陳 超，高俊平，汪小霞

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

鐵路提速貨車轉向架等效橫向剛度的研究

陳 超，高俊平，汪小霞

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

為了對鐵路提速貨車轉向架搖枕的橫向剛度進行等效計算，利用動力學仿真軟件SIMPACK建立裝有轉K5型轉向架的C70H型貨車整車模型，對轉向架的橫向剛度進行仿真計算和分析。通過模型校驗，仿真計算結果和實測結果對比說明，對于擺式轉向架搖枕橫向剛度的等效計算方法具有可行性，該研究方法可用于提速技術與裝備的研究。

鐵路；貨物運輸；貨車轉向架；橫向剛度

隨著國民經濟持續(xù)增長，工業(yè)化、市場化進程加快，全社會物資的流動加速，鐵路作為大能力交通工具和大宗物資的主要運輸方式，運能緊張局面愈加突出。為提高我國鐵路貨物運輸能力，增強貨運市場競爭能力，必須提高貨物列車的運行速度。為此，我國于 2001年從國外引進擺式轉向架技術，并在 2003年研制出構造速度 120 km/h 的轉 K5 型提速貨車轉向架。該轉向架通過擺動式結構增大了橫向柔性，以下利用動力學仿真軟件 SIMPACK 建立裝有轉 K5 型轉向架的C70H鐵路貨車整車模型，在建模過程中采用等效的方法對轉向架橫向剛度進行處理。

1 建立整車模型

建模過程中對于輪軌關系的處理采用我國鐵路貨車車輪的LM 磨耗型踏面與 60 kg/m 鋼軌相匹配。在 SIMPACK 的Rail 模塊中只有歐洲的輪軌關系文件[1]，因此建模之前需將我國的LM磨耗型踏面與 60 kg/m 鋼軌軌頭外形進行離散，并通過 SIMPACK 中的前處理程序將其生成輪軌關系文件，并在模型建立之后調用。

整車模型的系統(tǒng)參數(shù)為裝有轉 K5 型轉向架的C70H型貨車[2]，主要包括貨物1件、車體1個、搖枕2個、側架4個、承載鞍8個、輪對4對。模型中各部件均視為剛體，全車共有 20 個剛體，其中貨物與車體之間采用零自由度連接，車體與搖枕通過心盤和常接觸旁承連接，搖枕與側架通過搖枕彈簧相連，側架與輪對通過承載鞍連接。其受力情況為：一系懸掛考慮縱向、橫向和垂向剛度，縱向和橫向摩擦力；二系懸掛考慮縱向、橫向和垂向剛度，橫向和垂向摩擦力；心盤與常接觸旁承處考慮摩擦力形成的回轉阻力矩；考慮承載鞍與側架導框的縱向、橫向間隙，搖枕檔與彈簧托板的間隙，間隙消除后構件之間為剛性沖擊。在 SIMPACK 多體動力學軟件中建立 C70H型貨車的整車模型。

2 搖枕橫向剛度等效計算

轉 K5 型轉向架具有擺動式結構，在兩側架之間增加了彈簧托板，彈簧的作用力通過彈簧托板傳遞給側架。彈簧托板兩端與搖動座相連，搖動座位于側架內的搖動座支承上，同時在側架導框與承載鞍之間也設置了同樣的搖動座結構。搖動座結構使擺動式轉向架的側架與彈簧托板之間、側架與承載鞍之間均形成了圓弧狀配合，使左右兩側架可以繞各自的縱向軸做同步擺動[3]。當側架的承臺接觸到搖動臺座時，側架的擺動角度即達到最大值。根據(jù)以上特點，可以將側架的擺動結構簡化如圖1所示。

A，B，C，D分別為側架導框與承載鞍之間的搖動結構，E，F(xiàn)分別為側架與彈簧托板之間的搖動結構，均等效為可繞縱向軸轉動的旋轉鉸。圖1 b中的虛線表示側架向左發(fā)生橫向擺動后的位置。假設此時系統(tǒng)處于平衡位置，則對于E點有：

