張隸新

軸箱內(nèi)置和外置高速轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能對比

張隸新1, 2

(1. 中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2. 河北省軌道車輛轉(zhuǎn)向架技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 唐山 063035)

根據(jù)懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)向架分為軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架和軸箱外置轉(zhuǎn)向架。相對于軸箱外置轉(zhuǎn)向架，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小，有利于降低輪軌磨耗和通過小半徑曲線，具有良好的線路適應(yīng)性。針對時速350 km/h貨運動車組，考慮高鐵線路和既有線路運行工況，通過動力學(xué)仿真軟件SIMPACK計算車輛分別采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架和軸箱外置轉(zhuǎn)向架的輪軌力和車輪磨耗，對比分析2種轉(zhuǎn)向架的安全性、平穩(wěn)性以及線路適應(yīng)性。研究結(jié)果表明：在保證2種轉(zhuǎn)向架具有相同蛇行運動穩(wěn)定性即臨界速度的前提下，與軸箱外置轉(zhuǎn)向架相比，內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的輪軌力降低20%以上，車輪磨耗量和踏面磨耗深度降低30%以上，充分體現(xiàn)了軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能優(yōu)越性。

高速列車；軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架；動力學(xué)；輪軌力；車輪磨耗

高速列車的動力學(xué)性能決定了車輛的最高運行速度、運行安全性和運行品質(zhì)。不同運行速度級的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)都有差別，高速轉(zhuǎn)向架根據(jù)軸箱懸掛系統(tǒng)裝配在車輪內(nèi)側(cè)還是外側(cè)分為軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架和軸箱外置轉(zhuǎn)向架2種[1]。目前高速列車主要采用軸箱外置轉(zhuǎn)向架，而軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架主要用于城軌列車[2]。許多學(xué)者對采用軸箱外置轉(zhuǎn)向架的高速列車進(jìn)行了動力學(xué)性能及線路運行適應(yīng)性分析，ZENG等[3]通過建立考慮輪軌接觸非線性的高速列車模型來研究車輛在直線和曲線軌道上的蛇形穩(wěn)定性，研究表明，列車失穩(wěn)臨界速度隨著曲線軌道半徑和外軌超高的增加而增加。孫剛[4]通過有限元方法，自由度縮減理論以及多體動力學(xué)理論建立高速列車剛?cè)狁詈夏Ｐ?，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析傳動系統(tǒng)的動力學(xué)特性。魏來等[5]提出一種輪軌力間接測量方法，利用軸箱加速度、一系懸掛相對位移以及轉(zhuǎn)臂應(yīng)變等測試量反推輪軌力，評估列車脫軌安全性。石懷龍等[6]開展了研究長期服役動力學(xué)性能的線路試驗，結(jié)果表明車輪磨耗和輪軌匹配等效錐度隨運營里程呈線性增長。馬曉川等[7]等計算分析了LMA型面的車輪在不同磨耗程度下與60N鋼軌匹配時高速列車運行的平穩(wěn)性指標(biāo)，以及曲線通過時的脫軌系數(shù)、輪重減載率。羅仁等[8]研究了高速動車組運動穩(wěn)定性和線路適應(yīng)性，認(rèn)為輪軌匹配關(guān)系和車輛懸掛參數(shù)是影響高速動車組線路運行適應(yīng)性最重要的2種因素。與軸箱外置轉(zhuǎn)向架相比，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架由于軸箱懸掛系統(tǒng)位于輪對內(nèi)側(cè)，縮短了車軸長度，使得車輛一系簧下質(zhì)量減少，具有改善車輛曲線通過性能和降低輪軌磨耗等優(yōu)點[9?11]。為進(jìn)一步提高高速列車的線路適應(yīng)性，使其既能在高鐵線路上運行，又能在既有線路上運行，并保證高速列車在2種線路上的動力學(xué)性能和輪軌磨耗優(yōu)于既有車輛，可能需要采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架技術(shù)。目前，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架主要用于高速列車的拖車，動車則仍使用外置轉(zhuǎn)向架。德國是最先將內(nèi)側(cè)懸掛轉(zhuǎn)向架應(yīng)用于輕軌車輛的國家，具有較完善的設(shè)計理論和豐富的實踐經(jīng)驗[12]。目前我國尚未在實際運營中采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架，僅對其進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析[13?14]。本文針對最高速度350 km/h貨運動車組，考慮高鐵線路和既有線路運行工況，采用動力學(xué)仿真，對比分析了車輛分別采用軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架和軸箱外置轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能，重點評價輪軌力指標(biāo)和車輪磨耗指標(biāo)。

