承载鞍顶面和导框摇动座之间、摇动座与摇动座支承之 间不能涂抹润滑物质。这是因为转k 5 型转向架轮对主要是依靠导框干摩擦定位 的，如果承载鞍表面有油渍，则必将导致承载鞍顶面与侧架导框顶面间的摩擦因 数减小，降低摩擦定位性能。 我国的转k 3 型转向架采用整体焊接构架、轴箱弹簧悬挂装置、常接触弹性 旁承等。轴箱弹簧悬挂装置采用三级刚度弹簧，实现了轮对的弹性定位d ，。 1 4 国内外的研究现状 早在1 8 2 9 年，在一篇关于铁路运营的记载中就观察到车辆“在运行中的持 续振动主要是由于车辆和轨道的四个接触点在运行中几乎不可能连续保持在一 个平面内弓l 起的 ，即在世界上铁路开通的初期，由于轮轨接触点的运动而引 起的车辆一轨道系统动力学问题就被提了出来t ，。1 9 世纪8 0 年代的欧洲，就对 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 涉及运行安全的车轮脱轨问题开始研究，并初步提出了各种计算车辆脱轨临界 状态的理论公式，其中有至今尚在应用的简单而实用的n a d a l 公式。在其后的 一个相当长时期，欧洲各国二轴货车脱轨成为一大问题，国际铁路联盟和欧洲 各国就轨道的扭曲量、车体扭转刚度、弹簧装置静挠度和摩擦力、轴距和轴重 等许多参数对脱轨的影响进行了大量的试验研究和理论探讨，研究后采取的措 施显著减少了脱轨事故的发生。对于蛇行运动，c a r t e r 最早认为轮对的蛇行运 动是属于一种不稳定的自激振动，他在1 9 2 6 年首先研究了轮轨问的蠕滑现象， 并以此来分析机车在直线上运行稳定性。2 0 世纪5 0 年代初，日本的松平精在理 论和试验研究的基础上，设计了货车防止蛇行失稳的装置，为日本东海道新干 线高速客车上设计和研制新型轴箱轮对定位装置提供了经验。近5 0 年来，对于 存在着摩擦的两个弹性体之间的滚动接触理论研究是十分活跃的，j o h n s o n 将滚 动接触的二维问题发展成为三维问题，k a l k e r 用多项式级数分析表达具有椭圆 接触区的滚动接触问题的解，计算出全部蠕滑系数和切向力，并据此开发出简 化计算程序一f a s t s i m 和完善计算程序一c o n t a c t 吼1 ，1 9 6 7 到1 9 7 3 年在轮轨蠕 滑方面展开了大量的工作，研究纵向、横向和自旋蠕滑之间的关系，并分析蠕 滑对机车车辆蛇行稳定性、曲线通过和横向振动的影响。 提高车辆蛇行失稳临界速度和改善车辆曲线通过性能这两者对悬挂参数的 要求是相互矛盾的，上世纪7 0 年代，南非s c h e f f e l 研制出自导向式货车转向 架，成功解决了这对矛盾。现代计算机技术又推动了车辆系统动力学的发展， 对复杂的车辆数学模型可用计算机求解。近十多年来，基于多体系统动力学理 论成果，开发的各种铁道车辆动力学分析软件相继问世，使得动力学的理论研 究成果直接用于确定车辆参数、优化设计及预测动力性能。 对于弹性定位的轮对和采用轮对弹性定位的机车车辆，国内外已进行了大 量研究，包括垂向动力学、横向动力学、列车动力学、车辆一轨道耦合动力学、 驱动动力学等等。近年来，西南交大的马卫华博士对弹性定位轮对的纵向动力 学行为及其相关动力学问题进行了深入的研究。 如前所述，轮对摩擦定位主要运用于铁道货车。货车动力学一直受到研究 者关注，开展了大量的工作。 加拿大国家研究院( n r c ) 下属的地面运输技术中心( c s t t ) 为了详细的研究 三大件式货车转向架，建立了一个专门测试转向架动力学参数的试验台，研究了 北美一些铁路公司传统的三大件式转向架、径向转向架和交叉支撑式转向架等 或其零部件的特征参数，并为北美铁路协会( a a r ) 开发的n u c a r s 程序所需要输入 的悬挂参数提供了可靠的试验数据怕孔。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 早期，人们多数是将机车车辆系统考虑成线性或线性化模型来进行研究， 其局限性在于只能研究平稳点附近的局部稳定性问题，若要研究系统的全局特 性则必须考虑非线性的数学模型。实际上，机车车辆系统是典型的非线性系统， 存在着轮轨关系和悬挂特性等非线性因素，尤其是货车为强非线性系统，系统 中还有干摩擦，以及旁承和心盘回转摩擦力矩的存在。对于非线性系统，其蛇 行运动特性要比线性系统复杂得多，非线性系统蛇行失稳临界速度应该如何定 义，是否受线路状况的影响，以及其与线性临界速度的关系如何，都是值得深 入研究的问题，西南交大的曾京教授在这方面做过很多研究，在计算模型中充 分考虑了轮轨接触几何关系非线性、轮轨相互作用力非线性以及各种货车系统 悬挂的非线性，对各非线性因素均不作线性化处理。上海铁道大学的胡用生教 授采用极限环对货车非线性临界速度进行分析。