摘要
27 t轴重的侧架交叉支撑转向架和副构架径向转向架是中国最近研制的两种重载货车转向架。为研究比较两转向架的曲线性能,分析曲线几何参数、轨道谱激励对不同类型转向架轮轨动力的影响特性,综合考虑转向架结构形式、技术参数和重载曲线轨道相关要求,建立重载货车⁃轨道耦合动力学模型和曲线参数化模型。结果表明,副构架径向转向架曲线性能在小半径曲线(≤800 m)线路上具有相对优势,曲线半径越小,优势越明显,但增大曲线半径和施加线路谱激励均会弱化其优势;两种转向架对外轨超高和缓和曲线长度变化的动力响应趋势基本一致,都在欠超高(0~15 mm)范围内轮轨综合响应较小;缓和曲线长度对两者均存在拐点,且拐点近乎相同,如当速度为80 km/h,曲线半径为800 m时,计算拐点都是约50 m,与TB 10627—2017《重载铁路设计规范》标准中规定的缓和曲线长度最小取值一致。
侧架交叉支撑转向架和副构架径向转向架是我国分别消化吸收美国SCT⁃Barber侧架交叉支撑技术和南非Scheffel径向转向架技术的基础上自主研发的两种型式的铁路货车转向架。其中侧架交叉支撑式转向架为我国铁路主型货车转向架,利用该技术先后研制或改制的转向架主要有转8AG、转K2、转K6型和近期研制的27 t轴重的DZ1型转向
伴随着这两种货车转向架的设计、生产、试验及应用,围绕这两种货车转向架的相关理论和实验研究也不断涌现,给中国铁路货物运输及装备发展提供了相应的技术支持与安全保
本文基于车辆⁃轨道耦合动力学理
27 t轴重侧架交叉支撑转向架和副构架径向转向架仍采用传统的摇枕、侧架和轮对三大件式转向架结构,两种转向架的主要区别在于侧架交叉支撑转向架是在左右侧架间加装弹性交叉支撑装置,将左右侧架相连,以增加转向架的抗菱刚度;而副构架径向转向架则是在前后轮对间加装轮对径向装置,将前后轮对相连,实现前后轮对相互耦合,增加轮对的径向性能。两种转向架的结构如

图1 侧架交叉支撑转向架和副构架径向转向架
Fig.1 Side-frame cross-braced bogie and sub-frame radial bogie
由于两种转向架都是在三大件转向架的基础上通过加装不同的附加装置来实现相应功能,其动力学模型仍可采用以三大件转向架为基础的车辆⁃轨道耦合动力学模型,只需对交叉支撑装置和轮对径向装置采用等效的纵向和横向刚度进行弹性模拟即可,而其质量则分别等效到左右侧架和前后轮对上,不作为独立刚体部件参与振动分析运
典型的曲线轨道平面如

图2 典型曲线变化示意图
Fig.2 Schematic diagram of a typical curve line
所以,准确反映并确定出曲线线路状态,计算出车辆各刚体部件的相对位移和转动,是进行车辆曲线通过仿真计算的前提。中国缓和曲线一般采用三次抛物线型超高顺坡缓和曲线,即外轨超高h和曲率k都随缓和曲线长度线性变化,则各主要曲线参数计算公式可推导如
超高h
(1) |
曲率k
(2) |
侧滚角
(3) |
中心角γ
(4) |
顺坡角
(5) |
式中 l为车辆在各曲线段的走行距离,lh1和lh2为前后缓和曲线长度,为曲线外轨最大超高,ly为圆曲线长度,R0为圆曲线半径,为左右轮轨接触点距离之半。根据以上公式,即可实时计算出车辆各刚体部件的超高、侧滚、摇头、点头角及其速度和加速度,采用坐标变换,求出车辆各悬挂点相对位移、相对速度及悬挂力,然后代入车辆系统运动微分方程,即可进行车辆曲线通过的仿真计算。
车辆速度为80 km/h,分别计算曲线半径、外轨超高和缓和曲线长度变化三种工况,每种工况均考虑无线路谱激扰和我国京哈、京广、京沪三大重载提速干线轨道谱激励,具体工况如下:
计算曲线半径变化:中国TB 10625—2017《重载铁路设计规范》虽已明确规定重载铁路最小曲线半径不得小于600
计算外轨超高变化:曲线半径800 m,超高取值范围为0~150 mm,以15 mm等级递增,而前后缓和曲线长度和圆曲线长度分别为75 m和50 m。
计算缓和曲线长度变化:曲线半径仍为800 m,外轨超高按内、外轨磨耗均匀公式计算取值60 mm,圆曲线长度50 m,缓和曲线长度取值范围为20~120 m,并以10 m为等级递增进行计算。
中国京哈、京广、京沪三大重载提速干线轨道谱如