1 車輛系統(tǒng)動力學(xué)建模

時速350 km/h貨運動車組內(nèi)置軸箱轉(zhuǎn)向架主要包括枕梁、構(gòu)架、輪對、軸箱懸掛裝置、中央懸掛裝置、制動和牽引裝置。軸箱懸掛裝置包括下拉桿定位、軸箱彈簧和一系垂向減振器，列車制動方式為輪盤制動。與傳統(tǒng)的外置轉(zhuǎn)向架相比，構(gòu)架的2根縱向大梁間距變小，橫梁變短。由于2車輪之間空間有限，只安裝了一個軸制動盤，轉(zhuǎn)向架總質(zhì)量減小。

(a) 軸箱外置；(b) 軸箱內(nèi)置

車輛建模及其動力學(xué)仿真在動力學(xué)仿真軟件SIMPACK中進(jìn)行，采用軸箱外置轉(zhuǎn)向架和內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的車輛系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型如圖1所示，2個動力學(xué)模型的車體參數(shù)相同，轉(zhuǎn)向架參數(shù)不同。鋼軌采用標(biāo)準(zhǔn)CN60鋼軌和CN60D標(biāo)準(zhǔn)打磨鋼軌?？紤]2種典型的車輪踏面與之匹配，來模擬新鏇車輪踏面后較低的等效錐度狀態(tài)，以及車輪磨耗到限時的大等效錐度狀態(tài)。LMB10新踏面與CN60D鋼軌匹配的等效錐度0.09，LMB10磨耗后踏面與CN60鋼軌匹配的等效錐度接近0.45。

2 輪軌力及車輪磨耗評價方法

2.1 輪軌力指標(biāo)

輪軌力評價指標(biāo)包括輪軸橫向力和輪軌橫向力，通過車輛系統(tǒng)動力學(xué)仿真計算，獲得輪軸橫向力評定值。其方法如下：

1) 獲得高鐵線路工況和既有線路工況下各條輪對的輪軸橫向力時間歷程，然后進(jìn)行2 m滑動平均處理。

2) 取采樣數(shù)據(jù)絕對值累計頻次曲線對應(yīng)99.85%的值，為每條輪對的輪軸橫向力最大值。

3) 將一輛車4條輪對中最大的輪軸橫向力作為評定值。

輪軌橫向力的計算同輪軸橫向力計算。

2.2 車輪磨耗指標(biāo)

車輪磨耗評定指標(biāo)包括車輪磨耗數(shù)和踏面磨耗深度，車輪磨耗數(shù)M等于蠕滑力與相應(yīng)蠕滑率乘積的絕對值之和，單位為N。本次計算分析中，將4條輪對磨耗數(shù)的最大平均值作為評價指標(biāo)。

踏面磨耗深度計算則通過設(shè)置特定的線路條件和計算工況，采用動力學(xué)仿真模擬高速列車在整個鏇輪周期內(nèi)的車輪磨耗發(fā)展過程，得到車輪踏面的磨耗后外形，從而可以計算踏面、輪緣位置的最大磨耗深度、踏面的磨耗面積等指標(biāo)。踏面磨耗深度表示為[15]：