但是，至今还没有单独研究承 载鞍和侧架之间的摩擦定位各个因素对动力学性能的影响。 文献 1 3 中提出，利用二维摩擦副模型来分析货车承载鞍和侧架之间的摩 擦力，利用一个带二维串联刚度的仿真模型，减小了库伦摩擦模型的非线性程 度，该模型用位移与最大静摩擦力的关系取代了速度与摩擦力的关系。较好的 模拟了摩擦副咬死和滑动现象，还把它运用到整车模型中对铁道货车直线运行 的动力学性能进行了分析，得出了带轴箱橡胶垫的导框式定位的货车运行性能 优于不带轴箱橡胶垫的货车的结论。但是，该文献没有具体讨论轮对定位中的 各参数对车辆动力学性能的影响。 文献 1 4 中，讨论了带有三大件式转向架的货车通过道岔时承载鞍和侧架 导框的相对运动情况，但是并没有分析这种运动和动力学性能的关系。在货车 动力学研究中，用极限环来求解蛇行运动也是很常用的，但是在一些研究中认 为导框式无弹性定位的轴箱和侧架之间摩擦力很大，可以近似为铰接或者近似 为大刚度的弹簧处理。2 0 0 4 年，大连交通大学的孟浩硕士与大连铁丰机械设备 有限公司合作，研究出铁路货车承载鞍磨耗检测的新方法，在他的硕士论文铁 路货车承载鞍磨耗智能测控系统开发中指出，由于承载鞍可以相对导框纵向 和横向移动，是容易磨耗的，承载鞍顶面承受着动静载荷，它的磨耗或变形对 车辆动力学性能都有较大影响，但是没有指出具体是如何影响动力学性能。 综上所述，国内对铁道货车的动力学性能研究中，对于轮对采用导框式摩 擦定位的情况，涉及轮对定位方面的还较少，而且没有在车辆其它参数不变的 情况下，单独分析轮对定位的各参数对动力学的影响，也没有特别分析摩擦定 位情况下的轮对动力学特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 5 本文主要工作 本论文的主要工作有如下几点： ( 1 ) 采用6 自由度单轮对模型，研究摩擦定位轮对的基本动力学特性，建立 摩擦定位轮对的运动微分方程，其中包括对轮轨接触几何关系、轮轨法 向力、蠕滑力的求解。 ( 2 ) 结合摩擦学理论，对干摩擦机理进行理论分析，并把分析所得的摩擦副 的特性应用于轮对摩擦定位的分析研究。 ( 3 ) 建立单转向架动力学仿真模型，对摩擦定位轮对在转向架中的特性进行 分析，并和弹性定位的轮对进行对比，其中包轮对直线运行稳定性、对 轨道不平顺的响应、直线运行安全性、轮轨作用力以及轮对的横向和纵 向振动特性等。 ( 4 ) 应用动力学仿真模型，分析各个因素对摩擦定位轮对动力学特性的影响， 其中包括承载鞍和导框之间的摩擦系数、轴重、承载鞍与导框之间的间 隙等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章千摩擦理论概述 ， 研究轮对摩擦定位，必须对干摩擦理论及摩擦副特性有较准确的认识。摩 擦是相互接触物体在外力作用下，有相对运动趋势或作相对运动时，在接触面 上产生阻碍相对运动的作用力的现象。这种阻碍相对运动的力称为摩擦力。如 果将两个固体相互压紧，并施加有切向力，则引起滑动所需的切向力就是“静 摩擦力 ，维持滑动所需的切向力就是“动摩擦力”。动摩擦力通常小于静摩擦 力。 2 1 摩擦理论 2 1 1 古典摩擦定律 1 6 9 9 年，法国工程师a m o n t o n s 提出了摩擦第一定律和第二定律，第一定律 表明摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关，而第二定律表明，摩擦力与 两物体之间的法向载荷成正比n 们。约在1 7 8 5 年，c o u l o m b 提出了第三摩擦定律， 即摩擦力与速度无关。这三个定律可以统称为古典摩擦定律。 研究表明，古典摩擦定律不完全正确，必须做如下修正： ( 1 ) 当法向载荷较大时，摩擦力与法向压力呈非线性关系，法向载荷愈大， 摩擦力增加得愈快； ( 2 ) 有一定屈服点的材料( 如金属) ，其摩擦阻力才与接触面积无关，粘 弹性材料的摩擦力与接触面积有关； ( 3 ) 精确测量，摩擦力与速度有关，但金属与金属之间的摩擦力随速度变 化不大； ( 4 ) 粘弹性材料的静摩擦因数不大于动摩擦因数。 2 1 2 摩擦系数 摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。依 据第二摩擦定律可得，f = ，其中即为摩擦系数，它与表面粗糙度有关， 与接触面积大小无关。依运动的性质，它可分为动摩擦系数和静摩擦系数。 如果两表面互为静止，那么在两表面间的接触处会形成一个强摩擦力 静摩擦力，除非破坏了这个结合力才能使一个表面相对另一表面产生运动，破 坏这个结合力的力与其一表面的垂直力的比值即为静摩擦系数从，此时的静 摩擦力z 可以表达为：f = 以n 。 物体启动后，如汽车过了些时候它