圖1 擺動式轉向架側架圖示

令Masg/(4l0)＝，則公式⑴可表示為：

式中：Mas為車輛的簧上質量；α為側架橫向擺動角度；y為側架橫向擺動時E，F(xiàn)點橫向位移；l0為吊桿長度，即為側架的上擺點與下擺點之間的垂直距離；為側架擺動的橫向等效剛度(單側)。

將擺動式轉向架側架的橫向擺動等效為具有橫向剛度的彈簧，則在建模過程中可不單獨考慮側架的側滾振動，而將其等效為橫向彈簧力施加于側架的下擺點位置。當側架橫向擺動未達到極限位置時，等效彈簧的橫向剛度為搖枕彈簧橫向剛度和側架擺動的橫向等效剛度串聯(lián)作用下的剛度，即第一階段的橫向剛度K串：

式中：K串為橫向串聯(lián)剛度(單側)；Ky為搖枕彈簧橫向剛度(單側)。

當側架橫向擺動到極限位置后，僅有搖枕彈簧橫向剛度的作用，即第二階段的橫向剛度為Ky。搖枕相對彈簧托板繼續(xù)橫向移動，當搖枕擋與彈簧托板接觸后，兩者為剛性接觸，可近似等效為彈簧力，則在建模中可以將力與相對位移的關系量化，計算時直接調用。

3 模型校驗

擺動式轉向架搖枕橫向剛度的等效方法需經過實踐檢驗，確定模型的正確性后才能用于實際問題的研究。驗證模型最直接的方法就是將相同工況下的仿真計算結果與實際測試結果進行對比分析。現(xiàn)將仿真計算結果與實測結果進行對比如下[4]。

仿真計算中采用AAR5級軌道譜作為線路激擾，工況按照實測試驗工況設置。

裝載工況：C70H貨車，貨物重量 60 t，重車重心高 2 300 mm，貨物重心縱向偏離車輛橫中心線767 mm、橫向不偏移。

（1）直線運行工況。仿真計算中速度分別為70 km/h，90 km/h，100 km/h，110 km/h，120 km/h，將直線運行工況的脫軌系數(shù)和輪重減載率仿真計算結果與實測結果進行比較，如圖2 和圖3 所示。

圖2 直線脫軌系數(shù)比較

圖3 直線輪重減載率比較

（2）曲線運行工況。仿真計算中曲線半徑為600 m，外軌超高為 80 mm，圓曲線長為 200 m，進出緩和曲線各 100 m，速度分別為20 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h。將半徑為 600 m 的曲線運行工況的脫軌系數(shù)和輪重減載率仿真計算結果與實測結果進行比較，如圖4和圖5所示。

通過以上仿真計算和實測結果的對比可見，兩者的脫軌系數(shù)和輪重減載率較為一致，說明對于擺式轉向架搖枕橫向剛度的等效方法具有可行性。

圖4 半徑為 600 m的曲線脫軌系數(shù)比較

圖5 半徑為 600 m 的曲線輪重減載率比較

4 結束語

貨物運輸需求的不斷增長，決定了提速技術的應用是鐵路貨物運輸發(fā)展的必然趨勢，也是緩解現(xiàn)有運能緊張局面的有力手段，而前期的研究與分析是提速技術應用的基礎。通過對轉 K5 型提速貨車轉向架搖枕橫向剛度的等效計算和仿真分析，說明本文的研究方法可用于鐵路提速技術與裝備的研究。

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[1] Intec Gmbh. SIMPACK User’s Manual[Z]. Wessling，Germany：Intec Gmbh，2001.

[2] 姜瑞金，王海榮. 轉K5型轉向架[J]. 鐵道車輛，2005，43(2)，7-8.

[3] 嚴雋耄，傅茂海. 車輛工程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2008.

[4] 北京交通大學. 提速后重車重心高度及貨物重心容許橫向偏移量試驗階段報告[R]. 北京：北京交通大學，2009.

1003-1421(2010)12-0085-03

U270.331

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2010-11-03

2010-11-16

馮姍姍