式中：為磨耗系數(shù)；r為輪軌磨耗功率；為車輪材料密度；為接觸斑半徑；0為車速。

3 動力學(xué)仿真計算及對比分析

仿真計算車輛在高鐵線路和既有線路2種工況下的輪軌力和車輪磨耗數(shù)，每個工況都考慮線路條件、輪軌匹配極端狀態(tài)、載荷、不同運行速度等因素的影響。因為既有線上的最高運行速度比高鐵線上的低，曲線半徑變小，所以在分析既有線工況時考慮了更多比例的小半徑曲線線路。為了方便比較，這里僅給出每種典型曲線、不同運行速度下的指標(biāo)最大值，這個最大值不一定對應(yīng)最高速度。

3.1 輪軌力評估

3.1.1 輪軸橫向力

高鐵線路和既有線路2種工況下的輪軸橫向力計算結(jié)果如表1和表2所示，結(jié)果表明在不同條件下，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的輪軸橫向力均小于軸箱外置轉(zhuǎn)向架，高鐵線路平均減少19.0%，既有線路平均減少20.7%，說明軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能更好，線路適應(yīng)性更強(qiáng)。

表1 輪軸橫向力高鐵線工況

表2 輪軸橫向力既有線工況

3.1.2 輪軌橫向力

2種工況下的輪軌橫向力計算結(jié)果如表3和表4所示，對比結(jié)果可知軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的輪軌橫向力亦小于軸箱外置轉(zhuǎn)向架。高鐵線路平均減小27.8%，既有線路平均減少23.5%。

表3 輪軌橫向力高鐵線工況

表4 輪軌橫向力既有線工況

3.2 車輪磨耗評估

3.2.1 車輪磨耗數(shù)

不同類型轉(zhuǎn)向架在相同邊界條件下模擬了10次磨耗過程。對比10次磨耗過程的平均指標(biāo)，就得到車輪磨耗數(shù)。車輪磨耗數(shù)計算結(jié)果如表5和表6所示，對比結(jié)果表明內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的車輪磨耗顯著低于外置轉(zhuǎn)向架，在直線及各種半徑曲線上平均降低30%以上?？偨Y(jié)軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架車輪磨耗數(shù)比軸箱外置轉(zhuǎn)向架明顯減小的原因如下：1) 軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)緊湊，構(gòu)架橫向跨距由傳統(tǒng)的2 m縮減為1 m左右，構(gòu)架質(zhì)量及慣量降低40%以上；此外，由于軸箱位于車輪內(nèi)側(cè)，車軸長度也減小、質(zhì)量也降低；2) 一系懸掛的橫向跨距也縮減至外置轉(zhuǎn)向架的一半左右，則輪對搖頭定位剛度縮小至外置轉(zhuǎn)向架的四分之一，有利于輪對趨于徑向位置，對降低小半徑曲線上的輪軌磨耗十分有利；3) 適當(dāng)縮減內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的軸距也有利于通過小半徑曲線和降低輪軌作用力及磨耗。

表5 車輪磨耗數(shù)高鐵線工況

表6 車輪磨耗數(shù)既有線工況

3.2.2 踏面磨耗深度

車輪踏面磨耗深度計算考慮3種典型的運營狀態(tài)：最高時速350 km/h高鐵線路運營、最高時速250 km/h客專線路運營和最高時速160 km/h的既有線路運營。本文針對2種轉(zhuǎn)向架都采用相同的運營條件以便于對比分析。

不同運營狀態(tài)下2種轉(zhuǎn)向架的車輪踏面最大平均磨耗深度計算結(jié)果如表7至表9所示，結(jié)果對比如圖2～圖4，對比可知：

1) 在不同的最高運行速度下，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的踏面磨耗深度均小于軸箱外置轉(zhuǎn)向架。說明軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能和線路適應(yīng)性優(yōu)于外置轉(zhuǎn)向架。

2) 對最高時速350 km/h高鐵線工況，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的踏面磨耗深度平均減少23.09%；對最高時速250 km/h客專線工況，平均減少27.08%；對最高時速160 km/h既有線工況，平均減少39.90%。既有線運營時內(nèi)外置軸箱的踏面磨耗深度差異最大，客專線次之，高鐵線最小。這是由于最高運行速度越低的運營工況考慮了更多小半徑曲線，曲線半徑越小車輪磨耗越嚴(yán)重，這導(dǎo)致了踏面磨耗加劇，而內(nèi)置轉(zhuǎn)向架質(zhì)量更小、線路適應(yīng)性更強(qiáng)，輪軌力也越小，使得內(nèi)外置轉(zhuǎn)向架的磨耗差異更大。