图3 京哈、京广、京沪三大重载提速干线轨道谱
Fig.3 Track spectrum of Beijing-Harbin, Beijing-Guangzhou and Beijing-Shanghai three heavy load speed-up trunk lines
曲线几何参数计算工况 | 曲线半径/m | 外轨超高/mm | 缓和曲线长度/m | 圆曲线长度/m |
---|---|---|---|---|
计算曲线 半径变化 | 350~1600 | 75 | 50 | |
计算外轨 超高变化 | 800 | 0~150 | 75 | |
计算缓和曲线长度变化 | 800 | 60 | 20~120 |





图 4 两转向架通过半径为600 m曲线时的轮轨动力响应
Fig.4 Wheel/rail dynamic response of both bogies negotiating a curve with radius of 600 m
由
从
从
从
曲线半径变化对两转向架轮轨动力响应的比较如






图5 曲线半径对两种转向架轮轨动力作用的影响
Fig.5 Effects of curve radius on wheel/rail dynamic interaction of two type freight bogies
从
从综合反映轮轨磨耗的
车辆通过曲线时,是欠或过超高通过公式计算确定。若hq(g)<0为欠超高,hq(g)>0为过超高,hq(g)=0为平衡超高。




图6 外轨超高对两种转向架轮轨动力作用的影响
Fig.6 Effects of rail superelevation on wheel/rail dynamic interaction of two type freight bogies
由
超高变化对两转向架轮轨磨耗功的影响比较如
研究表明,缓和曲线长度对轮轨动力作用的影响存在拐




图7 缓和曲线长度对两种转向架轮轨动力作用的影响
Fig.7 Effects of length of transition curve on wheel/rail dynamic interaction of two type freight bogies
由
由
缓和曲线长度变化对轮轴磨耗功的影响比较如
通过建立两种转向架类型货车‑轨道耦合动力学模型和曲线轨道参数化模型,仿真分析曲线几何参数和轨道谱激励对两种转向架曲线性能的影响比较,可得出以下结论:
(1)不考虑线路谱激扰时,副构架径向转向架的曲线性能具有相对优势,且曲线半径越小,优势越明显。线路谱激扰会明显加剧轮轨动力作用,但径向转向架的响应增幅更明显,部分指标甚至超过了交叉支撑转向架,说明副构架径向转向架对线路谱激扰更为敏感,受线路谱的影响也更大。
(2)副构架径向转向架的曲线性能在小半径曲线(R≤800 m)上具有相对优势,且曲线半径越小,优势越明显,但随着曲线半径增大以及线路谱激扰影响,这种优势会明显弱化。
(3)两转向架对超高变化的响应特性基本一致,即过大的欠或过超高均会加剧轮轨动力作用,均是欠超高在0~15 mm范围内时,两者的综和轮轨动力响应较小。
(4)两转向架对缓和曲线长度变化的响应特性也差异较小,拐点近乎相同。当速度为80 km/h,曲线半径为800 m时,综合各指标两转向架的计算拐点都是约50 m,与TB 10627-2017《重载铁路设计规范》标准中规定的缓和曲线长度最小取值一致。
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