2) 隨著運營里程增加，磨耗深度的減小比例越來越小。當(dāng)列車在客專線路和高鐵線路上運營里程超過25萬km時，2種轉(zhuǎn)向架的車輪磨耗深度的增長速度都開始變快。

表7 350 km/h高鐵線路踏面最大平均磨耗深度

圖2 350 km/h高鐵線路踏面最大平均磨耗深度

表8 250 km/h客專線路踏面最大平均磨耗深度

圖3 250 km/h客專線路踏面最大平均磨耗深度

表9 160 km/h既有線路踏面最大平均磨耗深度

圖4 160 km/h既有線路踏面最大平均磨耗深度

4 結(jié)論

1) 在線路條件、載荷和運行速度等因素的影響下，不論高鐵線工況還是既有線工況，軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的輪軌橫向力和輪軸橫向力均低于軸箱外置轉(zhuǎn)向架。表明軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能優(yōu)于軸箱外置轉(zhuǎn)向架，內(nèi)置轉(zhuǎn)向架能有效地提高高速列車線路運行適應(yīng)性，提高列車運行安全性，降低車輪磨耗，改善輪軌接觸關(guān)系并提高乘車舒適性。

2) 當(dāng)列車最高運行速度≥250 km/h，運營里程大于25萬km時，2種轉(zhuǎn)向架的車輪磨耗深度增長速度均變快，這說明在一定運行范圍內(nèi)軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架能有效降低車輪磨耗，使車輪鏇修周期變長，延長了車輪使用壽命。

3) 與高鐵線路相比，車輛在既有線及客專線上運營時，運行速度降低，計算時考慮的小半徑曲線比例更大，同時線路不平順幅值增大，所以計算出的車輪磨耗指標(biāo)也更大，且內(nèi)外置轉(zhuǎn)向架差異更明顯。車輪磨耗是由多種因素共同作用產(chǎn)生的，要驗證軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架能否廣泛應(yīng)用于高速列車，還需要綜合車輛模態(tài)、列車運行環(huán)境及線路條件等因素做進(jìn)一步研究。

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Dynamics analysis of high-speed railway bogies with inner bearing and outer bearing suspensions

ZHANG Lixin1, 2

(1. CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, China;2. Hebei Railway Vehicle Bogie Technology Innovation Center, Tangshan 063035, China)

According to the structure types of vehicle suspension system, bogie is divided into the inner bearing bogie and outer bearing bogie. Compared with the outer bearing bogie, the inner bearing bogie has a more compact structure and little mass, which is conducive to pass small radius curved track and reduce wheel wear. The inner bearing bogie has better running adaptability. In this paper, the high-speed EMU at the speed of 350 km/h was taken as the research object. Considering the operating conditions of high-speed railway lines and existing lines, the wheel-rail force and wheel wear of the inner bearing bogie and outer bearing bogie have been calculated in dynamics simulation software SIMPACK. We have also compared the safety, stationarity and running adaptability performance of the two bogies. As the results shows, under the premise that the two bogies have the same hunting stability, that is, the critical speed. The wheel-rail force of the inner bearing bogie is reduced by more than 20% compared with the outer bearing bogie, and the wheel wear and tread wear depth are reduced by more than 30%.The results fully demonstrate the dynamic performance superiority of the inner bearing bogie.

high-speed train; inner bearing bogie; dynamic; wheel-rail force; wheel wear

U27

A

1672 ? 7029(2021)03 ? 0581 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200385

2020?05?09

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFB1201702)

張隸新(1974?)，男，河北唐山人，高級工程師，從事轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)；E?mail：sjc-zhanglixin@tangche.com

(編輯 涂鵬)